Vedenalaisen akustisen muuntimen kehittäminen ja soveltaminen

1 Vedenalaisen akustisen anturiverkon peruskäsite ja historia

 

The vedenalainen akustinen anturiverkko  on maailmanlaajuisen verkkoteknologian popularisoinnin tuote. Nyt kun maa on yhdistetty langallisilla optisilla tai sähköisillä keinoilla ja verkko on yhdistetty langattomien verkkojen tai jopa ilmassa olevien viestintäsatelliittien kautta, vedenalainen verkko voi olla ainoa jäljellä oleva neitseellinen maa, jota ei ole täysin viljelty. On mahdollista, että jonain päivänä, kun käynnistät tietokoneen ja muodostat yhteyden Internetiin, voit saada välittömästi reaaliaikaista tietoa valtameren virtauksista syvällä Atlantin valtameressä. Jos vedenalainen kamera on asennettu, voit jopa nähdä suuren ylävirran värikkäät kalat näytölläsi. . Tämä on vedenalaisen akustisen anturiverkon tehtävä: vedenalaista akustista verkkoa käytetään tiedonsiirtovälineenä, vedenalaista anturia käytetään tiedonkeruuikkunana ja vedenalainen akustinen verkko liitetään lopulta jollain tavalla perinteiseen verkkoon havainnoijalle lähetetyn vedenalaisen tiedon integroimiseksi. Koska ääniaallot ovat ainoa energiamuoto, joka voi siirtyä pitkiä matkoja vedessä, radioaaltojen etenemisetäisyys vedessä on hyvin lyhyt, eikä valo myöskään sovellu vedenalaiseen ympäristöön korkean vaimennuksen ja vedenalaisen sironnan vuoksi. . Vedenalainen akustinen anturi on langaton verkko, joka koostuu vedenalaisista akustisista aalloista tiedon välittäjänä. Se on analoginen langattoman verkon kanssa ilmassa, paitsi että tiedon välittäjänä ilmassa ovat radioaallot ja tiedon välittäjänä vedessä ääniaaltoja. Vedenalaisen akustisen verkon on ratkaistava kaksi teknistä ongelmaa, joista toinen on vedenalainen akustinen viestintäanturi ja toinen akustiseen viestintään perustuva verkottuminen. Vedenalainen akustinen viestintä ratkaisee kahden käyttäjän (tai tietolähteen) välisen point-to-point-viestinnän, ja verkostoituminen ratkaisee tiedon vuorovaikutuksen ongelman, kun useat käyttäjät (tai tietolähteet) jakavat vesikanavan. Syytä siihen, miksi vedenalaisen akustisen verkon kehitys jää paljon jälkeen ilmassa langattomasta verkosta, on kehitteillä olevana nousevana teknologiana suurelta osin vedenalaisen akustisen viestintätekniikan kehitys. Varhaisin vedenalainen akustinen viestintä voidaan jäljittää 1950-luvun amplitudimodulaatio- (AM) ja yksisivukaistaisiin (SSB) vedenalaisiin puhelimiin analogista dataa varten; ennen 1970-lukua oli muutamia analogisia järjestelmiä vedenalaisen akustisen kaiuntaympäristön amplitudimodulaation vuoksi. VLSI-tekniikan kehityksen myötä 1980-luvun alussa alettiin soveltaa vedenalaista digitaalista taajuusmuutosavainnustekniikkaa (FSK). Se kestää kanavan aika- ja taajuuden leviämistä. Vedenalainen akustinen koherentti viestintä ilmestyi 1980-luvun lopulla. Verrattuna ei-koherenttiin viestintään, koherentti vedenalainen akustinen viestintätekniikka voi parantaa rajoitetun kaistanleveyden vedenalaisen akustisen kanavan kaistanleveyden tehokkuutta. Vedenalaisen akustisen kanavan ankaruudesta ja monimutkaisuudesta johtuen vedenalainen akustinen koherentti viestintä ei kuitenkaan ole alkanut. Hyväksyttiin, että vedenalaisen akustisen viestinnän etäisyyden ja nopeuden tulo oli tuolloin noin 0,5 km. 1990-luvulla DSP-siruteknologian ja digitaalisen viestinnän teorian kehityksen ansiosta voidaan toteuttaa monia monimutkaisia ​​kanavan tasaustekniikoita, jotka johtivat vedenalaisen akustisen koherentin viestintätekniikan kehittymiseen ja suuntautuivat horisontaalisen kanavaviestinnän tutkimukseen, koska kanavan monitievaikutus on paljon monimutkaisempi kuin syvänmeren pystykanavan vaikutus. 1990-luvun puolivälissä vedenalaisen akustisen tiedonsiirtoanturin nopeus- ja etäisyystulo matalassa meressä saavutti 40 km× kbit, mikä teki vedenalaisen akustisen muuntimen perustamisen. Vedenalaisten verkkojen maamerkki-avainkomponentti on vedenalaisten akustisten modeemien ilmaantuminen. Varhaisin käsite vedenalaisen akustisen muuntimen sovelluksesta oli Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) vuonna 1993. Yhdysvallat on aloittanut vuotuisen kokeen vuonna 1998 varmistaakseen vedenalaisen akustisen muuntimen käsitteen. 1990-luvun puolivälistä lähtien vedenalainen akustinen viestintätekniikka ja vedenalainen verkkotekniikka ovat kehittyneet tasaisesti samaan aikaan. Kuitenkin johtuen vesiväliaineen erityisyydestä ja monimutkaisuudesta (kuten suuri aikaviive, suuri vaimennus, monitie- ja taajuussiirtymä), sitä käytetään maalla. Langaton verkkotekniikka ei sovellu suoraan vedenalaisiin verkkoihin, ja vedenalaisten kanavien, vedenalaisten tietoliikenneyhteyksien ja vedenalaisten verkkoprotokollien tutkimus on nousussa. Samaan aikaan 1990-luvulta nykypäivään myös lyhyen kantaman langattomaan tietoliikenteeseen perustuvien maanpäällisten langattomien anturiverkkojen kehitys on ollut erittäin nopeaa. Voidaan sanoa, että vedenalainen akustinen anturiverkko on maanpäällisen anturiverkon käsitteen laajennus vedenalaisiin sovelluksiin. Vedenalainen akustinen anturiverkko koostuu useista anturisolmuista. Solmut voivat olla kiinteitä, kuten ankkuroituja poijuja tai upotettuja kohteita, tai liikkuvia, kuten vedenalaisia ​​robotteja (UV tai AUV). Tällä hetkellä vedenalainen akustinen anturiverkko voi saada erilaista tietoa erityyppisten vedenalaisten antureiden mukaan: sitä voidaan käyttää valtameritietojen keräämiseen, meren pilaantumisen seurantaan, lähirannikon kehittämiseen, katastrofien ehkäisyyn, vedenalaiseen navigointiin ja paikannusapuun, meren resurssien kartoittamiseen ja tieteelliseen tutkimustiedon hankintaan, hajautettuun taktiseen seurantaan, miinojen tiedusteluun ja veden alla olevien kohteiden havaitsemiseen ja seurantaan. Lyhyesti sanottuna vedenalaisen akustisen anturiverkon tarkoituksena on hankkia vedenalaista tietoa eri anturisolmujen kautta tietyllä vedenalaisella alueella ja suorittaa akustista kommunikaatiota ja verkottumista vedenalaisten solmujen kanssa ja lopuksi kulkea tiettyjen solmujen läpi ja uudelleenradiota. Peittoalueelta saatu tieto liitetään langallisessa ja langallisessa muodossa tavanomaiseen verkkoon rannalla ja lähetetään aliverkkoon vedenalaiseen tarkkailijaan. Voit nähdä useita vedenalaisen akustisen anturiverkoston ominaisuuksia: Ensimmäinen on liikkuvuus. Koska se on liikuteltava, sen on oltava itsenäinen verkko, joka voi organisoitua itse ja noudattaa tiettyä verkon reititysmenetelmää; toinen on vedenalainen langaton ja vedenalainen akustinen viestintä, vedenalaisen akustisen viestinnän käytön vuoksi, sen on mukauduttava meriympäristön ominaisuuksiin ja ratkaistava fyysisen kerroksen tekniset haasteet; kolmanneksi se on energiarajoitettu, koska se on langaton, joten se on akkukäyttöinen; neljänneksi sillä on dataa Reletoiminto voi välittää valvontatiedot rantaan. Tietojen tehokas ja luotettava siirtäminen edellyttää tiettyä verkkoprotokollaa. Verkkotopologia määrittää reititystavan, energiahäviön, verkon kapasiteetin ja verkon luotettavuuden, joten verkkotopologia on esitettävä ensin.

2 Vedenalaisen akustisen anturiverkon topologinen rakenne

Kuten langattoman anturiverkon rakenne maalla, myös vedenalaisen hydroakustisen anturiverkon topologinen rakenne voidaan jakaa kahteen luokkaan: keskitetty verkko (keskitetty verkko) ja hajautettu vertaisverkko (hajautettu vertaisverkko). Keskitetyssä verkossa solmujen välinen kommunikaatio toteutetaan keskussolmun kautta ja verkko on yhdistetty runkoverkkoon tämän keskussolmun kautta. Tämän kokoonpanon suurin haittapuoli on, että siinä on yksi vikapiste, eli tämän solmun vika johtaa koko verkon epäonnistumiseen. Ja koska yhden modeemin kantama on rajallinen, keskitetyn verkon kattavuus on rajoitettu. Kuva 1 on kaaviokuva keskitetyn verkon topologiasta. Vertaisverkko tarkoittaa, että ei ole keskussolmua, joka 'hallinnoi' niitä, ja jokaisella solmulla on suhteellisen yhtäläiset valtuudet. Erilaisten reititysmenetelmien mukaan vertaisverkossa on joitain eroja. Täysin yhdistetty vertaisverkko tarjoaa suorat 'point-to-point'-yhteydet kahteen mielivaltaiseen verkon solmuun. Tämä topologia vähentää reitityksen tarvetta. Kuitenkin, kun solmut ovat hajallaan suurella alueella, tarvitaan viestintää. Teho on lisääntynyt huomattavasti. Lisäksi tulee olemaan 'lähellä ja kaukana'-ongelma, eli kun solmu A lähettää datapaketin etäsolmuun, se estää solmun A naapurisolmuja vastaanottamasta muita signaaleja.

 

Monihyppyinen vertaisverkko kommunikoi vain vierekkäisten solmujen välillä, ja sanoma täydentyy useilla hyppyillä solmujen välillä lähteestä kohteeseen. Multi-hop-järjestelmä voi kattaa suuremman alueen, koska verkon kantama riippuu solmujen määrästä, eikä sitä enää rajoita yhden modeemin kantama. Kuvio 2 on kaavio monihyppyisen vertaisverkon topologiasta. Verkko on langattomille mobiilisovelluksille tarkoitettu verkko, joka kuuluu multi-hop-peer-to-peer-verkkoon. Sen ei tarvitse rakentaa etukäteen infrastruktuuria, joka tunnetaan myös nimellä infrastruktuuriton verkko (infrastruktuuriverkko). Sen ominaisuudet ovat: autonominen verkko, dynaaminen topologia, kaistanleveyden rajoitus ja muuttuva linkkikapasiteetti, multi-hop-viestintä, hajautettu ohjaus, solmut, joilla on rajoitettu energia ja rajoitettu tietoturva. Koska se ei ole riippuvainen infrastruktuurista, se voidaan ottaa käyttöön nopeasti ja kattaa suuremman alueen. Koska infrastruktuuri, johon vedessä voidaan luottaa, on rajallinen ja liikkuva AUV tulee olemaan tärkeä osa vedenalaista akustista anturiverkostoa (AUV voi parantaa vedenalaisen anturiverkon suorituskykyä), sen itseorganisoitumiskyky ja dynaaminen topologia tekevät AdHoc-verkosta erittäin sopivan käytettäväksi vedenalaisissa akustisissa anturiverkoissa. Vaikka AdHoc-verkko soveltuu hydroakustisen verkon sovellukseen, sen turvallisuuskysymys on aina ollut tutkimusaiheena. Itse asiassa, Vedenalaisen hydrofonianturiverkon tulisi olla keskitetyn verkon ja vertaisverkon hybridi. Kirjallisuudessa [16] esitellään kaksi- ja kolmiulotteinen hydroakustinen anturiverkko. Kaksiulotteisuus viittaa saadun tiedon ulottuvuuteen. Kaksiulotteisessa vedenalaisessa akustisessa sensoriverkossa anturisolmut ja datatransponderit (Sink) sijoitetaan merenpohjaan, pienelle alueelle, jossa Sink on keskellä, ja kunkin anturin tiedot voivat olla vaakasuorassa linkissä Päästäkseen nielulle suoraan tai monihyppyisellä tavalla (Multi-hop vertaisverkko) ja anturidata, jos se pääsee vain eteenpäin Sink-aseman pinnalla olevaan linkkiin. Koska vain tietyltä merenpohjan alueelta saadaan tietoa, sitä kutsutaan kaksiulotteiseksi anturiverkostoksi. Kolmiulotteisessa vedenalaisessa akustisessa anturiverkossa voidaan ohjata upotettavan kohteen syvyyttä siten, että tietyn alueen usean sensorin solmut sijaitsevat eri syvyyksillä, jolloin voidaan saada tietyn alueen ja eri syvyyksien valtameritieto, joten sitä kutsutaan kolmiulotteiseksi vedenalaiseksi akustiseksi anturiverkostoksi. Verkkotopologiassa se on myös monihyppyinen peer-to-peer-verkko. AUV voi saavuttaa valtameren eri syvyyksiä yhdistettynä kiinteään pohjaanturiverkkoon, voi myös muodostaa kolmiulotteisen vedenalaisen akustisen anturiverkoston. On syytä huomauttaa, että vedenalaisten akustisten anturiverkkojen vuoksi on aina ongelmia päästä käsiksi muihin tavanomaisiin verkkoihin vedessä. Tämän työn suorittamiseksi on erityinen solmu nimeltä pinta-asema, yhdyskäytävä tai pääsolmu. Siinä ei saa olla vain akustinen modeemi viestintää varten vedenalaisten verkkojen kanssa, vaan myös radio- tai kaapelimodeemi kommunikointia varten satelliitti- tai maapohjaisten verkkojen kanssa. Pinta-asema voi käyttää poijua kannattimena tai pintalaivaa kantajana. Verkkotopologia määrittää reititystavan, energiahäviön, verkon kapasiteetin ja verkon luotettavuuden. Tutkimukset ovat osoittaneet, että verkko, joka koostuu useista anturisolmuista, jotka on jaettu tasavälein suoraa linjaa pitkin, kuluttaa enemmän tehoa kuin monihyppyinen vertaisverkko täysin yhdistetyn vertaisverkon reititysmenetelmän mukaan; ja verkon kapasiteettiin vaikuttaa myös verkon topologia.

 

3 Aiheeseen liittyviä käsitteitä vedenalaisen akustisen anturiverkoston kerroksesta

Vedenalainen akustinen anturiverkko on todellakin aivan uusi ala, mutta sen konsepti on sama kuin yleisesti käytetyssä verkkoprotokollapinossa. Taulukko 1 on yleisesti käytetyt verkkokerroksen käsitteet. Yksinkertaisuuden vuoksi tässä artikkelissa käsitellään vain kolmea peruskerrosta: fyysistä kerrosta, tietolinkkikerrosta ja verkkokerrosta. Fyysisen kerroksen ratkaistava ongelma on siirtovälineen käyttö

 

 

Ominaisuudet (eli kanavaominaisuudet) ja vastaavat modulaatiomenetelmät mahdollistavat tehokkaan tiedonsiirron. Vesiväliaineeseen perustuva akustinen viestintä on tyypillinen fyysisen kerroksen ongelma verkkoprotokollakerroksessa. Lähetyspäässä informaatiobitit on muutettava kanavalla siirrettäviksi signaaleiksi (akustisiksi signaaleiksi) ja vastaanottopäässä välineessä olevat signaalit on muutettava takaisin informaatiobiteiksi. Tämä on vedenalaisen akustisen modeemin tehtävä, johon kuuluu pääasiassa kolme näkökohtaa: Mediamuunnos (kuten: sähköakustinen signaalin muunnos), taajuuskaistan käyttötehokkuus, kanavan mukautuvuus. Vedenalaisessa akustisessa viestinnässä yleisesti käytetyt modulaatiomenetelmät on jaettu kahteen kategoriaan, joista toinen on ei-koherentti modulaatio, kuten taajuusmuutosavainnus (FSK) ja toinen koherentti modulaatiomenetelmä, kuten vaihesiirtoavainnus (PSK) ja kvadratuuriamplitudimodulaatio. (QAM). Epäkoherentilla modulaatiolla on hyvä kestävyys ankariin vedenalaisiin akustisiin ympäristöihin, mutta nopeus on alhainen; Koherentilla modulaatiomenetelmällä on korkea koodaustehokkuus ja korkea taajuuskaistan käyttö, mutta lähetysetäisyys on rajoitettu. Jotkut tekniikat ovat sekä fyysinen kerros.

 

Vedenalaisen akustisen anturiverkon etenemisväliaine on vesi, joka on hyvin erilainen kuin maanpäällisen anturiverkon väliilma. Siksi maalla tehokkaasti käytettävää verkkoprotokollaa ei voida soveltaa vedenalaiseen akustiseen verkkoon. Aloitamme veden akustisista etenemisominaisuuksista ja keskustelemme äänen vaikutuksista. Viestinnän tekijöiden oppiminen ja sen aiheuttamien vaikeuksien analysointi verkkoprotokollapinon eri kerroksille.

 

4.1 'Fyysiset tekijät vaikuttavat vedenalainen akustinen viestintä

4.1.1 'Pitkä etenemisviive ja suuri viivevarianssi Sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus ilmassa on 200 000 kertaa ääniaaltojen etenemisnopeus vedessä. Hidas äänen nopeus tekee etenemisviiveestä erittäin suuren, noin 0,67 s:n viiveellä kilometriä kohden, ja samalla Ajassa vaihtelevat ominaisuudet vaikuttavat kanavan hyvin suureen viivekoustiikkaan. verkon läpäisykyky, ja jälkimmäinen tekee joistakin aikaperusteisista protokollista käyttökelvottomia.

 

4.1.2 'Suuri etenemishäviö (kutsutaan myös polkuhäviöksi)

Urickin etenemismallin mukaan etenemishäviö on laajenemisen ja vaimennuksen aiheuttamien häviöiden summa. Vaimennushäviö sisältää absorption, sironnan ja äänikanavasta vuotavan äänienergian. Absorption aiheuttaa äänienergian muuntuminen lämpöenergiaksi, joka kasvaa taajuuden ja etäisyyden kasvaessa. Laajenemishäviö tarkoittaa akustisen energian laajenemista, jonka aiheuttaa aaltorintaman laajeneminen. Se sisältää pääasiassa pistelähteiden pallomaisen (ympärissuuntaisen laajenemisen) syvänmeren ympäristöissä. Etenemishäviö kasvaa etäisyyden neliön myötä; ja sylinterimäinen laajeneminen matalissa vesissä. Laajentuessaan vaakatasossa etenemishäviö kasvaa etäisyyden myötä. Koska akustisten signaalien etenemishäviö kasvaa taajuuden ja etäisyyden kasvaessa, vedenalaisen akustisen kanavan käytettävissä oleva taajuuskaista on hyvin rajallinen, ja myös etenemisetäisyys on rajoitettu. Siksi vedenalaisessa viestintäverkossa, jos haluat harjoittaa pitkän matkan viestintää, voit valita vain alhaisen koodinopeuden; jos haluat valita korkean koodinopeuden, voit suorittaa vain lyhyen matkan viestintää. Yleisesti ottaen, jotta etenemisetäisyys saavuttaisi 10–100 km, käytettävissä oleva kaistanleveys on 2–5 kHz; keskipitkän matkan lähetys on 1-10 km ja kaistanleveys on luokkaa 10 kHz; jos käytetty taajuuskaista on suurempi kuin 100 kHz, etenemisetäisyyden on oltava alle 100 m.

 

4.1.3 'Vakavia useita reittejä

Monitieilmiö johtuu useamman kuin yhden etenemisreitin olemassaolosta äänilähteen ja vastaanottimen välillä, ja sitä esiintyy usein matalassa meressä ja pitkän matkan etenemisessä. Yksinkertaisesti sanottuna signaali yhdestä äänilähteestä voi vastaanottaa useita signaaleja, jotka saapuvat eri aikoina vastaanottopäähän, koska on olemassa useita polkuja. Monitie aiheuttaa vaihteluita signaalin amplitudissa ja vaiheessa. Eri polkujen eri etenemisajoista johtuen se aiheuttaa vakavaa signaalin vääristymistä, johtaa vastaanotettujen signaalien dekorrelaatioon eri vastaanottimien välillä ja monitie aiheuttaa myös kaistanleveyden levenemistä. Nämä heikentävät vakavasti viestintäsignaalia ja aiheuttavat symbolien välisiä häiriöitä. Monitie liittyy myös äänilähteen ja vastaanottimen sijaintiin ja etäisyyteen. Merenpohjan tasoa referenssinä otettaessa pystykanavan monitievaikutus on pieni ja vaakakanavan monitievaikutus suuri.

 

Ympäristömelu on kokoelma monia tekijöitä, jotka liittyvät vuoroveden, turbulenssiin, merituuleen ja aalloihin sekä ukkosmyrskyihin. Laivojen melu on myös tärkeä melunlähde. Toisin kuin tilanteessa, jossa syvänmeren melu on suhteellisen varmaa, matalan meren ympäristömelu, erityisesti rannikkovesien, lahtien ja satamien, muuttuu merkittävästi ajan ja paikan mukaan. Melu koostuu pääasiassa laiva- ja teollisuusmelusta, eolisesta melusta ja biologisesta melusta. Ympäristömelu vähentää signaalin signaali-kohinasuhdetta ja vaikuttaa vedenalaisen akustisen viestinnän suorituskykyyn. 4.1.5' Doppler-dispersio Vakava Doppler-siirtymä johtuu äänilähteen ja vastaanottimen suhteellisesta liikkeestä. Koska äänen nopeus on 200 000 kertaa hitaampi kuin sähkömagneettisten aaltojen nopeus, hyvin pieni nopeus voi aiheuttaa doppler-taajuussiirtymän, ja kanavan vuoksi langattoman tiedonsiirron vedenalainen akustinen kantotaajuus on paljon pienempi. Nämä kaksi tekijää laskevat yhteen ilman Dopplerin Suurempi Jos Doppler tuottaa vain yksinkertaisen taajuusmuunnoksen, vastaanottimen kompensointi on kuitenkin suhteellisen helppoa, kun akustinen signaali osuu meren pintaan yhden tai useamman kerran, eri Doppler-siirtymiä esiintyy kunkin reitin välillä, jota on vaikea kompensoida.