Подводная акустическая связь
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, небольшая доступная полоса пропускания и сильное затухание сигнала , особенно на больших расстояниях. используются акустические волны По сравнению с наземной связью, подводная связь имеет низкую скорость передачи данных, поскольку вместо электромагнитных волн .
В начале 20 века некоторые корабли общались с помощью подводных колоколов, а также использовали эту систему для навигации. Сигналы подводных лодок в то время конкурировали с примитивной морской радионавигацией . [2] Более поздний генератор Фессендена позволял осуществлять связь с подводными лодками.
Виды модуляции, используемые для подводной акустической связи
[ редактировать ] | В этом разделе основное внимание уделяется только одному специализированному аспекту предмета . ( январь 2015 г. ) |
В целом методы модуляции, разработанные для радиосвязи, могут быть адаптированы для подводно-акустической связи (ОАК). Однако некоторые схемы модуляции больше подходят для уникального подводного акустического канала связи, чем другие. Некоторые из методов модуляции, используемые для UAC, следующие:
- Частотная манипуляция (FSK)
- Фазовая манипуляция (PSK)
- Расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS)
- Расширение спектра прямой последовательности (DSSS)
- Частотная и импульсно-позиционная модуляция (FPPM и PPM)
- Множественная частотная манипуляция (MFSK)
- Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
Ниже приводится обсуждение различных типов модуляции и их полезности для UAC.
Частотная манипуляция
[ редактировать ]FSK — это самая ранняя форма модуляции, используемая в акустических модемах. FSK обычно использует две разные частоты для модуляции данных; например, частота F1 для обозначения бита 0 и частота F2 для обозначения 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 таким же простым, как наличие аналоговых согласованных фильтров. к двум частотам и детектору уровня, чтобы определить, была ли получена 1 или 0. Это относительно простая форма модуляции, поэтому она использовалась в самых ранних акустических модемах. более сложный демодулятор с использованием цифровых сигнальных процессоров Однако в настоящее время можно использовать (DSP).
Самая большая проблема, с которой сталкивается FSK в UAC, — это многолучевые отражения. При многолучевости (особенно в ОАК) на приемном гидрофоне могут присутствовать несколько сильных отражений, и пороговые детекторы сбиваются с толку, что серьезно ограничивает использование этого типа ОАК вертикальными каналами. Методы адаптивного выравнивания были опробованы с ограниченным успехом. Адаптивная эквализация пытается смоделировать канал UAC с высокой отражающей способностью и вычесть эффекты из полученного сигнала. Успех был ограничен из-за быстро меняющихся условий и сложности своевременной адаптации.
Фазовая манипуляция
[ редактировать ]Фазовая манипуляция (PSK) — это схема цифровой модуляции, которая передает данные путем изменения (модулирования) фазы опорного сигнала (несущей волны). Сигнал подается в область магнитного поля x,y путем изменения входных синусоидальных и косинусоидальных сигналов в определенное время. Он широко используется для беспроводных локальных сетей, RFID и связи Bluetooth.
Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов
[ редактировать ]Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) — это схема цифровой модуляции с несколькими несущими. 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 ее устойчивости к частотно-селективным каналам с большим разбросом задержек. [3] [4] [5]
Использование векторных датчиков
[ редактировать ]По сравнению со скалярным датчиком давления, таким как гидрофон, который измеряет скалярную составляющую акустического поля, векторный датчик измеряет компоненты векторного поля, такие как скорости акустических частиц. Векторные датчики можно разделить на инерционные и градиентные. [6]
Векторные датчики широко исследовались в течение последних нескольких десятилетий. [7] [8] Разработано множество алгоритмов обработки сигналов векторных датчиков. [9]
Применение подводных векторных датчиков сосредоточено на гидролокаторах и обнаружении целей. [8] Их также предлагалось использовать в качестве приемников и эквалайзеров подводной многоканальной связи. [10] Другие исследователи использовали массивы скалярных датчиков в качестве многоканальных эквалайзеров и приемников. [11] [12]
Приложения
[ редактировать ]Подводный телефон
[ редактировать ]Подводный телефон, также известный как UQC, AN/WQC-2 или Гертруда, использовался ВМС США в 1945 году. [13] после этого в Киле, Германия, в 1935 году были продемонстрированы различные реализации на море. [14] Термины UQC и AN/WQC-2 соответствуют номенклатуре Объединенной системы обозначения типа электроники . [15] Обозначение типа «UQC» означает General Utility (multi use), Sonar and Underwater Sound и Communications (Receiving/Transmitting, two way). Буква W в WQC означает Water Surface and Underwater combined. Подводный телефон используется на всех находящихся в эксплуатации подводных лодках с экипажем и на многих надводных кораблях ВМФ. Голос или звуковой тон (код Морзе), передаваемый через UQC, гетеродинируется до высокого тона для акустической передачи через воду. [16]
![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении за счет: беспроводной связи для аквалангистов, аварийной связи с закрытым водолазным колоколом. Вы можете помочь, добавив к нему . ( май 2022 г. ) |
ЯНУС
[ редактировать ]НАТО В апреле 2017 года Центр морских исследований и экспериментов объявил. [17] одобрение JANUS, стандартизированного протокола для передачи цифровой информации под водой с использованием акустического звука (как это делают модемы и факсы по телефонным линиям). [18] Задокументировано в STANAG 4748 , он использует частоты от 900 Гц до 60 кГц на расстояниях до 28 километров (17 миль). [19] [20] Он доступен для использования с военными и гражданскими устройствами, устройствами НАТО и других стран; он был назван в честь римского бога ворот, проемов и т. д.
Спецификация JANUS ( ANEP-87 ) предусматривает гибкую схему полезной нагрузки на основе подключаемых модулей. Базовый пакет JANUS состоит из 64 битов, к которым могут быть добавлены дополнительные произвольные данные (груз). [21] Это позволяет использовать несколько различных приложений, таких как определение местоположения в чрезвычайной ситуации, подводная AIS (система автоматической идентификации) и чат. Примером сообщения об аварийном положении и статусе является следующее представление JSON : [22] [23]
{
"ClassUserID":0,
"ApplicationType":3,
"Nationality":"PT",
"Latitude":"38.386547",
"Longitude":"-9.055858",
"Depth":"16",
"Speed":"1.400000",
"Heading":"0.000000",
"O2":"17.799999",
"CO2":"5.000000",
"CO":"76.000000",
"H2":"3.500000",
"Pressure":"45.000000",
"Temperature":"21.000000",
"Survivors":"43",
"MobilityFlag":"1",
"ForwardingCapability":"1",
"TxRxFlag":"0",
"ScheduleFlag":"0"
}
В этом сообщении об аварийном положении и статусе (подключаемый модуль приложения 3 с идентификатором класса 0) показана португальская подводная лодка в координатах 38,386547 широты -9,055858 долготы на глубине 16 метров. Он движется на север со скоростью 1,4 метра в секунду, на борту находятся 43 выживших и показывает условия окружающей среды.
Подводные сообщения
[ редактировать ]Коммерческие аппаратные продукты были разработаны для обеспечения двусторонней подводной передачи сообщений между аквалангистами. [24] [25] Они поддерживают отправку из списка заранее определенных сообщений с подводного компьютера с использованием акустической связи.
В ходе исследований также изучалось использование смартфонов в водонепроницаемых чехлах для подводной связи с использованием акустического модема в качестве приставки для телефона. [26] а также использование программного приложения без какого-либо дополнительного оборудования. [27] Программное обеспечение Android AquaApp от Вашингтонского университета использует микрофоны и динамики существующих смартфонов и умных часов для обеспечения подводной акустической связи. [28] Его протестировали для отправки цифровых сообщений с помощью смартфонов между дайверами на расстоянии до 100 метров. [27]
См. также
[ редактировать ]- Акустическая коммуникация у водных животных
- Акустическая коммуникация у рыб
- Телекоммуникации
- Акустический выброс – метод восстановления океанографического устройства
- Подводная акустика - Исследование распространения звука в воде.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ И.Ф. Акилдиз, Д. Помпили и Т. Мелодиа, «Сети подводных акустических датчиков: проблемы исследования», Ad Hoc Networks (Elsevier), том. 3, нет. 3, стр. 257–279, март 2005 г.
- ^ «Подводная сигнализация на пароходах» . www.ggarchives.com . Проверено 18 января 2016 г.
- ^ Э. Демирорс, Г. Сливанитис, Т. Мелодиа, С. Н. Баталама и Д. А. Падос, «Программно-определяемые подводные акустические сети: на пути к высокоскоростному реконфигурируемому модему в реальном времени», Журнал IEEE Communications Magazine, том. 53, нет. 11, стр. 64–71, ноябрь 2015 г.
- ^ С. Чжоу и З.-Х. Ван, OFDM по подводной акустической связи. Джон Уайли и сыновья, Inc., 2014 г.
- ^ Э. Демирорс, Г. Скливанитис, Г. Е. Сантагати, Т. Мелодиа и С. Н. Баталама, «Проектирование программно-определяемого подводного акустического модема с возможностями адаптации физического уровня в реальном времени», в Proc. ACM Intl. Конф. «Подводные сети и системы» (WUWNet), Рим, Италия, ноябрь 2014 г.
- ^ Габриэльсон, ТБ (2001). Проблемы проектирования и ограничения векторных датчиков (PDF) . Практикум по направленным акустическим датчикам. Ньюпорт, Род-Айленд. п. 29.
- ^ Учеб. Конференция АИП. Акустические датчики скорости частиц: конструкция, характеристики и применение, Mystic, Коннектикут, 1995.
- ^ Перейти обратно: а б А. Нехорай и Э. Палди, «Обработка массива акустических векторных датчиков», IEEE Trans. Сигнальный процесс., вып. 42, стр. 2481–2491, 1994.
- ^ К.Т. Вонг и Х. Чи, «Диаграмма луча подводного акустического векторного гидрофона, расположенного вдали от отражающей границы», Журнал IEEE Journal of Oceanic Engineering, том. 27, нет. 3, стр. 628–637, июль 2002 г.
- ^ А. Абди и Х. Го, «Новый компактный многоканальный приемник для подводных сетей беспроводной связи», IEEE Trans. Беспроводное сообщение, вып. 8, стр. 3326–3329, 2009.
- ^ TC Yang, «Временное разрешение обращения времени и пассивного ОВФ для подводной акустической связи», IEEE J. Oceanic Eng., vol. 28, стр. 229–245, 2003.
- ^ М. Стоянович, Дж. А. Катипович и Дж. Г. Проакис, «Пространственная и временная обработка сигналов подводной акустической связи пониженной сложности», J. Acoust. Соц. Ам., вып. 98, стр. 961–972, 1995.
- ^ Квази, А.; Конрад, В. (март 1982 г.). «Подводная акустическая связь». Журнал IEEE Comm . стр. 24–29.
- ^ Ниссен, И. (март 2017 г.). «ГЕРТРУДА – 80 лет подводной телефонии» . ДАГА 2017 . стр. 1–13.
- ^ «Акустическое влияние подводных мобильных исследовательских аппаратов на звуковой ландшафт среды обитания тихоокеанского окуня» . pubs.aip.org . Проверено 03 июля 2023 г.
- ^ «Как звук используется для общения под водой?» . Открытие звука в море . Университет Род-Айленда. 2021.
- ^ «Новая эра цифровой подводной связи» . НАТО. 27 апреля 2017 г.
- ^ «Вики-сообщество JANUS» .
- ^ Браун, Эрик (15 августа 2017 г.). «Интернет подводных вещей: стандарт JANUS с открытым исходным кодом для подводных коммуникаций» . Linux.com . Фонд Linux.
- ^ Начини, Франческа (4 мая 2017 г.). «JANUS открывает новую эру цифровой подводной связи» . Робохаб .
- ^ «ANEP-87 Ed: A, Ver. 1, СТАНДАРТ ЦИФРОВОЙ ПОДВОДНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СЕТЕВЫХ УЗЛОВ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ» . Бюро стандартизации НАТО . Март 2017.
- ^ «Руководство пользователя Popoto PMM5021» (PDF) . п. 44.
- ^ «Вики-сообщество JANUS | Идентификатор пользователя класса: 002 Подводный AIS» . Вики-сообщество JANUS . Проверено 15 июля 2023 г.
- ^ «Израильское UTC переносит текстовые сообщения под воду [ВИДЕО]» . ИЗРАИЛЬ21c . 04 февраля 2008 г. Проверено 30 августа 2022 г.
- ^ «Ультразвуковой подводный компьютер позволяет дайверам общаться посредством «пингов» » . Новый Атлас . 08 февраля 2019 г. Проверено 30 августа 2022 г.
- ^ Рестучча, Франческо; Демирорс, Эмрекан; Мелодия, Томмазо (6 ноября 2017 г.). «ИЗонар» . Материалы Международной конференции по подводным сетям и системам . Галифакс, Канада: ACM. стр. 1–9. дои : 10.1145/3148675.3148710 . ISBN 978-1-4503-5561-2 . S2CID 11584770 .
- ^ Перейти обратно: а б Чен, Туочао; Чан, Джастин; Голлакота, Шьямнатх (22 августа 2022 г.). «Подводный обмен сообщениями с помощью мобильных устройств». Материалы конференции ACM SIGCOMM 2022 . Амстердам, Нидерланды: ACM. стр. 545–559. дои : 10.1145/3544216.3544258 . ISBN 978-1-4503-9420-8 . S2CID 251496040 .
- ^ «Наконец-то приложение для подводного обмена сообщениями» . ТехКранч . 29 августа 2022 г. Проверено 30 августа 2022 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Жаррот А., Иоана К., Квинкис А. (2005), «Подавление шума подводных сигналов, распространяющихся по многолучевым каналам» , Europe Oceans 2005 , IEEE, стр. 501–506 Vol. 1, номер домена : 10.1109/OCEANSE.2005.1511765 , ISBN 0-7803-9103-9 , S2CID 32055087
- DSPComm – производитель подводных акустических модемов
- uWAVE — самый маленький подводный акустический модем
- NetSim UWAN — моделирование подводной акустической сети
