一种应用于水下物联网的语言

北大西洋公约组

织公布了第一个标准化

海底通信声学协议Janus。 

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水上机器人现在的任务真是花样繁多。它们要在海床上挖矿，要开发电缆通路，还要收集海洋数据。然而对于水上机器人还有它们的海洋兄弟连（包括潜水艇以及潜水员在内）来说，彼此之间的沟通仍然是困难重重。

数十年来，定义无线网络和移动网络的全球标准允许人们无线交换数据。但是对于水下通信来说，这些技术显然派不上什么用场，也没有针对水下通信所制定的标准规范。水下系统一直通过声学信号和光信号相混杂的方式收发消息。

“现阶段的水下通信完全处于未开化的状态。”北大西洋公约组织（以下简称北约）的首席科学家若昂•阿尔维斯（João Alves）说。如今，阿尔维斯和北约其他科学家建立了第一个针对水下声学通信的国际标准。这套标准以罗马神话中天门神的名字——Janus命名，是针对水下系统沟通所使用的声学信号的通用协议。

声波一直以来都是很受欢迎的水下通信介质。一般来说，在水下，光信号可以在100米的距离范围内以高速率传输数据，而声波能以低速率在更长的距离内传输数据。

Janus协议主要用于协同当今的各类声波系统。为了达到这一目的，协议规定了通用频率为11.5千赫，所有的系统都可以通过这一频率来表明自己的存在。一旦两个系统通过Janus相互联系，它们就可以切换到不同的频率或改用不同的协议，以提高传输数据的速率或者距离。

阿尔维斯将Janus比作通用语言——英语，比如两个在国外旅游的游客，他们最初会用英语对话，之后才发现原来他们的母语都是西班牙语，然后再转换成用母语对话。

在罗马大学研究水下感应器和嵌入式系统的专家奇亚拉•派特瑞奥利（Chiara Petrioli）说，Janus将是迈向“水下物联网”的第一步，水下物联网是水下感应器和船只的数据网络系统。

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除了规定频率以外，Janus还提供了一套调制编码方案，用来描述如何将数据编码成声波以及应该使用的特定波形（被称为FH-BFSK）。这套协议还讲述了应该向数据流增加哪些冗余从而将传输误差最小化。

如果一个系统要使用这个新协议，它首先要发出3个音调以示意它要传输一个Janus数据包。然后，该系统暂停大概400毫秒，以“唤醒”附近的其他设备。接下来，该系统播送一套固定的音调，从而确定双方都能同步到Janus协议。最后该系统发送包含56位的数据包，再紧跟着发送一组循环冗余校验位以检测传输误差。

Janus标准由北约盟军指挥转型司令部赞助，由北约海洋研究和实验中心的阿尔维斯团队研发，该中心位于意大利的拉斯佩齐亚。这是第一个由国际组织定义的水下通信标准。

在位于波士顿的东北大学致力于海洋工程研究的专家米利卡•斯托扬诺维奇（Milica Stojanovic）期望后续有更多的标准设立。她说，Janus使用的11.5千赫频率很适合用于1到10千米范围的数据传输。但是更低的频率，比如1千赫，会更适合用于10到100千米距离范围的数据传输。

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即使有了Janus和其他标准，未来任何水下互联网的数据传输速率可能也仍会大大低于现代的无线网络或蜂窝网络的速率。相比于用于消费电子产品的无线电信号，声波的传播速度更低，波长更长。

一旦部署开来，声学系统会利用Janus在彼此之间直接传递数据，或者向浮在水面的“网关浮标”传输数据。然后浮标会通过无线电波将数据传送给附近的控制中心。

在一次演示中，阿尔维斯的团队为葡萄牙海军建立了一个浮标，用于接收附近船只位置和速度的射频数据，并将其转化为声学Janus信号。然后该浮标再将这些信息转播给位于水下的同样使用Janus标准的葡萄牙潜水艇。

根据其研究，阿尔维斯说潜水艇也可以利用新协议向附近的船只求救以及营救船员。他还说：“通过Janus这样的开放式方案来发送遇险信号，将大大提高获救机率。”

现如今Janus已经成型，声学系统生产厂家必须决定是否要采用它。阿尔维斯对此很有信心。为这套协议的开发提供了反馈的派特瑞奥利也认为采用该协议是该行业未来发展的必然要求。

但是斯托扬诺维奇对此并不确定。她说：“如果要将市场进行严肃化整顿，那么每个人都必须保持一致，否则大家就会各自寻找应用自家协议的利基市场，他们会这么做的。”

作者：Amy Nordrum

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