מערכות MIMO תת-קרקעיות

מספר רב של טכנולוגיות של Input (MIMO) יש מהפכה בתקשורת אלחוטית ארצית על ידי שימוש באנטנות מרובות הן משדר והן מקלט כדי לשפר את הנתונים באמצעותput, אמינות קישור ויעילות ספקטרלית.הפחתת היתרונות האלה לחיישנים תת-ימיים (UASNs) היא התקדמות טבעית, בהתחשב בצורך ההולך וגדל בתקשורת תת-מעורבת גבוהה ביישומים כגון ניטור סביבתי, נפט וגז תת-קרקעי, ופעולות אוויריות (AU) ואוויריות.

מערכות MIMO אקוסטיות מתחת למים מנצלות מגוון מרחבי ומספרים כדי להתגבר על המגבלות החמורות של הערוץ האקוסיבי – מדיום שהוא גם קשה ובלתי צפוי.על ידי פריסת מערךים של טרנסנפצים ו הידרופונים, מערכות אלה יכולות להשיג שיעורי נתונים גבוהים יותר ולהגדיל את היציבות נגד הפיגור וההתערבות. עם זאת, ההבדלים היסודיים בין הערוצים האקוסטיים התת-ימיים לבין ערוץ הרדיו דורשות חדשות לחלוטין.

מאמר זה מספק מבט מקיף על השיקולים העיקריים של עיצוב, אתגרים ואסטרטגיות מתקדמות לבניית מערכות MIMO יעילות עבור UASNs. אנו נבדוק מדוע טכניקות MIMO קונבנציונליות נכשלות במים, כיצד מהנדסים מתאימים אותם, ומה העתיד מחזיק בטכנולוגיה קריטית זו.

אתגרים ייחודיים בערוצים תת-ימיים

לפני בחינה של אסטרטגיות עיצוב ספציפיות, חיוני להבין את המגבלות הפיזיות המעצבות מערכות MIMO תת-ימיות.הערוץ האקוסיבי התת-ימי הוא אחד מאמצעי התקשורת הקשים ביותר לשלוט, ומציגה התעלות של מכשולים שלעתים נדירות נתקלו בקישורים יבשתיים או לווייניים.

Multipath Propagation ו Inter-Symbol Interference

אותות אקוסטיים משקפים את פני הים, קרקעית הים, תרמוקווירים, ומכשולים אחרים, יצירת מספר גדול של עותקים מעוכבים של האות המועבר. בסביבות מים רדודים, ההתפשטות העיכוב יכולה להגיע למאות אלפי שניות, מה שגורם להפרעות בין-דלקתיות חמורות (ISI) שיכול להרוס שלמות נתונים. בעוד רבפתרפיפטים ניתן לרתם עבור מגוון מרחבי ב MIMO, עיכובים קיצוניים דורשים התפשטות שווה של זיכרונות מתקדמים מאוד או מתקדמת מאוד.

מוגבל ומרחק -Dependent Bandwidth

בניגוד לערוצי רדיו שיכולים לתמוך בעשרות מגההרץ, ערוצים אקוסטיים מתחת למים מציעים בדרך כלל רוחב פס של רק כמה kHz עד 100 kHz עבור קישורים לטווח קצר.הפסדים של Absorption להגדיל באופן חד-משמעי עם תדירות, כך רוחב הפס שניתן לכווץ כמו עלייה בטווח של 10 ק"מ, רוחב הפס עשוי להיות נמוך כמו 1-2 k.

העצמה גבוהה וכוח Constraints

גלי אקוסטיים חווים הן התפשטות גיאומטרית והן ספיגה, המוביל להפסדים נתיבים שהם הרבה יותר גדולים מאשר ברדיו.ב 100 kHz, הקליטת הבקרה במים הים היא בערך 30 dB / ק"מ, צמתים חושיים הם לעתים קרובות מופעלים סוללות, חייב לפעול במשך חודשים או שנים, מה שהופך את כוח מגבר יעילות מדאיג עיקרי.

זמן-התחילה ואפקטים דופלר

האוקיינוס הוא אף פעם לא. גלים, זרמים ותנועת פלטפורמה להציג את משמרות דופלר כי הם משמעותיים יחסית לתדרי המוביל הצר (בדרך כלל 10-100 kHz) A Doppler להתפשט של 1-2 Hz הוא נפוץ, המוביל לתנוחות ערוץ מהיר.בנוסף, המהירות האיטית של אמצעי זהירות ערוץ הם על מנת של עשרות למאות מ"גות שנייה, הדורשות לעתים קרובות על פני מגוון רחב של מינוף מרחבי, אך גם עם מגבלות שונות.

רעש סביבתי והתערבות

ערוצים אקוסטיים תת-ימיים מזוהמים על ידי מגוון של מקורות רעש: צלילים ביולוגיים (הדגשה, יונקים ימיים), רעשי גל פני השטח ומכונות.רעש הוא לעתים קרובות לא-גאוסי וצבע ספקטרום.מערכות MIMO חייבות לכלול אלגוריתמים זיהוי חזקים שיכולים לדכא רעש אימפולסיבי והתערבות משותפת של נופים או כלי פני השטח אחרים.

תשתיות וחלוקתיות

קביעת מגוון רחב של טרנסידורים ו הידרופונים בים היא דבר יקר ומאתגר מבחינה לוגיסטית.מספר המרכיבים על חיישן node מוגבל על ידי גודל, משקל וכוח (SWaP) מגבלות העולם האמיתי UASNs לעתים קרובות מעסיק רק 2-4 טרנספורצים ללא כלדה, מה שהופך את זה קשה להשיג את מלוא היתרונות התיאורטיים של עיצוב MIMO חייב איזון עם פוטנציאל מעשי.

אסטרטגיות עיצוב עבור מערכות MIMO תת-קרקעיות

בהתחשב בתנאי הערוץ המרתיעים, מעצבים חייבים להתאים בקפידה את טכניקות MIMO לפעול באופן אמין מתחת למים.

ערוץ Robust Channel Estimation and Tracking

מידע מצב ערוצים (CSI) הוא סלע של כל מערכת MIMO.בקוסמי מתחת למים, הערוץ הוא סלקטיבי כפול - ⁇ -וזמן-varying.קלאסי מבוסס פיילוט באמצעות רצף אימונים מסובך על ידי עיכוב ארוך להפיץ ו- Doppler התפשטו תוצאות דחוסות לשימוש ב-ספארסיביות בתגובה לערוץ (לעתים קרובות רק כמה נתיבים למידה משמעותיים).

Beamforming וספאטימינג

על ידי שימוש בערכים מתואמים, משדרי MIMO יכולים לנווט אנרגיה אקוסטית כלפי המקלט המיועד תוך דחיית כיוונים התערבות. במים רדודים, beamforming גם מסייע להפחית את הרכיבים הרב-פתטיים הגרועים ביותר על ידי פתרון זווית אנכית של ההגעה / מסירה.קבל מקבל beamforming (למשל, MVDR, STM) משפר יחס אות-to-noise (S), עם זאת, מנגנונים מעשיים הוכיחו את התקני קבלה של 8Blinkive יש צורך ברזולוציה של זמן מוגבל:

שינוי הסתגלות וקידוד

כדי למקסם את השימוש בתנאי ערוץ משתנים, מערכות MIMO יכולות להתאים את סדר המודולציה שלהם (BPSK, QPSK, 16QAM) וקצב הקידוד (convolutional, LDPC, turbo Code) בהתבסס על הערכות בזמן אמת SNR. הסתגלות קישורים חשובה במיוחד ב UASNs כי הערוץ יכול להשתנות באופן דרמטי עקב מעבר ספינות או שינויים במבנה thermocline.

זמן חלל וגירוד

קוד בלוקים של חלל (STBC), כגון קוד אלמוטי לשני משדרים, מספקים מגוון רחב ללא צורך CSI במדר.בערוצים תת-ימיים, STBC משפר את שיעור השגיאה הקטן (העשיר) בסביבות מתפתלות אך מקטין את היעילות הספקטרוםית.עבור תרחישים הדורשים שיעורי נתונים גבוהים יותר, מספר עצום של מעברים (למשל, V-BLAST) יכול להיות מועסק, שבו הם עוברים זרם עצמאי של נתונים בלתי-מקלטים תחת שימושים מרובים של מגבלות שונות.

MIMO-OFDM ו- Multi-Carrier מתקרב

חטיבת תדר אורתגונל (OFDM) היא התאמה טבעית עבור מערכות תת-ימיות MIMO מכיוון שהיא מדגימה את השוויון על ידי המרת ערוץ התדירות הרחבה-selective לתוך תת-ערוצי שטוחים צרים רבים. MIMO-OFDM הוא תקן דה Facto עבור תקשורת תת-קרקעית גבוהה.NO אפשרויות עיצוב כולל אורך מחזורי (חייב מעל העיכוב המקסימלי), לשרת את ה-FDreshrecarecat מרובים כדי למנוע מיקום פעיל מספיק (או-Fer) כדי למנוע גישה מרובה (DMA) כדי למנוע גישה מוגבלת מספיק כדי למנוע גישה מוגבלת (DNODNO) כדי למנוע גישה מוגבלת (DNO) כדי למנוע גישה מוגבלת יותר עבור משתמשים.

בקרת שגיאות ותהליכי הפחתת

מקלטי MIMO תת-ימיים לעתים קרובות משתמשים בהתאמת טורבו, אשר מחליפים מידע רך בין ערוץ שווה לדקלם (למשל, LDPC או turbo decoder) זה משפר באופן דרמטי את ביצועי ה- ERF מבלי לדרוש את ה- CSI להיות מושלם. קודים נמוכים-density Check (LDPC) מועדפים לביצועים שלהם בקיבולת גבוהה יותר, אך הם מצמצםים של קודים של שליטה נמוכה יותר.

יישום אמיתי בעולם ו Case Studies

ההתקדמות ההוריטרית ב- MIMO תת-קרקעית אומתה באמצעות מספר קמפיינים ניסיוניים.דוגמה בולטת אחת היא פרוטוקול FLT:0)JANUS פרוטוקול FLT:1 (סטנדרט NATO לתקשורת דיגיטלית תת-ימית), אשר כולל כעת הרחבות MIMO לשיעורי נתונים גבוהים יותר. ים שנערכו בים התיכון הפגינו 2×2FD להשגת 60 kbps מעל טווח ק"מ - שיעור כפול של קוד רוחב פס אחד (S יחיד) באמצעות מערכת רוחב פס אחד בלבד (קודמת) באמצעות רוחב פס אחד בלבד).

פרויקט ציון דרך נוסף הוא מבחן התקשורת האקוסי של WHOI-UCSD MIMO, אשר ארגן ארבע מיזמים על AUVs. מבחנים שדה במפרץ מונטריי הראה כי מספר מרחבי של 4×4 MIMO הגיע ל-150 kbps ב 2 ק"מ, הישג משמעותי בהתחשב בקשיים חמורים מים רב-משימתיים.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

למרות התקדמות מרשימה, מערכות MIMO תת-ימיות נותרו רחוק מלהיות אופטימליות.חוקרים רודפים באופן פעיל כמה גבולות כדי לדחוף את הביצועים קדימה.

Machine Learning for Channel Estimation and Equiization

רשתות עצביות עמוקות (DNNs) מוחלות על מנת ללמוד את המאפיינים של ערוץ לא ליניארי, להעריך פרמטרים ללא מודלים מפורשים, ועיצוב מקלטים אופטימליים. convolutional ו-Recurrent אדריכלות יכול לנצל את הקורלציה של spatio זמניים. תוצאות מוקדמות מ-FLT:0simulated מתחת למים FLT:1 מראה כי DNN מבוסס ערוצים מתואמים לפחות קונבנציונאליים (S) ו-FSE) כלומר, במיוחד מוטציות בזמן נמוך יותר (מתאים).

מערכת ה-MIMO - Optical MIMO Systems

קישורים אופטיים מציעים רוחב פס אולטרה גבוה (עשרות של Mbps) אבל רק על טווחים קצרים (10-50 מ') ודורשים קו ישיר של ראייה.מערכת היברידית המשתמשת ב- MIMO אקוסטית לשליטה ובקרה אופטית עבור הורדת נתונים גבוהה יכול לשפר באופן דרמטי את יכולת הרשת הכוללת.

MIMO ו-Ditributed MIMO

ככל שמערךי טרנסדור גדלים בגודל ( MIMO מסיבי עם עשרות או מאות אלמנטים), חוק המספרים הגדולים יכול בממוצע לצאת מתפתל ורעש, המוביל לקיבולת חסרת תקדים.עם זאת, הגודל הפיזי של מערך אקוסטי מוגבל על ידי אורך הגל הארוך - אות 10 kHz יש אורך גל של 15 ס"מ, כך מערך 32-החלים יהיה כמעט 5 מ"מ, אך לא ניתן ליצור מגוון וירטואלי של חיישן וירטואלי יותר, אם כי אין אפשרות ליצור מספר רב יותר של חיישן וירטואלי.

אדריכלות יעילה באנרגיה

בהתחשב במגבלות הכוח של UASNs, עיצובים עתידיים MIMO סביר לשלב אנרגיה-harvesting (העברים הזיהיים כי scavenge אנרגיה מרטטים ממתחים) ועורפי רדיו מתעוררים. beamforming יכול לשמש לא רק לתקשורת אלא גם עבור העברת כוח אלחוטי כדי לטעון חיישנים.השימוש של משטחים חכמים מחדש (RIS) עבור להיות פסיבית הוא גם מוקרן כח חלופי כדי להיות מופעל כמו גם על מנת להניע כוח חלופי כדי לטעון אקטיבי.

מסקנה

תכנון מערכות MIMO עבור רשתות חיישן אקוסטית תת-ימי הוא אתגר הנדסי מרתק ותובעני.המדיום האקוסיבי לכפות מגבלות אדירות - רוחב פס של ראש, רב-אפ, וריאציות זמן מהירות, ומגבלות כוח חמורות - אשר מונעות הלוואות ישירות של טכניקות MIMO ארציות.עם זאת, באמצעות הסתגלות זהירה של estimation ערוץ, מכוונן, מתאמת, ומולת- multicarulation, חוקרים הוכיחו את ה-MIMO באמת יכול לספק שיפור משמעותי של נתונים.

ניסויים בעולם האמיתי מאשרים כי 2×2 ו 4 ×4 מערכות MIMO הן זמינות ומספקים רווחים מעשיים של 50–100% ב-Tamt. Looking קדימה, שילוב של למידת מכונה, אדריכלות אקוסטית-אופטית היברידית, ומפיצה MIMO מחזיקה בהבטחה של פתיחת הפוטנציאל המלא של ערוץ ה-Sicicic התת-ימי. asרשתות מתרחבות למים עמוקים יותר ופרופילים תובעניים יותר, עיצוב חזק יותר של MIMO יהיה אבן הפינה של תקשורת תת-ימית.