Pengembangan dan Penerapan Sensor Transduser Akustik Bawah Air

1 Konsep dasar dan sejarah jaringan transduser akustik bawah air

 

Itu jaringan transduser akustik bawah air  adalah produk mempopulerkan teknologi jaringan global. Sekarang daratan terhubung melalui kabel optik atau listrik, dan jaringan terhubung melalui jaringan nirkabel atau bahkan satelit komunikasi di udara, jaringan bawah air mungkin satu-satunya lahan perawan yang tersisa yang belum sepenuhnya digarap. Bisa dibayangkan suatu saat, ketika Anda menyalakan komputer dan terhubung ke Internet, Anda bisa langsung memperoleh data arus laut di samudera Atlantik dalam secara real-time. Jika kamera bawah air dipasang, Anda bahkan dapat melihat ikan-ikan berwarna-warni di hulu sungai besar di layar Anda. . Inilah tugas yang dihadapi jaringan transduser akustik bawah air: jaringan akustik bawah air digunakan sebagai sarana transmisi informasi, sensor bawah air digunakan sebagai jendela perolehan informasi, dan jaringan akustik bawah air akhirnya dimasukkan ke dalam jaringan konvensional dengan cara tertentu untuk mengintegrasikan data bawah air yang dikirim ke pengamat. Karena gelombang suara adalah satu-satunya bentuk energi yang dapat ditransmisikan dalam jarak jauh di dalam air, gelombang radio memiliki jarak rambat yang sangat pendek di dalam air, dan cahaya juga tidak cocok untuk lingkungan bawah air karena redaman yang tinggi dan hamburan di bawah air. . Transduser akustik bawah air adalah jaringan nirkabel yang terdiri dari gelombang akustik bawah air sebagai pembawa informasi. Hal ini dianalogikan dengan jaringan nirkabel di udara, hanya saja pembawa informasi di udara adalah gelombang radio, dan pembawa informasi di dalam air adalah gelombang suara. Jaringan akustik bawah air harus menyelesaikan dua masalah teknis, satu adalah transduser komunikasi akustik bawah air, dan yang lainnya adalah jaringan berbasis komunikasi akustik. Komunikasi akustik bawah air memecahkan komunikasi point-to-point antara dua pengguna (atau sumber informasi), dan jaringan memecahkan masalah interaksi informasi ketika banyak pengguna (atau sumber informasi) berbagi saluran media air. Sebagai teknologi baru yang sedang dikembangkan, alasan mengapa perkembangan jaringan akustik bawah air tertinggal jauh dibandingkan jaringan nirkabel di udara sebagian besar dibatasi oleh perkembangan teknologi komunikasi akustik bawah air. Komunikasi akustik bawah air yang paling awal dapat ditelusuri kembali ke modulasi amplitudo (AM) dan telepon bawah air single-sideband (SSB) untuk data analog pada tahun 1950-an; ada beberapa sistem analog sebelum tahun 1970-an, karena modulasi amplitudo di lingkungan gaung akustik bawah air. Dengan berkembangnya teknologi VLSI, teknologi penguncian frekuensi digital bawah air (FSK) mulai diterapkan pada awal tahun 1980-an. Ini kuat terhadap penyebaran waktu dan frekuensi saluran. Komunikasi koheren akustik bawah air muncul pada akhir tahun 1980an. Dibandingkan dengan komunikasi non-koheren, teknologi komunikasi akustik bawah air yang koheren dapat meningkatkan efisiensi bandwidth saluran akustik bawah air dengan bandwidth terbatas. Namun karena kerasnya dan rumitnya saluran akustik bawah air, komunikasi koheren akustik bawah air belum dimulai. Dapat diterima bahwa hasil kali jarak dan kecepatan komunikasi akustik bawah air pada saat itu adalah sekitar 0,5 km. Pada tahun 1990-an, berkat perkembangan teknologi chip DSP dan teori komunikasi digital, banyak teknologi pemerataan saluran yang kompleks dapat direalisasikan, yang mendorong pengembangan teknologi komunikasi koheren akustik bawah air, dan beralih ke studi komunikasi saluran horizontal, karena efek multipath saluran jauh lebih rumit dibandingkan saluran vertikal di laut dalam. Pada pertengahan tahun 1990-an, produk kecepatan dan jarak transduser komunikasi akustik bawah air di lingkungan laut dangkal mencapai 40 km× kbit, yang menyebabkan didirikannya transduser akustik bawah air. Komponen penting dari jaringan bawah air adalah munculnya modem akustik bawah air. Konsep paling awal penerapan transduser akustik bawah air adalah Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) pada tahun 1993. Amerika Serikat telah memulai percobaan tahunan pada tahun 1998 untuk memverifikasi konsep transduser akustik bawah air. Sejak pertengahan 1990-an, teknologi komunikasi akustik bawah air dan teknologi jaringan bawah air terus berkembang pada waktu yang bersamaan. Namun karena kekhasan dan kompleksitas media air (seperti waktu tunda yang tinggi, redaman yang besar, multipath dan pergeseran frekuensi), maka digunakan di darat. Teknologi jaringan nirkabel tidak dapat secara langsung diterapkan pada jaringan bawah air, dan penelitian tentang saluran bawah air, komunikasi bawah air, dan protokol jaringan bawah air sedang meningkat. Pada saat yang sama, sejak tahun 1990-an hingga saat ini, perkembangan jaringan sensor nirkabel terestrial berbasis komunikasi nirkabel jarak pendek juga sangat pesat. Dapat dikatakan bahwa jaringan sensor akustik bawah air merupakan perluasan dari konsep jaringan sensor terestrial untuk aplikasi bawah air. Jaringan sensor akustik bawah air terdiri dari beberapa node sensor. Nodenya bisa diperbaiki, seperti pelampung yang ditambatkan atau target kapal selam, atau bergerak, seperti robot bawah air (UV atau AUV). Saat ini, jaringan sensor akustik bawah air dapat memperoleh informasi yang berbeda sesuai dengan jenis sensor bawah air yang berbeda: dapat digunakan untuk akuisisi data oseanografi, pemantauan polusi laut, pengembangan dekat pantai, pencegahan bencana, navigasi bawah air dan bantuan penentuan posisi, survei sumber daya laut dan akuisisi data penelitian ilmiah, pemantauan taktis terdistribusi, pengintaian ranjau, dan deteksi, pelacakan, dan penentuan posisi target bawah air. Singkatnya, jaringan sensor akustik bawah air adalah memperoleh informasi bawah air melalui berbagai node sensor di area bawah air tertentu, dan melakukan komunikasi akustik dan jaringan dengan node bawah air, dan akhirnya melewati node tertentu dan radio ulang. Dalam bentuk kabel dan kabel, informasi yang diperoleh di area jangkauan dimasukkan ke dalam jaringan konvensional di pantai dan dikirim ke subnet bawah air pengamat. Anda dapat melihat beberapa karakteristik jaringan sensor akustik bawah air: Yang pertama adalah mobilitas. Karena dapat dipindahkan, maka jaringan tersebut harus merupakan jaringan otonom yang dapat mengatur dirinya sendiri dan mengikuti metode perutean jaringan tertentu; yang kedua adalah komunikasi nirkabel bawah air dan akustik bawah air, karena penggunaan komunikasi akustik bawah air, harus adaptif dengan karakteristik lingkungan laut dan mengatasi tantangan teknis pada lapisan fisik; ketiga, energinya terbatas, karena nirkabel, jadi bertenaga baterai; keempat, memiliki fungsi relai data yang dapat mengirimkan data pemantauan ke pantai. Untuk mengirimkan data secara efektif dan andal, protokol jaringan tertentu harus diikuti. Topologi jaringan menentukan metode routing, kehilangan energi, kapasitas jaringan dan keandalan jaringan, sehingga topologi jaringan harus diperkenalkan terlebih dahulu.

2 Struktur topologi jaringan sensor akustik bawah air

Seperti struktur jaringan sensor nirkabel di darat, struktur topologi jaringan sensor hidroakustik bawah air dapat dibagi menjadi dua kategori: jaringan terpusat (centralized network), dan jaringan peer-to-peer terdistribusi (distributed peer-to-peer network). Dalam jaringan terpusat, komunikasi antar node diwujudkan melalui node pusat, dan jaringan terhubung ke jaringan backbone melalui node pusat ini. Kerugian utama dari konfigurasi ini adalah hanya terdapat satu titik kegagalan, yaitu kegagalan node ini akan menyebabkan kegagalan seluruh jaringan. Dan karena jangkauan modem tunggal terbatas, jangkauan jaringan terpusat juga terbatas. Gambar 1 adalah diagram skema topologi jaringan terpusat. Jaringan peer-to-peer berarti tidak ada node pusat untuk “mengelola” jaringan tersebut, dan setiap node memiliki otoritas yang relatif sama. Menurut metode perutean yang berbeda, ada beberapa perbedaan dalam jaringan peer-to-peer. Jaringan peer-to-peer yang sepenuhnya terhubung menyediakan koneksi langsung 'point-to-point' ke dua node sembarang dalam jaringan. Topologi ini mengurangi kebutuhan routing. Namun bila node-node tersebut tersebar di wilayah yang luas maka diperlukan adanya komunikasi. Kekuatannya meningkat pesat. Dan juga akan terjadi masalah “dekat dan jauh”, yaitu ketika node A mengirimkan paket data ke node yang jauh, maka node tetangga dari node A akan diblokir untuk menerima sinyal lain.

 

Jaringan multi-hop peer-to-peer hanya berkomunikasi antara node yang berdekatan, dan sebuah pesan diselesaikan dengan beberapa hop antar node dari sumber ke tujuan. Sistem multi-hop dapat mencakup wilayah yang lebih luas, karena jangkauan jaringan bergantung pada jumlah node, dan tidak lagi dibatasi oleh jangkauan satu modem. Gambar 2 adalah diagram skema topologi jaringan peer-to-peer multi-hop. Jaringan adalah jaringan untuk aplikasi seluler nirkabel, yang termasuk dalam jaringan multi-hop peer-to-peer. Tidak perlu membangun infrastruktur terlebih dahulu yang disebut juga dengan jaringan tanpa infrastruktur (infrastructural network). Karakteristiknya adalah: jaringan otonom, topologi dinamis, batasan bandwidth dan kapasitas tautan variabel, komunikasi multi-hop, kontrol terdistribusi, node dengan energi terbatas, dan keamanan terbatas. Karena tidak bergantung pada infrastruktur, maka dapat dikerahkan dengan cepat dan mencakup wilayah yang lebih luas. Karena terbatasnya infrastruktur yang dapat diandalkan di dalam air, dan AUV yang dapat digerakkan akan menjadi bagian penting dari jaringan sensor akustik bawah air (AUV dapat meningkatkan kinerja jaringan sensor bawah air), kemampuan pengorganisasiannya sendiri, dan topologi yang dinamis, menjadikan jaringan AdHoc sangat cocok digunakan pada jaringan sensor akustik bawah air. Meskipun jaringan AdHoc cocok untuk penerapan jaringan hidroakustik, namun masalah keamanannya selalu menjadi topik penelitian. Faktanya, itu jaringan sensor hidrofon bawah air harus merupakan gabungan dari jaringan terpusat dan jaringan peer-to-peer. Dalam literatur [16], jaringan sensor hidroakustik dua dimensi dan tiga dimensi diperkenalkan. Dua dimensi mengacu pada dimensi informasi yang diperoleh. Dalam jaringan sensor akustik bawah air dua dimensi, node sensor dan transponder data (Sink) ditempatkan di dasar laut, di area kecil dengan Sink sebagai pusatnya, dan data masing-masing sensor dapat berada di tautan horizontal. Untuk mencapai Sink secara langsung atau multi-hop (Jaringan multi-hop peer-to-peer), dan data sensor hanya dapat mencapai stasiun permukaan jika diteruskan pada tautan vertikal melalui Sink. Karena hanya informasi area dasar laut tertentu yang dapat diperoleh, maka disebut jaringan sensor dua dimensi. Pada jaringan sensor akustik bawah air tiga dimensi, kedalaman target submersible dapat dikontrol, sehingga node multisensor pada suatu area tertentu terletak pada kedalaman yang berbeda-beda, sehingga dapat diperoleh informasi lautan pada suatu area dan kedalaman yang berbeda-beda, sehingga disebut jaringan sensor akustik bawah air tiga dimensi. Dalam topologi jaringan, ini juga merupakan jaringan multi-hop peer-to-peer. AUV dapat mencapai kedalaman berbeda di lautan, dikombinasikan dengan jaringan sensor dasar tetap, juga dapat membentuk jaringan sensor akustik bawah air tiga dimensi. Perlu diperhatikan bahwa karena adanya jaringan sensor akustik bawah air, selalu ada masalah dalam mengakses jaringan konvensional lainnya di atas air. Ada node khusus yang disebut stasiun permukaan, gateway, atau node master untuk menyelesaikan pekerjaan ini. Ia tidak hanya harus memiliki modem akustik untuk komunikasi dengan jaringan bawah air, tetapi juga modem radio atau kabel untuk komunikasi dengan jaringan berbasis satelit atau pantai. Stasiun permukaan dapat menggunakan pelampung sebagai pengangkut, atau kapal permukaan sebagai pengangkut. Topologi jaringan menentukan metode perutean, kehilangan energi, kapasitas jaringan, dan keandalan jaringan. Penelitian telah menunjukkan bahwa jaringan yang terdiri dari beberapa node sensor yang didistribusikan pada interval yang sama sepanjang garis lurus mengkonsumsi lebih banyak daya daripada jaringan peer-to-peer multi-hop menurut metode perutean jaringan peer-to-peer yang terhubung sepenuhnya; dan kapasitas jaringan juga dipengaruhi oleh topologi jaringan.

 

3 Konsep terkait lapisan jaringan sensor akustik bawah air

Jaringan sensor akustik bawah air memang merupakan bidang baru, namun konsep yang diikutinya sama dengan tumpukan protokol jaringan yang umum digunakan. Tabel 1 adalah konsep lapisan jaringan yang umum digunakan. Demi kesederhanaan, artikel ini hanya membahas tiga lapisan dasar: lapisan fisik, lapisan data link, dan lapisan jaringan. Permasalahan yang ingin dipecahkan oleh lapisan fisik adalah bagaimana menggunakan media transmisi

 

 

Karakteristik (yaitu karakteristik saluran) dan metode modulasi yang sesuai memungkinkan transmisi data yang efektif. Komunikasi akustik berdasarkan media air adalah masalah lapisan fisik yang khas pada lapisan protokol jaringan. Pada ujung transmisi, bit informasi harus diubah menjadi sinyal (sinyal akustik) yang dapat ditransmisikan melalui saluran, dan pada ujung penerima, sinyal dalam medium harus diubah kembali menjadi bit informasi. Ini adalah tugas modem akustik bawah air, yang terutama melibatkan tiga aspek: Konversi media (seperti: konversi sinyal elektro-akustik), efisiensi pemanfaatan pita frekuensi, dan kemampuan beradaptasi saluran. Metode modulasi yang umum digunakan dalam komunikasi akustik bawah air dibagi menjadi dua kategori, satu adalah modulasi non-koheren, seperti penguncian pergeseran frekuensi (FSK), dan yang lainnya adalah metode modulasi koheren, seperti penguncian pergeseran fasa (PSK) dan modulasi amplitudo kuadratur. (QAM). Modulasi non-koheren memiliki ketahanan yang baik terhadap lingkungan akustik bawah air yang keras, namun lajunya rendah; Metode modulasi koheren memiliki efisiensi pengkodean yang tinggi dan pemanfaatan pita frekuensi tinggi, namun jarak transmisinya terbatas. Beberapa teknologi keduanya merupakan lapisan fisik.

 

Media perambatan jaringan sensor akustik bawah air adalah air, yang sangat berbeda dengan media udara jaringan sensor terestrial. Oleh karena itu, protokol jaringan yang dapat digunakan secara efektif di darat tidak dapat diterapkan pada jaringan akustik bawah air. Kita akan mulai dengan karakteristik propagasi akustik air dan membahas efek suara. Mempelajari faktor-faktor komunikasi dan menganalisis kesulitan yang ditimbulkannya pada berbagai lapisan tumpukan protokol jaringan.

 

4.1 'Faktor fisik yang mempengaruhi komunikasi akustik bawah air

4.1.1 'Penundaan propagasi yang panjang dan varians penundaan yang besar Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di udara adalah 200.000 kali kecepatan rambat gelombang suara di dalam air. Kecepatan suara yang lambat membuat penundaan rambat menjadi sangat besar, dengan penundaan sekitar 0,67 detik per kilometer, dan pada saat yang sama Karakteristik saluran akustik bawah air yang berubah-ubah waktu membuat varians penundaan menjadi sangat besar. Yang pertama mempengaruhi throughput jaringan, dan yang terakhir membuat beberapa protokol berbasis waktu tidak dapat dioperasikan.

 

4.1.2 'Kerugian propagasi yang besar (juga disebut path loss)

Menurut model propagasi Urick, rugi-rugi propagasi adalah penjumlahan rugi-rugi akibat muai dan atenuasi. Kerugian atenuasi mencakup efek penyerapan, hamburan, dan kebocoran energi suara dari saluran suara. Penyerapan disebabkan oleh konversi energi suara menjadi energi panas, yang meningkat seiring dengan frekuensi dan jarak. Kerugian ekspansi mengacu pada perluasan energi akustik yang disebabkan oleh ekspansi muka gelombang. Hal ini terutama mencakup perluasan bola (ekspansi segala arah) dari sumber titik di lingkungan laut dalam. Kerugian propagasi meningkat seiring dengan kuadrat jarak; dan ekspansi silinder di lingkungan perairan dangkal. Memperluas pada bidang horizontal, kerugian propagasi meningkat seiring dengan jarak. Karena hilangnya propagasi sinyal akustik meningkat seiring dengan bertambahnya frekuensi dan jarak, pita frekuensi yang tersedia dari saluran akustik bawah air sangat terbatas, dan jarak propagasi juga terbatas. Oleh karena itu, dalam jaringan komunikasi bawah air, jika ingin melakukan komunikasi jarak jauh, Anda hanya dapat memilih code rate yang rendah; jika ingin memilih code rate yang tinggi, Anda hanya dapat melakukan komunikasi jarak pendek. Secara umum, agar jarak propagasi mencapai 10-100 km, bandwidth yang tersedia berada pada kisaran 2-5kHz; transmisi jarak menengah adalah 1-10 km, dan bandwidth berada di urutan 10kHz; jika pita frekuensi yang digunakan lebih besar dari 100kHz, jarak propagasi harus kurang dari 100m.

 

4.1.3 'Beberapa rute yang parah

Fenomena multipath disebabkan oleh adanya lebih dari satu jalur propagasi antara sumber suara dan penerima, serta sering terjadi di laut dangkal dan propagasi jarak jauh. Sederhananya, sinyal dari satu sumber suara dapat menerima banyak sinyal yang tiba pada waktu berbeda di sisi penerima karena adanya banyak jalur. Multi jalur akan menyebabkan fluktuasi amplitudo dan fasa sinyal. Karena waktu propagasi yang berbeda dari jalur yang berbeda, hal ini akan menyebabkan distorsi sinyal yang serius, akan menyebabkan dekorelasi sinyal yang diterima antara penerima yang berbeda, dan multi-jalur juga akan menyebabkan pelebaran bandwidth. Ini akan sangat menurunkan sinyal komunikasi dan menyebabkan interferensi antar simbol. Multipath juga berkaitan dengan posisi dan jarak antara sumber suara dan penerima. Mengambil bidang dasar laut sebagai acuan, pengaruh multijalur saluran vertikal kecil, dan pengaruh multijalur saluran horizontal besar.

 

Kebisingan lingkungan merupakan kumpulan dari banyak faktor, yang berhubungan dengan pasang surut air laut, turbulensi, angin dan gelombang laut, serta badai petir. Kebisingan kapal juga merupakan sumber kebisingan yang penting. Berbeda dengan situasi di mana kebisingan laut dalam relatif pasti, kebisingan lingkungan di laut dangkal, terutama perairan pesisir, teluk, dan pelabuhan, akan berubah secara signifikan seiring waktu dan tempat. Kebisingan tersebut terutama terdiri dari kebisingan kapal dan industri, kebisingan aeolian, dan kebisingan biologis. Kebisingan lingkungan akan mengurangi rasio signal-to-noise dari sinyal dan mempengaruhi kinerja komunikasi akustik bawah air. 4.1.5' Dispersi Doppler Pergeseran Doppler yang parah disebabkan oleh pergerakan relatif sumber suara dan penerima. Karena kecepatan suara 200.000 kali lebih lambat dari kecepatan gelombang elektromagnetik, kecepatan yang sangat kecil dapat menyebabkan pergeseran frekuensi doppler, dan karena adanya saluran, frekuensi pembawa akustik bawah air lebih rendah. Kedua faktor ini menambah pengaruh Doppler di dalam air dibandingkan Komunikasi nirkabel di udara jauh lebih besar. Jika Doppler hanya menghasilkan sinyal sederhana transformasi frekuensi, kompensasi penerima relatif mudah. Namun, karena adanya beberapa jalur, ketika sinyal akustik mengenai permukaan laut satu kali atau lebih, pergeseran Doppler yang berbeda akan terjadi di antara setiap jalur, yang sulit untuk dikompensasikan pada komunikasi data berkecepatan tinggi, akan menimbulkan interferensi antar simbol dan mengurangi efisiensi pita frekuensi.