Underwater Akustik İletişimin Evrimi

Sualtı akustik modemleri uzun mesafe son on yıldır vazgeçilmez hale geldi, transducer tasarımda kritik iletişimin başarısız olduğu ortamlarda kritik iletişimin başarısız olduğunu.Yerel kablosuz ağlardan farklı olarak, sualtı kanalı aşırı zorluklar sunuyor: yüksek yol kaybı, zaman-varying multipath, Dopplerlar yayılıyor ve düşük maliyetli, son on yıl boyunca, transdüser tasarımda sürekli inovasyon, sinyal işleme ve ağ protokolleri başarısız oldu, bu modemlerin performansını daha güvenilir hale getiriyordu, enerji verimliliğine sahip oldu.

Bu gelişmelerin kapsamını anlamak, sualtı iletişiminin nasıl geliştiğini görmek gerektirir. Erken sualtı telefon sistemleri analog amplitüdasyon, ciddi fading ve sınırlı aralıklarda acı çekme, 1980'lerde ve 1990'larda bazı uzmanlık sistemleri ile geçiş, önemli gelişmeler getirdi, ancak bant kısıtlamaları veri oranları düşüktü - genellikle onlarca kilometreden fazla süren modern modemler, ikinci sıralı sistemlerde birkaç on iki kilolu alana kadar uzanan çeşitli şekillerdeki hataları sürekli olarak değiştirebilir.

İlerlemeye rağmen, sualtı akustiklarının temel fiziği zor sınırları taşır.Süresel olarak ikinci kez deniz suyunda yaklaşık 1.500 metrede ses yolculuğu, akustik ışınlarına yön veren ses hız profillerini tanıtarak, aralıkta artış gösteren frekans bağımlı absorpsiyon sergilemektedir, bizi sınır dışı eden çok fazla etkileşim. Multipath müdahalesi, mühendisler zor bir kanaldan maksimum performans çıkarmak için arıyor.

Core Technologies Araba Modern Akustik Modems

Broadband Transducer Dizileri

Herhangi bir akustik modemin kalbinde, elektrik enerjisini akustik sinyallere dönüştürmek ve tersine karşı koymak. pastazoelektrik malzemeler ve üretim tekniklerinin son gelişmeler, daha geniş bant genişliği, yüksek aktarma gücü ile transdüserleri üretti ve daha iyi bir şekilde optimize edilmiştir. Modern tonpilz ve flexiffal tasarımları daha eski modellerde sadece birkaç kHz ile karşılaştırır.

Birden fazla elementten oluşan fazlı dizi transdüserler, belirli bir yönde akustik enerjiyi yoğunlaştırır ve genel güç tüketimi yükseltmeden etkili aralığı arttırır. Bazı kesim-st modemler, AUV'lerin hull of the specific direction. Directional iletim, doğru yönde devam ederken sürüklenme oranını azaltır ve platformun sürekli navigasyon sistemleri ve bilgisine dayanan etkin bir şekilde artırır.

Adaptif Eşitleştirme ve Hata Düzeltme

Signal processing muhtemelen son yıllarda en dramatik ilerlemeleri gördü. Sualtı kanalı zaman tasarrufu, platform hareketine ve su akımlarına neden olan uçtan gelen faz tıkanıklıkları ile bir araya geldi. Turbo, eşit ve decoder arasında normal bir şekilde değişen yumuşak bilgiler haline geldi.

Düşük çözünürlükte (LDPC) kodları ve turbo kodları dahil olmak üzere güçlü hata düzeltme kodları, DSP'ler ve FPGA'lar tarafından verimli bir şekilde ele geçirilir.Bu modern kodlar, Shannon limitinin bir parçası altında çalışır, daha düşük sinyal-to-noise oranlarında güvenilir iletişim sağlar.Bu kodların hesaplaması DSP'ler ve FPGA'lar tarafından daha önce marjinalleştirilmiş dağıtımlar tarafından etkin bir şekilde ele geçirilir.

Enerji-Efficient Sleep-Wake Cycles ve Power Management

Uzun süredir dağıtımları, özellikle okyanus aksanları ve özerk su araçları üzerinde, güç tüketimi baskın kısıtlamalardır. Akustik iletim enerji yoğundur: Transducer sürücüsü yükselticileri yüksek kaynak seviyelerinde önemli bir güç kullanır. Modern modemler, güvenilir iletişim için gerekli olan en az seviyedeki protokolleri uygular.Bu, birkaç haftadan uzun süre dayanıklılık için belirli bir güç dağıtımını dinleyin.

Battery teknolojisi geliştirmeleri de bir rol oynamıştır, ancak gerçek kazanımlar sistem seviyesindeki optimizasyondan gelir. Bazı modemler, çevre akustik kaynaklardan, vibrasyonlardan veya termal gradientlerden enerji toplayıcılarının optimize edilmesine izin verir.Bu durum niş çözümler kalır. Güç yükselticisi DSP kurulunun ve transdüserin fiziksel olarak ayrı ve elektriksel olarak, platform bütünleştiricilerinin belirli görev profili için güç zincirini optimize etmesine izin verir.

Uzun-Range Transmission için Signal Processing'da ilerlemeler

Orthogonal Frekans-Division Multixing (OFDM)

OFDM, yüksek sualtı akustik iletişim için baskın modülasyon programı olarak ortaya çıktı.Mevcut bant genişliğini birçok dar altkarriere ayırdıktan sonra, her biri nispeten düz fading, OFDM eşitleştirmeyi basitledi ve çok fazla ileri doğruya doğru ekleyen bir döngüyü sunuyor.

Sualtı kanallarındaki anahtar zorluk, Doppler yayılmalarına karşı hassasiyettir. Platform hareketi ve su akımları, altkarrier veyatogonaliteyi yok eden, inter-carrier müdahalesine yol açan, dinamik ortamlardaki performansı tahmin etmek ve telafi etmek için çalışır.

Sparse Channel Estimation

Sualtı akustik kanalı genellikle sparse, yani sadece birkaç önemli yönlendirme yolu, kanalın çoğunu daha yoğun bir şekilde tedavi ediyor, birçok pilot sembolü ve bant genişliği gerektiren. Sparse kanalı tahminleri, kanal tahminlerini kullanarak, kanal yanıtını azaltmak için sıkıştırılmış algılama tekniklerini kullanır.

Greedy algoritmaları, ortogonal eşleştirme arayışı (OMP) ve temel arayış, sualtı akustik bağlamına adapte edilmiş, modem DSP'lerde gerçek zamanlı uygulama için uygun hesaplama karmaşıklığı ile, kanal güçlü sparsity'yi nereye sunduğunu, ancak aynı zamanda doğrudan varıştan ayrı ayrı olduğu zaman sığ suda da genişletilebilir. Sparse tahminleri de daha kesin zaman ölçümlerini sağlar.

Networked Acoustic Relay protokolleri

Uzun mesafe sonlu veri iletimi genellikle çok fazlahop röpek ağ gerektirir, modemler bir yüzey ağ geçidine veya kıyı istasyonuna ulaşmak için hiçbir zaman veri alamazlar. Orta erişim kontrollerinde son gelişmeler (MAC) ve routing protokolleri bu tür ağ pratik yaptı. Slotted ALOHA, çarpışmadan kaçınmak, zaman-division çoklu erişim (TDMA), ve frekans-division çoklu erişim (FDMA) her bir şekilde farklı trafik kalıpları ve ağ kesintileri ile yaygındır.

Özellikle umut verici bir yaklaşım, "küresel röletici" kullanımıdır, birden çok modem aynı anda uzaysal çeşitliliği kullanmak için paketler için ileri sürükümdür.Bu teknik, birçok kez birden çok kez iletişime benziyor, ancak dağıtılmış düğümlere ek olarak, yüksek çözünürlüklü görüntülenen antenlere sahip olmak için yeterince dağıtık düğümler.

vektör tabanlı ilerici (VBF), derinlik tabanlı routing (DBR), ve baskı sensörlerinden yararlanarak – tam ağ topoloji bilgisi olmadan kararları ileri sürmek için. Bu protokollerin özellikle mobil ağlarda, aUVs ve gliderslerle yararlı olması, ağ topoloji değişikliklerini sürekli olarak kullanabilmesi.

Uygulama Domainleri Yeni Cap yükümlülükleri ile genişletiyor

Özerk Su Araçları (AUVs) ve Gliders

Belki de gelişmiş akustik modemlerin en büyük faydalanıcısı, otomobilin radyo yoluyla yüzeysel sualtı aracı topluluğundır. Deniz zemin haritasını gerçekleştirir, boru hattı incelemesine veya çevresel izlemenin büyük miktardaki ses veriye veya düşük çözünürlüklü videoya düzenli olarak, bu gerekli olan, veri yükleri radyo yoluyla kesintiye uğratmaya ve risklendirmeye olanak sağlar. Modern aUVs performanslarını kullanarak AUVs to sendin.

Çok değerli işlemlerde, akustik modemler hem yayın (bir-tüm) hem de otomatik yeniden geçiş protokolleriyle ilgili olarak bir özellik araştırabilecek bir lider aracı, küçük sualtı aksanlıkları için yeniden imza atmış olabilir - bu öncelikler her iki yayın (bir-tüm) ve yönlendirilmiş (kırık nokta) iletişim, otomatik yeniden geçiş protokolleri ile.

Ocean Observing Systems ve Kablolu Ağlar

Ocean Observatories Initiative (OOI) dizileri ve Neptün Kanada ağı gibi sabit okyanus gözlemleyicileri, kablolu güç ve fiber optik veri tabanlarına güvenerek kıyıya kadar uzanan temelleri oluşturur.

Uzun menzilli akustik modemler tsunami erken uyarı sistemleri için de önemlidir.Deniz zemininde baskı değişikliklerinin geçiş tsunami dalgalarından geçmesi ve verileri akustik modemlerle dolu bir yüzey otobüsü ile iletmesi, bu bağlantının güvenilirliğinin tam anlamıyla yaşam kritik olduğunu.Son yükseltmeler için BPR'lerin geri göndermesi, BPR'nin sadece basit bir algılama eşine göndermesine izin veriyor, ancak tsunami büyüklüğü tahminlerini artıran ve yanlış alarmları azaltan bir baskı serisine tam zamanlı olarak azaltılıyor.

Data from theFLT:0)Woods Hole Oceanografik Kurumsal[DÜT:1), akustik modemlerin observatory ağlarına katılmak için yeterli olmayan düğümlerin nasıl etkinleştirildiğini vurgulamaktadır. Bu sistemler, okyanusu derin sularda geçirir, mevcut metreden okyanusografik verileri aktararak, şüpheliler ve kimyasal sensörler aktif olduğunda sadece birkaç watt kullanır.

Savunma ve Güvenlik Uygulamaları

Deniz uygulamaları tarihsel olarak sualtı akustik teknolojisinin gelişimini teşvik etti. Modern savunma sistemleri, denizaltılar, yüzey gemileri, insansız sualtı araçları (UUVs), ve sabit sensörler. Low-probability-of-interception (LPI) akustik modemler kullanımı yay-spektrum teknikleri ve frekans algılamayı önlemek için teşvik gerektirir. Şifreleme bazı sistemlerde fiziksel katmanda entegre edilir ve üst kat şifrelemeden geç olmadan güvenlik sağlar.

Anti-submarine savaş sensörü ağları, düğümleri hedef denizaltıları takip etmek için modemler aracılığıyla iletişim kuran akustik sensörlerin dağıtılmış dizilerini kullanır. Ağ, birden fazla düğümden ölçümler ile tam olarak zaman senkronizasyonunu sürdürmeli.Son modemler sıcaklık azaltıcılarını kullanarak hassas zaman zaman zamanlayıcılarını içerir (TCXOs) düğümleri yüzeyleri takip eden periyodik GPS güncelleştirmeleri ile disipline edilir.

Port güvenlik sistemleri de ilerlemelerden faydalanıyor. Liman girişlerinde kullanılan sensör ağları, küçük teknelerden hızla dağıtılabilen küçük, tek kullanımlık paketler gibi şüpheli sualtı faaliyetlerine verileri aktarmak için akustik modemler kullanıyor.

Future Yol ve Hybrid Networks ile Entegrasyon

Akustik modemler uzun aralıklar üzerinde hakim olsa da, optik kablosuz iletişim, iki düğümün yakın olduğu zaman, optik olarak, büyük veri dosyalarını hızla aktardıklarında, daha düşük oranlarda akustik sinyalizasyona yol açtılar.

Araştırma grupları:0)MBARI[[Dönetici: 1) ve başka yerlerde, akustik ve optik bağlantılar arasında sorunsuz bir el ele geçirgenliği gelişmiş olan prototip hibrit modemler. Bu modemler, hem fiziksel tabakaların hem de güç sistemlerinin kullandığı ortak DSP platformu içerir.

Uydu ve IoT Gateway Entegrasyonu

Birçok sualtı ağı için son hedef, Iridium, GlobalStar veya Inmarsat uydu transceivers ile birlikte, genellikle uydu veya hücresel bağlantı ile bir yüzey kanalını içeren daha büyük bir zincirde bir araya getirmektir. Modern yüzey buoy modemleri, akustik modemleri Iridium, GlobalStar veya Inmarsat uydu transceivers, yakın kıyıdaki hücresel seçeneklerle birlikte birleştirir.

Yıldızlı ve OneWeb gibi düşük Dünya yörüngesine doğru, geleneksel geostationary uydularından daha yüksek bantlı uydular sunar. Sualtı aklı ağlarla entegrasyon hala deneyseldir, ancak erken sonuçlar, tek bir yüzey buoyun buluta uydurduğunda birden fazla eş zamanlı akustik bağlantı destekleyebileceğini gösteriyor.Bu mimari, özel araştırma gemileri veya kablolu altyapı olmadan uzak okyanus alanlarının gerçek zamanlı izlemesini sağlar.

Nesnelerin İnterneti (IoT) aynı zamanda sualtına ulaşır, akustik çerçevelerin IP tabanlı protokolleri konuşan düşük enerjili modemler sayesinde. [IPv6 over Low-Power Kablosuz Kişisel Alan Ağı] Bu modemler, doğrudan internet üzerinden ele alınabilmesine izin verir, web üzerinden indirme ve parçalanma sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Son on yıl sualtı akustik modemlerine dönüştürücü ilerlemeler getirdi, uzun mesafe sonlu veri iletimini daha önce ulaşılamaz hale getirdi. Geniş bantlı transdüser diziler ve çevre izleme ağlarına eşitlemeden, her iletişim yığını katmanı zorlu sualtı kanalından maksimum performans çıkarmak için rafine edildi.

İleriye bakıldığında, hibrit optik-kuvvetli bağlantılara yönelik eğilim, tam zamanlı uydu entegrasyonu ve IP tabanlı sualtı IoT'nin sualtı ve karasal iletişim arasındaki sınırın bulanıklaşmasına devam edecek.In modemler daha küçük, daha güç verimli ve daha akıllı makine öğrenimi ve adaptif protokolleri kullanarak, gerçekten telkin bir okyanus ortamı vizyonu - bir verinin deniz yüzeyi ve bulut arasında özgürce hareket edeceği - bilim adamları için, mühendisler için ve operatörler için daha yakın, daha iyi veriler, daha uzun dayanıklılık ve daha akıllı hale gelir.