【海洋科技】首次为智能手机开发的水下短信APP

华盛顿大学的一组研究人员开发了AquaApp，这是第1款在现有智能手机上运行的水下发送和接收短信的移动App——无需特殊硬件。该App克服了许多与水下环境相关的技术挑战，使得在进行浮潜和轻潜水等水下活动时能实现双向通信和组网。

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AquaApp

（图片来源：华盛顿大学）

对于每年参加浮潜和轻潜水（水肺潜水）等活动的数百万人来说，手势是水下传递安全和定向信息的唯一选择。休闲潜水员可能会使用大约20种信号，而专业潜水员可能会使用超过200种信号，涉及氧气水平、接近水生生物、协同任务表现等内容。

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。双向文本短信是一种潜在的替代方案，但需要昂贵且目前尚未广泛应用的定制硬件。

华盛顿大学的研究人员演示了如何仅使用软件就能在数十亿现有的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，这是第一款基于水声通信和组网的移动应用程序（App），可与智能手机和智能手表等现有设备一起使用。

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研究人员8月25日在SIGCOMM 2022上发表了介绍AquaApp的论文。

论文的共同作者——Paul G. Allen计算机科学与工程学院的博士生tuchao Chen说：“智能手机依靠WiFi和蓝牙等无线电信号进行无线通信。无线信号不能在水下很好地传播，但声信号可以。通过AquaApp，我们演示了使用智能手机和手表上广泛使用的扬声器和麦克风进行水下信息传递。除了下载一个App到手机，人们唯一需做的就是准备一个与潜水深度相匹配的防水手机套。”

AquaApp的界面使得用户可从240个预先设定的信息中选择要发送的短信，这些信息与专业潜水员使用的手势信号相对应，其中20个最常见的手势信号显示在显著位置，以方便用户使用。用户还可以将信息筛选为8类信息，包括：方向标识、环境因素、设备状态等。

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在开发这个App的过程中，团队必须克服以前在陆上从未遇到过的各种技术挑战。

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AquaApp在水池中试验

（图片来源：华盛顿大学）

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论文合作者——Allen学院的博士生Justin Chan说：“与空中应用相比，水下应用场景暴露出新的问题。例如，由于海面、海底和海岸的反射，信号强度的起伏会加剧；附近的人类、海浪和物体导致的运动会干扰数据传输。此外，不同型号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它因素，以确保AquaApp能够在真实环境下工作。”

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其它挑战包括：在海流中时，设备的位置往往快速漂移；由于舰船、海洋动物甚至低空飞机的存在，App可能会遇到各种噪音剖面。

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

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它的工作原理是这样的：当一个用户想要向另一台设备发送消息时，他们的App首先会向另一台设备发送一个“快速便签”（quick note），称为前导码。第2台设备上的AquaApp运行算法，以确定接收前导码的最佳条件。然后它告诉第1台设备使用相同的条件来发送实际消息。

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研究人员开发了一种网络协议来共享对水下网络的访问，这类似于WiFi网络通过仲裁互联网流量来支持多个设备间的消息传递。AquaApp在其本地网络上最多可以同时容纳60个不同的用户。

研究团队在6个不同的水域及不同条件下测试了AquaApp系统的实际效用，包括：在平静水域的桥梁下；在水流湍急的热门滨水公园；在繁忙湖泊的渔坞旁；以及在波涛汹涌的海湾内。研究人员评估了该App在最远113 m距离上和最深12 m深度上的性能。

陈说：“根据我们的实验，水下30 m以浅是发送和接收短信的理想范围，100 m是发送SoS信标信号的理想范围。这些能力应足以满足大多数娱乐和专业场合。”

研究人员还在2台三星Galaxy S9智能手机上以最大音量连续运行该系统，并激活屏幕，以测量AquaApp对电池寿命的影响。该款App在4 h工作过程中仅使电池电量减少了32%，这是休闲轻潜水建议的最大潜水时间。

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华盛顿大学艾伦学院教授——资深作者Shyam Gollakota说：“AquaApp为大众带来了水下通信手段，如今水下网络的状态与20世纪70年代互联网的前身ARPANET类似，当时只有少数人能够接入互联网。AquaApp有潜力通过普及水下技术来改变这种现状，就会像在智能手机上下载软件一样简单”。

该团队的数据和Android开源代码可在AquaApp网站上找到。