美国新研究：用智能手机在水下发“微信”

对于每年参加浮潜和水肺潜水等活动的数百万人来说，手势是在水下传达安全和方向信息的唯一选择。虽然休闲潜水员可能会使用大约20个信号，但专业潜水员的词汇可能会超过200个信号，涉及的主题从氧气水平、水生物种的接近程度到合作任务的执行。

这些手势的视觉特性限制了它们在远距离和低能见度下的有效性。双向短信是一种替代方案，但它需要昂贵的定制硬件，而这种硬件并不广泛。

华盛顿大学的研究人员展示了如何仅使用软件在数十亿智能手机和智能手表上实现水下信息传递。该团队开发了AquaApp，这是第一款用于水声通信和水下联网的移动应用，可与智能手机和智能手表等现有设备一起使用。

研究人员于8月25日在SIGCOMM 2022上发表了他们描述AquaApp的论文。

“智能手机依靠无线信号（如WiFi和蓝牙）进行无线通信。这些信号在水下传播不好，但声学信号却传播得很好。”研究报告的共同作者、华盛顿大学保罗·G·艾伦计算机科学与工程学院的博士生陈拓超（音）说，“通过AquaApp，我们展示了在智能手机和手表上广泛使用的扬声器和麦克风进行的水下信息传递。除了将应用下载到手机上，人们唯一需要的是一个防水手机壳，可根据潜水深度进行评级。”

AquaApp界面允许用户从240条预设信息列表中进行选择，这些信息对应于专业潜水员使用的手势信号，其中20条最常见的信号突出显示，便于访问。用户还可以根据八个类别过滤消息，包括方向指示器、环境因素和设备状态。

在构建应用程序时，团队必须克服各种技术挑战，这些挑战是他们以前在陆地上从未遇到过的。

“与空中应用相比，水下场景出现了新的问题。”艾伦学院博士生贾斯汀·陈（Justin Chan）说，“例如，由于地表、地面和海岸线的反射，信号强度的波动会加剧。附近的人、波浪和物体引起的运动可能会干扰数据传输。此外，不同型号的智能手机的麦克风和扬声器具有不同的特性。我们必须实时适应这些因素和其他因素，以确保AquaApp能够在真实世界中工作条件。”

其他挑战包括解决设备在水流中快速移动位置和距离的趋势，以及应用程序可能遇到的各种噪声分布，因为存在船只、动物甚至低空飞行的飞机。

该团队创建了一种算法，允许AquaApp基于某些参数实时优化每次传输的比特率和声学频率，包括距离、噪声和设备频率响应的变化。

它的工作原理如下：当一个用户想要向另一台设备发送消息时，他们的应用程序首先向另一个设备发送一个称为前导的快速便条。第二设备上的AquaApp运行该算法以确定接收前导码的最佳条件。然后它告诉第一个设备使用这些相同的条件来发送实际消息。

研究人员开发了一种网络协议来共享对水下网络的访问，类似于WiFi网络如何处理互联网流量，以支持多个设备之间的消息传递。AquaApp可以在其本地网络上同时容纳多达60个用户账号。

该团队在六个地点测试了AquaApp系统的真实效用，这些地点提供了各种水条件和活动水平，包括平静水域中的桥下、水流强劲的热门海滨公园、繁忙湖泊的渔场旁边以及海浪强劲的海湾。研究人员评估了该应用程序在113米距离和12米深度的性能。

“根据我们的实验，30米是水下发送和接收信息的理想距离，100米是发射SoS信标的理想距离，”陈说，“这些功能应足以满足大多数娱乐和专业场景。”

研究人员还通过在两台三星Galaxy S9智能手机上以最大音量连续运行AquaApp并激活屏幕，测量了该系统对电池寿命的影响。该应用程序在四个小时内仅将设备的电池电量减少了32%，这在休闲潜水的最大推荐潜水时间内。

“AquaApp为大众带来了水下通信，”艾伦学院的UW教授、资深作者Shyam Gollakota说。“今天的水下网络状态类似于20世纪70年代互联网的前身ARPANET，当时只有少数人能够接入互联网。AquaApp有可能通过将水下技术普惠化，使其像在智能手机上下载软件一样简单，从而改变现状。”

该团队的数据和开源Android代码可在AquaApp网站上获得。