麻省理工學院的研究人員展示了首個超低功耗水下連網和通訊系統，可在千米範圍內傳輸訊號。這項技術是研究人員幾年前開始研發的，其耗電量約為現有水下通訊方法的百萬分之一。透過擴大無電池系統的通訊範圍，研究人員使這項技術在水產養殖、沿海颶風預測和氣候變遷建模等應用中變得更加可行。

“幾年前，水下通訊的功率降低了一百萬倍，這是一個非常令人興奮的想法，但現在卻變得切實可行。電子工程與電腦科學系副教授、麻省理工學院媒體實驗室訊號動力學小組主任法德爾-阿迪布（Fadel Adib）說：「雖然仍有一些有趣的技術挑戰需要解決，但從我們現在所處的位置到部署，已經有了一條清晰的道路。

該設備是一個壓電感測器陣列，可實現無電池水下通訊。圖片來源：研究人員提供

水下反向散射透過將資料編碼在聲波中，然後反射或散射回接收器，從而實現低功耗通訊。這些創新技術使反射訊號能夠更精確地指向訊號源。

由於這種”反向指向性”，散射到錯誤方向的訊號更少，從而實現了更有效率、更遠距離的通訊。在河流和海洋中進行測試時，反向定向裝置的通訊距離是先前裝置的15 倍以上。不過，實驗受到了研究人員可用碼頭長度的限制。

為了更好地了解水下反向散射的極限，研究小組還開發了一個分析模型來預測該技術的最大範圍。他們利用實驗數據對該模型進行了驗證，結果表明，他們的反向定向系統可以在千米範圍內進行通訊。

研究人員在兩篇論文中分享了這些發現，這兩篇論文將在今年的ACM SIGCOMM 和MobiCom 會議上發表。阿迪布是這兩篇論文的資深作者，與他共同撰寫SIGCOMM論文的還有前博士後、現密西根大學助理教授阿琳-艾德（Aline Eid）和研究助理傑克-拉德馬赫（Jack Rademacher），以及研究助理瓦利德-阿克巴（Waleed Akbar）、王璞睿（Purui Wang）和博士後艾哈邁德-阿拉姆（Ahmed Allam）。MobiCom論文的共同第一作者也是Akbar和Allam。

三名團隊成員在伍茲霍爾研究所進行實驗。圖片來源：研究人員提供

利用聲波進行通信

水下反向散射通訊設備利用”壓電”材料製成的節點陣列來接收和反射聲波。這些材料在受到機械力作用時會產生電訊號。

當聲波撞擊節點時，它們會振動並將機械能轉化為電荷。節點利用電荷將部分聲波能量散射迴聲源，傳輸數據，接收器根據反射序列對數據進行解碼。但是，由於背向散射訊號會向各個方向傳播，只有一小部分能到達聲源，從而降低了訊號強度，限制了通訊範圍。

為了克服這個難題，研究人員利用了一種已有70 年歷史的無線電設備–範阿塔陣列，在這種設備中，對稱的一對天線以這樣一種方式連接起來，使陣列能將能量反射回訊號來源的方向。

然而，將壓電節點連接起來組成範阿塔陣列會降低其效率。研究人員透過在成對連接的節點之間放置一個變壓器，避免了這個問題。變壓器將電能從一個電路傳輸到另一個電路，使節點能夠將最大能量反射回源。

“兩個節點都在接收，兩個節點都在反射，因此這是一個非常有趣的系統。”艾德解釋說：”隨著該系統中元件數量的增加，你可以建立一個陣列，從而實現更遠的通訊距離。”

此外，他們還使用了一種名為跨極性切換的技術，在反射訊號中編碼二進位資料。每個節點都有一個正極和一個負極（就像汽車電池），因此當兩個節點的正極相連，兩個節點的負極相連時，反射訊號就是”1 位元”。

但如果研究人員調換極性，將負極和正極相互連接，那麼反射訊號就是”零位”。

“僅僅將壓電節點連接在一起是不夠的。透過交替改變兩個節點的極性，我們就能將資料傳回遠端接收器，”Rademacher 解釋。

在建造Van Atta 陣列時，研究人員發現如果連接的節點太近，就會相互屏蔽訊號。他們設計了一種節點交錯的新設計，使訊號可以從任何方向到達陣列。採用這種可擴展的設計，陣列的節點越多，通訊範圍就越大。

他們與伍茲霍爾海洋研究所合作，在馬薩諸塞州劍橋市的查爾斯河和馬薩諸塞州法爾茅斯海岸附近的大西洋上對陣列進行了1500 多次實驗測試。該裝置的通訊距離達到300 米，比他們之前展示的距離長15 倍以上。

不過，由於碼頭空間不夠，他們只好縮短實驗時間。

模擬最大值

這啟發了研究人員建立一個分析模型，以確定這種新型水下反向散射技術的理論和實際通訊極限。在他們小組研究無線射頻辨識（RFID）的基礎上，研究小組精心製作了一個模型，以捕捉系統參數（如壓電節點的大小和訊號的輸入功率）對設備水下工作範圍的影響。

「這不是一種傳統的通訊技術，因此你需要了解如何量化反射。不同組件在這過程中的作用是什麼？」阿克巴說。例如，研究人員需要推導出一個函數，捕捉特定尺寸的水下壓電節點反射出的訊號量，這是開發模型的最大挑戰之一。

他們利用這些見解創建了一個即插即用的模型，用戶可以輸入輸入功率和壓電節點尺寸等信息，並獲得顯示系統預期範圍的輸出。

他們根據實驗數據對模型進行了評估，發現該模型可以準確預測逆向聲學訊號的範圍，平均誤差小於1 分貝。利用這個模型，他們發現水下反向散射陣列有可能實現千米長的通訊距離。

“我們正在創造一種新的海洋技術，並將其推向我們一直在做的6G 蜂窩網絡領域。”阿迪布說：”對我們來說，這是一件非常有意義的事情，因為我們現在已經開始看到這種技術非常接近現實。”

研究人員計劃繼續研究水下反向散射Van Atta 陣列，或許可以使用船隻，這樣他們就能評估更遠的通訊距離。同時，他們也打算發布工具和資料集，以便其他研究人員在此基礎上開展工作。同時，他們也開始朝這項技術的商業化邁進。

“射程有限一直是水下反向散射網絡的一個公開問題，阻礙了它們在現實世界中的應用。”加州大學洛杉磯分校計算機科學助理教授奧米德-阿巴里（Omid Abari）說：”這篇論文使水下通訊在實現遠距離傳輸的同時以最小的能量運行，從而在未來的水下通訊領域邁出了重要的一步。這篇論文首次將Van Atta Reflector 陣列技術引入水下反向散射環境，並展示了該技術在將通訊距離提高幾個數量級方面的優勢。這可以讓無電池水下通訊離現實更近一步，從而實現水下氣候變遷監測和海岸監測等應用”。