För miljontals människor som deltar i aktiviteter som snorkling och dykning varje år är handsignaler det enda alternativet för att kommunicera säkerhets- och riktningsinformation under vattnet. Även om fritidsdykare kan använda ett 20-tal signaler, kan professionella dykares ordförråd överstiga 200 signaler om ämnen som sträcker sig från syrenivå, till närhet till vattenlevande arter, till utförandet av samarbetsuppgifter.

Den visuella karaktären hos dessa handsignaler begränsar deras effektivitet på avstånd och vid låg sikt. Tvåvägs textmeddelanden är ett potentiellt alternativ, men ett som kräver dyr anpassad hårdvara som inte är allmänt tillgänglig.

Forskare vid University of Washington visar hur man uppnår undervattensmeddelanden på miljarder befintliga smartphones och smartklockor med enbart programvara. Teamet utvecklade AquaApp, den första mobilappen för akustisk baserad kommunikation och nätverk under vattnet som kan användas med befintliga enheter som smartphones och smartklockor.

Forskarna presenterade sin uppsats som beskriver AquaApp den 25 augusti på SIGCOMM 2022.

"Smarttelefoner förlitar sig på radiosignaler som WiFi och Bluetooth för trådlös kommunikation. De sprider sig inte bra under vattnet, men akustiska signaler gör det", säger medförfattaren Tuochao Chen, doktorand i UW vid Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering. "Med AquaApp demonstrerar vi undervattensmeddelanden med hjälp av högtalaren och mikrofonen som är allmänt tillgängliga på smartphones och klockor. Förutom att ladda ner en app till sin telefon, är det enda folk behöver ett vattentätt telefonfodral som är klassificerat för djupet av deras dyk."

AquaApp-gränssnittet gör det möjligt för användare att välja från en lista med 240 förinställda meddelanden som motsvarar handsignaler som används av professionella dykare, med de 20 vanligaste signalerna väl synliga för enkel åtkomst. Användare kan också filtrera meddelanden enligt åtta kategorier, inklusive riktningsindikatorer, miljöfaktorer och utrustningsstatus.

När vi byggde appen var teamet tvunget att övervinna en mängd olika tekniska utmaningar som de inte tidigare har stött på på torra land.

"Undervattensscenariot ger upphov till nya problem jämfört med applikationer i luften", säger medförfattaren Justin Chan, doktorand vid Allen School. "Till exempel förvärras fluktuationer i signalstyrka på grund av reflektioner från ytan, golvet och kustlinjen. Rörelser orsakade av närliggande människor, vågor och föremål kan störa dataöverföringen. Vidare har mikrofoner och högtalare olika egenskaper mellan smartphonemodeller. Vi hade att anpassa sig i realtid till dessa och andra faktorer för att säkerställa att AquaApp skulle fungera under verkliga förhållanden."

Andra utmaningar inkluderade att ta itu med tendensen för enheter att snabbt skifta position och närhet i strömmen, och de olika bullerprofiler som appen kan stöta på på grund av närvaron av fartyg, djur och till och med lågtflygande flygplan.

Teamet skapade en algoritm som gör det möjligt för AquaApp att i realtid optimera bithastigheten och akustiska frekvenserna för varje överföring baserat på vissa parametrar, inklusive avstånd, brus och variationer i frekvenssvar mellan enheter.

Så här fungerar det:När en användare vill skicka ett meddelande till en annan enhet, skickar deras app först en snabb anteckning, kallad ingress, till den andra enheten. AquaApp på den andra enheten kör algoritmen för att bestämma de bästa förutsättningarna för att ta emot ingressen. Sedan säger den till den första enheten att använda samma villkor för att skicka det faktiska meddelandet.

Forskarna utvecklade ett nätverksprotokoll för att dela åtkomst till undervattensnätverket, liknande hur WiFi-nätverk dömer internettrafik, för att stödja meddelanden mellan flera enheter. AquaApp kan ta emot upp till 60 unika användare på sitt lokala nätverk samtidigt.

Teamet testade den verkliga nyttan av AquaApp-systemet på sex platser som erbjuder en mängd olika vattenförhållanden och aktivitetsnivåer, inklusive under en bro i lugnt vatten, i en populär park vid vattnet med starka strömmar, bredvid fiskebryggan i en upptagen sjö och i en vik med starka vågor. Forskarna utvärderade appens prestanda på avstånd på upp till 113 meter och djup på upp till 12 meter.

"Baserat på våra experiment är upp till 30 meter den idealiska räckvidden för att skicka och ta emot meddelanden under vattnet och 100 meter för att sända SoS-beacons," sa Chen. "Dessa förmågor borde vara tillräckliga för de flesta fritids- och yrkesscenarier."

Forskarna mätte även AquaApps inverkan på batteritiden genom att kontinuerligt köra systemet på två Samsung Galaxy S9-smarttelefoner med maximal volym och med skärmar aktiverade. Appen minskade enheternas batterikraft med bara 32 % under loppet av fyra timmar, vilket är inom den maximala rekommenderade dyktiden för fritidsdykning.

"AquaApp ger undervattenskommunikation till massorna", säger seniorförfattaren Shyam Gollakota, en UW-professor vid Allen School. "Tillståndet för undervattensnätverk idag liknar ARPANET, föregångaren till internet, på 1970-talet, där endast ett fåtal utvalda hade tillgång till internet. AquaApp har potentialen att förändra det status quo genom att demokratisera undervattenstekniken och göra den till en enkelt som att ladda ner programvara till din smartphone."

Teamets data och Android-kod med öppen källkod finns på AquaApp-webbplatsen. + Utforska vidare

Aqua-Fi:Undervattens WiFi utvecklat med lysdioder och lasrar