السلف في الطرائق الصوتية تحت الماء لنقل البيانات عن طريق الاتصال بالزنار البعيد

تطور الاتصالات الصوتية تحت الماء

وقد أصبحت وسائل الدفاع تحت الماء ضرورية لنقل البيانات عن طريق السونار البعيدة المدى، مما مكّن من الاتصال الحرج في البيئات التي تفشل فيها الموجات اللاسلكية والإشارات البصرية، وعلى عكس الشبكات اللاسلكية الأرضية، فإن قناة المياه الجوفية تطرح تحديات كبيرة: فقدان المجرى، وازدياد عدد المسافات الزمنية، وانتشار دوبلر، وانخفاض نطاق الترددات المتاحة.

ويقتضي فهم سياق هذه التطورات النظرة إلى مدى تطور الاتصالات تحت الماء، حيث تستخدم نظم الهواتف في مرحلة مبكرة من المياه الناطقين بالأشعة المكشوفة، وتعاني من التلاشي الشديد والنطاق المحدود، ويزيد الانتقال إلى الوسائط الصوتية الرقمية في الثمانينات والتسعينات من التحسن الكبير، ولكن القيود على النطاق الترددي تبقي معدلات البيانات منخفضة - عادة ما تزيد على عشرات الكيلومترات.

ورغم التقدم المحرز، فإن الفيزياء الأساسية لأجهزة الصوت تحت الماء تفرض حدوداً صعبة، إذ أن السفر الصوتي في حوالي 500 1 متر في الثانية في مياه البحر، مما يؤدي إلى تأخيرات في الانتشار الطويل، وتظهر هذه القناة استيعاباً للترددات يزيد من النطاق، ويحد من النطاق الترددي القابل للاستخدام، ويخلق التدخل المتعدد الوطأة الناجم عن التأملات السطحية والقاعدية تدخلاً حاداً في التسلسل الهرميني.

Core Technologies Driving Modern Acoustic Modems

مترجمون ذو نطاق واسع

وفي قلب أي وسيط صوتي هو المترجم الذي يحول الطاقة الكهربائية إلى إشارات صوتية والعكس بالعكس، وقد أدى التقدم الأخير في المواد الفطيرية وتقنيات الصنع إلى إنتاج مترجمين بحجم أوسع، وكهرباء إرسال أعلى، وتحسين الحساسية.

وتسمح أجهزة نقل الصفائح المتحركة المؤلفة من عناصر متعددة باستخدام الطاقة الصوتية في اتجاه محدد، وتخفض من تأثير الانتقال المباشر إلى التعددية وتزيد من النطاق الفعال دون زيادة الاستهلاك العام للطاقة، وتدمج بعض النماذج المتقدمة صفائف مطابقة تُباع في هيكل مركبات الاتحاد الأفريقي، وتخفض من القدرة على سحب المركبات، وتُعتبر المبادلات مع التوجيه شرطاً لتكييف نظم المعلومات الدقيقة في مجال مكافحة الحرائق.

التعادل الإيجابي والتصويب الخاطئ

وقد شهدت عملية تجهيز الإشارات على الأرجح أكثر التطورات إثارة في السنوات الأخيرة، إذ أن قناة المياه تحت الماء هي فترة زمنية، حيث تتراوح فترات الاتساق بين الثانية عشرة في البحار الخام وعدة ثوان في ظروف هادئة، وقد أصبحت المكافئات الطفيفة التي تتعقب تغيرات القناة في الزمن الحقيقي معيارا في أنماط الأداء العالية الأداء، كما أن المكافئات في مجال القرار، إلى جانب حلقات مائية غير مكتملة، تعوض عن التحولات في مسارات دوبلر التي تسببها.

وقد حلت رموز تصحيح الأخطاء القوية، بما في ذلك رموز التعادل المنخفضة الكثافة ورموز التربو، محل رموز التجمع القديمة، وهذه الرموز الحديثة تعمل في جزء من نقطة الصفر في حد شانون، مما أتاح الاتصال الموثوق به في نسب منخفضة من الإشارة إلى العلامة، ويعالج بشكل فعال أشكال التخلف الافتراضي في تحديد الكم من هذه الرموز، مع الحفاظ على استهلاك الطاقة.

دورة المياه النائمة بكفاءة الطاقة وإدارة الطاقة

وبالنسبة لعمليات النشر الطويلة الأجل، ولا سيما في مجال الجمود المحيطي والمركبات ذاتية تحت الماء، فإن استهلاك الطاقة هو القيد السائد، إذ أن انتقال الطاقة الصوتي كثيف، إذ أن مضخات المركبات المبثوثة تستهلك طاقة كبيرة على مستويات عالية من المصادر، وتطبق المودم الحديثة بروتوكولات متطورة لغسل النوم تقلل من الوقت النشط، وتتلقى أجهزة الاستيقاظ ذات القدرة المنخفضة، التي تعمل على مستويات الموجات الدقيقة، تكيفها الرئيسية.

كما أدت تحسينات تكنولوجيا البطاريات دوراً، ولكن المكاسب الحقيقية تأتي من تحقيق الاستخدام الأمثل على مستوى المنظومة، وتدمج بعض الوسائط جمع الطاقة من مصادر الصوتية المحيطة، والهزات، أو التدرجات الحرارية، على الرغم من أن هذه الحلول لا تزال حلاً مناسباً، ويسمح الاتجاه نحو تركيبات الوسائط النموذجية، حيث يضخم حجم الطاقة، ومحلول الطاقة، والمتحولون منبراة، بأن تكون متفائلة من الناحية المادية والكهربية.

السلف في تجهيز الإشارات من أجل الانتقال الطويل الأجل

التواتر والتلفزيون المتعدد

وقد برزت هذه المبادرة باعتبارها مخططاً للتعديلات المهيمنة على الاتصالات الصوتية العالية تحت الماء، إذ إن تقسيم النطاق الترددي المتاح إلى العديد من الناقلات الضيقة، وكل من يعاني من زوال مسطح نسبياً، ويجعل من المتساوية في الإشارات التي تستخدمها وزارة الدفاع، ويتيح قوة ضد المتعاطفين مع عدة مرات، وتستوعب نسبة الشعارات التي تُحمل بين الرموز تدخلات بين النسيج، شريطة أن تتجاوز مدة التنفيذ المئات.

والتحدي الرئيسي الذي يواجه إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية في قنوات المياه تحت سطح الماء هو الحساسية إزاء انتشار دوبلر، حيث تتسبب حركة المنصات وتيار المياه في تحولات دوبلر التي تدمر أوتوغناليات الشاحنات الفرعية، مما يؤدي إلى تدخلات بين القوارض، وتستخدم أجهزة استقبال متقدمة تقنيات لإعادة التحديث والعزل لتقدير وتعويض التحولات غير الموحدة التي تتحولها دوبلر عبر نطاق الترددات.

Sparse Channel Estimation

وكثيرا ما تكون القناة الصوتية تحت الماء متباعدة، مما يعني أن عددا قليلا من مسارات النشر الهامة لا يحمل معظم الطاقة، وأن أساليب تقدير القنوات التقليدية تعالج القناة على أنها كثيفة، وتتطلب الكثير من الرموز النموذجية واستهلاك النطاق الترددي.

وقد تم تكييف الخوارزميات المجمدة مثل المطاردة المطابقة للأورام وأساس المطاردة بحيث تتفاوت مع السياق الصوتي تحت الماء، مع التعقيد الحاسبي المناسب للتنفيذ في الوقت الحقيقي على نظام إدارة المياه الجوفية، وتتجلى الفوائد في المياه العميقة حيث تُظهر القناة تفاوتاً شديداً، ولكنها أيضاً في المياه الضحلة عندما يكون التأمل في قاع البحر مفصولاً عن الوقت المباشر للملاحة.

بروتوكولات نقل الصوتيات الشبكية

وكثيرا ما يتطلب نقل البيانات عن طريق السونار البعيد المدى شبكات نقل متعددة الألواح، حيث تنقل المودم بيانات من العقد إلى مكان آخر للوصول إلى بوابة سطحية أو محطة شاطئية، وقد جعلت التطورات الأخيرة في مراقبة الدخول المتوسطة وبروتوكولات تحديد المسار هذه الشبكات عملية، كما أن أنماطاً متعددة الشائعة من حيث تجنب الاصطدام، وإتاحة الوصول المتعدد الشُعب زمنياً، وتواتر الدخول المتعدد (النظام المالي الموحد للتجارة).

ومن بين النهج الواعد بوجه خاص استخدام " إعادة التدوير التعاونية " حيث توجد عدة نماذج للأمام في آن واحد لاستغلال التنوع المكاني، وهذه التقنية تشبه الاتصالات المتعددة النواتج، ولكن مع المعالم الموزعة بدلا من التراكب الهوائيات، ويقلل التنوع من احتمال فقدان الحزمة بسبب التزييف أو التدخل، ويحسن من سرعة الوصل إلى الأسواق عبر سلسلة البحث الطويلة.

إن بروتوكولات التنقيب، مثل نقل المواد على أساس ناقلات، وتحديد المسارات القائمة على العمق، وتوجيه الضغط، تستخدم المعلومات الجغرافية - بما في ذلك العمق المقيس من أجهزة استشعار الضغط - لاتخاذ قرارات دون معرفة كاملة بالعلم الطبوغرافية للشبكة، وهذه البروتوكولات مفيدة بصفة خاصة في الشبكات المتنقلة التي تستخدم المركبات ذات الترددات العالية والجليدات، حيث تتغير الطبقات الأرضية باستمرار.

توسيع نطاق تطبيقات القدرات الجديدة

مركبات تحت الماء ذاتية الصلاحية وأجهزة غزلان

وربما كان أكبر المستفيدين من وسائل الصوت المحسنة هو مجتمع المركبات شبه المائية المتمتع بالاستقلال الذاتي، إذ يتعين على المركبات التي تقوم برسم خرائط قاع البحر أو تفتيش الأنابيب أو الرصد البيئي أن تنقل كميات كبيرة من بيانات السونار إلى المشغلين بينما تغرق، ومن الناحية التاريخية، كان ذلك يتطلب من المركبة أن تنقل البيانات السطحية والخارجية عن طريق الإذاعة، وتعطل البعثات، وتخاطر بالاصطدام.

وفي العمليات المتعددة المركبات، تتيح النماذج الصوتية التنسيق وتبادل البيانات فيما بين أفرقة المركبات التابعة للاتحاد الأفريقي، فعلى سبيل المثال، يمكن للسيارات الرائدة أن توكل إلى أتباعها مهمة التحقيق في سمة مكتشفة في الصور الجانبية، وإعادة تعيين مناطق التغطية دينامية، ويجب أن تدعم المودم البث الجاهز (واحد إلى آخر) والتواصل الموجه (نقطة إلى نقطة) مع إعادة نقل تلقائي وربطات مع الاعتراف بالبروتوكولات المتقدمة ذات الكفاءة.

نظم رصد المحيطات وشبكات المكابلات

وتعتمد مراصد المحيط الثابتة، مثل صفائف مبادرة مرصد المحيطات وشبكة نبتون كندا، على الطاقة الكبلية وأجهزة إعادة البيانات الألياف الضوئية إلى الشاطئ، غير أن الأدوات المحمولة وأجهزة الاستشعار الموجودة في محيط هذه المراصد كثيرا ما تستخدم وسائل الصوتيات لنقل البيانات إلى مركزي.

كما أن الوسادات الصوتية البعيدة المدى حاسمة بالنسبة لنظم الإنذار المبكر بأمواج تسونامي، إذ أن أجهزة قياس الضغط على قاع البحر تكشف عن التغيرات في الضغط من موجات تسونامي عبر الأوعية الصوتية وتنقل البيانات عبر الطواف السطحي، مما يؤدي إلى نقل الإشارة إلى السواحل عبر السواتل، وموثوقية هذه الصلة حرجة حرفيا، وقد أدت التحسينات الأخيرة إلى زيادة الحد الأدنى من ضغط الدم لكل عملية نقل.

وتبرز البيانات الواردة من Woods Hole Oceanographic Institution] كيف أن النماذج الصوتية تمكن من المشاركة في شبكات المرصد، وقد تم نشر هذه النظم في بعثات تمتد كل سنة في المياه العميقة، وتحيل البيانات الأوقيانوغرافية من المترات الحالية، والرموز الحرارية، والحساسات الكيميائية على مدى يتراوح بين 20 و30 كيلومتراً باستخدام وسائل وسيطة.

طلبات الدفاع والأمن

وقد أدت التطبيقات البحرية تاريخيا إلى تطوير تكنولوجيا الصوت تحت الماء، وتتطلب نظم الدفاع الحديثة اتصالا سريا ومضمونا بين الغواصات والسفن السطحية والمركبات غير المأهولة تحت الماء، والمجسات الثابتة، وتستخدم وسائل منع الحمل الصوتية ذات القدرة المنخفضة على تحمل الصدمات تقنيات الأشعة المكشوفة وأجهزة التكرار لتجنب الاكتشاف والتشويش.

تستخدم شبكات الاستشعار ضد الحرب تحت سطح البحر صفائف موزعة من أجهزة الاستشعار الصوتية التي تتواصل عبر المودم لتتبع الغواصات المستهدفة، ويجب أن تحتفظ الشبكة بتزامن زمني على وجه التحديد لربط قياسات الحوادث من عدة نوافذ.() وتشمل النماذج الحديثة قدرات توقيت دقيقة باستخدام أجهزة الأشعة المبررة التي تعمل على معالجة الحرارة (TCXOs) التي تُصنَّف بواسطة تحديثات دورية للنظام العالمي لتحديد المواقع عند تحسينها بدرجة كبيرة.

كما تستفيد نظم أمن الموانئ من أوجه التقدم، وتستخدم شبكات الاستشعار الموزعة عند مداخل الميناء وسائل صوتية لنقل البيانات عن النشاط المشبوه تحت سطح الماء، مثل الخنادق أو الغواصات الصغيرة، ويتيح حجم المودم الحديثة المدمجة وقوتها المنخفضة إمكانية إدراجها في مجموعات صغيرة من أجهزة الاستشعار القابلة للتصريف يمكن نشرها بسرعة من القوارب الصغيرة.

الاتجاهات المستقبلية والتكامل مع الشبكات الهجينة

وصلات مهجورة مضبوطة

وفي حين أن النمط الصوتي تهيمن على المدى الطويل، فإن الاتصالات اللاسلكية البصرية تتيح معدلات بيانات أعلى بكثير (ميغابيتات في الثانية) في نطاقات قصيرة (تصل إلى 100 متر في المياه النظيفة) وقد أدى التآزر الطبيعي إلى تفكك أنماط بصرية مختلطة تتحول بين طرائق تتوقف على النطاق ووضوح المياه، وعندما تكون هناك قاعتان مقربان، فإنها تنقل إشارات مرئية، وتخفض البيانات بسرعة.

وقد وضعت أفرقة بحث في MBARI ] وغيرها من الأماكن نماذج هجينة نموذجية قادرة على التسليم السلس بين الروابط الصوتية والبصرية، وتشمل هذه النماذج منصة مشتركة لنظام الأفضليات المعمم تعالج كلا النوعين من الطبقات المادية، وتتقاسم الذاكرة ونظم الطاقة، ويكمن التحدي العملي في تفاوت نطاق الاتصالات البصرية، الذي يعتمد على المياه.

ساتل وشبكة إيوت

والهدف النهائي للعديد من شبكات المياه الجوفية هو ربط أجهزة الاستشعار في قاع البحار بالمستعملين في البر أو في السحابة، والطرائق الصوتية هي مجرد مهبط واحد في سلسلة أكبر تشمل عادة طفرة سطحية ذات وصلات ساتلية أو خلوية، وتدمج نماذج الطفاف السطحية الحديثة نماذج الصوت مع إيريديوم أو غلوبالستار أو أجهزة إرسال ساتلية في ولاية إنمارسات، على طول خطوط العرض.

وتُعرض السواتل المتدنية المدارية الناشئة، مثل ستارلينك وشبكة ويب، عرض النطاق الترددي العالي والدرجة الأدنى من السواتل الثابتة الأرضية التقليدية، كما أن التكامل مع الشبكات الصوتية تحت الماء لا يزال تجريبيا، ولكن النتائج المبكرة تبين أن الطواف السطحي الوحيد يمكن أن يدعم وصلات صوتية متزامنة متعددة بينما يبث البيانات عن المناطق السحابية عبر السواتل.

The Internet of things (IoT) is also reach underwater, thanks to low-power acoustic modems that speak IP-based protocols like 6LoWPAN (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks) These modems allow underwater sensors to be addressed directly from the internet, using compression and fragmentation to fit IP packageets into the smallFoustic frame

خاتمة

وقد حقق العقد الماضي تقدماً تحولياً في أساليب الصوت تحت الماء، مما أتاح نقل البيانات عن طريق السونار البعيدة المدى التي كانت غير قابلة للاستدامة سابقاً، ومن صفائف إنتاج النطاق العريض، وتحقيق التكافؤ في التكييف مع تقديرات القنوات المتفرقة والتواصل التعاوني، جرى صقل كل طبقة من فئات الاتصال لاستخراج أقصى أداء من قناة الدفاع تحت الماء التي تتسم بالتحدي، وقد وسعت هذه التحسينات التكنولوجية التي أدخلت على نظام الرصد المحيطي.

وفي المستقبل، سيستمر الاتجاه نحو إقامة وصلات صوتية مختلطة، وتكامل ساتلي لا يرحم، وشبكة إيوت التي تستخدم في المياه الجوفية، في طمس الحدود بين الاتصالات تحت سطح الماء والبري، حيث تصبح المودمات أصغر حجما وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، وأكثر ذكاء من خلال استخدام أدوات التعلم الآلي والبروتوكولات التكييفية، والرؤية الواقعية لشبكة المحيط التي تبعث على الأنفاق حقا، والتي تعني الوعي بحرية بين البحار.