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【日内瓦国际发明展金奖】水下通信研究组:突破水下通讯难题 助力海洋强国建设

时间:2022-05-30   来源:党委宣传部 新闻中心   作者:杜佳、曾桂婷   

编者按: 在2022年日内瓦国际发明展览会上,我校3项科研成果获得金奖。党委宣传部(新闻中心)推出【点赞大工人·日内瓦国际发明展金奖】专栏,讲述金奖团队奋进故事,共享成功经验,汇聚学校改革发展的磅礴力量。

日前,全球最负盛名的创科展览之一——日内瓦国际发明展于近日公布了2022年度评选结果。其中,由我校软件学院水下通信研究组林驰、王雷、吴国伟、赵哲焕、罗钟铉等成员共同完成的研究成果“一种鲁棒性水下可见光通信系统”(Shrimp: A Robust Underwater Visible Light Communication System)获得2022年日内瓦国际发明展国际金奖。

早在2015年,我校软件工程学科就率先在国内开展并推动水下敏捷机器人相关技术研究。与此同时,学校在国家自然科学基金委信息学部的领导下创办并持续承办“水下机器人目标抓取大赛”,实现了水下机器人水下目标全自主抓取零的突破。

水下通信一直是通信领域发展过程中面临的关键难题。在大赛中,团队成员林驰、王雷近距离观察了来自国内外多家高校、企业和科研机构的多种水下机器人的实际操作模式。团队成员王雷说:“我们发现,一旦机器人在水下受困,经常需要潜水员跳入水中依靠敲击和手势等原始手段与陆上团队进行交流帮助机器人脱困,效率十分低下,急需研发一种新型无线高带宽水下通信方式来解决这一问题,可视距离内可见光通信非常适合这一场景。”

团队成员吴国伟说:“水声通信作为目前最为常用的水下无线通信方式,技术发展较为成熟。但是,高昂的造价、庞大的体积和低调制带宽都阻碍了水声通信系统在水下机器人和潜水员等应用对象上的部署。”为了同时满足轻便、低成本和高速率的需求,团队成员将注意力集中在水下作业必备的潜水灯上。如果简单改装潜水灯就能满足水下通信需求,那么这样的通信方式必定会被大家广泛接受。于是,如何改装潜水灯,以实现在恶劣水下环境中的可见光通信成为团队要解决的核心问题。

在团队承办的国家自然科学基金委水下机器人大赛比赛过程中,团队注意到大规模的水下敏捷机器人的应用将显现出越来越强的集群性编队作业需求,未来在集群作业中需实现如无人机一般的灵活性与机动性。

因而,以改造水下“照明+通信”设备为基本技术手段,开发面向未来集群性水下敏捷机器人编队协同作业的水下光通信系统是团队研究发展的核心目标。然而,集群性编队作业需求对光通信系统提出了更严格的技术标准和更高的性能要求,给相关系统开发带来了诸多挑战,亟待解决。

大自然是人类最好的老师,在团队成员一筹莫展之际,海边随处可见的海产品给团队带来了灵感。他们从仿生学的角度入手,探寻海洋生物在恶劣环境中信息传递的方式,最终从螳螂虾(Mantis Shrimp)的特殊视觉系统中得到灵感,并因此将系统命名为“Shrimp”。

团队成员林驰介绍道:“螳螂虾被称为‘活化石’,起源于恐龙时代。它们的复眼包含数量众多、排列有序的小眼,这些小眼能区分光的偏振特性,使得螳螂虾非常善于精确捕捉光信号。”团队基于对螳螂虾视觉系统的学习,针对水下通信系统现存的通信距离短、带宽低、抗干扰能力差、收发双方对准要求严格等问题,创新性地使用圆偏振光作为通信媒介,设计并实现了一种双信道水下可见光通信系统,有效解决了干扰和对准问题。此外,他们还在编码层设计了一种新型水下光通信编码方案,能够有效降低误码率,显著提升了系统的性能,实现复杂水环境下的可靠光通信。

为验证系统的可靠性和鲁棒性,团队成员多次在水池、湖泊、海洋等多样化复杂水环境中进行了全面的实验验证。在实验初期,为了能够对设备进行实时调整优化,团队成员仅对实验设备做了基础的防水措施。在一次恶劣气候环境下的测试中,由于海水的长时间浸泡和海浪的多次拍打,设备防水外壳破裂,所有的测试数据都付诸东流,测试系统也只能重新搭建。

此外,在野外环境中进行实验也常常会遭遇意想不到的困难。由于海岸一般远离公路,且岸边道路崎岖,礁石林立,实验设备运输困难,更难以平稳放置在水中。团队成员们往往要花费一两个小时把设备运送至目的地,再抬着设备翻越礁石,才能最终把实验设备安置于水下。林驰说:“被礁石擦伤,从岸边跌入水中都是成员们的家常便饭了。”

道阻且长,行则将至。在经历了无数风吹日晒的日子之后,团队最终收集到了充足丰富的数据作为反馈指导,逐步将系统完善成熟,并为挑战系统的极限性能远赴獐子岛水产养殖基地,在真实海洋养殖环境中证实了系统的可靠性和鲁棒性。

林驰介绍说:“我们的系统弥补了现有水下可见光通信在抗干扰和对准能力上的漏洞,使系统在真实复杂环境下的通信能力大大增强,研究中积累的经验和技术不仅为水下可见光通信产品的开发提供了新思路,也为提高可见光通信的鲁棒性给出了解决方案和应用实例。”

基于此系统,团队获得了多项重要成果。其中,学术论文“一种鲁棒性水下可见光通信系统”(Shrimp: A Robust Underwater Visible Light Communication System)于2021年被计算机网络国际顶级会议The 27th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking(简称MobiCom2021)录用。值得一提的是,MobiCom是计算机网络领域难度最大、影响力最高的国际学术会议之一(CCF认定为A类会议),录用率极低,同期在全球范围内录用的成果仅有19篇。此次是我校首次作为第一单位的论文被录用,也是MobiCom创办27年以来,第一篇关于水下光通信的长文,该项研究成果标志着我校在海洋通信领域的研究已具备国际先进水平,具有里程碑式的意义。此外,该研究成果于2021年底还获得“全球半导体照明创新100佳”国际奖项,成为当年全球范围内获此荣誉的8家单位之一。

团队负责人罗钟铉介绍:“由于水下环境中光的传播过程非常复杂,从科技进步角度来讲,我们实现了原理意义上‘从0到1’的突破,极具原创意义,实现了实验室环境下的水下点对点高速通信。但距离面向特殊工况需求的落地部署,仍面临诸多亟待解决的挑战性问题,需要我们不断努力。”

“随着‘海洋强国’战略的不断推进和海洋经济的不断发展,作为海洋信息交互的关键技术,水下无线通信在军事和商业领域的需求日益增加,该技术有望在未来水下自组网、水下舰艇、无人潜航器、海底监测网、潜水员通信等国防军事和经济民生的通信应用领域发挥重要价值。”

下一步,项目团队将以此次获奖为契机,立足光通信系统建设,进一步深化产学研合作,为光通信领域的发展寻求更多渠道与契机。“我们相信,水下光通信高带宽、低延迟、高鲁棒性的通信方式将带动海洋经济的发展和海防能力的显著提升,也将促进科技创新与海洋产业协同发展、引导智慧海洋前沿研究反哺产业需求。”团队成员对水下可见光通信系统发展前景充满信心。

   审核:赫铭
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