Lec 12 — 海洋物联网（Ocean IoT）

MIT 6.1820/MAS.453 · Mobile and Sensor Computing 阅读材料：PAB [ACM SIGCOMM'19]

1. 动机：为什么是海洋？

定义 — 海洋的独特重要性
海洋覆盖地球表面 70% 以上，却几乎被现有 300 亿 IoT 设备中的 99.9999% 所忽视。已知超过 80% 的海底从未被观测，约 80% 的海洋生物尚未被发现。海洋是世界上增长最快的食品行业（水产养殖）来源，也是地球气候系统中储热能力远超大气层的关键组成。

将 IoT 带入水下的核心挑战：

挑战	原因
通信	无线电信号在水中衰减极快（海水导电），Wi-Fi/BLE 均失效
定位	GPS 信号无法穿透水体（无线电信号）
功耗	无电源插座，电池更换成本极高；水下低功耗传感器仍耗数十至数百瓦
成像	光在水中折射和散射严重

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2. 水下声学反向散射（Piezo-Acoustic Backscatter, PAB）

2.1 传统方案 vs. PAB

方案	原理	功耗
传统水声调制解调器（Modem）	传感器主动发射声波信号	数百瓦
PAB（无电池）	传感器反射已有的声波信号	数百微瓦（$\mu$W）

推论 — 功耗降低 100 万倍　PAB 功耗约为传统水声通信的 $1/10^6$，这使无电池水下传感器成为可能，彻底改变了水下 IoT 的部署规模潜力。

2.2 压电效应（Piezoelectric Effect）

定义 — 压电效应（Piezoelectricity）
压电材料受到机械应力（声波压力）时产生电压；反之施加电压时会产生机械变形（振动）。PAB 传感器利用压电陶瓷圆柱既作为能量收集器，又作为可编程声学反射器。

工作模式切换：

$$\text{开关断开（Open）}\Rightarrow \text{压电自由振动}\Rightarrow \text{反射声波（反向散射）}$$$$\text{开关闭合（Closed）}\Rightarrow \text{压电被阻尼}\Rightarrow \text{吸收声波（收集能量）}$$

通过微控制器控制开关，可以将数字信息调制到反射信号上（类似 RFID 的 OOK 调制）。

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3. 多节点组网

3.1 为什么 FDMA 困难？

压电材料具有谐振频率（Resonance Frequency），能量收集效率在谐振点附近极窄带内最高：

$$Z_{\text{circuit}}(f)=Z_{\text{piezo}}^{\ast }(f)$$

不同频率的激励能量收集效率急剧下降，传统频分多址（FDMA）难以实现。

3.2 解决方案：可编程谐振频率偏移

关键思想：通过调整外部电路阻抗 $Z_{\text{circuit}}(f)$，将谐振频率整体偏移到不同信道：

$$\text{节点 A：谐振调谐至 }{f}_1$$$$\text{节点 B：谐振调谐至 }{f}_2$$

每个节点在自己的谐振频率高效工作，实现 FDMA 式并发传输，网络吞吐量显著提升。

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4. 无电池水下定位

4.1 ToA 定位的困难

传统水下定位通过测量声波到达时间（ToA）计算距离 $d=v_{\text{sound}}\cdot t$。

但 PAB 传感器从接收到声波到开始反向散射存在随机唤醒延迟（Random Wake-up Lag），使得 ToA 测量不可靠。

4.2 PAB 定位方案：相位测量

关键思想：用相位代替时间来计算距离：

$$\varphi =\frac{2\pi d}{\lambda }$$

相位不受唤醒延迟影响（唤醒延迟影响幅度，不影响连续波的相位）。

使用多频率估计（Multi-Frequency Estimation）解决相位模糊：

$$d=\frac{{\varphi }_{\text{unwrapped}}\cdot \lambda }{2\pi }$$

例题 — 水下声速与相位分辨率

水中声速 $v_{\text{sound}}\approx 1500$ m/s，工作频率 $f=15$ kHz，则波长：

$$\lambda =\frac{v_{\text{sound}}}{f}=\frac{1500}{15000}=0.1\text{ m}$$

相位测量精度 $\mathrm{\Delta }\varphi =0.01$ rad 对应距离精度：

$$\mathrm{\Delta }d=\frac{\mathrm{\Delta }\varphi \cdot \lambda }{2\pi }\approx \frac{0.01\times 0.1}{6.28}\approx 0.16\text{ mm}$$

Sol：在河流实验中，实测定位精度约为 10 cm，证明了相位测距的高精度。

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5. 扩展应用

应用方向	技术	论文
宽带通信（MIMO + FDMA）	20 kbps @ 60+ m	[SIGCOMM'20]
无电池定位（~10 cm）	多频率相位估计	[HotNets'20]
水下 AI（海洋生物识别）	无电池神经推理，85%+ 准确率	[HotMobile'22]
海洋生物声学监测	低功耗生物信号采集	[HotMobile'22]
太空应用（土卫六海洋）	无电池水下传感器	研究展望

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6. 开放问题

• km 级通信：目前实验室级别约 10–60 m，近海/深海需要更远距离
• 纳瓦级（nanoWatt）功耗：进一步降低功耗以延长传感器寿命
• 3D 水下定位：当前主要限于 2D，水深方向定位仍有挑战
• 水下机器人探索：与自主水下航行器（AUV）集成

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本讲总结

PAB 通过压电反向散射实现无电池水下通信（功耗降低 ${10}^6$ 倍），可编程谐振频率偏移解决了多节点 FDMA 的难题；水下定位通过相位测量规避随机唤醒延迟，实验精度约 10 cm，为将 IoT 大规模推广至地球上最广阔、最未探索的区域——海洋——奠定了技术基础。