麻省理工在超低功耗水下通信技术研究方面获得进展

发布：cyqdesign 2023-09-22 21:28 阅读：766

日前，麻省理工研究人员展示了首个超低功耗水下联网和通信系统，该系统可在千米范围内传输信号。这项技术是研究人员几年前开始研发的，其耗电量约为现有水下通信方法的百万分之一。通过扩大无电池系统的通信范围，研究人员使这项技术在水产养殖、沿海飓风预测和气候变化建模等应用中变得更加可行。

电子工程与计算机科学系副教授、麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组主任法德尔-阿迪布（Fadel Adib）说："几年前，水下通信的功率降低了一百万倍，这是一个非常令人兴奋的想法，但现在却变得切实可行。虽然仍有一些有趣的技术挑战需要解决，但从我们现在所处的位置到部署，已经有了一条清晰的道路。”

该设备是一个压电传感器阵列，可实现无电池水下通信。

水下反向散射通过将数据编码在声波中，然后反射或散射回接收器，从而实现低功耗通信。这些创新技术使反射信号能够更精确地指向信号源。

由于这种"反向指向性"，散射到错误方向的信号更少，从而实现了更高效、更远距离的通信。在河流和海洋中进行测试时，反向定向装置的通信距离是以前装置的 15 倍以上。不过，实验受到了研究人员可用码头长度的限制。

为了更好地了解水下反向散射的极限，研究小组还开发了一个分析模型来预测该技术的最大范围。他们利用实验数据对该模型进行了验证，结果表明，他们的反向定向系统可以在千米范围内进行通信。

研究人员在两篇论文中分享了这些发现，这两篇论文将在今年的 ACM SIGCOMM 和 MobiCom 会议上发表。阿迪布是这两篇论文的资深作者，与他共同撰写SIGCOMM论文的还有前博士后、现密歇根大学助理教授阿琳-艾德（Aline Eid）和研究助理杰克-拉德马赫（Jack Rademacher），以及研究助理瓦利德-阿克巴（Waleed Akbar）、王璞睿（Purui Wang）和博士后艾哈迈德-阿拉姆（Ahmed Allam）。MobiCom论文的共同第一作者也是Akbar和Allam。

利用声波进行通信

水下反向散射通信设备利用"压电"材料制成的节点阵列来接收和反射声波。这些材料在受到机械力作用时会产生电信号。

当声波撞击节点时，它们会振动并将机械能转化为电荷。节点利用电荷将部分声波能量散射回声源，传输数据，接收器根据反射序列对数据进行解码。但是，由于背向散射信号会向各个方向传播，只有一小部分能到达声源，从而降低了信号强度，限制了通信范围。

为了克服这一难题，研究人员利用了一种已有70 年历史的无线电设备——范阿塔阵列，在这种设备中，对称的一对天线以这样一种方式连接起来，使阵列能将能量反射回信号来源的方向。

然而，将压电节点连接起来组成范阿塔阵列会降低其效率。研究人员通过在成对连接的节点之间放置一个变压器，避免了这一问题。变压器将电能从一个电路传输到另一个电路，使节点能够将最大能量反射回源。

艾德解释说："两个节点都在接收，两个节点都在反射，因此这是一个非常有趣的系统。随着该系统中元件数量的增加，你可以建立一个阵列，从而实现更远的通信距离。"

此外，他们还使用了一种名为跨极性切换的技术，在反射信号中编码二进制数据。每个节点都有一个正极和一个负极（就像汽车电池），因此当两个节点的正极相连，两个节点的负极相连时，反射信号就是"1 位"。

但如果研究人员调换极性，将负极和正极相互连接，那么反射信号就是"零位"。

Rademacher 解释道："仅仅将压电节点连接在一起是不够的。通过交替改变两个节点的极性，我们就能将数据传输回远程接收器"。

在建造 Van Atta 阵列时，研究人员发现如果连接的节点太近，就会相互屏蔽信号。他们设计了一种节点交错的新设计，使信号可以从任何方向到达阵列。采用这种可扩展的设计，阵列的节点越多，通信范围就越大。

他们与伍兹霍尔海洋研究所合作，在马萨诸塞州剑桥市的查尔斯河和马萨诸塞州法尔茅斯海岸附近的大西洋上对阵列进行了1500多次实验测试。该装置的通信距离达到300米，比他们之前展示的距离长15倍多。

不过，由于码头空间不够，他们不得不缩短实验时间。

模拟最大值

这启发了研究人员建立一个分析模型，以确定这种新型水下反向散射技术的理论和实际通信极限。在他们小组研究射频识别（RFID）的基础上，研究小组精心制作了一个模型，以捕捉系统参数（如压电节点的大小和信号的输入功率）对设备水下工作范围的影响。

阿克巴说："这不是一种传统的通信技术，因此你需要了解如何量化反射。不同组件在这一过程中的作用是什么？"例如，研究人员需要推导出一个函数，捕捉特定尺寸的水下压电节点反射出的信号量，这是开发模型的最大挑战之一。

他们利用这些见解创建了一个即插即用的模型，用户可以输入输入功率和压电节点尺寸等信息，并获得显示系统预期范围的输出。

他们根据实验数据对模型进行了评估，发现该模型可以准确预测逆向声学信号的范围，平均误差小于 1 分贝。利用这一模型，他们发现水下反向散射阵列有可能实现千米长的通信距离。

阿迪布说："我们正在创造一种新的海洋技术，并将其推向我们一直在做的 6G 蜂窝网络领域。对我们来说，这是一件非常有意义的事情，因为我们现在已经开始看到这种技术非常接近现实。"

研究人员计划继续研究水下反向散射 Van Atta 阵列，或许可以使用船只，这样他们就能评估更远的通信距离。同时，他们还打算发布工具和数据集，以便其他研究人员在此基础上开展工作。与此同时，他们也开始向这项技术的商业化迈进。

加州大学洛杉矶分校计算机科学助理教授奥米德-阿巴里（Omid Abari）说："射程有限一直是水下反向散射网络的一个公开问题，阻碍了它们在现实世界中的应用。这篇论文使水下通信在实现远距离传输的同时以最小的能量运行，从而在未来的水下通信领域迈出了重要的一步。这篇论文首次将 Van Atta Reflector 阵列技术引入水下反向散射环境，并展示了该技术在将通信距离提高几个数量级方面的优势。这可以让无电池水下通信离现实更近一步，从而实现水下气候变化监测和海岸监测等应用"。

关键词：通信

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