淹没的信号：麻省理工学院水下通信技术的开拓性发展

近日，麻省理工学院的研究人员验证了第一个超低功耗水下网络和通信系统，它可以跨公里距离进行传输信号，帮助监测气候和沿海的变化。

研究人员几年前就开始开发的这项技术，其功率约为现有水下通信方法的百万分之一。通过扩展无电池系统的通信范围，研究人员使这项技术更加适用于水产养殖、沿海飓风预测以及气候变化建模等应用中。

“早在几年前，我们开始了一个非常令人兴奋的智慧想法——百万倍低功率的水下通信——现在既实用又现实。”麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组主任、电气工程和计算机科学系副教授Fadel Adib认为：“目前仍有一些有趣的技术挑战需要解决，但对于向哪里部署我们已经有一条清晰的道路。”

水下反向散射的力量

水下反向散射通过解码声波中的数据并将其反射或散射回接收器，实现低功耗的通信。这些创新过程使得反射信号能够更加精确地指向其源头。由于这种“反向方向性”，信号会更少散射到错误方向，完成更加高效远距离的通信。

在河流和海洋中测试时，逆向装置展现出的通信范围是此前设备范围的15倍以上。不过，实验还是受到了研究人员可用码头长度的限制。

为更好地了解水下反向散射的极限，研究团队同时开发了一个分析模型来预测这项技术的最大范围。运用实验数据验证的模型表明，他们的反方向系统可以跨越公里尺度的距离进行通信。

水下反向散射通信设备运用“压电”材料制成的一系列节点来接收和反射声波。当传输机械力时，这些材料就会产生电信号。当声波撞击节点，它们就会振动并将机械能转换为电荷。节点使用电荷将一些声能散射回到源头，并将接收器根据反射序列编码的数据进行传输。

但由于反向散射信号向各个方向传播，只有一小部分到达源头，降低了信号强度并限制了通信范围。为了克服这一挑战，研究人员利用了一个有70年历史被称为Van Atta的阵列无线电设备，其中阵列可以将能量反射回它来的方向，所以其中对称的天线会以这种方式相连接。

不过，连接压电节点来制造Van Atta阵列会降低其效率。因此，研究人员通过在成对连接的节点之间放置变压器来避免这个问题。变压器将电能从一个电路传输到另一个电路，使节点将最大能量反射回源头。

此外，他们使用了一种称为“跨两极切换”的技术来编码反射信号中的二进制数据。每个节点都有一个正极和一个负极（如汽车电池），所以当两个节点的正极与两个节点的负极相连时，所反射信号是“位一”。但是，如果研究人员切换极性，并且负极和正极相互连接，那么反射就是“位零”。

在建立Van Atta阵列时，研究人员发现，如果相连的节点太近，它们会阻挡彼此的信号。所以他们提出了一种带有交错节点的新设计，使信号能够从任何方向到达阵列。有了这种可扩展的设计，阵列的节点越多，可通信的范围就越广。

建模最大值

受到启发的研究人员建立起一个分析模型，确定这种新的水下反向散射技术的理论与实践的通信限度。研究人员在射频识别的基础上，精心制作了一个模型，用来捕获系统参数（如压电节点的大小和信号的输入功率）对设备水下操作范围的影响。

研究人员表示，他们需要推导出一个函数，用以捕获特定尺寸的水下压电节点反射的信号量，这是开发该模型的最大挑战之一。利用这些想法，他们创建了一个即插即用的模型，用户可以在其中传输输入功率和压电节点尺寸等信息，并接收那些显示超出系统预计范围的输出。

他们根据试验的数据评估了模型，发现它可以准确预测平均误差小于1分贝的逆向声学信号范围。通过模型显示，水下反向散射阵列有可能达到公里长的通信范围。

“我们正在创造一种新的海洋技术，并将其推进到我们一直在为6G蜂窝网络所做的工作领域。对我们来说，这是非常有益的，因为我们开始看到这一切正在接近现实”，研究人员表示。

研究人员计划继续研究水下反向散射Van Atta阵列，或许使用船只，这样他们就可以评估更长的通信范围。在此过程中，他们计划发布工具和数据集，以便其他研究人员可以借鉴他们的工作成果。同时，他们正开始转向这项技术的商业化。

编译自《Scitech》

本文刊登于《中国民商》杂志2023年9月刊