توسعه و کاربرد سنسور مبدل صوتی زیر آب

1 مفهوم اساسی و تاریخچه شبکه مبدل آکوستیک زیر آب

 

را شبکه مبدل آکوستیک زیر آب  محصول رواج فناوری شبکه جهانی است. اکنون که زمین از طریق سیم‌های نوری یا الکتریکی وصل شده است و شبکه از طریق شبکه‌های بی‌سیم یا حتی ماهواره‌های ارتباطی در هوا متصل شده است، شبکه زیر آب ممکن است تنها زمین بکر باقی‌مانده باشد که به طور کامل کشت نشده است. می توان تصور کرد که روزی، وقتی کامپیوتر را روشن می کنید و به اینترنت متصل می شوید، می توانید بلافاصله داده های لحظه ای جریان های اقیانوسی در اعماق اقیانوس اطلس را به دست آورید. اگر یک دوربین زیر آب نصب شده باشد، حتی می توانید ماهی های رنگارنگ بالادست بزرگ را روی صفحه نمایش خود ببینید. . این وظیفه ای است که شبکه مبدل صوتی زیر آب با آن مواجه است: شبکه صوتی زیر آب به عنوان وسیله انتقال اطلاعات استفاده می شود، حسگر زیر آب به عنوان پنجره ای برای کسب اطلاعات استفاده می شود و شبکه صوتی زیر آب در نهایت به نوعی در شبکه معمولی گنجانده می شود تا داده های زیر آب ارسال شده به ناظر را یکپارچه کند. از آنجایی که امواج صوتی تنها شکلی از انرژی هستند که می توانند در فواصل طولانی در آب منتقل شوند، امواج رادیویی فاصله انتشار بسیار کمی در آب دارند و همچنین نور به دلیل تضعیف و پراکندگی زیاد در زیر آب برای محیط های زیر آب مناسب نیست. . مبدل آکوستیک زیر آب یک شبکه بی سیم است که از امواج صوتی زیر آب به عنوان حامل اطلاعات تشکیل شده است. مشابه شبکه بی سیم در هوا است، با این تفاوت که حامل اطلاعات در هوا امواج رادیویی و حامل اطلاعات در آب امواج صوتی است. شبکه آکوستیک زیر آب باید دو مشکل فنی را حل کند، یکی مبدل ارتباط صوتی زیر آب و دیگری شبکه سازی مبتنی بر ارتباطات صوتی. ارتباط صوتی زیر آب، ارتباط نقطه به نقطه بین دو کاربر (یا منبع اطلاعات) را حل می کند، و شبکه مشکل تعامل اطلاعات را زمانی که چندین کاربر (یا منابع اطلاعاتی) کانال رسانه آب را به اشتراک می گذارند، حل می کند. به عنوان یک فناوری نوظهور در حال توسعه، دلیل اینکه توسعه شبکه صوتی زیر آب بسیار از شبکه بی سیم در هوا عقب است تا حد زیادی با توسعه فناوری ارتباطات صوتی زیر آب محدود شده است. اولین ارتباطات صوتی زیر آب را می‌توان به مدولاسیون دامنه (AM) و تلفن‌های زیر آب تک باند (SSB) برای داده‌های آنالوگ در دهه 1950 ردیابی کرد. چند سیستم آنالوگ قبل از دهه 1970 وجود داشت که دلیل آن مدولاسیون دامنه در محیط طنین صوتی زیر آب بود. با توسعه فناوری VLSI، فناوری کلیدسازی تغییر فرکانس دیجیتال زیر آب (FSK) در اوایل دهه 1980 به کار گرفته شد. برای پخش زمان و فرکانس کانال قوی است. ارتباط منسجم صوتی زیر آب در اواخر دهه 1980 ظاهر شد. در مقایسه با ارتباطات غیر منسجم، فناوری ارتباط صوتی زیر آب منسجم می‌تواند کارایی پهنای باند کانال صوتی با پهنای باند محدود زیر آب را بهبود بخشد. با این حال، به دلیل سختی و پیچیدگی کانال صوتی زیر آب، ارتباط منسجم صوتی زیر آب شروع نشده است. در دهه 1990، با توجه به توسعه فناوری تراشه DSP و تئوری ارتباطات دیجیتال، بسیاری از فن‌آوری‌های پیچیده یکسان سازی کانال را می‌توان تحقق بخشید، که باعث توسعه فناوری ارتباطات منسجم صوتی زیر آب شد، و به مطالعه ارتباط کانال افقی روی آورد، زیرا اثر چند مسیری کانال بسیار پیچیده‌تر از کانال عمودی در اعماق دریا است. در اواسط دهه 1990، محصول سرعت و فاصله مبدل صوتی زیر آب در محیط دریای کم عمق به 40 کیلومتر× کیلوبیت رسید که باعث ایجاد مبدل صوتی زیر آب شد. یکی از اجزای کلیدی شبکه های زیر آب، ظهور مودم های صوتی زیر آب است. اولین مفهوم کاربرد مبدل صوتی زیر آب، شبکه نمونه برداری اقیانوس مستقل (AOSN) در سال 1993 بود. ایالات متحده یک آزمایش سالانه را در سال 1998 آغاز کرده است تا مفهوم مبدل صوتی زیر آب را تأیید کند. از اواسط دهه 1990، فناوری ارتباطات صوتی زیر آب و فناوری شبکه زیر آب به طور پیوسته در حال توسعه هستند. با این حال، به دلیل خاص بودن و پیچیدگی محیط آبی (مانند تاخیر زمانی زیاد، تضعیف زیاد، چند مسیره و جابجایی فرکانس)، در خشکی مورد استفاده قرار می گیرد. فناوری شبکه بی‌سیم را نمی‌توان مستقیماً در شبکه‌های زیر آب اعمال کرد، و تحقیق در مورد کانال‌های زیر آب، ارتباطات زیر آب و پروتکل‌های شبکه زیر آب در حال افزایش است. در عین حال، از دهه 1990 تا به امروز، توسعه شبکه های حسگر بی سیم زمینی مبتنی بر ارتباطات بی سیم کوتاه برد نیز بسیار سریع بوده است. می توان گفت که شبکه حسگر صوتی زیر آب گسترش مفهوم شبکه حسگر زمینی به کاربردهای زیر آب است. شبکه حسگر صوتی زیر آب از چندین گره حسگر تشکیل شده است. گره ها می توانند ثابت باشند، مانند شناورهای لنگر انداخته یا اهداف شناور، یا متحرک، مانند روبات های زیر آب (UV یا AUV). در حال حاضر، شبکه حسگر صوتی زیر آب می‌تواند اطلاعات مختلفی را با توجه به انواع مختلف حسگرهای زیر آب به دست آورد: می‌توان از آن برای جمع‌آوری داده‌های اقیانوس‌شناسی، پایش آلودگی دریایی، توسعه نزدیک ساحل، پیشگیری از بلایا، ناوبری زیر آب و کمک موقعیت‌یابی، بررسی منابع دریایی و جمع‌آوری داده‌های تحقیقات علمی، شناسایی و ردیابی مجدد تاکتیکی، نظارت و ردیابی مجدد تاکتیکی استفاده کرد. موقعیت یابی به طور خلاصه، شبکه حسگر صوتی زیر آب عبارت است از به دست آوردن اطلاعات زیر آب از طریق گره های حسگر مختلف در یک منطقه خاص زیر آب و انجام ارتباطات صوتی و شبکه با گره های زیر آب و در نهایت عبور از گره های خاص و رادیویی مجدد به صورت سیمی و سیمی، اطلاعات به دست آمده در منطقه تحت پوشش در شبکه های معمولی در زیرشبکه مشاهده گر گنجانده شده و به زیر آب ارسال می شود. شما می توانید چندین ویژگی شبکه حسگر صوتی زیر آب را ببینید: اولین مورد، تحرک است. از آنجا که متحرک است، باید یک شبکه مستقل باشد که بتواند خود سازماندهی کند و از یک روش مسیریابی شبکه خاصی پیروی کند. دوم بی سیم زیر آب و ارتباطات صوتی زیر آب، به دلیل استفاده از ارتباطات صوتی زیر آب، باید با ویژگی های محیط دریایی سازگار باشد و چالش های فنی لایه فیزیکی را حل کند. سوم، انرژی محدود است، زیرا بی سیم است، بنابراین با باتری کار می کند. چهارم، دارای داده است. تابع رله می تواند داده های نظارت را به ساحل منتقل کند. برای انتقال موثر و مطمئن داده ها، باید از پروتکل شبکه خاصی پیروی کرد. توپولوژی شبکه تعیین کننده روش مسیریابی، تلفات انرژی، ظرفیت شبکه و قابلیت اطمینان شبکه است، بنابراین ابتدا باید توپولوژی شبکه معرفی شود.

2 ساختار توپولوژیکی شبکه حسگر صوتی زیر آب

مانند ساختار شبکه حسگر بی سیم در خشکی، ساختار توپولوژیکی شبکه حسگر هیدروآکوستیک زیر آب را می توان به دو دسته تقسیم کرد: شبکه متمرکز (شبکه متمرکز) و شبکه توزیع شده همتا به همتا (شبکه همتا به همتا توزیع شده). در یک شبکه متمرکز، ارتباط بین گره ها از طریق یک گره مرکزی محقق می شود و شبکه از طریق این گره مرکزی به شبکه ستون فقرات متصل می شود. عیب اصلی این پیکربندی این است که یک نقطه شکست وجود دارد، یعنی خرابی این گره منجر به از کار افتادن کل شبکه می شود. و چون برد یک مودم محدود است، پوشش شبکه متمرکز محدود است. شکل 1 یک نمودار شماتیک از توپولوژی یک شبکه متمرکز است. شبکه همتا به همتا به این معنی است که هیچ گره مرکزی برای 'اداره' آنها وجود ندارد و هر گره دارای اختیارات نسبتاً برابری است. با توجه به روش های مختلف مسیریابی، تفاوت هایی در شبکه همتا به همتا وجود دارد. یک شبکه کاملاً متصل همتا به همتا، اتصالات 'نقطه به نقطه' مستقیم را به دو گره دلخواه در شبکه فراهم می کند. این توپولوژی نیاز به مسیریابی را کاهش می دهد. با این حال، زمانی که گره ها در یک منطقه بزرگ پراکنده هستند، نیاز به ارتباط وجود دارد. قدرت بسیار افزایش یافته است. و همچنین یک مشکل 'نزدیک و دور' وجود خواهد داشت، یعنی وقتی یک گره A بسته داده ای را به یک گره راه دور می فرستد، گره های همسایه گره A را از دریافت سیگنال های دیگر مسدود می کند.

 

شبکه همتا به همتا چند جهشی فقط بین گره های مجاور ارتباط برقرار می کند و یک پیام با پرش های متعدد بین گره ها از مبدا تا مقصد تکمیل می شود. سیستم چند هاپ می تواند منطقه بزرگ تری را پوشش دهد، زیرا برد شبکه به تعداد گره ها بستگی دارد و دیگر محدود به برد یک مودم نیست. شکل 2 یک نمودار شماتیک از توپولوژی شبکه همتا به همتا چند هاپ است. این شبکه یک شبکه برای برنامه های کاربردی تلفن همراه بی سیم است که به یک شبکه همتا به همتا چند هاپ تعلق دارد. نیازی به ایجاد زیرساخت از قبل که به عنوان شبکه بدون زیرساخت (شبکه زیرساختی) نیز شناخته می شود، نیست. ویژگی های آن عبارتند از: شبکه مستقل، توپولوژی پویا، محدودیت پهنای باند و ظرفیت لینک متغیر، ارتباطات چند هاپ، کنترل توزیع شده، گره هایی با انرژی محدود و امنیت محدود. از آنجایی که به زیرساخت متکی نیست، می تواند به سرعت مستقر شود و منطقه بزرگتری را پوشش دهد. از آنجا که زیرساختی که در آب می توان به آن تکیه کرد محدود است و AUV متحرک بخش مهمی از شبکه حسگر صوتی زیر آب خواهد بود (AUV می تواند عملکرد شبکه حسگر زیر آب را افزایش دهد)، توانایی خودسازماندهی و توپولوژی پویا آن، شبکه AdHoc را برای استفاده در شبکه های حسگر صوتی زیر آب بسیار مناسب می کند. اگرچه شبکه AdHoc برای استفاده از شبکه های هیدروآکوستیک مناسب است، موضوع ایمنی آن همیشه یک موضوع تحقیقاتی بوده است. در واقع، شبکه حسگر هیدروفون زیر آب باید ترکیبی از یک شبکه متمرکز و یک شبکه همتا به همتا باشد. در ادبیات [16]، یک شبکه حسگر هیدروآکوستیک دو بعدی و سه بعدی معرفی شده است. دو بعدی به بعد اطلاعات به دست آمده اشاره دارد. در شبکه حسگر صوتی دو بعدی زیر آب، گره‌های حسگر و فرستنده‌های داده (Sink) در بستر دریا، در یک منطقه کوچک با مرکز سینک قرار می‌گیرند و داده‌های هر حسگر می‌تواند در پیوند افقی باشد تا به صورت مستقیم یا چند هاپ به سینک برسد (Multi-hop peer-to-peer)، و ایستگاه سطحی سینک می‌تواند از طریق شبکه همتا به همتا (Multi-Hop Peer-To-Per) به سمت جلو برسد. از آنجایی که فقط می توان اطلاعات ناحیه خاصی از بستر دریا را به دست آورد، به آن شبکه حسگر دو بعدی می گویند. در شبکه حسگر صوتی سه بعدی زیر آب می توان عمق هدف غوطه ور را کنترل کرد، به طوری که گره های چند حسگر در یک منطقه خاص در اعماق مختلف قرار دارند، بنابراین می توان اطلاعات اقیانوس یک منطقه خاص و اعماق مختلف را به دست آورد، بنابراین به آن شبکه حسگر صوتی سه بعدی زیر آب می گویند. در توپولوژی شبکه نیز یک شبکه همتا به همتا چند هاپ است. AUV می تواند به اعماق مختلف در اقیانوس برسد، همراه با یک شبکه حسگر پایین ثابت، همچنین می تواند یک شبکه حسگر صوتی سه بعدی زیر آب را تشکیل دهد. شایان ذکر است که به دلیل وجود شبکه های حسگر صوتی زیر آب، همیشه مشکل دسترسی به سایر شبکه های معمولی روی آب وجود دارد. یک گره مخصوص به نام ایستگاه سطح، دروازه یا گره اصلی برای تکمیل این کار وجود دارد. نه تنها باید یک مودم آکوستیک برای ارتباط با شبکه های زیر آب، بلکه یک مودم رادیویی یا کابلی برای ارتباط با شبکه های ماهواره ای یا ساحلی نیز داشته باشد. ایستگاه سطحی می تواند از شناور به عنوان حامل یا کشتی سطحی به عنوان حامل استفاده کند. توپولوژی شبکه روش مسیریابی، تلفات انرژی، ظرفیت شبکه و قابلیت اطمینان شبکه را تعیین می کند. مطالعات نشان داده‌اند که شبکه‌ای متشکل از چندین گره حسگر که در فواصل مساوی در امتداد یک خط مستقیم توزیع شده‌اند، با توجه به روش مسیریابی یک شبکه همتا به همتا کاملاً متصل، انرژی بیشتری نسبت به یک شبکه همتا به همتا چند هاپ مصرف می‌کند. و ظرفیت شبکه نیز تحت تأثیر توپولوژی شبکه قرار می گیرد.

 

3 مفاهیم مرتبط لایه شبکه حسگر صوتی زیر آب

شبکه حسگر آکوستیک زیر آب در واقع یک میدان کاملاً جدید است، اما مفهومی که از آن پیروی می‌کند مانند پشته پروتکل شبکه رایج است. جدول 1 مفاهیم لایه شبکه رایج است. برای سادگی، این مقاله فقط سه لایه اصلی را مورد بحث قرار می دهد: لایه فیزیکی، لایه پیوند داده و لایه شبکه. مشکلی که باید توسط لایه فیزیکی حل شود نحوه استفاده از رسانه انتقال است

 

 

مشخصه ها (یعنی ویژگی های کانال) و روش های مدولاسیون مربوطه، انتقال موثر داده را امکان پذیر می کنند. ارتباط صوتی مبتنی بر محیط آبی یک مشکل لایه فیزیکی معمولی در لایه پروتکل شبکه است. در انتهای فرستنده، بیت های اطلاعاتی باید به سیگنال (سیگنال های صوتی) قابل انتقال توسط کانال تبدیل شوند و در انتهای گیرنده، سیگنال های موجود در رسانه باید دوباره به بیت های اطلاعاتی تبدیل شوند. این وظیفه مودم آکوستیک زیر آب است که عمدتاً شامل سه جنبه است: تبدیل رسانه (مانند تبدیل سیگنال الکتروآکوستیک)، کارایی استفاده از باند فرکانس، سازگاری کانال. روش‌های مدولاسیونی که معمولاً در ارتباطات صوتی زیر آب استفاده می‌شود به دو دسته تقسیم می‌شوند، یکی مدولاسیون غیر منسجم، مانند کلید زدن تغییر فرکانس (FSK) و دیگری روش مدولاسیون منسجم، مانند کلیدسازی تغییر فاز (PSK) و مدولاسیون دامنه‌ی مربعی. (QAM). مدولاسیون غیر منسجم استحکام خوبی در محیط صوتی سخت زیر آب دارد، اما میزان آن کم است. روش مدولاسیون منسجم دارای راندمان کدگذاری بالا و استفاده از باند فرکانس بالا است، اما فاصله انتقال محدود است. برخی از فناوری ها هر دو لایه فیزیکی هستند.

 

محیط انتشار شبکه حسگر صوتی زیر آب، آب است که با هوای متوسط ​​شبکه حسگر زمینی بسیار متفاوت است. بنابراین، پروتکل شبکه ای که می تواند به طور موثر در خشکی مورد استفاده قرار گیرد را نمی توان در شبکه صوتی زیر آب اعمال کرد. ما با ویژگی های انتشار صوتی آب شروع می کنیم و اثرات صدا را مورد بحث قرار می دهیم. یادگیری عوامل ارتباطی و تجزیه و تحلیل مشکلاتی که در لایه های مختلف پشته پروتکل شبکه ایجاد می کند.

 

4.1 'عوامل فیزیکی موثر ارتباط صوتی زیر آب

4.1.1 'تأخیر انتشار طولانی و واریانس تاخیر زیاد سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در هوا 200000 برابر سرعت انتشار امواج صوتی در آب است. سرعت آهسته صدا باعث می شود تاخیر انتشار بسیار زیاد باشد، با تاخیری در حدود 0.67 ثانیه در هر کیلومتر و در عین حال با تغییر زمان مشخصه های اکوسیستم کانال، تحت تاثیر زمان متغییر کانال ایجاد می کند. بسیار بزرگ اولی بر توان عملیاتی شبکه تأثیر می گذارد و دومی باعث می شود که برخی از پروتکل های مبتنی بر زمان غیر قابل اجرا باشند.

 

4.1.2 'اتلاف انتشار بزرگ (که از دست دادن مسیر نیز نامیده می شود)

بر اساس مدل انتشار اوریک، تلفات انتشار مجموع تلفات ناشی از انبساط و تضعیف است. از دست دادن تضعیف شامل اثرات جذب، پراکندگی و نشت انرژی صوتی به خارج از کانال صوتی است. جذب ناشی از تبدیل انرژی صوتی به انرژی حرارتی است که با فرکانس و فاصله افزایش می یابد. اتلاف انبساط به انبساط انرژی صوتی ناشی از انبساط جبهه موج اشاره دارد. این عمدتا شامل گسترش کروی (انبساط همه جهته) منابع نقطه ای در محیط های عمیق دریا می شود. تلفات انتشار با مجذور فاصله افزایش می یابد. و انبساط استوانه ای در محیط های آب کم عمق. با گسترش در صفحه افقی، افت انتشار با فاصله افزایش می یابد. از آنجایی که افت انتشار سیگنال های صوتی با افزایش فرکانس و فاصله افزایش می یابد، باند فرکانسی موجود کانال صوتی زیر آب بسیار محدود است و فاصله انتشار نیز محدود است. بنابراین، در شبکه ارتباطی زیر آب، اگر می خواهید ارتباط از راه دور انجام دهید، فقط می توانید نرخ کد پایین را انتخاب کنید. اگر می خواهید نرخ کد بالایی را انتخاب کنید، فقط می توانید ارتباط از راه دور را انجام دهید. به طور کلی، برای اینکه فاصله انتشار به 10-100 کیلومتر برسد، پهنای باند موجود در محدوده 2-5 کیلوهرتز است. انتقال مسافت متوسط ​​1-10 کیلومتر است و پهنای باند در حد 10 کیلوهرتز است. اگر باند فرکانسی مورد استفاده بیشتر از 100 کیلوهرتز باشد، فاصله انتشار باید کمتر از 100 متر باشد.

 

4.1.3 'مسیرهای چندگانه شدید

پدیده چند مسیری به دلیل وجود بیش از یک مسیر انتشار بین منبع صوتی و گیرنده ایجاد می شود و اغلب در دریاهای کم عمق و انتشار در فواصل طولانی رخ می دهد. به زبان ساده، یک سیگنال از یک منبع صوتی می تواند سیگنال های متعددی را دریافت کند که در زمان های مختلف به انتهای گیرنده می رسند، به دلیل وجود مسیرهای متعدد. چند مسیری باعث نوسانات دامنه و فاز سیگنال می شود. با توجه به زمان انتشار متفاوت مسیرهای مختلف، باعث اعوجاج جدی سیگنال می شود، منجر به عدم همبستگی سیگنال های دریافتی بین گیرنده های مختلف می شود و چند مسیری نیز باعث افزایش پهنای باند می شود. اینها به شدت سیگنال ارتباطی را کاهش می دهند و باعث تداخل بین نمادها می شوند. Multipath نیز به موقعیت و فاصله بین منبع صدا و گیرنده مربوط می شود. با در نظر گرفتن هواپیمای بستر دریا به عنوان مرجع، تأثیر چند مسیری کانال عمودی کم است و تأثیر چند مسیری کانال افقی زیاد است.

 

سروصدای محیطی مجموعه ای از عوامل بسیاری است که به جزر و مد، تلاطم، بادها و امواج دریا و رعد و برق مربوط می شود. سر و صدای کشتی نیز یک منبع نویز مهم است. برخلاف شرایطی که صدای اعماق دریا نسبتاً قطعی است، سروصدای محیطی دریاهای کم عمق، به ویژه آب‌های ساحلی، خلیج‌ها و بنادر با گذشت زمان و مکان به طور قابل توجهی تغییر می‌کند. نویز عمدتاً از نویز کشتی و صنعتی، نویز بادی و نویز بیولوژیکی تشکیل شده است. نویز محیطی نسبت سیگنال به نویز سیگنال را کاهش می دهد و بر عملکرد ارتباطات صوتی زیر آب تأثیر می گذارد. 4.1.5 ' پراکندگی داپلر جابجایی شدید داپلر ناشی از حرکت نسبی منبع صدا و گیرنده است. از آنجایی که سرعت صوت 200000 برابر کمتر از سرعت امواج الکترومغناطیسی است، سرعت بسیار کم می تواند باعث جابجایی فرکانس داپلر شود و به دلیل کانال، فرکانس صوتی زیر آب در ارتباط بی سیم دو عامل تاثیرگذارتر از فرکانس ارتباط بی سیم را افزایش می دهد. در هوا بسیار بزرگتر است اگر داپلر فقط یک تبدیل فرکانس ساده ایجاد کند، جبران گیرنده نسبتاً آسان است، با این حال، به دلیل وجود مسیرهای متعدد، زمانی که سیگنال صوتی یک یا چند بار به سطح دریا برخورد می کند، جابجایی های داپلر متفاوتی بین هر مسیر اتفاق می افتد، که جبران آن مشکل است.