MIT研究員破解水下-空中通訊障礙 「以毒攻毒」將障礙轉化為通訊媒介

麻省理工學院的研究人員已經朝著解決無線通信的長期挑戰向前邁出了一步:水下和空中設備之間的直接數據傳輸。

如今，水下感測器無法與陸地感測器共享數據，因為兩種感測器使用只在各自的介質中工作不同無線信號。通過空氣傳播的無線電信號在水中很快就會消失。水下設備發出的聲波信號，或稱聲納，基本上會被水面反射回去，而不會穿透水面。這導致了各種應用的效率低下和其他問題，例如海洋勘探和水下-地面通信。

在本周SIGCOMM會議上發表的一篇論文中，麻省理工學院媒體實驗室的研究人員設計了一個系統，以一種新穎的方式解決了這個問題。水下發射器將聲納信號傳送到水面，引起水面微小的震動。在水面上，一個高度敏感的接收器讀取這些微小的震動並解碼聲納信號。

媒體實驗室的助理教授，領導這項研究的Fadel Adib說：「試圖讓無線信號跨越空氣-水邊界一直是一個障礙。我們的想法是將障礙本身轉化為一種通訊的媒介。」他與研究生Francesco Tonolini共同撰寫了這篇論文。

Adib說，這個被稱為「翻譯聲學-射頻通信」(TARF)的系統仍處於早期階段。但它代表了一個「里程碑」，他說，這可能會開啟新的水下-空中通訊方式。例如，使用這種系統，軍用潛艇就不需要浮出水面與飛機進行通信，從而暴露它們的位置。監測海洋生物的水下無人潛水飛機不需要從深海不斷地重新浮出水面，向研究人員發送數據。

另一個有前景的應用是幫助搜尋在水下失蹤的潛水飛機。Adib說:「聲學發射信標可以在飛機的黑匣子中進行。如果它每隔一段時間就發送一次信號，你就能利用這個系統接收到信號。」

解讀振動信息

今天在這個無線通信問題上的技術解決方案有很多缺點。例如，浮標被設計用來接收聲納波，處理數據，並向機載接收器發射無線電信號。但它們可能會漂走並消失。許多浮標還被要求覆蓋大面積的區域，這使得它們在水下-水面通信等方面不可行。

TARF包括一個水下聲音發射器，它使用一個標準的聲學揚聲器發送聲納信號。信號以不同頻率的壓力波的形式傳播，並對應於不同的數據位。例如，當發射器想發送0時，它可以發送以100赫茲傳播的波;對於1，它可以發送200赫茲的波。當信號到達水面時，會在水中產生微小的波紋，高度只有幾微米，與這些頻率相對應。

為了獲得較高的數據傳輸速率，該系統在無線通信中採用一種稱為正交頻分復用的調製方案，同時傳輸多個頻率。這使得研究人員可以同時傳輸數百位數據。

位於發射器的上方空中的是一種新型的極高頻雷達，它在30至300千兆赫之間的無線傳輸毫米波頻譜中處理信號。(這就是即將到來的高頻5G無線網路將要運行的頻段。)

這台看起來像兩個圓錐的雷達發射無線電信號，然後反射振動水面並最終反射回雷達。由於信號與表面振動的碰撞方式，信號返回的角度略有調整，與聲納信號發送的數據位完全一致。例如，水面上的一個0比特的振動會導致反射信號的角度以100赫茲振動。

Adib說:「只要有任何形式的位移，比如水面上的位移，雷達反射就會有所不同。通過捕捉這些微小的角度變化，我們可以捕捉到與聲納信號對應的這些變化。」

捕捉微小振動

一個關鍵的挑戰是幫助雷達探測水面。為了做到這一點，研究人員使用了一種可以探測環境中反射的技術，並通過距離和功率來組織反射。由於水在新系統環境中有最強大的反射，雷達可以探測到水面的距離。一旦建立起來，它就會放大那個距離上的振動，而忽略了周圍所有的干擾。

下一個主要挑戰是捕捉被更大的自然波包圍的微米波。在平靜的日子裡，最小的海洋漣漪，被稱為毛細管波，只有2厘米高，但比發射器產生的水面震動大10萬倍。波濤洶湧的海洋可以產生比它大100萬倍的海浪。「這干擾了水面微小的聲波振動，」Adib說。「就好像有人在尖叫，而你卻同時試圖想要聽到有人竊竊私語的內容。」

為了解決這個問題，研究人員開發了複雜的信號處理演算法。自然波頻率大約為1或2赫茲。然而，100到200赫茲的聲納震動要快100倍。由於這種頻率差異，演算法只關注快速移動的波，而忽略慢速的波。

水域試驗

研究人員在麻省理工學院的一個水箱和兩個不同的游泳池中進行了500次TARF測試。

在水箱中，雷達被放置在水面20厘米到40厘米之間的上空，聲納發射器被放置在水面5厘米到70厘米之間。在水池中，雷達被放置在水面上空30厘米處，而發射器被則放置在水下3.5米處。在這些實驗中，研究人員還讓游泳者產生了高達16厘米的水浪。

在這兩種情況下，TARF都能夠準確地解碼各種數據——比如句子「Hello!」(來自水下)-每秒數百比特，類似於水下通信的標準數據速率。Adib說:「即使有游泳者在附近游泳，造成干擾和水流，我們仍然能夠快速準確地解碼這些信號。」

然而，在高於16厘米的水浪中，這個系統無法解碼信號。接下來的步驟包括，改進系統，使其在更惡劣水域環境下也能正常工作。「它能在應對平靜的水面，也能應對某些水波擾動。但(為了使其切實可行)，我們需要這種方法在任何天氣、任何時間都能奏效。

研究人員還希望，他們的系統最終能讓無人機或飛機在水面上快速飛行時可以不斷地接收和解碼聲納信號。

這項研究部分得到了美國國家科學基金會的支持。

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