无线通信突破了水气屏障

麻省理工学院(MIT)的研究人员在解决无线通信的长期挑战方面迈出了一步:在水下和空中设备之间直接传输数据。

如今，水下传感器无法与陆地传感器共享数据，因为两者都使用不同的无线信号，而这些信号只能在各自的介质中工作。通过空气传播的无线电信号在水中很快就会消失。由水下设备发出的声信号或声呐，大多是在没有穿透的情况下从水面反射回来的。这将导致各种应用程序的效率低下和其他问题，如海洋勘探和潜艇-飞机通信。

在本周的SIGCOMM会议上提交的一篇论文中，麻省理工学院媒体实验室的研究人员设计了一个以一种新颖的方式解决这个问题的系统。水下发射器将声纳信号导向水面，产生与发射的1和0相对应的微小振动。在海面上，一个高灵敏度的接收器读取这些微小的干扰并解码声纳信号。

“试图通过无线信号跨越空气-水的边界一直是一个障碍。我们的想法是把障碍本身转变成一种沟通的媒介，”领导这项研究的媒体实验室助理教授Fadel Adib说。他和他的研究生Francesco Tonolini共同撰写了这篇论文。

该系统被称为“平移声-射频通信”(TARF)，目前仍处于初级阶段，Adib说。但他说，这是一个“里程碑”，可能会开启水空通信的新能力。例如，使用该系统，军用潜艇就不需要浮出水面与飞机进行通信，从而影响了它们的位置。监测海洋生物的水下无人潜航器不需要不断从深海浮出水面向研究人员发送数据。

另一个有前途的应用是帮助搜索水下失踪的飞机。“声波发射信标可以安装在飞机的黑匣子里，”Adib说。“如果它每隔一段时间发送一次信号，你就可以用这个系统来接收信号。”

解码振动

今天的技术解决这个无线通信问题的方法有各种各样的缺点。例如，浮标被设计用来接收声纳波，处理数据，并向机载接收器发射无线电信号。但它们会漂走，迷失方向。许多还被要求覆盖大面积区域，这使得它们无法用于，比如说，潜-地通信。

TARF包括一个水声发射器，利用一个标准的声学扬声器发送声纳信号。这些信号以不同频率的压力波的形式传播，对应于不同的数据位。例如，当发射机想要发送一个0，它可以发送100赫兹的波;对于1，它可以传输200赫兹的波。当信号到达水面时，它会在水中产生微小的涟漪，只有几微米高，与这些频率相对应。

为了实现高数据速率，该系统在同一时间传输多个频率，建立在无线通信中使用的调制方案，称为正交频分复用。这使得研究人员可以同时传输数百位数据。

发射机上方的空中安置着一种新型的极高频雷达，可以处理30至300千兆赫之间的毫米波无线传输信号。(即将推出的高频5G无线网络将在这一频段运行。)

该雷达看起来像一对锥形体，通过振动表面反射出无线电信号，然后反射回雷达。由于信号与表面振动的碰撞方式，信号返回的角度略有调整，与声纳信号发送的数据位完全一致。例如，水面上的一个0比特的振动会导致反射信号的角度以100赫兹的频率振动。

阿迪布说:“当你在水面上有任何形式的位移时，雷达反射会有一点变化。”“通过捕捉这些微小的角度变化，我们可以捕捉到这些与声纳信号相对应的变化。”

听着“耳语”

一个关键的挑战是帮助雷达探测水面。为了做到这一点，研究人员使用了一种技术，这种技术可以检测环境中的反射，并通过距离和功率来组织反射。由于水在新系统的环境中有最强烈的反射，雷达知道到地表的距离。一旦确定了这一点，它就会放大那个距离处的振动，忽略附近所有其他的干扰。

下一个主要挑战是捕捉被更大的自然波包围的微米级的波。在平静的日子里，最小的海洋涟漪被称为毛细波，只有2厘米高，但它的大小是震动的10万倍。更汹涌的海浪能产生100万倍的巨浪。Adib说:“这干扰了水面上微小的声波振动。”“就好像有人在尖叫，而你同时又想听到有人在低语。”

为了解决这个问题，研究人员开发了复杂的信号处理算法。自然波大约以1 - 2赫兹的频率出现——或者每秒钟在信号区域移动一两个波。然而，100到200赫兹的声纳振动要快100倍。由于这种频差，该算法聚焦于快速移动的波，而忽略较慢的波。

试水

研究人员让TARF在麻省理工学院的一个水箱和两个不同的游泳池里进行了500次测试。

在水箱中，雷达被放置在距离水面20至40厘米的地方，声纳发射器被放置在水面以下5至70厘米的地方。在水池中，雷达被放置在离水面约30厘米的地方，而发射机则在水下约3.5米的地方。在这些实验中，研究人员还让游泳者制造高达16厘米的海浪。

在这两种情况下，TARF都能够准确地解码各种数据，比如“你好!”——以每秒数百比特的速度，与水下通信的标准数据速率相似。阿迪布说:“即使有游泳的人在附近游泳，造成干扰和水流，我们也能够快速准确地解码这些信号。”

然而，在16厘米以上的海浪中，该系统无法解码信号。接下来的步骤，除其他外，是完善该系统，使其能在更恶劣的环境下工作。“它可以应对风平浪静的天气和特定的水扰动。但(为了让它切实可行)，我们需要它在任何时间、任何天气都能工作，”阿迪布表示。

研究人员还希望他们的系统最终能让一架飞过水面的无人机或飞机不断地接收和解码声纳信号。