התפתחות תקשורת אקוסטית תת-קרקעית

מודמים אקוסטיים תת-ימיים הפכו הכרחיים להעברת נתונים למרחקים ארוכים, המאפשרים תקשורת ביקורתית בסביבות שבו גלי רדיו ואותות אופטיים נכשלים.בניגוד לרשתות אלחוטיות ארציות, הערוץ התת-ימי מציג אתגרים קיצוניים: אובדן נתיב גבוה, אובדן רב-לשוני, הפצת זמן, Doppler, ואפקטים נמוכים זמינים רוחב פסים זמינים לאורך העשור האחרון, חדשנות מתמשכת בעיצוב טרנסדוקטרינר, עיבוד ופרוטוקולים יש את הביצועים של מצבי תקשורת בלתי-אפשריים, וטכנולוגיות, אשר הפכו את רמות אבטחה חסכוניות, וטכנולוגיות יעילות יותר, וטכנולוגיות, וטכנולוגיות אבטחה מתקדמות יותר, פעם אחת, פעם אחת לשיטות אבטחה אוטונומיות יותר, פעם אחת, וטכנולוגיות אבטחה יכולות להיות יעילות יותר.

הבנת ההקשר של התפתחויות אלה דורש מבט כיצד התקשורת תת-ימית התפתחה.מערכות טלפון תת-ימיות מוקדמות השתמשו במודולציה אנרגונית, סבל מטווחים חמורים ומוגבלים.המעבר לצורות אקוסטיות דיגיטליות בשנות ה-80 וה-90 הביא שיפורים משמעותיים, אבל מגבלות רוחב פס שמרו על שיעורי נתונים נמוכים - בדרך כלל מאות סיביות לשנייה מעל עשרות קילומטרים, מודמים מודרניים יכולים להשיג עשרות ק"מ של כמה ק"מ ל-עשר ק"מ בטווח הקצר יותר, ו- 10 ק"מ-עשר ק"מ-עשר ק"מ, ו-עשר ק"מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מ-מתאים מתקדמים יותר ממערכות מתקדמות-עשר ממערכות מתקדמות-מ-מ-עשר ממערכות מתקדמות-

למרות ההתקדמות, הפיזיקה הבסיסית של אקוסטיקה תת-ימית מטילה מגבלות קשות.סאונד נוסע בערך 1,500 מטרים לשנייה במי ים, המציג עיכובים ארוכי טווח.הערוץ מציג ספיגת תלות בתדר שעולה עם טווח, מגביל רוחב פס רב-פעמי הנגרמת על ידי משטח והשתקפות תחתית יוצרת הפרעה בין-חושית חמורה ואפקטים של ביצועים לייצר פרופילים מהירים כי להיות מסובכים, מחפשות תאים פיזיים רבים.

טכנולוגיות נהיגה במצבי אקוסטי מודרני

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

בלב של כל מודם אקוסטי הוא transducer, אשר ממיר אנרגיה חשמלית לתוך אותות אקוסטיים ולהיפך. ההתקדמות האחרונה בחומרים אדזואלקטריים וטכניקות ייצור יצרו טרנסדוקרס עם רוחב פס רחב יותר, כוח שידור גבוה יותר, ומשפר לקבל רגישות. מודרני tonpilz ו tensative אותות להשיג רוחב פס מעל 20 kHz, בהשוואה רק כמה k במודלים גדולים יותר זה מאפשר ישירות גבוה יותר, כמו גם יותר מאשר תאים מרובים (Dxer) יותר גבוה יותר (או יותר) מאשר יותר מאשר יותר מאשר יותר מאשר לוחות רוחב פסים מרובים (Dxer) מאשר יותר גבוה יותר) מאשר יותר גבוה יותר גבוה יותר מאשר יותר מאשר יותר ויותר גבוה יותר מאשר תאים מרובים יותר מאשר יותר מאשר יותר מאשר תאים מרובים יותר מאשר יותר מאשר תאים מרובים (מפוטים יותר) מאשר יותר) מאשר יותר גבוה יותר מאשר יותר מאשר לוחות רוחב פסים (Dxer) מאשר כמה kHz) מאשר יותר מאשר יותר גבוה יותר גבוה יותר מאשר יותר מאשר יותר גבוה יותר גבוה יותר מאשר כמה kHz) מאשר תאים מרובים (מפוטנטים).

מערכי המערך שלב המורכבים מאלמנטים מרובים מאפשרים beamforming, ריכוז אנרגיה אקוסטית בכיוון מסוים.העברה כיוון מפחיתה את ההשפעה של multipath ומגדיל את הטווח היעיל ללא העלאת צריכת חשמל כוללת.כמה מודמים מתקדמים משלבים מערךים תואמים המעוצב לתוך הערימה של AUVs, צמצום תוך שמירה על יכולת כיוון.

שוויון הסתגלות ותיקון שגיאות

עיבוד אותות כנראה ראה את ההתקדמות הדרמטית ביותר בשנים האחרונות.הערוץ התת-ימי הוא זמן-varying, עם זמני קוהרנטיות החל מ- מילימטרים בים קשים לכמה שניות בתנאים רגועים. מקבילים הסתגלותיים המנטרים שינויים ערוץ בזמן אמת הפכו סטנדרטיים בתרחישים ביצועים גבוהים.

קודי תיקון שגיאות עוצמתיים, כולל קודים מודרניים נמוכים-בדיקה (LDPC) וקודי טורבו, החליפו קודים אבולוציוניים ישנים יותר.קודים מודרניים אלה פועלים בתוך חלק קטן של ניתוק של גבול שאנון, המאפשר תקשורת אמינה ביחס אותות נמוך יותר ל-noise.המחשבה הקודמת של קידוד קודים אלה מטופלת באופן יעיל על ידי DSPs ו- FPGAs, עם צריכת קודים חזקים, אשר ניתן להתאים את עצמם באופן מדויק לצורות הפעלה מחדש של פונקציות יעילות.

אנרגיה-Efficient Sleep-Wake Cycles ו-Power Management

עבור פריסות ארוכות טווח, במיוחד על ניצני האוקיינוס וכלי רכב תת-ימיים אוטונומיים, צריכת החשמל היא ההקצאה הדומיננטית. שידור אקוסטי הוא אנרגיה-intensive: מגברי נהג טרנספורמטיביים צורכים כוח משמעותי ברמות המקור הגבוהות. מודמים מודרניים ליישם פרוטוקולים מתוחכמות של שינה-וייק, אשר מקטינים את הזמן הפעיל.

שיפורים טכנולוגיים של סוללות גם שיחק תפקיד, אבל היתרונות האמיתיים באים אופטימיזציה ברמה המערכתית.כמה מודמים משלבים אנרגיה קציר ממקורות אקוסטיים, רטטים, או ⁇ s תרמיים, למרות אלה נשארים פתרונות נישה.המגמה לכיוון ארכיטקטורות מודריות מודולריות, שבו מגבר כוח, DSP לוח, ו transducer הם נפרדים פיזית וחשמלית, מאפשר אינטגרטורט לייעל את שרשרת הכוח עבור המשימה הספציפית שלהם.

התקדמות בעיבוד אותות עבור Long-Range Transmission

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)

DM התפתחה כתוכנית מודולציה דומיננטית לתקשורת אקוסטית תת-קרקעית גבוהה.על ידי פיצול רוחב הפס הזמין לתוך הרבה תת-קרגריות צרות, כל אחד חווה קידוד שטוח יחסית, שלDM מפשט שוויון ומציע עמידות נגד רב-אופטימית הסימון המוסמכת בין סמלים סופגים הפרעה בין-סימבול, בתנאי שהמשך שלו עולה על עיכוב הערוץ המודרני בשימוש מאות ל-מדבקות פחות, עם אותות עמוקים יותר, עם אותות עמוקים יותר, עם פחות מכדי מזעריים, עם סימנים.

האתגר המרכזי עם DM בערוצים תת-ימיים הוא רגישות ל-Doppler להפיץ.com תנועה וזרם מים לגרום לשינויי דופלר להרוס אורטוקיונאליות תת-קרקעית, המוביל להפרעות בין-carrier.מקלטים מתקדמים מעסיקים שכפול וטכניקות מבולות כדי להעריך ולפצה על שינויים לא-uniform Doppler ברחבי רוחב הפס.

ערוץ ספורדי אסטימו

הערוץ האקוסיבי התת-ימי הוא לעתים קרובות ספאאר, כלומר שרק כמה נתיבי תפיץ משמעותיים נושאים את רוב האנרגיה.שיטות מסורתיות לתמרן הערוץ הן צפופות, הדורשות סמלים רבים של טייסים וצריכת רוחב פס. משקעים ערוצים ספורדיים משתמשים בטכניקות חישה דחוסות שמנצלות את העווית כדי להפחית את פני השטח.

אלגוריתמים אפורים כגון מרדף מתאים אוטוקונים (OMP) ומרדף בסיס מחיקה מותאמים להקשר אקוסטי התת-ימי, עם מורכבות חישובית המתאימה ליישום בזמן אמת על מודם DSPs.היתרונות בולטים ביותר במים עמוקים, שבו הערוץ מציג ספוינטים חזקים, אבל גם במים רדודים כאשר ההשתקפות התחתונה מופרדת היטב מן ה-ספאם הישיר.

פרוטוקולים של Acoustic Relay

העברת נתונים למרחקים ארוכים דורשת לעתים קרובות רשתות ממסר רב-הופ, שבו מודמים עוברים נתונים מצומת כדי להגיע אל שער פני השטח או תחנת חוף. ההתקדמות האחרונה בשליטה בינונית (MAC) ופרוטוקולים מתפתלים הפכו את הרשתות האלה מעשי. קושט עם הימנעות התנגשות, זמן-דיוויז גישה מרובות (TDMA), ותדירות-division גישה (FD) הם נפוצים עם דפוסים שונים ותבניות תנועה.

גישה מבטיחה במיוחד היא השימוש של תקשורת "ממסר פעיל", שבו מספר מודמים במקביל קדימה חבילות לנצל מגוון מרחבי.טכניקה זו דומה למגוון רחב של קידוד (MIMO) תקשורת, אבל עם נודים מבוזרים ולא אנטנה מקולגת.המגוון מרוויח מקטין את ההסתברות של אובדן החבילה עקב הדבקה או הפרעה, שיפור קצה-למחקר באמצעות שרשראות ארוכות הוכיחו את רמות ה-טיפוס עם מספיקות של תמונות ארוכות טווח.

פרוטוקולים כגון קידום מבוסס וקטור (VBF), קידוד מבוסס עומק (DBR), ולחץ על השימוש במידע גיאוגרפי - כולל עומק נמדד מחיישנים - כדי לקבל החלטות ללא ידע מלא ברשת העליון.פרוטוקולים אלה שימושיים במיוחד ברשתות סלולריות עם AUVs ו- gliders, שבו הרשת משתנה באופן קבוע.

דרישות דומיינים מתרחבים עם ה-Frecapabilities החדש

רכבי תת-קרקעי אוטונומיים (AUVs) וגלידרס

אולי המוטב הגדול ביותר של מודמים אקוסטיים משופרים הוא קהילת הרכב התת-ימי האוטונומית. AUVs ביצוע מיפוי קרקעי, בדיקת צינורות, או ניטור סביבתי צריך לשדר כמויות גדולות של נתונים נואר בחזרה למפעילים תוך דחוס.היסטורית, זה דרש את הרכב לעמוד על פני השטח והסרת נתונים באמצעות רדיו, משבש משימות וסיכון התנגשות מודרנית מאפשר קישורי מודעות אקוסטית לשלוח דחוסים, או דחוסים, רזולוציה נמוכה, או נתונים, או מהדהדים, מאפשר רזולוציה רגילה, רזולוציה גבוהה של אבטחה, או רזולוציה גבוהה יותר, , רזולוציה גבוהה של אבטחה, רזולוציה גבוהה יותר, או , רזולוציה גבוהה של אבטחה, , , , , , רזולוציה גבוהה יותר, רזולוציה גבוהה , , רזולוציה גבוהה , , רזולוציה גבוהה , , רזולוציה גבוהה התנגשויות וידאו , , , , , , , , , , , , רזולוציה גבוהה רזולוציה גבוהה יותר רזולוציה גבוהה יותר התנגשויות וידאו , , התנגשויות וידאו , , התנגשויות רזולוציה גבוהה יותר .

במבצעים רב-תחומיים, מודמים אקוסטיים מאפשרים שיתוף פעולה בין קבוצות של AUVs. לדוגמה, רכב מוביל יכול למקד עוקבים כדי לחקור תכונה מזוהה בתמונות צד-scan, reassigning אזורים סיקור דינמי.המצבם חייב לתמוך הן שידור (אחד-על-הכל) ומכוונים (נקודת-לנקודת-נקודת-נקודת) תקשורת, עם שידור אוטומטי והכרה בפרוטוקולים מראש לא יכול לשמור על קשר מחזורי-מתאים-מתאים לתחנות כוח-מתאים-מתאים-ממדכאיים.

Ocean Obworth Systems ו- Cabled Networks

observatories, כגון יוזמת Ocean Observatories (OOI) ורשת נפטון קנדה, להסתמך על בסיס נתונים כבליים וסיבים אופטיים נתונים לעמוד על החוף. עם זאת, מכשירים ניידים וגני חיישן בפריפריה של אלה observatories לעתים קרובות להשתמש מודמים אקוסטיים כדי להעביר נתונים למרכז מרכזי.

מצבי אקוסטי לטווח ארוך הם גם קריטי עבור מערכות התראה מוקדם צונאמי.תרשם לחץ תחתית (BPRs) על קרקעית הים לזהות שינויים בלחץ עובר גלי צונאמי ולהעביר נתונים באמצעות מודמים אקוסטיים אל תוך buoy משטח, אשר מעביר את האות לחוף באמצעות לווין.האמינות של קישור זה היא פשוט קריטי חיים.

נתונים מ-FLT:0 ו-Woods Hole Oceanographic Institutioncioph1 מדגיש כיצד מודמים אקוסטיים מאפשרים נקודות לא-קלות להשתתף ברשתות observatory.מערכות אלה כבר הוצבו למשימות ארוכות במים עמוקים, משדרים נתונים אוקיאנוסיים ממטרים נוכחיים, המrmistors וחיישנים כימיים על פני טווחים של 20-30 ק"מ באמצעות מודמים שצרכו רק כמה וואט כאשר הם פעילים.

דרישות אבטחה ואבטחה

יישומים ימיים הניעו את הפיתוח של טכנולוגיה אקוסטית תת-ימית.מערכות הגנה מודרניות דורשות תקשורת בטוחה בין צוללות, אוניות פני השטח, כלי רכב תת-קרקעיים בלתי מאוישים (UVs), וחיישנים קבועים. נמוך-הסתברות-of-interception (LPI) משתמשים בטכניקות תצוגה-spectrum מבוזרות ותדירות הצטברות כדי להימנע מזיהוי ו- jaffion משולב בשכבה פיזית במערכות מסוימות, ללא אבטחה גבוהה יותר.

רשתות חיישן לוחמה אנטי-סובמרין משתמשות במערך מבוזר של חיישנים אקוסטיים שמתקשרים באמצעות מודמים כדי לעקוב אחר צוללות היעד.הרשת חייבת לשמור על סינכרוניזציה זמן בדיוק כדי לקשור מדידות מנקודות מרובות.המצבים האחרונים כוללים יכולות תזמון באמצעות oscillators גבישי מתואם טמפרטורה (TCXOs) ממושמעים על ידי עדכונים תקופתיים כאשר התפתחויות אלה יש מעקב משמעותי, כפי שתועדו במחקר הנדסת קרינת CEEFEECERD (CEEFEEFEE) שפורסם על ידי LTXOs) שפורסם על ידי LT 1.

מערכות אבטחה פורט גם ליהנות מהתקדמות. רשתות חיישן מחוספס בכניסה לנמל משתמשים במתינות אקוסטית להעביר נתונים על פעילות תת-ימית חשודה, כגון מחלוקות או תת-קרקעיות קטנות. הגודל הקומפקטי וכוח נמוך של מודמים מודרניים מאפשרים להם להיות מוטבעים בחבילות חיישן חד פעמיות קטנות שניתן לפרוס במהירות מאוניות קטנות.

כיוונים עתידיים ואינטגרציה עם רשתות היברידיות

קישורים היברידיים אופטיים-אקווסטטיים

בעוד מודמים אקוסטיים שולטים על טווחים ארוכים, תקשורת אלחוטית אופטית מציעה הרבה יותר גבוה שיעורי נתונים (מגביט לשנייה) בטווחים קצרים (בדרך כלל עד 100 מטרים במים צלולים) הסינרגיה הטבעית הובילה למצבים אופטיים היברידיים-אקוניים המתגמלים בין שיטות בהתאם לטווח ובהירות מים.כאשר שני צמתים קרובים, הם מתקשרים באופן אופטי, מעבירים נתונים גדולים במהירות כאשר הם עוברים להורדתם או מורידים את הניפים, או מורידים את הניפים, או מורידים את הניפים, או מורידים את הניפים, או מורידים את הניפים, או מורידים את הניפים, או מורידים את הניפים במהירות, או מורידים את הניפים, או מורידים את הניפים, או מורידים את הפחתת הניפים, או מורידים את הנימוקמים, או מורידים את הנתונים הניפים, או מורידים אותם לאחור, כאשר הם, כאשר הם מורידים את המשתנים, או מורידים את המשתנים, כאשר הם מלמטה, או מורידים את הניפים, כאשר הם מלמטה, כאשר הם מלמטה, כאשר הם מלמטה, כאשר הם מלמטה, כדי להוריד את הניקודמים, או

קבוצות מחקר ב-FLT:0.1.10.10.10.1 ובמקומות אחרים פיתחו מודמים היברידיים המסוגלים לעקוף בין קישורים אקוסטיים אופטיים. מודמים אלה כוללים פלטפורמה נפוצה DSP אשר מטפל בשני סוגים של שכבות פיזיות, שיתוף זיכרון ומערכות כוח.האתגר המעשי הוא בגמישות של טווח תקשורת אופטית, אשר תלוי בהפרעות מים, אור מסובך, והיערכות בין מנגנונים מתקדמים למנגנוני פיתוח אוטונומיים.

אינטגרציה ו-IoT

המטרה הסופית עבור רשתות תת-ימיות רבות היא לחבר חיישנים על קרקעית הים למשתמשים על אדמה או בענן. מצבי חירום הם רק אחד הופ בשרשרת גדולה יותר שבדרך כלל כוללת מנוף משטח עם לווייני או קישוריות סלולרית. מודרני buoy משלבים מודמים אקוסטיים עם Iridium, GlobalStar, או Inmarsat לווין טרמפציצים, יחד עם אפשרויות buoy ליד חוף.

מתפתח קבוצות לוויין של מסלול נמוך לכדור הארץ, כגון Starlink ו- OneWeb, מציעים רוחב פס גבוה יותר ושקיפות נמוכה יותר מאשר לווייני גאוסטציה מסורתיים.אינטגרציה עם רשתות אקוסטיות תת-ימיות עדיין ניסיונית, אך התוצאות המוקדמות מראות כי buoy משטח אחד יכול לתמוך קישורים אקוסטיים מרובים בעת הזרמת נתונים לענן באמצעות לוויין.אדריכלות זו מאפשרת ניטור בזמן אמת של אזורי האוקיינוס הרחוק ללא מחקר ייעודי או תשתיות כבל.

האינטרנט של הדברים (IoT) מגיע גם מתחת למים, הודות לצורות אקוסטיות בעלות כוח נמוך שמדברות פרוטוקולים מבוססי IP כמו 6LoWPAN (IPv6 מעל רשתות פרטיות אלחוטיות בעלות כוח נמוך), מודמים אלה מאפשרים חיישנים מתחת למים להיות מטופלים ישירות מהאינטרנט, באמצעות דחיסה ופיצול כדי להתאים חבילות IP לתשלומים קטנים של מסגרות אקוסטיות.

מסקנה

העשור האחרון הביא להתקדמות טרנספורמטיבית לצורות אקוסטיות תת-ימיות, המאפשרות העברת נתונים למרחקים ארוכים שלא ניתן היה להגיע קודם לכן.מערכים רחבים של פסים ושוויון הסתגלות לצרף ערוץ ורשתות שיתופיות, כל שכבת ערימה של ערימה התקשורת כבר מעודנת כדי להפיק ביצועים מקסימליים מהערוץ האקוסיבי המאתגר.

במבט קדימה, המגמה של קישורים אופטיים היברידיים, שילוב לווייני חלק, ו- IP מבוסס מתחת למים IoT תמשיך לטשטש את הגבול בין תקשורת תת-קרקעית וארץ-ארצית.As מודמים הופכים קטנים יותר, יעילים יותר, וחכמים יותר באמצעות שימוש בפרוטוקולים למידת מכונה והתאמה, החזון של אוקיינוס חוט באמת - אחד שבו נתונים זורמים בחופשיות בין הצפות לענן - עוברים קרוב יותר למציאות, למפעילים יותר, ומפעילי כוח-אוויר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, כלומר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, של האוקיינוסים, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר טוב יותר, יותר, יותר, יותר, של האוקיינוסים, יותר, יותר טוב יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, של למערכות של אוקיינוס מחושף, יותר טוב יותר טוב יותר טוב יותר, יותר, יותר, של האוקיינוס, יותר, יותר, של האוקיינוס המתפשטים, יותר טוב יותר טוב יותר, יותר, יותר טוב יותר טוב יותר,