Underwater Communication Challenge

Su ve alt deniz iletişimi, okyanus keşiflerinin görünmez yaşam çizgisidir, deniz endüstrisi ve deniz operasyonları. radyo dalgalarına güvenen karasal kablosuz sistemlerden farklı olarak, sualtı ortamı, gerçek zamanlı okyanus verilerinin büyüdüğü yerdeki yüksek çözünürlükte ortalıkta (AUV) deniz manzaralı havalimanları, deniz kenarındaki izleme için de facto taşıyıcı haline gelir - düşük bantlardan kaynaklanan uzun vadeli güvenlik hatlarının yüksek oranda yüksek orandaki müdahalesine yol açar.

CDMA, karasal hücresel ağlarda olgun bir teknoloji olsa da (örneğin, IS-95, UMTS), sualtı akustik kanalına adaptasyonu temel bir yeniden düşünme gerektirir. ses hızı (~1500 m/s) uzun gecikme yayılır ve sığ su dalgası karmaşık frekans destekli bir fading getirir. yine de, yayılabilir CDMA'nin eşsiz özellikleri -özellikle de kullanıcılarının ses veya kusiorthogonal kodları - güç kısıtlı - karmaşık bir şekilde yayılabilir.

CDMA Nedir?

Kod Bölünme Birden fazla vericinin aynı frekans grubuyla aynı anda paylaştığı dijital iletişim tekniğidir.Her bir verici aynı kodla farklı bir yayılma kodu atanır (tipik olarak ±1), diğer kullanıcıların sinyalleri çok daha geniş bir bant genişliğine yayılmıştır.Bu ilke, aynı kodla gelen dalgaformunu çoğaltmak için işarettir.Çünkü veya düşük seviyeli veya düşük seviyeli kodlar kullanılır.

CDMA birkaç şekilde uygulanabilir: 03.Öylernek CDMA (DS-CDMA)[Dönetici: 1 ) Yüksek yalancılık (Seks)[Dönetici)[Döneticileri)[FONT-CDMA)[değiştir | kaynağı değiştir] (FH-CDMA)[değiştir | kaynağı değiştir) (CDMA) çok daha dar bir koda göre taşıyıcı frekansı değiştirir; ve yüksek çözünürlükte bulunan CDMA (-MCDMA)[D)[D)[D)[D)[D)[Döneticileri, sualtı sistemleri ile birlikte, DS-CDMA, çok sayıdaki baskıya karşı en sıkı bir şekilde çalışır.

CDMA'nın teorik avantajı, işleme kazancında yatıyor - veri oranına çip oranı. 100 (20 dB) bir işlem akışı aynı güçte bir interfering sinyalinin, biraz hataya neden olması gerektiği anlamına gelir, CDMA'ya hem kasıtlı olarak rektör ve kazak için doğal bir direnç vermek.

Underwater Communications'da CDMA'nın Avantajları

Yüksek Kapasite ve Birden Çok Kullanıcı Desteği

Su sensörü ağları, AUV iletişim bağlantıları ve alt deniz kontrol sistemleri genellikle aynı anda iletmeleri için birçok düğüm gerektirir. CDMA, zaman zaman çizelgeleme (TDMA) veya frekans koruma grupları (FDMA) için ihtiyaç duymadan birçok kullanıcıyı aynı frekans bandında desteklemek için idealdir.In a sığ su ağı, CDMA, özellikle de zaman zaman zaman zaman değerlendirme protokolleri ile mümkün olmayan, özellikle de tahmin gecikmeleri büyük değişken ve rastgele erişir.

Interference Direniş ve Robustness

The spreadspectrum processing gain attenuates- darband müdahalecüler - Gemilerden veya biyolojik oğlumar tıklamalardan motor gürültü gibi - işlem kazancının faktörüne göre, CDMA'nın doğal frekansı çeşitliliği sualtı kanallarının tipik bir şekilde mücadele etmesine yardımcı olur. Rake alıcılar, birden çok yayılım yollarından sinyalleri bir araya getirebilirler, bir varlıkla çok fazla empati kurabilmektedir.

Inherent Security

Bir eavesdropper, sinyale uymanın yaygın kodunu bilmelidir, CDMA, belirli frekanslara karşı temel bir fiziksel katmanlı güvenlik seviyesine sahiptir. askeri ve gizli ticari alt deniz operasyonlarında, bu özellik, üst katta şifreleme riski azaltır.

Verimli Spectrum Use

Sualtı akustik bant genişliği ciddi şekilde sınırlıdır - uzun vadeli bağlantılar için 10 kHz'den daha az ve sadece birkaç yüz kilosu kısa menzilli sistemler için. CDMA'nın yaydığı geniş bant genişliğini kullanarak tüm mevcut bantları otomatik olarak kullanır.

Diğer Birden Çok Erişilebilir Yöntemlerle Karşılaştırma

CDMA'nın nişini takdir etmek için, diğer iki klasik programla karşılaştırmaya yardımcı olur: Frekans Bölümü Birden fazla Erişim (FDMA) ve Zaman Bölümü Birden Çok Erişim (TDMA) ve Orthogonal Frekans Bölünmesi (OFDMA) gibi yeni gelenler.

  • [FONT:0)FDMA: Her kullanıcının bir özel frekans alt bandı imzaladığı gibi, sualtı kanallarında, dar bant alt kanallarında ciddi fadinga karşı savunmasız ve FDMA'nın spektral verimliliği nedeniyle büyük koruma gruplarına ihtiyaç duyuyor.
  • [FONT:0]TDMA:[Dönetici:[Dönetici:0) Kullanıcılara tahsis edilen slotlara zaman ayırıyor ve uzun aralıklarda on saniyeler olabilir, zaman zaman boyunca çok az koordinasyon sağlar. TDMA, düğümler çok uzak olduğunda “sessiz bir süre” probleminden muzdariptir.
  • [FONT:0]OFDMA: [DFLT:1] Yoğun uzaylı veya alt köşeli alt taşıyıcıları kullanan FDMA'nın bir çeşididir.Dörtücük (4G/5G'de olduğu gibi) çok yoğun bir şekilde radyoda verimlidir, akustik OFDM, çok uzun gecikmeli gecikmeler nedeniyle şiddetli senkronizasyon zorluklarıdır.
  • [FONT:0)CDMA:[Dönetici:[Dönetici:0) Tüm kullanıcıların aynı bant genişliği üzerinde sürekli olarak iletmelerine izin verir. birincil maliyet, “near-far” problemdir - alıcıya yakın kullanıcılar güç kontrolü uygulanmadığı sürece uzak kullanıcıları boğulabilir.

Underwater CDMA için meydan okumalar ve dikkate almalar

Signal Attenuation and Gürültü

Akustik sinyaller frekans bağımlısı - yüksek frekanslar daha hızlı bir şekilde kısaltılır.Bu sınırlar kullanılabilir bant genişliği ve veri oranı arasında bir ticaret-dönüşüm oranını azaltır. CDMA'nin geniş bant doğası genellikle orta veri oranları (bir saniye başına notlar) uzun mesafelerden daha kullanışlı bir işlem kazanmasını talep eder.

Multipath Propagation

Donowwater kanalları, yüzeyi, alt ve termoklines arasında birden fazla yansıma yolu ile karakterize edilir. gecikme yayılma onlarca milisaniye ulaşabilir, asibol müdahalesine neden olur (ISI) bu da birçok parmakla alıcıları güçle karşılanır, ancak modern bir uyumsuz işlem ile bir araya gelebilir.

Doppler yay ve senkronizasyon

Platform hareketi (örneğin, yüzücü bir boğa veya AUV) yol ile değişen Doppler değişimlerini ortaya koyarken, CDMA, aşırı değişimleri, yayılma kodların ortogonalliğini yok edebilir.Diferansiyel encoding ve frekansı açıklanamayan döngüler yaygın ilaçlardır, ancak alıcılara karmaşıktır.

YakınFar Problemi

Bir CDMA ağı, alıcıya yakın bir verici ön uç ve uzak sinyalleri aşırı güç kontrolü ile çözebilir.Denekli hücresel ağlar bunu hızlı güç kontrolü ile çözer.Sualtı, son derece uzun vadeli gecikmeler (saniyeler) geleneksel kapalı-loop gücü kontrolü çok yavaş yapar. Açık-loop teknikleri, bir beacon'dan tahmini yol kaybına dayanarak, genellikle alıcıya müdahale iptal edilir.

Sınırlı İşleme Gücü ve Enerji

Batterytli su düğümleri, CDMA'nın faydalarını korumak için yüksek çözünürlükte sinyal işlemeye karşı çıkamaz ve kanal birleştirmesi biraz önemli enerji gerektirir. Araştırmacılar düşük güç ASIC'leri geliştirir ve uyandırmak için şok teknikleri CDMA faydalarını korurken enerji tasarrufu sağlar.

Sualtı CDMA için Adaptasyon Stratejileri

Yukarıdaki zorlukların üstesinden gelmek için, birkaç mühendislik modifikasyonu önerildi ve test edildi:

  • [[Adaptive Code Assignment:[Dönetici: 0,4) Dinamik olarak çeşitli ve kanal kalitesine göre genişleyen faktörler atar. Longer kodları, yakın düğümler için daha yüksek işlem kazanç sağlarken, daha kısa kodlar yakındaki düğümler için veri oranını artırır.
  • [FONT:0) Çok-Carrier CDMA (MC-CDMA): [Dönetici: [Dönetici: 1), sığ sudaki sık sık sık sık kullanılan bir şekilde mücadele etmek için kullanılan bir güçle donatın.
  • [FONT:0]Fractional Tap-Spacing Equalizers:[[Dönemli-zaman filtreleri, aşırı sayıda musluk gerektirmeden uzun gecikme yayılabilir.
  • [FONT:0]Successive Interference Cancellation (SIC):[Dönder: 1) Alıcıda güçlü sinyaller ilk olarak, daha sonra daha zayıf sinyalleri kurtarmak için kompozit dalgaformundan çıkarılmıştır - yakın bir şekilde kanıtlanmış bir teknik.
  • [FONT:0]Turbo ve LDPC Coding: Güçlü kanal kodları düşük SNR altında blok hata oranını geliştirir, CDMA sistemlerinin kanal kapasitesine daha yakın çalışmasını sağlar.

Subsea İletişim Uygulamaları

Su Sensör Ağları (UWSN)

Oceanografik izleme, sismik algılama ve kirliliği takip genellikle onlarca uzaysal olarak dağıtılmış düğümleri içerir. CDMA, bu düğümleri aynı anda karmaşık bir MAC zamanlaması olmadan merkezi bir buoy veya yüzey ağ geçidine iletmelerini sağlar.

Özerk Su Araçları (AUVs) ve Gliders

Bir kooperatif araştırma görevinde çalışan çoklu AUV'ler, telemetri, kontrol komutlarını ve verileri paylaşmaları gerekir. CDMA tam olarak karmaşıklığı destekler (veya yarı-duplex) zamansız çok iyi iletişim. Gelişmiş güç kontrolü ile birleştirildiğinde, AUVs, farklı su derinlikleri yoluyla hareket ettikleri gibi bağlantı kalitesini korumak için dinamik olarak ayarlayabilir.

Offshore Oil and Gas Infrastructure

Subsea kontrol modülleri, darbe önleyiciler ve boru hattı izleme sensörleri güvenilir, güvenli ve düşük seviyeli bağlantılar gerektirir. CDMA'nın sualtı makinelerinden müdahale etme direnci ve doğal güvenlik, işaretli bir yaklaşımla adayı yapar.

Askeri ve Savunma

Deniz operasyonları, düşük olasılık (LPI) ve düşük algılama olasılığı (LPD) ile düşük emisyonlu CDMA, gürültü zemininin altında sinyalleri gönderir, frekans umutlu, CDMA sistemleri ile bir araya gelmek için zorlaşır ve denizaltılar, dalgıçlar ve insansız deniz araçları arasında güvenli iletişim sağlayabilir.

Çevre ve İklim İzleme

Okyanus gözlemleyicilerinin uzun vadeli dağıtımları (örneğin, Ocean Networks Kanada, Ocean Observatories Initiative) akustik arka kuzenlere güveniyor. CDMA ağları, veriyi birden çok sensörden geri döndürebilir, yüksek bant genişliği video veya son zamanlarda yüksek görüntülerle aktarabilir.

Son Araştırma ve Geliştirmeler

Akademik ve endüstriyel araştırma sualtı CDMA sistemlerini geliştirmeye devam ediyor. Kullanılabilir alanlar şunları içerir:

  • [FONT:0]MIMO-CDMA:[Dönetici: [Dönetici:0]MIMO-CDMA:[Döneticileri ve projektörleri kullanarak, uzaysal çokluxing, spektral verimlilik artırmak için CDMA kodları ile bir araya gelebilir.
  • [FONT:0)Underwater Cognitive CDMA:[Dönetici:[Dönetici: 1))Bilgesel radyo tarafından ilham verilen, düğümler akustik spektrumu ccupancy ve yayılımı ile ilgili kodları ve gücünü birincil kullanıcılarla (örneğin, deniz memelileri veya miras sistemleri ile müdahale etmekten kaçınmaya çalışır.
  • [FONT:0)Chaotic Broadcast Spectrum:[Dönetici:0] Kaos merkezli yayılma kodları, geleneksel Altın kodlarından daha düşük bir süre içinde, mükemmel otomatik ve çapraz-korelasyon özellikleri ile, hatta Doppler değişimleri altında yayınlanan çalışmalar.
  • [FONT:0) 5G-NR ile Integration: Birkaç araştırma inisiyatifi (örneğin, Avrupa H2020 projesi "SwarmDiver"), CDMA tabanlı su ağlarının, 5G Non-Terrestrial Networks (NTN) ile sorunsuz yüzeysel bağlantı için nasıl arayüze dönüşebileceğini araştırıyor.

En büyük saha denemelerinden biri, www.FLT:0)LOST (Low-cost Ocean Sensör Telemetri)) projesi, Singapur sahilinden 15 düğümün bir DS-CDMA ağı, 1 km aralığındaki toplam veri oranlarına ulaşmak - aynı ortamda TDMA üzerinde dört yönlü bir gelişme.

Future Prospects and integration

Okyanus verileri için bant genişliği talep edildiği gibi, CDMA, sensör ağlarının temel öğesi haline gelmek için muhtemelen geçerlidir:0)Inwater Internet of Things (UIoT)), birçok düşük güç desteklemeye adapte olmak, patlama verici vericiler aynı anda sensör ağlarının trafik modelleriyle mükemmel bir şekilde uyum sağlayacaktır.

Hibrit sistemler - aşağılink için ve TDMA ile bağlantı kontrolü için CDMA'yı satın almak - daha uzun vadede, kuantum tahmin teknikleri, stratejik alt deniz bağlantıları için teorik olarak sınırsız güvenlik sağlayabilir.

Gelecekteki araştırma için bir anahtar alanı, [[0]-Standair tasarımı[[Döncük tasarım[[Döncükler) ile CDMA'nın fiziksel-katılımlı kodlamasını alt deniz ekipmanlarından zamanlamaya ve uygulama-çıklama kalitesi-hizmet için daha uzun bir öncelikli-aware CDMA sistemi daha uzun süre gecikmeli veriler tayin edebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

CDMA su ve alt deniz iletişim için güçlü bir araç sunuyor: yüksek kapasite, müdahale direnci, güvenlik ve yeraltı suyu verimliliği. Özellikle yakın-farklı su sorunu, şiddetli multipath ve sınırlı işlem gücü – arazide kablosuz internet olarak erişilebilir hale gelen araştırma, girişim iptali ve akıllı güç kontrolü hızla teori ve uygulama arasındaki boşluğu kapatacak. Önümüzdeki on yıl boyunca CDMA büyük ölçekli sualtı sensörü ağlarında kullanılan bir temel unsur olacaktır.

[FONT:0) Daha fazla okuma için:[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici: 4 ))|Dörtücük sistemlerde (M. Stojanovic, 2012) [Döneticileri için) [Dönetici iletişimde özel konular [FLT: Sualtı İletişimi).