stringtranslate.com

Подводная акустическая связь

Пример многолучевого распространения

Подводная акустическая связь — это метод отправки и получения сообщений в воде. [1] Существует несколько способов использования такой связи, но наиболее распространенным является использование гидрофонов . Подводная связь затруднена из-за таких факторов, как многолучевое распространение , временные изменения канала, малая доступная полоса пропускания и сильное затухание сигнала , особенно на больших расстояниях. По сравнению с наземной связью, подводная связь имеет низкую скорость передачи данных, поскольку она использует акустические волны вместо электромагнитных волн .

В начале 20-го века некоторые корабли общались посредством подводных колоколов, а также использовали эту систему для навигации. Подводные сигналы в то время были конкурентоспособны с примитивной морской радионавигацией . [2] Более поздний генератор Фессендена позволил осуществлять связь с подводными лодками.

Типы модуляции, используемые для подводной акустической связи

В целом методы модуляции, разработанные для радиосвязи, могут быть адаптированы для подводной акустической связи (UAC). Однако некоторые схемы модуляции больше подходят для уникального подводного акустического канала связи, чем другие. Некоторые из методов модуляции, используемых для UAC, следующие:

Ниже приводится обсуждение различных типов модуляции и их применения в UAC.

Частотная манипуляция

FSK — самая ранняя форма модуляции, используемая для акустических модемов. FSK обычно использует две различные частоты для модуляции данных; например, частота F1 для указания бита 0 и частота F2 для указания бита 1. Следовательно, двоичная строка может передаваться путем чередования этих двух частот в зависимости от того, является ли она 0 или 1. Приемник может быть настолько простым, что имеет аналоговые согласованные фильтры для двух частот и детектор уровня, чтобы определить, была ли получена 1 или 0. Это относительно простая форма модуляции, и поэтому она использовалась в самых ранних акустических модемах. Однако в настоящее время можно использовать более сложный демодулятор, использующий цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Самая большая проблема, с которой сталкивается FSK в UAC, — это многолучевые отражения. При многолучевом распространении (особенно в UAC) на приемном гидрофоне может присутствовать несколько сильных отражений, и пороговые детекторы сбиваются с толку, что серьезно ограничивает использование этого типа UAC вертикальными каналами. Методы адаптивной эквализации были опробованы с ограниченным успехом. Адаптивная эквализация пытается смоделировать канал UAC с высокой отражающей способностью и вычесть эффекты из принятого сигнала. Успех был ограничен из-за быстро меняющихся условий и сложности адаптации во времени.

Фазовая манипуляция

Фазовая манипуляция (PSK) — это схема цифровой модуляции, которая передает данные путем изменения (модуляции) фазы опорного сигнала (несущей волны). Сигнал вводится в область магнитного поля x, y путем изменения синусоидальных и косинусоидальных входов в точное время. Он широко используется для беспроводных локальных сетей, RFID и связи Bluetooth.

Ортогональное частотное разделение каналов

Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM) — это схема цифровой многочастотной модуляции. OFDM передает данные по нескольким параллельным каналам данных путем включения близко расположенных ортогональных сигналов поднесущих.

OFDM является выгодной схемой связи в подводной акустической связи благодаря своей устойчивости к частотно-избирательным каналам с большими задержками. [3] [4] [5]

Непрерывная фазовая модуляция

Непрерывная фазовая модуляция (CPM) — это метод модуляции, который представляет собой непрерывный сдвиг фазы, где фаза несущего сигнала изменяется со временем и избегает резких изменений между последовательными символами. Эта плавная фазовая траектория уменьшает спектральные боковые лепестки. [6]

Редусин спектральных боковых лепестков увеличивает спектральную эффективность CPM и позволяет ему передавать данные в более узкой полосе пропускания . Известные варианты CPM включают минимальную манипуляцию сдвига (MSK) и гауссовскую минимальную манипуляцию сдвига (GMSK), которая использует гауссовский фильтр для сглаживания фазовых сдвигов . [7] [8]

Поскольку подводная среда сильно рассеяна, это может вызвать многолучевое распространение и ухудшение сигнала. Функция непрерывной фазы CPM смягчает эти эффекты и поддерживает целостность сигнала. Кроме того, его высокая спектральная эффективность помогает оптимально использовать ограниченную полосу пропускания под водой. [6]

Использование векторных датчиков

По сравнению со скалярным датчиком давления, таким как гидрофон, который измеряет скалярную компоненту акустического поля, векторный датчик измеряет компоненты векторного поля, такие как скорости акустических частиц. Векторные датчики можно разделить на инерционные и градиентные датчики. [9]

Векторные датчики широко исследовались в течение последних нескольких десятилетий. [10] [11] Было разработано множество алгоритмов обработки сигналов векторных датчиков. [12]

Подводные векторные датчики применяются в основном для обнаружения сонаров и целей. [11] Их также предлагалось использовать в качестве подводных многоканальных коммуникационных приемников и эквалайзеров. [13] Другие исследователи использовали массивы скалярных датчиков в качестве многоканальных эквалайзеров и приемников. [14] [15]

Приложения

Подводный телефон

Подводный телефон, также известный как UQC, AN/WQC-2 или Gertrude, использовался ВМС США в 1945 году [16] после того, как в Киле, Германия, в 1935 году были продемонстрированы различные реализации в море. [17] Термины UQC и AN/WQC-2 следуют номенклатуре Joint Electronics Type Designation System . [18] Обозначение типа «UQC» означает General Utility (multi use), Sonar and Underwater Soundи Communications (Receiving/Transmitting, two way). «W» в WQC означает Water Surface and Underwater combined. Подводный телефон используется на всех подводных аппаратах с экипажем и многих надводных кораблях ВМС, находящихся в эксплуатации. Голос или звуковой тон (азбука Морзе), передаваемые через UQC, гетеродинируются до высокого тона для акустической передачи через воду. [19]

ЯНУС

В апреле 2017 года Центр морских исследований и экспериментов НАТО объявил [20] об одобрении JANUS, стандартизированного протокола для передачи цифровой информации под водой с использованием акустического звука (подобно тому, как модемы и факсимильные аппараты делают по телефонным линиям). [21] Документированный в STANAG 4748, он использует частоты от 900 Гц до 60 кГц на расстоянии до 28 километров (17 миль). [22] [23] Он доступен для использования с военными и гражданскими устройствами, как входящими, так и не входящими в НАТО; он был назван в честь римского бога ворот, отверстий и т. д.

Спецификация JANUS (ANEP-87) предусматривает гибкую схему полезной нагрузки на основе подключаемых модулей. Базовый пакет JANUS состоит из 64 бит, к которым могут быть добавлены дополнительные произвольные данные (груз). [24] Это позволяет использовать несколько различных приложений, таких как определение местоположения в чрезвычайных ситуациях, подводная система AIS (автоматическая идентификационная система) и чат. Примером сообщения о местоположении и состоянии в чрезвычайных ситуациях является следующее представление JSON : [25] [26]

{ "ClassUserID" : 0 , "ApplicationType" : 3 , "Национальность" : "PT" , "Широта" : "38.386547" , "Долгота" : "-9.055858" , "Глубина" : "16" , "Скорость" : "1.400000" , "Направление" : "0.000000" , "O2" : "17.799999" , "CO2" : "5.000000" , "CO" : "76.000000" , "H2" : "3.500000" , "Давление" : "45.000000" , "Температура" : "21.000000" , "Выжившие" : "43" , "Флаг мобильности" : "1" , "Возможность пересылки" : "1" , "Флаг приема-передачи" : "0" , "Флаг расписания" : "0" }

Это сообщение о чрезвычайном положении и состоянии (Class ID 0 Application 3 Plug-in) показывает португальскую подводную лодку в точке с координатами 38.386547 широты -9.055858 долготы на глубине 16 метров. Она движется на север со скоростью 1,4 метра в секунду, на борту находится 43 выживших, а также показывает условия окружающей среды.

Подводные сообщения

Коммерческие аппаратные продукты были разработаны для обеспечения двусторонней подводной передачи сообщений между аквалангистами. [27] [28] Они поддерживают отправку из списка предопределенных сообщений с подводного компьютера с использованием акустической связи.

Исследования также изучили использование смартфонов в водонепроницаемых корпусах для подводной связи, используя акустическое модемное оборудование в качестве телефонных насадок [29], а также используя программное приложение без какого-либо дополнительного оборудования. [30] Программное приложение Android AquaApp от Вашингтонского университета использует микрофоны и динамики существующих смартфонов и смарт-часов для обеспечения подводной акустической связи. [31] Оно было протестировано для отправки цифровых сообщений с помощью смартфонов между дайверами на расстоянии до 100 м. [30]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ IF Akyildiz, D. Pompili и T. Melodia, «Подводные акустические сенсорные сети: проблемы исследования», Ad Hoc Networks (Elsevier), т. 3, № 3, стр. 257-279, март 2005 г.
  2. ^ "Подводная сигнализация на пароходах". www.ggarchives.com . Получено 18.01.2016 .
  3. ^ Э. Демирорс, Г. Скливанитис, Т. Мелодия, С. Н. Баталама и Д. А. Падос, «Программно-определяемые подводные акустические сети: на пути к высокоскоростному реконфигурируемому модему в реальном времени», Журнал IEEE Communications, т. 53, № 11, стр. 64–71, ноябрь 2015 г.
  4. ^ С. Чжоу и З.-Х. Ван, OFDM для подводной акустической связи. John Wiley and Sons, Inc., 2014.
  5. ^ E. Demirors, G. Sklivanitis, GE Santagati, T. Melodia и SN Batalama, «Проектирование программно-определяемого подводного акустического модема с возможностями адаптации физического уровня в реальном времени», в Трудах Международной конференции ACM по подводным сетям и системам (WUWNet), Рим, Италия, ноябрь 2014 г.
  6. ^ ab "НЕПРЕРЫВНАЯ ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ (CPM)" (PDF) .
  7. ^ "Гауссовская минимальная сдвиговая манипуляция (GMSK) - модуляция и демодуляция" (PDF) . 17 мая 2014 г.
  8. ^ «Нажатие с минимальным сдвигом (MSK) - Учебное пособие - Касим Чаудхари» .
  9. ^ Габриэльсон, ТБ (2001). Проблемы проектирования и ограничения векторных датчиков (PDF) . Практикум по направленным акустическим датчикам. Ньюпорт, Род-Айленд. С. 29.
  10. ^ Труды конференции AIP. Датчики скорости акустических частиц: конструкция, производительность и применение, Mystic, CT, 1995.
  11. ^ ab A. Nehorai и E. Paldi, «Обработка массива акустических векторных датчиков», IEEE Trans. Signal Process., т. 42, стр. 2481–2491, 1994.
  12. ^ KT Wong & H. Chi, «Диаграммы направленности подводного акустического векторного гидрофона, расположенного вдали от любой отражающей границы», IEEE Journal of Oceanic Engineering, т. 27, № 3, стр. 628-637, июль 2002 г.
  13. ^ А. Абди и Х. Го, «Новый компактный многоканальный приемник для подводных беспроводных сетей связи», IEEE Trans. Wireless Commun., т. 8, стр. 3326‐3329, 2009.
  14. ^ TC Yang, «Временные разрешения обращения времени и пассивного фазового сопряжения для подводной акустической связи», IEEE J. Oceanic Eng., т. 28, стр. 229–245, 2003.
  15. ^ М. Стоянович, JA Катипович и JG Проакис, «Пространственная и временная обработка сигналов подводной акустической связи с пониженной сложностью», J. Acoust. Soc. Am., т. 98, стр. 961–972, 1995.
  16. ^ Quazi, A.; Konrad, W. (март 1982 г.). «Подводная акустическая связь». Журнал IEEE Comm . С. 24–29.
  17. ^ Ниссен, И. (март 2017 г.). «ГЕРТРУДА — 80 лет подводной телефонии». DAGA 2017. С. 1–13.
  18. ^ "Акустическое влияние подводных мобильных исследовательских аппаратов на звуковой ландшафт среды обитания тихоокеанских морских окуней". pubs.aip.org . Получено 03.07.2023 .
  19. ^ «Как звук используется для общения под водой?». Открытие звука в море . Университет Род-Айленда. 2021.
  20. ^ «Новая эра цифровой подводной связи». НАТО. 2017-04-27.
  21. ^ "JANUS Community Wiki".
  22. ^ Браун, Эрик (15 августа 2017 г.). «Интернет подводных вещей: стандарт JANUS с открытым исходным кодом для подводных коммуникаций». Linux.com . Linux Foundation.
  23. ^ Начини, Франческа (2017-05-04). «JANUS создает новую эру цифровой подводной связи». Robohub .
  24. ^ "ANEP-87 Ed: A, Ver. 1, СТАНДАРТ ЦИФРОВОЙ ПОДВОДНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ УЗЛОВ СЕТЕЙ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ". Бюро стандартизации НАТО . Март 2017 г.
  25. ^ "Руководство пользователя Popoto PMM5021" (PDF) . стр. 44.
  26. ^ "JANUS Community Wiki | Class User Id: 002 Underwater AIS". JANUS Community Wiki . Получено 2023-07-15 .
  27. ^ "UTC Израиля переносит текстовые сообщения под воду [ВИДЕО]". ISRAEL21c . 2008-02-04 . Получено 2022-08-30 .
  28. ^ "Ультразвуковой подводный компьютер позволяет дайверам общаться посредством "пингов"". Новый Атлас . 2019-02-08 . Получено 2022-08-30 .
  29. ^ Рестучча, Франческо; Демирорс, Эмрекан; Мелодия, Томмазо (2017-11-06). "ISonar". Труды Международной конференции по подводным сетям и системам . Галифакс NS Canada: ACM. стр. 1–9. doi :10.1145/3148675.3148710. ISBN 978-1-4503-5561-2. S2CID  11584770.
  30. ^ ab Chen, Tuochao; Chan, Justin; Gollakota, Shyamnath (2022-08-22). «Подводные сообщения с использованием мобильных устройств». Труды конференции ACM SIGCOMM 2022. Амстердам, Нидерланды: ACM. стр. 545–559. doi : 10.1145/3544216.3544258 . ISBN 978-1-4503-9420-8. S2CID  251496040.
  31. ^ «Наконец-то, подводное приложение для обмена сообщениями». TechCrunch . 29 августа 2022 г. Получено 30 августа 2022 г.

Внешние ссылки