麻省理工学院的研究人员已经朝着解决无线通信的长期挑战向前迈出了一步:水下和空中设备之间的直接数据传输。
如今，水下传感器无法与陆地传感器共享数据，因为两种传感器使用只在各自的介质中工作不同无线信号。通过空气传播的无线电信号在水中很快就会消失。水下设备发出的声波信号，或称声纳，基本上会被水面反射回去，而不会穿透水面。这导致了各种应用的效率低下和其他问题，例如海洋勘探和水下-地面通信。
在本周SIGCOMM会议上发表的一篇论文中，麻省理工学院媒体实验室的研究人员设计了一个系统，以一种新颖的方式解决了这个问题。水下发射器将声纳信号传送到水面，引起水面微小的震动。在水面上，一个高度敏感的接收器读取这些微小的震动并解码声纳信号。
媒体实验室的助理教授，领导这项研究的Fadel Adib说：“试图让无线信号跨越空气-水边界一直是一个障碍。我们的想法是将障碍本身转化为一种通讯的媒介。”他与研究生Francesco Tonolini共同撰写了这篇论文。
Adib说，这个被称为“翻译声学-射频通信”(TARF)的系统仍处于早期阶段。但它代表了一个“里程碑”，他说，这可能会开启新的水下-空中通讯方式。例如，使用这种系统，军用潜艇就不需要浮出水面与飞机进行通信，从而暴露它们的位置。监测海洋生物的水下无人潜水飞机不需要从深海不断地重新浮出水面，向研究人员发送数据。
另一个有前景的应用是帮助搜寻在水下失踪的潜水飞机。Adib说:“声学发射信标可以在飞机的黑匣子中进行。如果它每隔一段时间就发送一次信号，你就能利用这个系统接收到信号。”
解读振动信息
今天在这个无线通信问题上的技术解决方案有很多缺点。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。但它们可能会漂走并消失。许多浮标还被要求覆盖大面积的区域，这使得它们在水下-水面通信等方面不可行。
TARF包括一个水下声音发射器，它使用一个标准的声学扬声器发送声纳信号。信号以不同频率的压力波的形式传播，并对应于不同的数据位。例如，当发射器想发送0时，它可以发送以100赫兹传播的波;对于1，它可以发送200赫兹的波。当信号到达水面时，会在水中产生微小的波纹，高度只有几微米，与这些频率相对应。
为了获得较高的数据传输速率，该系统在无线通信中采用一种称为正交频分复用的调制方案，同时传输多个频率。这使得研究人员可以同时传输数百位数据。
位于发射器的上方空中的是一种新型的极高频雷达，它在30至300千兆赫之间的无线传输毫米波频谱中处理信号。(这就是即将到来的高频5G无线网络将要运行的频段。)
这台看起来像两个圆锥的雷达发射无线电信号，然后反射振动水面并最终反射回雷达。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赫兹振动。
Adib说:“只要有任何形式的位移，比如水面上的位移，雷达反射就会有所不同。通过捕捉这些微小的角度变化，我们可以捕捉到与声纳信号对应的这些变化。”
捕捉微小振动
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可以探测环境中反射的技术，并通过距离和功率来组织反射。由于水在新系统环境中有最强大的反射，雷达可以探测到水面的距离。一旦建立起来，它就会放大那个距离上的振动，而忽略了周围所有的干扰。
下一个主要挑战是捕捉被更大的自然波包围的微米波。在平静的日子里，最小的海洋涟漪，被称为毛细管波，只有2厘米高，但比发射器产生的水面震动大10万倍。波涛汹涌的海洋可以产生比它大100万倍的海浪。“这干扰了水面微小的声波振动，”Adib说。“就好像有人在尖叫，而你却同时试图想要听到有人窃窃私语的内容。”
为了解决这个问题，研究人员开发了复杂的信号处理算法。自然波频率大约为1或2赫兹。然而，100到200赫兹的声纳震动要快100倍。由于这种频率差异，算法只关注快速移动的波，而忽略慢速的波。
水域试验
研究人员在麻省理工学院的一个水箱和两个不同的游泳池中进行了500次TARF测试。
在水箱中，雷达被放置在水面20厘米到40厘米之间的上空，声纳发射器被放置在水面5厘米到70厘米之间。在水池中，雷达被放置在水面上空30厘米处，而发射器被则放置在水下3.5米处。在这些实验中，研究人员还让游泳者产生了高达16厘米的水浪。
在这两种情况下，TARF都能够准确地解码各种数据——比如句子“Hello!”(来自水下)-每秒数百比特，类似于水下通信的标准数据速率。Adib说:“即使有游泳者在附近游泳，造成干扰和水流，我们仍然能够快速准确地解码这些信号。”
然而，在高于16厘米的水浪中，这个系统无法解码信号。接下来的步骤包括，改进系统，使其在更恶劣水域环境下也能正常工作。“它能在应对平静的水面，也能应对某些水波扰动。但(为了使其切实可行)，我们需要这种方法在任何天气、任何时间都能奏效。
研究人员还希望，他们的系统最终能让无人机或飞机在水面上快速飞行时可以不断地接收和解码声纳信号。
这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。
