אתגר התקשורת התת-ימי

תקשורת תת-ימית ומרחבית היא קו החיים הבלתי נראה של חקר האוקיינוס, התעשייה offshore, ומבצעי ימיים.בניגוד למערכות אלחוטיות ארציות שמסתמך על גלי רדיו, הסביבה התת-ימית מציגה אמצעי נוקשה, גבוה בה אותות אלקטרומגנטיים יוצאים רק כמה מטרים.גלי אלקטרו-ביטה הפכו ל-De Facto עבור רוב הקישורים התת-ימיים, אך הם סובלים מפס רוחב פס נמוך, עיכובים ארוכים, והפרעות מרובות ככל שהביקוש לנפט המתקדם (F) לכדי יכולת ניטור אוטונומית (DF) לכדי לחץ דם גבוה (טווח קצר יותר) לכדי תמיכה של מספר מוגבל של תאים חשמליים (טווח קצר יותר) לכדי לחץ דם גבוה (טווח גבוה יותר) לכדי לחץ דם גבוה יותר ויותר) לכדי לחץ דם גבוה (טווח גבוה (טווח גבוה (טווח גבוה יותר) של מספר גדול של מספר גבוה (טווח גבוה של מספר גבוה של תאים חשמליים) של תאים חשמליים (טווח הארוך, בין תאים אוטונומיים) לכדי תמיכה אוטונומיים) לכדי תמיכה ב-F) לכדי לחץ דם גבוה יותר גבוה (טווח הארוך, בין מספר רב-F) לכדי לחץ דם גבוה יותר גבוה (טווח של מספר רב-F) לכדי תמיכה אוטונומיים) לכדי לחץ דם גבוה (טווח

בעוד CDMA היא טכנולוגיה בוגרת ברשתות הסלולר הארציות (למשל, IS-95, UMTS), ההתאמה שלה לערוץ אקוסטי תת-קרקעי דורשת חשיבה יסודית.מהירות הקול (~1500 מ'/s) יוצרת פיזור עיכוב ארוך, ואת גל המים הרדוד מציג קידודים מורכבים של תדר אלקטרונים.

מה זה CDMA?

פוליסת Code Division Multiple Access היא טכניקת תקשורת דיגיטלית שבה משדרים מרובים חולקים את אותה הלהקה בתדירות בו זמנית.כל משדר מוקצה קוד הפצה ייחודי – רצף של שבבים (בדרך כלל ±1) המפיץ את אות הנתונים של ה-Fband על רוחב פס רחב בהרבה. at the המקלט, קוד מסונכרן "משחרר" את האות על ידי מכפילה את הגל הנכנס עם אותו קוד נמוך או קוד נמוך יותר, לאחר שימוש ב-Freadal-Freading אחד:

(ב) ניתן ליישם במספר צורות: FLT:0Direct-Sequence CDMA (DS-CDMA)FLT:1 מכפיל את זרם הנתונים על ידי רצף פסאודודום רב-היבשת; FLT:2Frequency-Hopping CDMA (FH-CDMA)FLT 3 שינויים במהירות בתדירות של נושאת המטוסים לפי קוד; ו-Fal של LT5Frequal) עם יכולת הפצת אנרגיה רב-MADMADR (MA) אשר תפוצה גבוהה עם תפוצה (MADR) אשר משלבת-DR) עם ה-DRDR)

היתרון התיאורטי של CDMA הוא רווח העיבוד שלה - היחס של קצב השבבים לשיעור הנתונים.רווח עיבוד של 100 (20 dB) פירושו כי אות מפרשת באותו כוח חייב להיות חזק פי 100 כדי לגרום שגיאה קטנה, נותן CDMA התנגדות טבעית ל- javamming מכוונת והתערבות קו-קומית מקרית.

היתרונות של CDMA בתקשורת תת-קרקעית

יכולת גבוהה ותמיכה של משתמשים מרובים

רשתות חיישן תת-ימיות, קישורים תקשורת AUV, ומערכות בקרת תת-ימיות לעתים קרובות דורשות צמתים רבים לשדר בו זמנית.היכולת של CDMA לתמוך משתמשים רבים באותה קבוצת תדר ללא צורך בלוח זמנים (TDMA) או להקות משמרות תדירות (FDMA) הופכת את זה אידיאלי עבור תרחישים אד-הוק אקראי גישה אקראית.ברשת רדודה עם עשרות חיישנים,MA יכול להשיג מצטברים באמצעות פרוטוקולים בלתי אפשריים, במיוחד כאשר הם קונבנציונאליים עם זמן קונבנציונאליים ותרחישים של קונבנציונאליים.

התנגדות הדדית ורובוסטנס

רווח עיבוד הספקטרום ההתפשטות של Intenuates צר פס מתערבב - כגון רעש המנוע מאוניות או כפתורים בנאריים ביולוגיים - על ידי הגורם של רווח העיבוד.יתר על כן, המגוון התדירות הטבוע של CDMA עוזר להילחם בקידוד התדירות האופייני לערוצים תת-ימיים. רושייק מקלט יכול לשלב אותות מנתיבים מרובים של התגרות, מההופך מנטלשות לנכס.

אבטחה בלתי נמנעת

מכיוון שמכשיר Eavesdropper חייב לדעת את הקוד המתפשט כדי לפענח את האות, CDMA מספק רמה בסיסית של אבטחה שכבתית פיזית.במבצעי תת-קרקעיים צבאיים וסודיים, תכונה זו מפחיתה את הסיכון של יירוט ללא ראש של הצפנה העליונה לבדו. בשילוב עם הקצאת קוד הסתגלות, CDMA יכול לעמוד בפני הכחשה-ofservice ניסיונות מכוונים לגישור ספציפי.

שימוש בספקטרום יעיל

רוחב פס אקוסטי תת-קרקעי מוגבל מאוד - לעתים קרובות פחות מ 10 kHz עבור קישורים לטווח ארוך ורק כמה מאות קילוורץ עבור מערכות לטווח קצר. טבע הספקטרום של CDMA משתמש בכל הלהקה הזמינה בו זמנית, הימנעות מאי היעילות של זמני משמר TDMA או FDMA משמר להקות.זה הופך את CDMA אטרקטיבי במיוחד עבור מחקר אולטרה-רחב (UWB) אקוסטי, שבו שידור נמוך הם רחב יותר רוחב פס רחב.

השוואה עם שיטות גישה מרובות

כדי להעריך את הנישה של CDMA, זה עוזר להשוות אותו עם שתי התוכניות הקלאסיות האחרות: Frequency Division Multiple Access (FDMA) ו-Time Division Multiple Access (TDMA), כמו גם מתחרים חדשים יותר כמו Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA).

  • (FLT:0)FDMA:FLT:1 Assigns כל משתמש בתדירות ייעודית תת-band.בערוצים תת-ערוצים מתחת למים, ערוצים צרים הם פגיעים לקידוד חמור ודורשים להקות שמירה גדולות עקב התפשטות היעילות הספקטרוםית של FDMA היא עניה כאשר מספר המשתמשים גדול.
  • (FLT:0)TDMA:FLT:1 מחולק זמן לחריצים שהוקצו למשתמשים. עיכובים תת-קרקעיים יכולים להיות עשרות שניות על פני טווחים ארוכים, מה שהופך את הזמן לתיאום מאוד לא יעיל.TDMA סובל גם מבעיה "תקופה קצרה" כאשר לאדים רחוקים זה מזה, וחייב להשאיר פערים גדולים בין השידורים.
  • (FLT:0)OFDMA: 1FLT 1 A גרסאות של FDMA המשתמשת בסמיכות חלליות אוטגוניות מעומקות (בעוד שלDMA (כמו ב 4G/5G) הוא יעיל במיוחד במיוחד ברדיו הארצי, מתחת למים אקוסטית של DM ניצבת בפני אתגרים סינכרוניים חמורים עקב קשקשים ועיכובים ארוכים של CDMAS פחות נותנים דרישות מעשיות ב-DM.
  • (FLT:0)CDMA:BuildFLT:1 מאפשר לכל המשתמשים להעביר באופן רציף על אותו רוחב פס.העלות העיקרית היא הבעיה "המרחק" - משתמשים קרובים למקבל יכולים לטבוע משתמשים מרוחקים אלא אם כן השליטה בכוח מוחל.

אתגרים ושיקולים ל- CDMA תת-ימי

אות אטמוספירה ורעש

אותות אקוסטיים סובלים מקליטה תלויה בתדר - תדרים גבוהים יותר מלוטשים מהר יותר.זה מגביל רוחב פס רב-צדדי ניתן להזיז בין טווח וקצב נתונים. טבע פס רחב של CDMA דורש לעתים קרובות שיעורי נתונים בינוניים (kilobits לשנייה) כדי לשמור על רווח עיבוד שימושי על פני מרחקים ארוכים. Ambient רעש מגלי פני השטח, חיי ימיים, מקורות אנתרוגניים עוד יותר להפחית את יחס אותות יעיל של אותות.

Multipath Propagation

ערוצי מים מאופיין על ידי מספר מסלולים של השתקפות בין פני השטח, תחתית, ותרמוקלים.ההתפשטות העיכוב יכול להגיע עשרות אלפי שניות, גרימת התערבות בין-סימבול (ISI) כי מקטין את ביצועי CDMA. , רפיעת ראקה עם אצבעות רבות הם כוח-hungry, אבל התאמה מודרנית בשילוב עם עיבוד ברמת השבבים יכול להשיג שיעורי שגיאה אפילו חמורים.

Doppler להפיץ וסנכרון

תנועה פלטפורמה (למשל, buoy צף או AUV) מציגה שינויים דופלר כי משתנה עם נתיב. בעוד CDMA הוא קצת יותר סובלני לדופלר מאשר שלDM, שינויים מהירים יכולים להרוס את האורטוקיונאליות של קודים מתפשטים. ⁇ שונים לולאות מכווץ תדירות הם תרופות נפוצות, אבל הם מוסיפים מורכבות למקבל.

הבעיה הקרובה-Far

ברשת CDMA, משדר קרוב למקלט יכול לטעון את האותות הקדמיים והסמויים.רשתות הסלולר מבוססות הקרקע לפתור זאת עם בקרת כוח מהירה. תת-קרקעי, עיכובים הגדלים ארוכים מאוד (שניים) להפוך את השליטה המסורתית של כוח הסגורה בשליטה איטית מדי.Open-loop טכניקות, בהתבסס על אובדן נתיב מוערך ממגדלור, משמשים לעתים קרובות, יחד עם הפרעה במקלט.

כוח עיבוד מוגבל ואנרגיה

צמתים המופעלים על ידי סוללה אינם יכולים להרשות לעצמם עיבוד אותות מורכבים גבוה. CDMA מקלטים המבצעים פיזור, שילוב וקידוד ערוצים דורשים אנרגיה משמעותית ל bit. חוקרים מפתחים כוח נמוך ASICs ומינוף טכניקות רדיו מתעוררות כדי לשמר אנרגיה תוך שמירה על היתרונות של CDMA.

אסטרטגיות הסתגלות ל- CDMA תת-קרקעי

כדי להתגבר על האתגרים לעיל, הוצעו כמה שינויים הנדסיים ונבדקו:

  • (FLT:0) קוד קוד נספח: 1. פיזור דינמי (Dicial Code Assignment: 1) להקצות גורמים התפשטות דינמיים על פי טווח ואיכות ערוצים. קודים ארוכים מספקים רווח עיבוד גבוה יותר עבור צמתים מרוחקים, בעוד קודים קצרים יותר מגבירים את שיעור הנתונים עבור נקודות סמוכות.
  • (ב) [ה]0] מרבי-קארייר CDMA (MC-CDMA): מ"ד:1" משלב את העוצמה של DM עם התפשטות לפעימת התדירות המחשמלת במים רדודים.
  • (FLT:0) ,Fractional Tap-Spacing Equis:FLT 1:1 מסננים אלה ב- Disrete-time יכול להתמודד עם העיכוב הארוך מתפשט מבלי לדרוש מספר מופרז של ברזים.
  • (ב) ,0) ביטול הבין-ההתערבות (SIC): אנדרט 1:1 ב המקלט, אותות חזקים מקודמים ראשונים, ואז מצטמצם מן הגלום המורכב כדי לשחזר אותות חלשים - טכניקה מוכחת להפחתה כמעט מרחוק.
  • (FLT:0)Turbo ו LDPC Coding:BuildFLT:1 , Powerful Channel קודים לשפר את שיעור השגיאה בלוק תחת SNR נמוך, ומאפשר מערכות CDMA לפעול קרוב יותר ליכולת הערוץ.

יישומים של CDMA בתקשורת צוללות

רשתות חיישן תת-קרקעיות (UWSN)

ניטור גוגוגרפיים, חישה סיסמית, וזיהום מעקב לעתים קרובות כרוך עשרות צמתים מבוזרים מרחבית. CDMA מאפשר נקודות אלה להעביר נתונים במקביל לסלע מרכזי או שער פני השטח ללא ניסויים מורכבים של MAC.

רכבי תת-קרקעי אוטונומיים (AUVs) וגלידרס

מספר יחידות התפעוליות במשימת סקר שיתופית צריכות לשתף פקודות טלמטאריות, פקודות בקרה ונתונים. CDMA תומך במכלול מלא (או חצי-דופלקס) תקשורת רב-ערכית ללא זמן-לוט יתר על פני השטח. בשילוב עם בקרת חשמל מתקדמת, AUVs יכול להתאים באופן דינמי את הגורם ההתפשטות שלהם כדי לשמור על איכות הקישור כפי שהם עוברים דרך עומק מים משתנה.

שמן Offshore וגז תשתיות

מודולים בקרת צוללות, מונעי מכות, וחיישנים ניטור צינורות דורשים קישורים אמינים, מאובטחים ונמוכים. התנגדות של CDMA להתערבות ממכונות תת-ימיות ואבטחתם הטבועית שלה הופכת אותו למועמד להחלפת מצבים אקוסטיים נקודה עד לנקודה עם גישה נטויה.

צבא והגנה

פעולות הצי דורשות הסתברות נמוכה של יירוט (LPI) והסתברות נמוכה של זיהוי (LPD) להפיץ CDMA משדר אותות מתחת לרצפה הרעש, מה שהופך אותם קשה לזהות. בשילוב עם תדירות הנפיחות, מערכות CDMA יכול לסכל ניסיונות גילוח ולספק תקשורת בטוחה בין צוללות, דיפרורים וכלי רכב מתחת למים.

פיקוח סביבתי ואקלים

פריסות ארוכות טווח של observatories האוקיינוס (למשל, Ocean Networks Canada, Ocean Observatories Initiative) מסתמכות על עמודות אחוריות אקוסטיות.רשתות CDMA יכולות להגדיל את הנתונים ממערךי חיישן מרובים, לשדר וידאו גבוה פסוט או תמונות בנאריות בכמעט בזמן אמת.

מחקרים ופיתוחים אחרונים

מחקר אקדמי ותעשייתי ממשיך לחדד את מערכות CDMA תת-ימיות.

  • (FLT:0)MIMO-CDMA:FLT:1hil על ידי שימוש במספר רב של הידרופונים ומקרנים, ריבוי מרחבי יכול להיות משולב עם קודים CDMA כדי להגביר את היעילות הקישוטית.ניסויים במכון Oceanographic וודס ואוניברסיטת קונטיקט הראו הישגים משמעותיים בבדיקות מים.
  • (FLT:0) תחת מי חמצן CDMA:FLT:1hav בהשראת רדיו קוגניטיבי, צמתים חשים את דיקור הספקטרום האקוסיבי ולהתאים את קוד ההפצה שלהם ואת הכוח כדי למנוע להפריע למשתמשים העיקריים (למשל, יונקים ימיים או מערכות מורשת).
  • (ב) [13] קודים המבוססים על הכאוס מציעים משפחה כמעט בלתי מוגבלת של רצפים של קוואסי-אורטוקונים עם תכונות אוטו-מחדש מעולה וחיבור צלב, אפילו תחת משמרות דופלר. מחקרים שפורסמו ב-FLT:2IEEE Journal of Oceanic EngineeringFLT 3 מראה נמוך יותר בזמן-vard Golder מאשר קודים קונבנציונליים.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם 5G-NR:BuildFLT:1) כמה יוזמות מחקר (למשל, פרויקט H2020 אירופה "SwarmDiver") בודקות כיצד רשתות תת-קרקעיות CDMA יכולות לממשק עם 5G Non-Terstrial Networks (NTN) עבור קישוריות חלקה אל פני השטח.

אחד מניסויים שדה הגדולים ביותר, FLT:0 (Low-cost Ocean Sensor Telemetry)FLT:1 פרויקט, הציב רשת DS-CDMA של 15 צמתים מהחוף של סינגפור, השגת שיעורי נתונים מצטברים של 6 kbps מעל 1 ק"מ טווחים - שיפור כפול על TDMA באותה סביבה.

אפשרויות ואינטגרציה עתידיים

ככל ש-CDC דורש נתונים באוקיינוס לצמוח, CDMA צפוי להיות מרכיב בסיסי של ה-FLT:0 מתחת למים האינטרנט של הדברים (UIoT) OVAFLT:1 .היכולת שלו לתמוך בכוח נמוך רבים, משדרים פורצים בו זמנית מתאימים באופן מושלם עם דפוסי התנועה של רשתות חיישן.יתר, הופעתה של מודמים אקוסטיים המוגדרים בתוכנה תאפשר שינוי דינמי של פרמטרים של CDMA (אורך קוד, נפח), כדי להתאים את הזמן האמיתי.

תוכניות היברידיות - שילוב CDMA עם שלDM עבור הדלפק ועם TDMA עבור שליטה uplink - כבר נחקר. בטווח הארוך יותר, טכניקות קוונטיות-enhanced להפיץ יכול לספק אבטחה בלתי מוגבלת תיאורטית עבור קישורים תת-ימיים אסטרטגי.

אחד התחומים המרכזיים למחקר עתידי הוא ה-FLT:0-cross-layer DesignFLT ( 1:1) המשלב את ה- CDMA הפיזי של CDMA עם קידוד של רשתות-layer ו-site-of-Service-of-Service-לדוגמה, מערכת CDMA של מודעות יכולה להקצות יותר קודים להפצת נתונים סובלניים מפרופילים עמוקים של ים תוך מתן קודים קצרים לתרמית זמן מהציוד של ציוד תת-ים.

מסקנה

CDMA מציע מערך רב עוצמה של כלים לתקשורת תת-ימית וצוללת: יכולת גבוהה, עמידות להפרעות, אבטחה ויעילות ספקטרלית, בעוד אתגרים משמעותיים נשארים - במיוחד הבעיה הקרובה, רב-פתים חמורים וכוח עיבוד מוגבל - מחקר מתמשך בקידוד אדפטי, התערבות, בקרת כוח חכם סוגרת במהירות את הפער בין ההשקעה לפרקטיקה.

[ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]]][ה]]]] [ה]]]][ה]]]]] [ה'[ה]]'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה']'[ה'[ה']'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'