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研究人員將首個水下消息應用程序帶入智能手機

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研究人員將首個水下消息應用程序帶入智能手機

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對于每年參加浮潛和水肺潛水等活動的數百萬人來說 ， 手勢是在水下傳達安全和方向信息的唯一選擇 。雖然休閑潛水員可能會使用大約 20 個信號，但專業潛水員的詞匯量可以超過 200 個信號，涉及的主題包括氧氣水平、水生物種的接近程度以及合作任務的執行 。
這些手勢信號的視覺特性限制了它們在遠處和低能見度下的有效性 。雙向文本消息傳遞是一種潛在的替代方案，但需要昂貴的定制硬件，并且無法廣泛使用 。
華盛頓大學的研究人員展示了如何僅使用軟件在數十億現有智能手機和智能手表上實現水下消息傳遞 。該團隊開發了AquaApp，這是第一個基于聲學的水下通信和網絡移動應用程序 ， 可與智能手機和智能手表等現有設備一起使用 。
研究人員于 8 月 25 日在 SIGCOMM 2022 上展示了他們描述 AquaApp 的論文 。
“智能手機依靠 WiFi 和藍牙等無線電信號進行無線通信 。這些信號在水下傳播效果不佳，但聲學信號可以，”共同主要作者、華盛頓大學保羅 G. 艾倫計算機科學學院博士生陳拓超說& 工程 。“通過 AquaApp，我們使用智能手機和手表上廣泛使用的揚聲器和麥克風演示水下消息傳遞 。除了將應用程序下載到手機上 ， 人們唯一需要的是防水手機殼，可根據潛水深度進行評級 。”
【研究人員將首個水下消息應用程序帶入智能手機】AquaApp 界面使用戶能夠從 240 條預設信息列表中進行選擇 ， 這些信息對應于專業潛水員使用的手勢信號，其中 20 種最常見的信號突出顯示以便于訪問 。用戶還可以根據方向指標、環境因素和設備狀態等八種類別過濾消息 。
在構建應用程序時 ， 該團隊必須克服他們以前在陸地上沒有遇到的各種技術挑戰 。
華盛頓大學的一個研究小組開發了 AquaApp，這是第一個可以在現有智能手機上運行的水下發送和接收消息的移動應用程序——不需要特殊的硬件 。該應用程序克服了與水下環境相關的許多技術挑戰，在進行浮潛和水肺潛水等水下活動時 ， 可以實現雙向通信和聯網 。學分：華盛頓大學
“與空中應用相比，水下場景會出現新問題，”艾倫學院的博士生、共同主要作者賈斯汀·陳說 。“例如 ， 由于表面、地板和海岸線的反射，信號強度的波動會加劇 。附近的人、波浪和物體引起的運動會干擾數據傳輸 。此外，麥克風和揚聲器在智能手機型號中具有不同的特性 。我們有實時適應這些和其他因素，以確保 AquaApp 能夠在現實條件下工作 。”
其他挑戰包括解決設備在電流中快速移動位置和接近度的趨勢，以及由于船只、動物甚至低空飛行的飛機的存在 ， 應用程序可能遇到的各種噪音情況 。
該團隊創建了一種算法，允許 AquaApp 基于某些參數(包括距離、噪聲和跨設備的頻率響應變化)實時優化每次傳輸的比特率和聲頻 。
它是這樣工作的：當一個用戶想要向另一臺設備發送消息時，他們的應用程序首先向另一臺設備發送一個快速注釋，稱為序言 。第二臺設備上的 AquaApp 運行算法以確定接收前導碼的最佳條件 。然后它告訴第一個設備使用相同的條件來發送實際消息 。
研究人員開發了一種網絡協議來共享對水下網絡的訪問，類似于 WiFi 網絡如何判斷互聯網流量，以支持多個設備之間的消息傳遞 。AquaApp 一次可以在其本地網絡上容納多達 60 個唯一用戶 。
該團隊在六個提供各種水質條件和活動水平的地點測試了 AquaApp 系統的實際效用，包括平靜水面的橋下、水流強勁的熱門海濱公園、繁忙的釣魚碼頭旁湖和波濤洶涌的海灣 。研究人員評估了該應用程序在最遠 113 米的距離和最深 12 米的深度的性能 。
“根據我們的實驗，水下發送和接收信息的理想范圍為 30 米，而發射 SoS 信標的理想范圍為 100 米，”Chen 說 。“這些功能對于大多數娛樂和專業場景來說應該足夠了 。”
研究人員還通過在兩部三星 Galaxy S9 智能手機上以最大音量和激活屏幕連續運行該系統來測量 AquaApp 對電池壽命的影響 。該應用程序在四個小時內僅將設備的電池電量降低了 32%，這在休閑水肺潛水的最大推薦潛水時間范圍內 。
“AquaApp 為大眾帶來了水下交流 ， ”資深作者、艾倫學院的華盛頓大學教授 Shyam Gollakota 說 。“今天的水下網絡狀態類似于 1970 年代互聯網的前身 ARPANET，當時只有少數人可以訪問互聯網 。AquaApp 有可能通過將水下技術民主化并將其變為就像在智能手機上下載軟件一樣簡單 。”
該團隊的數據和開源 Android 代碼可在AquaApp 網站上獲得 。

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