La sfida della comunicazione subacquea

La comunicazione subacquea e subacquea è la linea di vita invisibile dell'esplorazione oceanica, dell'industria offshore e delle operazioni navali. A differenza dei sistemi wireless terrestri che si basano sulle onde radio, l'ambiente subacqueo presenta un mezzo di assistenza aspro e ad alta frequenza, dove i segnali elettromagnetici viaggiano solo pochi metri.

Mentre la CDMA è una tecnologia matura nelle reti cellulari terrestri (ad esempio, IS‐95, UMTS), il suo adattamento al canale acustico subacqueo richiede un ripensamento fondamentale. La velocità lenta del suono (~1500 m/s) crea lunghi dilastri di ritardo, e la guida d'onda superficiale introduce complesse dissolvenze a frequenza-selettiva.

Cos'è CDMA?

Code Division Multiple Access è una tecnica di comunicazione digitale in cui i trasmettitori multipli condividono la stessa banda di frequenza simultaneamente. Ogni trasmettitore è assegnato un codice di diffusione distinta — una sequenza di chip (tipalmente ±1) che diffonde il segnale di dati a banda stretta su una larghezza di banda molto più ampia. Al ricevitore, un correlatore sincronizzato “depreads” il segnale di destinazione moltiplicando la forma d'onda in arrivo con lo stesso codice.

Il CDMA può essere implementato in diverse forme: Direttore-Sequenza CDMA (DS‐CDMA)] moltiplica il flusso di dati di una sequenza pseudorandom ad alta velocità; Frequency‐Hopping CDMA (FH‐CDMA)] cambia rapidamente la frequenza di vettore in base a un codice; e [MFMC

Il vantaggio teorico della CDMA risiede nel suo guadagno di elaborazione, il rapporto tra tasso di chip e velocità di dati. Un guadagno di elaborazione di 100 (20 dB) significa che un segnale interferente con la stessa potenza deve essere 100 volte più forte per causare un errore di bit, dando a CDMA una resistenza naturale sia all'inceppamento intenzionale che all'interferenza accidentale del co-canale.

Vantaggi del CDMA nelle comunicazioni subacquee

Supporto per alta capacità e multi-utente

Le reti di sensori subacquei, i collegamenti di comunicazione AUV e i sistemi di controllo subacqueo richiedono spesso molti nodi per trasmettere simultaneamente. La capacità di CDMA di supportare molti utenti sulla stessa banda di frequenza senza la necessità di una programmazione a tempo pieno (TDMA) o di bande di guardia di frequenza (FDMA) rende l'ideale per scenari ad-hoc e casuali di accesso.

Resistenza all'interferenza e robustezza

Il guadagno di elaborazione dello spettro di diffusione attenua gli interferenziatori a banda stretta, come il rumore del motore da navi o i clic sordi biologici, per il fattore del guadagno di elaborazione, e inoltre la diversità di frequenza intrinseca di CDMA aiuta a combattere la dissolvenza selettiva della frequenza tipica dei canali subacquei.

Sicurezza inerente

Poiché un eavesdropper deve conoscere il codice di diffusione per disprezzare il segnale, CDMA fornisce un livello di sicurezza a strati fisici. Nelle operazioni submarine commerciali militari e confidenziali, questa funzione riduce il rischio di intercettazione senza la sola sovraccarica della crittografia a strati superiori.

Uso efficiente dello spettro

La larghezza di banda acustica subacquea è fortemente limitata, spesso inferiore a 10 kHz per collegamenti a lungo raggio e solo poche centinaia di kilohertz per sistemi a corto raggio. La natura diffusa di CDMA utilizza simultaneamente l'intera banda disponibile, evitando le inefficienze dei tempi di protezione TDMA o delle bande di protezione FDMA, rendendo la CDMA particolarmente attraente per la ricerca a banda ultra-larga (UWB) in cui i sovratensioni sono bassi.

Confronto con altri metodi di accesso multipli

Per apprezzare la nicchia di CDMA, aiuta a confrontarla con gli altri due schemi classici: Frequency Division Multiple Access (FDMA) e Time Division Multiple Access (TDMA), così come i contendenti più recenti come Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA).

  • FDMA:[] Assegna ad ogni utente una sotto-banda di frequenza dedicata. Nei canali subacquei, i sottocanali a banda stretta sono vulnerabili a dissolvenza grave e richiedono grandi bande di guardia a causa della diffusione di Doppler. L'efficienza spettrale di FDMA è scarsa quando il numero di utenti è grande.
  • TDMA:[] Divide il tempo in slot assegnati agli utenti. I ritardi di propagazione subacquea possono essere decine di secondi su lunghe distanze, rendendo il coordinamento del tempo-slot estremamente inefficiente. TDMA soffre anche di un problema “silenzioso” quando i nodi sono lontani e devono lasciare grandi lacune tra le trasmissioni.
  • OFDMA:[] Una variante di FDMA che utilizza sottocarri ortogonali densamente distanziati. Mentre OFDMA (come in 4G/5G) è spettralmente efficiente nella radio terrestre, l'acustica subacquea OFDM affronta gravi sfide di sincronizzazione a causa di scaling Doppler e dispiegamenti lunghi.
  • CDMA:[] Permette a tutti gli utenti di trasmettere continuamente sulla stessa larghezza di banda. Il costo primario è il problema “vicino-far”: gli utenti vicini al ricevitore possono affogare gli utenti lontani a meno che non si applichi il controllo di potenza adattativo moderno e la cancellazione di interferenze successive (SIC) possono mitigare efficacemente questo problema nelle reti submarine.

Sfide e considerazioni per la CDMA subacquea

Attenuazione e rumore del segnale

I segnali acustici soffrono di assorbimento dipendente dalla frequenza, le frequenze più elevate sono attenuate più rapidamente, limitando la larghezza di banda utilizzabile e costringendo un trade-off tra gamma e velocità di dati. La natura a banda larga di CDMA richiede spesso tassi di dati moderati (kilobit al secondo) per mantenere un utile guadagno di elaborazione su lunghe distanze.

Propagazione multipatica

I canali di acqua bassa sono caratterizzati da molteplici percorsi di riflessione tra superficie, fondo e termocline. La diffusione del ritardo può raggiungere decine di millisecondi, causando intersymbol interferenza (ISI) che degrada le prestazioni CDMA. I ricevitori rastrellanti con molte dita sono di potenza-ungry, ma la moderna equalizzazione adattativa combinata con l'elaborazione a livello chip può raggiungere tassi di errore di bit accettabili anche in un percorso severo.

Doppler Spread and Synchronization

Il movimento della piattaforma (ad esempio, un galleggiante o un AUV) introduce i turni Doppler che variano con il percorso. Mentre il CDMA è un po' più tollerante a Doppler che a OFDM, i rapidi turni possono distruggere l'ortogonalità dei codici di diffusione.

Il problema del piede vicino

In una rete CDMA, un trasmettitore vicino al ricevitore può sovraccaricare i segnali anteriori e a distanza oscura. Le reti cellulari a base di terra risolvono questo con un controllo di potenza veloce. L'acqua, i ritardi di propagazione estremamente lunghi (secondi) rendono il controllo tradizionale di potenza a ciclo chiuso troppo lento.

Energia e energia di elaborazione limitata

I ricevitori CDMA che eseguono la dispregiazione, la combinazione RAKE e la decodifica dei canali richiedono un'energia significativa per bit. I ricercatori stanno sviluppando ASIC a bassa potenza e sfruttando le tecniche di radio sveglia per risparmiare energia mantenendo i vantaggi di CDMA.

Strategie di adattamento per CDMA subacqueo

Per superare le sfide sopra descritte, sono state proposte e testate diverse modifiche ingegneristiche:

  • Assegnazione del codice adattivo:[] Assegnare dinamicamente i fattori di diffusione secondo la qualità dell'intervallo e del canale. I codici più lunghi forniscono un aumento del processo per i nodi distanti, mentre i codici più brevi aumentano la velocità dei dati per i nodi vicini.
  • Multi‐Carrier CDMA (MC‐CDMA): Combina la robustezza dell'OFSM con la diffusione di combattere la dissolvenza selettiva della frequenza in acque basse.
  • Parianti a scomparsa a nastro:[ Questi filtri a tempo discreto possono gestire gli spread a lungo termine senza richiedere un numero eccessivo di rubinetti.
  • Cancellazione di interferenze (SIC): Al ricevitore, i segnali forti vengono decodificati prima, poi sottratti dalla forma d'onda composita per recuperare segnali più deboli, una tecnica comprovata per la mitigazione di quasi-far.
  • Turbo e LDPC Coding:[ I potenti codici dei canali migliorano il tasso di errore del blocco sotto il basso SNR, permettendo ai sistemi CDMA di operare più vicino alla capacità del canale.

Applicazioni di CDMA nelle comunicazioni subacquee

Reti di sensori subacquei (UWSN)

Il monitoraggio oceanografico, il rilevamento sismico e il monitoraggio dell'inquinamento spesso comportano decine di nodi distribuiti in spazi. CDMA consente a questi nodi di trasmettere simultaneamente dati a un booy centrale o a un gateway di superficie senza la programmazione MAC complessa.

Autonoma veicoli subacquei (AUV) e Gliders

I multi-veicoli a full-duplex (o semi-duplex) senza sovraccarico di tempo, possono essere adattati dinamicamente al fattore di diffusione per mantenere la qualità del collegamento, mentre si muovono attraverso diverse profondità d'acqua.

Infrastrutture di petrolio e gas offshore

I moduli di controllo subacqueo, i dispositivi di prevenzione dei pompieri e i sensori di monitoraggio delle tubazioni richiedono collegamenti affidabili, sicuri e a bassa latenza. La resistenza di CDMA alle interferenze dei macchinari subacquei e la sua sicurezza intrinseca lo rendono un candidato per sostituire modem acustici point-to-point con un approccio in rete.

Militare e Difesa

Le operazioni navali richiedono bassa probabilità di intercettazione (LPI) e bassa probabilità di rilevamento (LPD). Spread‐spectrum CDMA trasmette segnali sotto il pavimento del rumore, rendendoli difficili da rilevare. Combinati con il battito di frequenza, i sistemi CDMA possono ostacolare i tentativi di jamming e fornire una comunicazione sicura tra i sottomarini, i subacquei e i veicoli sottomarini non equipaggiati.

Monitoraggio ambientale e climatico

Le implementazioni a lungo termine degli osservatori oceanici (ad esempio Ocean Networks Canada, Ocean Observatories Initiative) si basano su backbone acustici. Le reti CDMA possono aumentare il ritorno dei dati da più array di sensori, trasmettendo immagini video o sonar ad alta banda in quasi in tempo reale.

Ricerca e Sviluppo recenti

La ricerca accademica e industriale continua a perfezionare i sistemi CDMA subacquei.

  • MIMO‐CDMA:[] Utilizzando più idrofoni e proiettori, la multisala spaziale può essere combinata con i codici CDMA per aumentare l'efficienza spettrale.
  • CDMA cognitivo di acqua dolce:[ Ispirato dalla radio cognitiva, i nodi percepiscono l'occupazione dello spettro acustico e adattano il loro codice e la loro potenza di diffusione per evitare di interferire con gli utenti primari (ad esempio, mammiferi marini o sistemi legacy).
  • Chaotic Spread Spectrum:[ I codici di diffusione basati sul caos offrono una famiglia virtualmente illimitata di sequenze quasi-ortogonali con eccellenti proprietà di auto-correlazione e cross-correlazione, anche sotto i turni di Doppler.
  • Integrazione con 5G‐NR:[] Diverse iniziative di ricerca (ad esempio, il progetto europeo H2020 “SwarmDiver”) stanno esplorando come le reti subacquee basate su CDMA possano interfacciarsi con 5G Non-Terrestrial Networks (NTN) per una connettività superficiale-to-sudsea senza soluzione di continuità.

Uno dei più grandi studi sul campo, il progetto LOST (Low‐cost Ocean Sensor Telemetry)[], ha implementato una rete DS‐CDMA di 15 nodi al largo della costa di Singapore, raggiungendo i tassi aggregati di dati di 6 kbps su 1 km di range, un miglioramento di quattro volte rispetto al TDMA nello stesso ambiente.

Prospettive e integrazione future

Poiché la larghezza di banda richiede per la crescita dei dati oceanici, CDMA è probabilmente un elemento fondamentale del Internet fluente delle cose (UIoT)[. La sua capacità di supportare molti trasmettitori a bassa potenza e irrompenti si allineano perfettamente con i modelli di traffico delle reti dei sensori.

I sistemi ibridi, combinando CDMA con OFDM per il downlink e con TDMA per il controllo dei collegamenti, sono già in fase di studio.

Un'area chiave per la ricerca futura è il design cross-layer[] che integra la codifica a strati fisici di CDMA con il routing a strati di rete e la qualità-di-servizio a strati di applicazione. Ad esempio, un sistema CDMA prioritario può assegnare codici di diffusione più lunghi ai dati di ritardo-tolleranti da profili di mare profondo, fornendo codici brevi agli allarmi critici temporali da apparecchiature subacquee.

Conclusioni

CDMA offre un potente insieme di strumenti per le comunicazioni subacquee e subacquee: elevata capacità, resistenza alle interferenze, sicurezza e efficienza spettrale. Mentre rimangono sfide sostanziali, soprattutto il problema vicino-far, il multipath grave e la potenza di elaborazione limitata, la ricerca in corso di codifica adattativa, la cancellazione delle interferenze e il controllo intelligente della potenza sta rapidamente chiudendo il divario tra teoria e pratica.

[LT] [Il giornale dell'ingegneria oceanica – Problemi speciali sulle comunicazioni acustiche subacquee
] • Ricerca: Analisi delle prestazioni delle reti CDMA subacquee (M. Stojano]