ST60毫米波水介质数据传输测试报告

“海底节点”就是一个个独立的检波器，它既摆脱了电缆的束缚，又能够在海底灵活部署，定位更准，采集的数据质量更高。目前的工作流程主要是：利用水介质机器人将自备电源的OBN布置在海底→记录信号→回收OBN→下载数据→重新部署，然后对本周期累计记录的数据进行处理和分析。由于数据量大且水底无法使用Wifi等高速无线通信。目前此流程最耗费时间和人力的工作，就是将节点从水中捞出，下载数据后重新部署。

测试目的

基于ST60的短距离高速无线通信技术的无接触连接器，可以在将设备完全密封防水的情况下，实现设备内部与外部的高速无线通信；

图 21 SK201E模块的ST60高速通讯功能框图

通过将信号线通过磁吸等方式吸附在水底仪器上，直接传输数据回水面而无需捞出仪器，极大的降低工作量和复杂度，提升了效率。实现仪器的全密闭，无插拔，无耗损，维护成本低；因此申请此模块的试用，探索ST60用于密闭式水底仪器的高速数据传输的可行性。

ST60毫米波的学习和初步试用
1. 60GHz毫米波介绍

简单搜索了一下毫米波的应用，由于WIFI6技术的飞速发展，目前实验室测试已经能达到1.2Gbps甚至2.4Gbps的通讯，实用场景下也能达到800Mbps左右的速率，前几天也看到了中兴推出了WIFI7的芯片，速率达到了5Gbps甚至10Gbps，因此在消费类数据传输上，60GHz毫米波的应用差距比较大；

然而在一些相对比较小众的应用场合，如无线投屏、实时VR、低延时数据控制等场景中，毫米波却大显身手。譬如搜索“毫米波投屏”就能看到一些投屏器的评测文章。

图 31 网络搜索“毫米波投屏”的结果

1. SK201E资料收集和ST60毫米波技术简介

SK201E是深圳易普森科技股份有限公司推出的SKLink无线毫米波产品，采用PCB天线设计，通过60GH毫米波支持全双工千兆以太网，实现千兆网的隔空连接。其接口为RJ45连接器，基于意法半导体领先的ST60A2毫米波收发器设计。

图 32 SK201E模块的实物图

作为缘于WIFI无线传输的精简版，意法半导体的ST60系列非接触式连接技术抛弃了其协议栈，采用半导体加工工艺，基于60GHz毫米波频段实现了超高带宽、低功耗、近距离、点对点的无线连接和传输。

1. ST60用于电脑与公网的网速测试

使用超五类网线（CAT5e），将电脑与宽带公网的有线网口直接连接，采用speedtest.cn进行网速测试。

然后采用两根CAT5e网线，分别连接电脑和ST60，以及ST60和有线网口，然后用胶带将ST60固定到测试盒和玻璃盖板上，将上下两个ST60对齐，采用speedtest.cn进行网速测试。

图 33 电脑与公网直接连接和通过ST60连接的网速测试

图 34 电脑与公网通过ST60连接的网速测试

通过初步测试发现，直接连接和通过ST60连接，测出的网速完全相同，都是安装的宽带（号称千兆网，实测却是500M，orz）的正常下载和上传网速（一般家用宽带上传速度都远低于下载速度，宽带网速以下载网速为准）。

1. ST60用于电脑与树莓派4的点对点网速测试

为了测试ST60在水介质数据通讯的功能和性能，采用一个树莓派4的千兆网口代表水介质设备，用CAT5e网线将电脑与树莓派4直接连接，此时测得网速为948Mbps，如果考虑到网络通讯报文的额外开销的话，刚好接近网卡满速1Gbps；

然后采用两根CAT5e网线，分别连接电脑和ST60，以及ST60和有线网口，采用speedtest.cn进行网速测试。

图 35 电脑与树莓派4通过ST60连接的点对点网速测试

将树莓派4和ST60之间的网线换成普通的百兆网线，并将电脑网卡设置为1Gbps和100Mbps，测试发现，两者都是100Mbps时，可以建立连接并稳定在100Mbps的满速通讯，

而当树莓派4的连接为100Mbps，电脑的连接是1Gbps时，两者无法通过ST60建立网络连接。

图 36 SK201E模块的ST60高速通讯功能框图

ST60毫米波水介质数据传输的评估测试步骤

测试步骤主要如下：

搭建水介质中的数据传输的评估装置；
模拟真实使用场景下的各种干扰因素等情况下的数据传输性能，如：

空气；
纯净水；
海水（采用不同浓度的氯化钠溶液模拟）；
浑浊水（采用不同浓度的泥水混合液）；

总结分析，撰写评测报告。

搭建水介质中的数据传输的评估测试装置。

由于缺乏合适的竖直摆放扁平状水容器，因此采用了一个约1cm厚的亚克力盒子、一个约4mm厚度的透明塑料包装盒（内存条包装盒）、以及两块玻璃板叠放中间形成缝隙充水，来实现不同厚度的液体容器；用透明胶带将SK201E模块固定在容器的上下两端，并进行测试；

图 51 三套不同厚度的液体容器评测工具

测试后发现，即使是纯净水，在两个不同厚度的盒子上下两端都无法建立通讯，后续测试重点全部集中在两块玻璃板叠放中间的缝隙；采用的缝隙距离有：

0.9mm: 用身份证（标准厚度0.9mm）在两边隔开玻璃板；
~0.45mm: 用身份证（标准厚度0.9mm）在单边隔开玻璃板，中央的ST60间距就是0.45mm左右；
~0.1mm：使用纸巾浸润相应的测试溶液后，夹入两块玻璃板中间，并压紧；

图 52 两块玻璃板的三种间隙厚度配置（0.9mm、0.45mm、~0.1mm）

不同水质的测试用水配备

由于本品主要目的是用于海洋水介质仪器设备的数据传输，因此使用氯化钠（食用盐）和泥土来配备海水和浑浊水。

海水中含有很多盐类物质，其中70％为氯化钠，14％为氯化镁。为了表示海水中所含盐类物质的多少，人们常用盐度来表示，即1，000克海水中所含溶解盐类物质的总量。

因绝对盐度不能直接测量，所以，随着盐度的测定方法的变化和改进，在实际应用中引入了相应的盐度定义。在实用盐标中采用了高纯度的KCl，用标准的称量法制备成一定浓度(32.4357‰)的溶液，作为盐度的准确参考标准，而与海水样品的氯度无关，并且定义盐度：在一个标准大气压下，15℃的环境温度中，海水样品与标准KCl溶液的电导比。

盐度的大小取决于蒸发与降水的多少，同时与结冰、融冰、大陆径流及洋流等因素也有很大关系。太平洋海水平均盐度为35‰，但各个海区含盐量的多少悬殊很大。地球上盐度最高的海域红海，盐度在3.6 ~ 3.8%之间；盐度最低的海域：波罗的海，盐度只有7 ~ 8‰。

采用家用的食用盐（氯化钠），以及周边采集的泥土，配备成不同浓度（简易配备方法：常温20℃下标准氯化钠溶液的饱和浓度为26.4%，以此饱和溶液为基准，按照多份等量水，逐级稀释为不同浓度）的溶液，用来模拟水的不同浓度以及浑浊度；

图 61 配制的不同浓度的氯化钠溶液及其原料（食盐、纯净水）

图 62 配制的不同浓度的泥水混合液及其原料（泥土、纯净水）

评测结果汇总
1. 传输介质：空气

经评测，速度保持在950Mbps左右，接近千兆网卡的满速1Gbps；

间距超过1cm，也能保持同等950Mbps的通讯速率。

图 71 间隙介质：空气，间距：0.1~10mm，传输速度为950Mps

将玻璃板碰动一下，位置错开后再恢复对齐位置，网速会有波动，如果错开位置过大，则传输速率降低至0，再次对齐位置后，速率恢复至950Mbps

图 72 错开位置再恢复的数据传输速率变化

1. 传输介质：纯净水
两块玻璃板双边夹一张身份证（玻璃板中间间隙0.9mm）-纯净水：无通讯
两块玻璃板单边夹一张身份证（玻璃板中间间隙0.45mm）-纯净水：无通讯

图 73 介质纯净水，玻璃板单边或双边放置身份证，无法连接，数据传输速率为0

去掉身份证，两块玻璃板中间只有纯净水，通过表面张力贴合在一起，可见两层玻璃间夹有一层水膜-纯净水：通讯速率950Mbps

图 74 介质纯净水，玻璃板放置身份证、去掉身份证的数据传输速率变化

两块玻璃板中间夹一张纸巾（暂缺厚度测量工具，估算约0.05~0.1mm左右）-纯净水：无通讯。
1. 传输介质：氯化钠溶液
  1. 饱和氯化钠溶液

单边夹一张身份证（0.9mm厚度）-饱和氯化钠溶液：无通讯
去掉身份证，表面张力形成的夹层（上玻璃轻放后不按紧，可见两层玻璃间夹有一层液膜）-饱和氯化钠溶液：通讯速率950Mbps

图 75 介质氯化钠溶液，玻璃板放置身份证、去掉身份证的数据传输速率变化

再次测试不夹身份证，加大氯化钠溶液的量，通过表面张力形成的夹层（上玻璃轻放后不按紧，可见两层玻璃间夹有一层液膜）-饱和氯化钠溶液：可见数据传输速率不稳定，最开始能达到最高速度950Mbps，随后降低，最后降低到0。

图 76 介质氯化钠溶液，玻璃板放置较厚的氯化钠溶液层时的数据传输速率变化

两块玻璃板中间夹一张纸巾（暂缺厚度测量工具，估算约0.05~0.1mm左右）-饱和氯化钠溶液浸润：无通讯。

1. 1. 不同浓度的氯化钠溶液

结果与饱和氯化钠溶液相近，不再赘述。

1. 传输介质：泥水混合液
  1. 饱和泥水混合液
单边夹一张身份证（0.9mm厚度）-泥水混合液：无通讯。
去掉身份证，表面张力形成的夹层（上玻璃轻放后不按紧，可见两层玻璃间夹有一层液膜）-泥水混合液：通讯速率950Mbps

图 77 介质泥水混合液，玻璃板放置身份证、去掉身份证的数据传输速率变化

夹一张纸巾（暂缺厚度测量工具，估算约0.05~0.1mm左右）-泥水混合液：无通讯。

图 78 介质泥水混合液，玻璃板夹一张纸巾的数据传输速率为0

1. 1. 不同浓度的泥水混合液

结果与饱和泥水混合液相近，不再重复试验内容和结果。

1. 试验结果汇总表

表 71 ST60毫米波水介质数据传输测试结果汇总（单位：Mbps）

介质类型	空气	纯净水	饱和氯化钠溶液（26.4%）	海水等盐度氯化钠溶液（35‰）	饱和泥水混合液	稀释泥水混合液
间距0.9mm （双边身份证）	950	0	0	0	0	0
间距0.45mm （单边身份证）	950	0	0	0	0	0
间距~0.1mm （紧密贴合）	950	950	950	950	950	950
间距~0.1mm （松散贴合）	950	0	0~950	0	0	0
间距~0.1mm （纸巾）	950	0	0	0	0	0