Изучение использования Cdma в подводных и подводных коммуникациях

В то время как CDMA является зрелой технологией в наземных сотовых сетях (например, IS-95, UMTS), его адаптация к подводному акустическому каналу требует фундаментального переосмысления. Медленная скорость звука (~ 1500 м / с) создает длинные спреды задержки, а волновод с мелководной водой вводит сложное частотно-селективное затухание. Тем не менее, уникальные свойства CDMA с расширенным спектром - особенно его способность разделять пользователей ортогональными или квазиортогональными кодами - делают его привлекательным для ограниченной по мощности, шумовой подводной среды.

Что такое CDMA?

Code Division Multiple Access — это технология цифровой связи, в которой несколько передатчиков имеют одну и ту же полосу частот одновременно. Каждому передатчику присваивается отдельный код распространения — последовательность чипов (обычно ±1), которая распространяет сигнал узкополосных данных по гораздо более широкой полосе пропускания. На приемнике синхронизированный коррелятор «отбрасывает» целевой сигнал путем умножения входящей формы волны с тем же кодом. Поскольку используются ортогональные или низкоперекрестные коды корреляции, сигналы других пользователей появляются как низкоуровневый шум после рассредоточения. Этот принцип известен как спектр распространения .

CDMA может быть реализован в нескольких формах: Direct-Sequence CDMA (DS-CDMA) умножает поток данных высокочастотной псевдослучайной последовательностью; Frequency-Hopping CDMA (FH-CDMA) быстро меняет несущую частоту в соответствии с кодом; и Multicarrier CDMA (MC-CDMA) комбинирует OFDM с распространением. Для подводных систем DS-CDMA был наиболее изучен благодаря своей надежности против узкополосных помех и его способности использовать многолучевую энергию через рейк-приемники.

Теоретические преимущества CDMA заключаются в его коэффициенте обработки — соотношении скорости чипа к скорости передачи данных.Прирост обработки 100 (20 дБ) означает, что интерферирующий сигнал при той же мощности должен быть в 100 раз сильнее, чтобы вызвать небольшую ошибку, что придает CDMA естественное сопротивление как преднамеренному помехе, так и случайным помехам соканала.

Преимущества CDMA в подводной связи

Высокая пропускная способность и поддержка нескольких пользователей

Подводные сенсорные сети, линии связи AUV и подводные системы управления часто требуют одновременной передачи многих узлов. Способность CDMA поддерживать многих пользователей в одной и той же полосе частот без необходимости планирования интервала времени (TDMA) или полос частотного охранения (FDMA) делает его идеальным для сценариев ad-hoc и случайного доступа. В мелководной сети с десятками датчиков CDMA может достигать совокупной пропускной способности, которая была бы невозможна с обычными протоколами разделения времени, особенно когда задержки распространения велики и изменчивы.

Интерференция Сопротивление и стойкость

Прирост обработки спред-спектра ослабляет узкополосные интерфереры, такие как шум двигателя с кораблей или биологические щелчки гидролокатора, в зависимости от коэффициента усиления обработки. Кроме того, присущее CDMA разнообразие частот помогает бороться с частотно-селективным затуханием, типичным для подводных каналов. Ресиверы Rake могут комбинировать сигналы от нескольких путей распространения, превращая мультипат из обязательства в актив.

Неотъемлемая безопасность

Поскольку подслушивающий должен знать распространяющийся код для распространения сигнала, CDMA обеспечивает базовый уровень физической безопасности. В военных и конфиденциальных коммерческих подводных операциях эта функция снижает риск перехвата без накладных расходов только на шифрование верхнего уровня. В сочетании с адаптивным назначением кода CDMA может противостоять попыткам отказа в обслуживании, направленным на подавление определенных частот.

Эффективное использование спектра

Подводная акустическая полоса сильно ограничена — часто менее 10 кГц для линий дальнего действия и всего несколько сотен килогерц для систем ближнего радиуса действия. Природа CDMA использует весь доступный диапазон одновременно, избегая неэффективности защитного времени TDMA или защитных полос FDMA. Это делает CDMA особенно привлекательным для акустических исследований сверхширокополосной (UWB), где передачи с низким энергопотреблением распространяются по самой широкой возможной полосе пропускания.

Сравнение с другими методами множественного доступа

Чтобы оценить нишу CDMA, можно сравнить ее с двумя другими классическими схемами: Frequency Division Multiple Access (FDMA) и Time Division Multiple Access (TDMA), а также с более новыми претендентами, такими как Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA).

• FDMA: Назначает каждому пользователю выделенную частотную поддиапазон. В подводных каналах узкополосные подканалы уязвимы к сильному затуханию и требуют больших полос защиты из-за доплеровского распространения. Спектральная эффективность FDMA невелика, когда число пользователей велико.
• TDMA: Разделяет время на слоты, выделенные пользователям. Задержки распространения под водой могут составлять десятки секунд на больших расстояниях, что делает координацию тайм-слота крайне неэффективной. TDMA также страдает от проблемы «тихого периода», когда узлы находятся далеко друг от друга и должны оставлять большие промежутки между передачами.
• OFDMA: Вариант FDMA, использующий плотно разнесённые ортогональные поднесущие.В то время как OFDMA (как в 4G/5G) является спектрально эффективным в наземном радио, подводная акустическая OFDM сталкивается с серьезными проблемами синхронизации из-за масштабирования Доплера и длинных спредов задержки.
• CDMA: Позволяет всем пользователям непрерывно передавать по одной и той же полосе пропускания. Первичная стоимость — проблема «ближнего расстояния» — пользователи, близкие к приемнику, могут заглушить удаленных пользователей, если не применяется управление питанием. Однако современные адаптивные алгоритмы управления питанием и последовательное отключение помех (SIC) могут эффективно смягчить эту проблему в подводных сетях.

Проблемы и соображения для подводного CDMA

Сигнальное затухание и шум

Акустические сигналы страдают от частотно-зависимого поглощения — более высокие частоты ослабляются быстрее. Это ограничивает полезную полосу пропускания и вынуждает идти на компромисс между диапазоном и скоростью передачи данных. Широкополосная природа CDMA часто требует умеренных скоростей передачи данных (килобитов в секунду) для поддержания полезного прироста обработки на больших расстояниях. Звуки окружающей среды от поверхностных волн, морской жизни и антропогенных источников еще больше снижает эффективное отношение сигнал-шум.

Мультипатическое распространение

Мелководные каналы характеризуются множественными путями отражения между поверхностью, дном и термоклинами. Распределение задержки может достигать десятков миллисекунд, вызывая интерсимволические помехи (ISI), ухудшающие производительность CDMA. Ресиверы с большим количеством пальцев являются энергоемкими, но современная адаптивная выравнивание в сочетании с обработкой на уровне чипа может достичь приемлемых частот ошибок бита даже в тяжелых многолучевых.

Доплеровское распространение и синхронизация

Движение платформы (например, плавающий буй или AUV) вводит доплеровские сдвиги, которые изменяются с помощью пути. В то время как CDMA несколько более терпима к доплеру, чем OFDM, быстрые сдвиги могут разрушить ортогональность распространяющихся кодов. Дифференциальное кодирование и частотные петли являются общими средствами, но они добавляют сложность приемнику.

Ближайшая проблема

В сети CDMA передатчик, близкий к приемнику, может перегружать фронтальные и неясные отдаленные сигналы. Наземные сотовые сети решают эту проблему с помощью быстрого управления питанием. Под водой чрезвычайно длительные задержки распространения (секунды) делают традиционное управление мощностью замкнутого цикла слишком медленным. Часто используются методы открытого цикла, основанные на предполагаемой потере пути от маяка, наряду с отменой помех в приемнике.

Ограниченная мощность обработки и энергия

Подводные узлы с батарейным питанием не могут позволить себе обработку сигналов высокой сложности. Приемники CDMA, которые выполняют рассредоточение, комбинирование RAKE и декодирование каналов, требуют значительной энергии на бит. Исследователи разрабатывают маломощные ASIC и используют методы радио-пробуждения для экономии энергии при сохранении преимуществ CDMA.

Стратегии адаптации к подводной среде CDMA

Для преодоления вышеуказанных проблем было предложено и апробировано несколько инженерных модификаций:

• Адаптивное назначение кода: Динамично назначать факторы распространения в соответствии с диапазоном и качеством канала. Более длинные коды обеспечивают более высокий прирост обработки для удаленных узлов, в то время как более короткие коды повышают скорость передачи данных для близлежащих узлов.
• Multi-Carrier CDMA (MC-CDMA): Объединяет устойчивость OFDM с распространением для борьбы с частотно-селективным затуханием на мелководье.
• Расширяющие эквалайзеры для нанесения ударов: Эти фильтры дискретного времени могут обрабатывать длинные спреды задержки, не требуя чрезмерного количества нажатий.
• Успешная отмена помех (SIC): На приемнике сначала декодируются сильные сигналы, затем вычитаются из композитной формы волны для восстановления более слабых сигналов — проверенный метод для смягчения на ближнем расстоянии.
• Turbo и LDPC Coding: Мощные коды каналов повышают частоту ошибок блока при низком SNR, позволяя системам CDMA работать ближе к емкости канала.

Применение CDMA в подводных коммуникациях

Подводные сенсорные сети (UWSN)

Океанографический мониторинг, сейсмическое зондирование и отслеживание загрязнения часто включают в себя десятки пространственно распределенных узлов. CDMA позволяет этим узлам одновременно передавать данные в центральный буй или поверхностный шлюз без сложного планирования MAC. Полевые эксперименты (например, сеть Seaweb) продемонстрировали улучшение пропускной способности DS-CDMA по сравнению с TDMA на мелководье.

Автономные подводные транспортные средства (AUV) и планеры

Множественные AUV, работающие в совместной миссии по обследованию, должны обмениваться телеметрией, командами управления и данными. CDMA поддерживает связь с полным или полудуплексным мультитранспортным средством без накладных расходов с интервалом времени. В сочетании с расширенным управлением мощностью AUV могут динамически регулировать свой коэффициент распространения для поддержания качества связи по мере их перемещения через различные глубины воды.

Оффшорная нефтегазовая инфраструктура

Модули управления подводными лодками, превенторы выдувания и датчики мониторинга трубопроводов требуют надежных, безопасных и низкозадержанных каналов. устойчивость CDMA к помехам от подводного оборудования и присущая ему безопасность делают его кандидатом на замену акустических модемов «точка-точка» сетевым подходом.

Военные и оборонные

Военно-морские операции требуют низкой вероятности перехвата (LPI) и низкой вероятности обнаружения (LPD). CDMA широкого спектра передает сигналы ниже уровня шума, что затрудняет их обнаружение. В сочетании с частотным перескакиванием системы CDMA могут препятствовать попыткам помех и обеспечивать безопасную связь между подводными лодками, водолазами и беспилотными подводными аппаратами.

Мониторинг окружающей среды и климата

Долгосрочное развертывание океанских обсерваторий (например, Ocean Networks Canada, Ocean Observatories Initiative) зависит от акустических магистралей. CDMA сети могут увеличить возврат данных из нескольких массивов датчиков, передавая видео высокой пропускной способности или сонарные изображения в режиме реального времени.

Недавние исследования и разработки

Научные и промышленные исследования продолжают совершенствовать подводные системы CDMA.

• MIMO-CDMA: Используя несколько гидрофонов и проекторов, пространственное мультиплексирование можно комбинировать с кодами CDMA для повышения спектральной эффективности.Эксперименты в Океанографическом институте Вудс-Хоул и Университете Коннектикута показали значительное увеличение пропускной способности в испытаниях водотанков.
• Подводный когнитивный CDMA: Вдохновленные когнитивным радио, узлы ощущают заполняемость акустического спектра и адаптируют свой распространяющийся код и мощность, чтобы избежать вмешательства в работу первичных пользователей (например, морских млекопитающих или устаревших систем).
• Хаотический спектр распространения: Хаос-ориентированные коды распространения предлагают практически неограниченное семейство квази-ортогональных последовательностей с превосходными авто- и кросс-корреляционными свойствами, даже при доплеровских сдвигах. Исследования, опубликованные в IEEE Journal of Oceanic Engineering, показывают более низкий BER во времени изменяющихся каналах, чем обычные золотые коды.
• Интеграция с 5G-NR: Несколько исследовательских инициатив (например, европейский проект H2020 «SwarmDiver») изучают, как подводные сети на основе CDMA могут взаимодействовать с 5G Non-Terrestrial Networks (NTN) для бесшовного подключения поверхности к морю.

Один из крупнейших полевых испытаний, проект FLT:0LOST (Low-cost Ocean Sensor Telemetry) развернул сеть DS-CDMA из 15 узлов у побережья Сингапура, достигнув совокупной скорости передачи данных 6 кбит/с на 1 км.

Будущие перспективы и интеграция

По мере роста требований к пропускной способности океанических данных CDMA, вероятно, станет основополагающим элементом Подводного Интернета вещей (UIoT) . Его способность поддерживать многие маломощные, взрывные передатчики одновременно идеально согласуется с шаблонами трафика сенсорных сетей. Кроме того, появление программно-определяемых акустических модемов позволит динамической реконфигурации параметров CDMA (длина кода, скорость чипа, мощность) адаптироваться к изменяющимся каналам в режиме реального времени.

Гибридные схемы — объединение CDMA с OFDM для нисходящей линии связи и TDMA для управления восходящей линией связи — уже изучаются. В более долгосрочной перспективе методы квантово-улучшенного спред-спектра могут обеспечить теоретически неограниченную безопасность для стратегических подводных линий связи.

Одним из ключевых направлений будущих исследований является проектирование межслойного уровня , которое интегрирует кодирование физического уровня CDMA с маршрутизацией сетевого уровня и качеством обслуживания прикладного уровня. Например, система CDMA с приоритетным уровнем осведомленности может назначать более длинные коды распространения для данных с задержкой от глубоководных профилировщиков, предоставляя короткие коды критически важным по времени сигналам тревоги от подводного оборудования.