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研究人员将首个水下消息应用程序带入智能手机

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研究人员将首个水下消息应用程序带入智能手机

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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量可以超过 200 个信号，涉及的主题包括氧气水平、水生物种的接近程度以及合作任务的执行 。
这些手势信号的视觉特性限制了它们在远处和低能见度下的有效性 。双向文本消息传递是一种潜在的替代方案，但需要昂贵的定制硬件，并且无法广泛使用 。
华盛顿大学的研究人员展示了如何仅使用软件在数十亿现有智能手机和智能手表上实现水下消息传递 。该团队开发了AquaApp，这是第一个基于声学的水下通信和网络移动应用程序 ， 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 上展示了他们描述 AquaApp 的论文 。
“智能手机依靠 WiFi 和蓝牙等无线电信号进行无线通信 。这些信号在水下传播效果不佳，但声学信号可以，”共同主要作者、华盛顿大学保罗 G. 艾伦计算机科学学院博士生陈拓超说& 工程 。“通过 AquaApp，我们使用智能手机和手表上广泛使用的扬声器和麦克风演示水下消息传递 。除了将应用程序下载到手机上 ， 人们唯一需要的是防水手机壳，可根据潜水深度进行评级 。”
【研究人员将首个水下消息应用程序带入智能手机】AquaApp 界面使用户能够从 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 种最常见的信号突出显示以便于访问 。用户还可以根据方向指标、环境因素和设备状态等八种类别过滤消息 。
在构建应用程序时 ， 该团队必须克服他们以前在陆地上没有遇到的各种技术挑战 。
华盛顿大学的一个研究小组开发了 AquaApp，这是第一个可以在现有智能手机上运行的水下发送和接收消息的移动应用程序——不需要特殊的硬件 。该应用程序克服了与水下环境相关的许多技术挑战，在进行浮潜和水肺潜水等水下活动时 ， 可以实现双向通信和联网 。学分：华盛顿大学
“与空中应用相比，水下场景会出现新问题，”艾伦学院的博士生、共同主要作者贾斯汀·陈说 。“例如 ， 由于表面、地板和海岸线的反射，信号强度的波动会加剧 。附近的人、波浪和物体引起的运动会干扰数据传输 。此外，麦克风和扬声器在智能手机型号中具有不同的特性 。我们有实时适应这些和其他因素，以确保 AquaApp 能够在现实条件下工作 。”
其他挑战包括解决设备在电流中快速移动位置和接近度的趋势，以及由于船只、动物甚至低空飞行的飞机的存在 ， 应用程序可能遇到的各种噪音情况 。
该团队创建了一种算法，允许 AquaApp 基于某些参数(包括距离、噪声和跨设备的频率响应变化)实时优化每次传输的比特率和声频 。
它是这样工作的：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台设备发送一个快速注释，称为序言 。第二台设备上的 AquaApp 运行算法以确定接收前导码的最佳条件 。然后它告诉第一个设备使用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 网络如何判断互联网流量，以支持多个设备之间的消息传递 。AquaApp 一次可以在其本地网络上容纳多达 60 个唯一用户 。
该团队在六个提供各种水质条件和活动水平的地点测试了 AquaApp 系统的实际效用，包括平静水面的桥下、水流强劲的热门海滨公园、繁忙的钓鱼码头旁湖和波涛汹涌的海湾 。研究人员评估了该应用程序在最远 113 米的距离和最深 12 米的深度的性能 。
“根据我们的实验，水下发送和接收信息的理想范围为 30 米，而发射 SoS 信标的理想范围为 100 米，”Chen 说 。“这些功能对于大多数娱乐和专业场景来说应该足够了 。”
研究人员还通过在两部三星 Galaxy S9 智能手机上以最大音量和激活屏幕连续运行该系统来测量 AquaApp 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降低了 32%，这在休闲水肺潜水的最大推荐潜水时间范围内 。
“AquaApp 为大众带来了水下交流 ， ”资深作者、艾伦学院的华盛顿大学教授 Shyam Gollakota 说 。“今天的水下网络状态类似于 1970 年代互联网的前身 ARPANET，当时只有少数人可以访问互联网 。AquaApp 有可能通过将水下技术民主化并将其变为就像在智能手机上下载软件一样简单 。”
该团队的数据和开源 Android 代码可在AquaApp 网站上获得 。

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