Pembangunan dan Penggunaan Penderia Transduser Akustik Bawah Air

1 Konsep asas dan sejarah rangkaian transduser akustik bawah air

 

The rangkaian transduser akustik bawah air  adalah hasil pempopularan teknologi rangkaian global. Sekarang tanah itu disambungkan melalui cara optik atau elektrik berwayar, dan rangkaian disambungkan melalui rangkaian wayarles atau bahkan satelit komunikasi di udara, rangkaian bawah air mungkin satu-satunya tanah dara yang masih belum ditanam sepenuhnya. Boleh dibayangkan bahawa suatu hari nanti, apabila anda menghidupkan komputer dan menyambung ke Internet, anda boleh mendapatkan data masa nyata arus laut di lautan Atlantik dalam dengan serta-merta. Jika kamera bawah air dipasang, anda juga boleh melihat ikan berwarna-warni di hulu yang hebat pada skrin anda. . Inilah tugas yang dihadapi oleh rangkaian transduser akustik bawah air: rangkaian akustik bawah air digunakan sebagai cara penghantaran maklumat, sensor bawah air digunakan sebagai tingkap untuk pemerolehan maklumat, dan rangkaian akustik bawah air akhirnya digabungkan ke dalam rangkaian konvensional dalam beberapa cara untuk mengintegrasikan data bawah air yang dihantar kepada pemerhati. Oleh kerana gelombang bunyi adalah satu-satunya bentuk tenaga yang boleh dihantar dalam jarak yang jauh di dalam air, gelombang radio mempunyai jarak perambatan yang sangat pendek di dalam air, dan cahaya juga tidak sesuai untuk persekitaran bawah air kerana pengecilan yang tinggi dan penyebaran di bawah air. . Transduser akustik bawah air ialah rangkaian wayarles yang terdiri daripada gelombang akustik bawah air sebagai pembawa maklumat. Ia serupa dengan rangkaian wayarles di udara, kecuali pembawa maklumat di udara adalah gelombang radio, dan pembawa maklumat di dalam air adalah gelombang bunyi. Rangkaian akustik bawah air mesti menyelesaikan dua masalah teknikal, satu adalah transduser komunikasi akustik bawah air, dan satu lagi adalah rangkaian berdasarkan komunikasi akustik. Komunikasi akustik bawah air menyelesaikan komunikasi titik ke titik antara dua pengguna (atau sumber maklumat), dan rangkaian menyelesaikan masalah interaksi maklumat apabila berbilang pengguna (atau sumber maklumat) berkongsi saluran medium air. Sebagai teknologi baru yang sedang dibangunkan, sebab mengapa pembangunan rangkaian akustik bawah air jauh ketinggalan berbanding rangkaian wayarles di udara sebahagian besarnya dihadkan oleh pembangunan teknologi komunikasi akustik bawah air. Komunikasi akustik bawah air yang terawal boleh dikesan kembali kepada telefon bawah air modulasi amplitud (AM) dan jalur sisi tunggal (SSB) untuk data analog pada tahun 1950-an; terdapat beberapa sistem analog sebelum tahun 1970-an, disebabkan oleh modulasi amplitud dalam persekitaran gema akustik bawah air. Dengan perkembangan teknologi VLSI, teknologi penguncian anjakan frekuensi digital bawah air (FSK) telah digunakan pada awal 1980-an. Ia teguh kepada penyebaran masa dan kekerapan saluran. Komunikasi koheren akustik bawah air muncul pada akhir 1980-an. Berbanding dengan komunikasi tidak koheren, teknologi komunikasi akustik bawah air yang koheren boleh meningkatkan kecekapan jalur lebar saluran akustik bawah air jalur lebar terhad. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kekasaran dan kerumitan saluran akustik bawah air, komunikasi koheren akustik bawah air belum bermula Adalah diterima bahawa produk jarak dan kelajuan komunikasi akustik bawah air pada masa itu adalah kira-kira 0.5 km. Pada tahun 1990-an, disebabkan oleh perkembangan teknologi cip DSP dan teori komunikasi digital, banyak teknologi penyamaan saluran yang kompleks dapat direalisasikan, yang memacu pembangunan teknologi komunikasi koheren akustik bawah air, dan beralih kepada kajian komunikasi saluran mendatar, kerana kesan berbilang laluan saluran jauh lebih rumit daripada saluran menegak di laut dalam. Pada pertengahan 1990-an, produk kelajuan dan jarak transduser komunikasi akustik bawah air dalam persekitaran laut cetek mencapai 40 km× kbit, yang menjadikan penubuhan transduser akustik bawah air. Komponen penting utama rangkaian bawah air ialah kemunculan modem akustik bawah air. Konsep terawal aplikasi transduser akustik bawah air ialah Rangkaian Pensampelan Lautan Autonomi (AOSN) pada tahun 1993. Amerika Syarikat telah memulakan eksperimen tahunan pada tahun 1998 mengesahkan konsep transduser akustik bawah air. Sejak pertengahan 1990-an, teknologi komunikasi akustik bawah air dan teknologi rangkaian bawah air telah berkembang dengan mantap pada masa yang sama. Walau bagaimanapun, disebabkan kekhususan dan kerumitan medium air (seperti kelewatan masa yang tinggi, pengecilan besar, anjakan berbilang laluan dan frekuensi), ia digunakan di darat. Teknologi rangkaian wayarles tidak boleh digunakan secara langsung pada rangkaian bawah air, dan penyelidikan mengenai saluran bawah air, komunikasi bawah air dan protokol rangkaian bawah air sedang di peringkat teratas. Pada masa yang sama, dari tahun 1990-an hingga kini, pembangunan rangkaian penderia wayarles darat berasaskan komunikasi tanpa wayar jarak dekat juga sangat pesat. Boleh dikatakan rangkaian sensor akustik bawah air adalah lanjutan daripada konsep rangkaian sensor darat kepada aplikasi bawah air. Rangkaian penderia akustik bawah air terdiri daripada berbilang nod penderia. Nod boleh diperbaiki, seperti pelampung berlabuh atau sasaran tenggelam, atau mudah alih, seperti robot bawah air (UV atau AUV). Pada masa ini, rangkaian penderia akustik dalam air boleh memperoleh maklumat yang berbeza mengikut jenis penderia dalam air yang berbeza: ia boleh digunakan untuk pemerolehan data oseanografi, pemantauan pencemaran marin, pembangunan berhampiran pantai, pencegahan bencana, navigasi bawah air dan bantuan kedudukan, sumber marin Pemerolehan data penyelidikan dan penyelidikan saintifik, pemantauan taktikal teragih, peninjauan dan pengesanan kedudukan bawah air. Ringkasnya, rangkaian penderia akustik bawah air adalah untuk mendapatkan maklumat dalam air melalui pelbagai nod penderia di kawasan bawah air tertentu, dan menjalankan komunikasi akustik dan rangkaian dengan nod bawah air, dan akhirnya melalui nod tertentu dan radio semula Dalam bentuk berwayar dan berwayar, maklumat yang diperoleh di kawasan liputan dimasukkan ke dalam rangkaian konvensional di pantai dan dihantar ke subnet air bawah air. Anda boleh melihat beberapa ciri rangkaian penderia akustik dalam air: Yang pertama ialah mobiliti. Kerana ia boleh alih, ia mestilah rangkaian autonomi yang boleh mengatur sendiri dan mengikuti kaedah penghalaan rangkaian tertentu; yang kedua ialah komunikasi akustik tanpa wayar dan bawah air, kerana penggunaan komunikasi akustik bawah air, mesti menyesuaikan diri dengan ciri-ciri persekitaran marin dan menyelesaikan cabaran teknikal lapisan fizikal; ketiga, ia adalah tenaga terhad, kerana ia adalah tanpa wayar, jadi ia berkuasa bateri; keempat, ia mempunyai data Fungsi geganti boleh menghantar data pemantauan ke pantai. Untuk menghantar data dengan berkesan dan boleh dipercayai, protokol rangkaian tertentu mesti dipatuhi. Topologi rangkaian menentukan kaedah penghalaan, kehilangan tenaga, kapasiti rangkaian dan kebolehpercayaan rangkaian, jadi topologi rangkaian mesti diperkenalkan terlebih dahulu.

2 Struktur topologi rangkaian penderia akustik bawah air

Seperti struktur rangkaian sensor wayarles di darat, struktur topologi rangkaian sensor hidroakustik bawah air boleh dibahagikan kepada dua kategori: rangkaian berpusat (rangkaian terpusat), dan rangkaian peer-to-peer teragih (rangkaian peer-to-peer yang diedarkan). Dalam rangkaian berpusat, komunikasi antara nod direalisasikan melalui nod pusat, dan rangkaian disambungkan ke rangkaian tulang belakang melalui nod pusat ini. Kelemahan utama konfigurasi ini ialah terdapat satu titik kegagalan, iaitu kegagalan nod ini akan membawa kepada kegagalan keseluruhan rangkaian. Dan kerana julat modem tunggal adalah terhad, liputan rangkaian berpusat adalah terhad. Rajah 1 ialah gambarajah skematik topologi rangkaian berpusat. Rangkaian peer-to-peer bermakna tiada nod pusat untuk 'mentadbir' mereka, dan setiap nod mempunyai kuasa yang agak sama. Mengikut kaedah penghalaan yang berbeza, terdapat beberapa perbezaan dalam rangkaian peer-to-peer. Rangkaian peer-to-peer yang disambungkan sepenuhnya menyediakan sambungan 'point-to-point' terus kepada dua nod arbitrari dalam rangkaian. Topologi ini mengurangkan keperluan untuk penghalaan. Walau bagaimanapun, apabila nod bertaburan di kawasan yang luas, terdapat keperluan untuk komunikasi. Kuasa telah meningkat dengan ketara. Dan juga akan terdapat masalah 'dekat dan jauh', iaitu, apabila nod A menghantar paket data ke nod jauh, ia akan menyekat nod jiran nod A daripada menerima isyarat lain.

 

Rangkaian peer-to-peer berbilang hop hanya berkomunikasi antara nod bersebelahan, dan mesej dilengkapkan dengan berbilang lompatan antara nod dari sumber ke destinasi. Sistem multi-hop boleh meliputi kawasan yang lebih besar, kerana julat rangkaian bergantung pada bilangan nod, dan tidak lagi dihadkan oleh julat modem tunggal. Rajah 2 ialah gambarajah skematik topologi rangkaian peer-to-peer multi-hop. Rangkaian ini ialah rangkaian untuk aplikasi mudah alih wayarles, yang tergolong dalam rangkaian peer-to-peer multi-hop. Ia tidak perlu membina infrastruktur terlebih dahulu, juga dikenali sebagai rangkaian tanpa infrastruktur (infrastructural network). Ciri-cirinya ialah: rangkaian autonomi, topologi dinamik, had lebar jalur dan kapasiti pautan berubah-ubah, komunikasi multi-hop, kawalan teragih, nod dengan tenaga terhad dan keselamatan terhad. Kerana ia tidak bergantung pada infrastruktur, ia boleh digunakan dengan cepat dan meliputi kawasan yang lebih besar. Oleh kerana infrastruktur yang boleh diharap di dalam air adalah terhad, dan AUV boleh alih akan menjadi bahagian penting dalam rangkaian penderia akustik bawah air (AUV boleh meningkatkan prestasi rangkaian penderia bawah air), keupayaan penyusunan diri dan topologi dinamiknya, menjadikan rangkaian AdHoc sangat sesuai digunakan dalam rangkaian penderia akustik bawah air. Walaupun rangkaian AdHoc sesuai untuk aplikasi rangkaian hidroakustik, isu keselamatannya sentiasa menjadi topik penyelidikan. Malah, yang rangkaian penderia hidrofon bawah air haruslah gabungan rangkaian berpusat dan rangkaian peer-to-peer. Dalam kesusasteraan [16], rangkaian penderia hidroakustik dua dimensi dan tiga dimensi diperkenalkan. Dua dimensi merujuk kepada dimensi maklumat yang diperolehi. Dalam rangkaian penderia akustik dalam air dua dimensi, nod penderia dan transponder data (Sink) diletakkan di dasar laut, di kawasan kecil dengan Sink sebagai pusat, dan data setiap penderia boleh berada dalam pautan mendatar Untuk mencapai Sinki secara terus atau multi-hop (rangkaian peer-to-peer multi-hop), dan data penderia hanya boleh sampai ke stesen permukaan Sink ke hadapan jika ia hanya boleh sampai ke stesen permukaan Sink. Kerana hanya maklumat kawasan tertentu dasar laut boleh diperolehi, ia dipanggil rangkaian sensor dua dimensi. Dalam rangkaian sensor akustik bawah air tiga dimensi, kedalaman sasaran tenggelam boleh dikawal, supaya nod berbilang sensor di kawasan tertentu terletak pada kedalaman yang berbeza, jadi maklumat lautan kawasan tertentu dan kedalaman yang berbeza boleh diperolehi, jadi ia dipanggil rangkaian sensor akustik bawah air tiga dimensi. Dalam topologi rangkaian, ia juga merupakan rangkaian peer-to-peer multi-hop. AUV boleh mencapai kedalaman yang berbeza di lautan, digabungkan dengan rangkaian penderia bawah tetap, juga boleh membentuk rangkaian penderia akustik bawah air tiga dimensi. Perlu diingatkan bahawa disebabkan rangkaian penderia akustik dalam air, sentiasa ada masalah untuk mengakses rangkaian konvensional lain di atas air. Terdapat nod khas yang dipanggil stesen permukaan, pintu masuk atau nod induk untuk menyelesaikan kerja ini. Ia bukan sahaja mesti mempunyai modem akustik untuk komunikasi dengan rangkaian bawah air, tetapi juga modem radio atau kabel untuk komunikasi dengan satelit atau rangkaian berasaskan pantai. Stesen permukaan boleh menggunakan pelampung sebagai pengangkut, atau kapal permukaan sebagai pengangkut. Topologi rangkaian menentukan kaedah penghalaan, kehilangan tenaga, kapasiti rangkaian dan kebolehpercayaan rangkaian. Kajian telah menunjukkan bahawa rangkaian yang terdiri daripada berbilang nod penderia yang diedarkan pada selang waktu yang sama sepanjang garis lurus menggunakan lebih banyak kuasa daripada rangkaian peer-to-peer berbilang hop mengikut kaedah penghalaan rangkaian peer-to-peer yang disambungkan sepenuhnya; dan kapasiti rangkaian juga dipengaruhi oleh topologi rangkaian.

 

3 Konsep berkaitan lapisan rangkaian penderia akustik dalam air

Rangkaian penderia akustik dalam air sememangnya merupakan medan yang serba baharu, tetapi konsep yang diikutinya adalah sama seperti susunan protokol rangkaian yang biasa digunakan. Jadual 1 ialah konsep lapisan rangkaian yang biasa digunakan. Demi kesederhanaan, artikel ini hanya membincangkan tiga lapisan asas: lapisan fizikal, lapisan pautan data dan lapisan rangkaian. Masalah yang perlu diselesaikan oleh lapisan fizikal ialah cara menggunakan medium penghantaran

 

 

Ciri-ciri (iaitu, ciri saluran) dan kaedah modulasi yang sepadan membolehkan penghantaran data yang berkesan. Komunikasi akustik berdasarkan medium air adalah masalah lapisan fizikal biasa dalam lapisan protokol rangkaian. Pada hujung pemancar, bit maklumat mesti ditukar menjadi isyarat (isyarat akustik) yang boleh dihantar oleh saluran, dan pada hujung penerima, isyarat dalam medium mesti ditukar kembali kepada bit maklumat. Ini adalah tugas modem akustik bawah air, yang terutamanya melibatkan tiga aspek: Penukaran media (seperti: penukaran isyarat elektro-akustik), kecekapan penggunaan jalur frekuensi, kebolehsuaian saluran. Kaedah modulasi yang biasa digunakan dalam komunikasi akustik bawah air terbahagi kepada dua kategori, satu modulasi tidak koheren, seperti penguncian anjakan frekuensi (FSK), dan satu lagi kaedah modulasi koheren, seperti penguncian anjakan fasa (PSK) dan modulasi amplitud kuadratur. (QAM). Modulasi tidak koheren mempunyai keteguhan yang baik kepada persekitaran akustik bawah air yang keras, tetapi kadarnya rendah; kaedah modulasi koheren mempunyai kecekapan pengekodan yang tinggi dan penggunaan jalur frekuensi tinggi, tetapi jarak penghantaran adalah terhad. Sesetengah teknologi adalah kedua-dua lapisan fizikal.

 

Medium penyebaran rangkaian sensor akustik bawah air adalah air, yang sangat berbeza daripada udara sederhana rangkaian sensor darat. Oleh itu, protokol rangkaian yang boleh digunakan secara berkesan di darat tidak boleh digunakan pada rangkaian akustik bawah air. Kami akan bermula dengan ciri perambatan akustik air dan membincangkan kesan bunyi. Mempelajari faktor komunikasi dan menganalisis kesukaran yang ditimbulkannya kepada pelbagai lapisan susunan protokol rangkaian.

 

4.1 'Faktor fizikal yang mempengaruhi komunikasi akustik bawah air

4.1.1 'Lengah perambatan yang lama dan varians kelewatan yang besar Kelajuan perambatan gelombang elektromagnet di udara adalah 200,000 kali ganda kelajuan perambatan gelombang bunyi dalam air. Kelajuan bunyi yang perlahan menjadikan kelewatan perambatan sangat besar, dengan kelewatan kira-kira 0.67 s setiap kilometer, dan pada masa yang sama ciri-ciri saluran perubahan masa yang sangat besar. Yang pertama menjejaskan daya pemprosesan rangkaian, dan yang terakhir membuat beberapa protokol berasaskan masa tidak dapat dikendalikan.

 

4.1.2 'Kehilangan perambatan besar (juga dipanggil kehilangan laluan)

Menurut model perambatan Urick, kehilangan perambatan ialah jumlah kerugian yang disebabkan oleh pengembangan dan pengecilan. Kehilangan pengecilan termasuk kesan penyerapan, serakan dan tenaga bunyi yang bocor keluar dari saluran bunyi. Penyerapan disebabkan oleh penukaran tenaga bunyi kepada tenaga haba, yang meningkat dengan kekerapan dan jarak. Kehilangan pengembangan merujuk kepada pengembangan tenaga akustik yang disebabkan oleh pengembangan hadapan gelombang. Ia terutamanya termasuk pengembangan sfera (pengembangan omnidirectional) sumber titik dalam persekitaran laut dalam. Kehilangan perambatan meningkat dengan kuasa dua jarak; dan pengembangan silinder dalam persekitaran air cetek. Mengembang pada satah mendatar, kehilangan perambatan meningkat dengan jarak. Memandangkan kehilangan perambatan isyarat akustik meningkat dengan peningkatan frekuensi dan jarak, jalur frekuensi yang tersedia bagi saluran akustik bawah air adalah sangat terhad, dan jarak perambatan juga terhad. Oleh itu, dalam rangkaian komunikasi bawah air, jika anda ingin menjalankan komunikasi jarak jauh, anda hanya boleh memilih kadar kod yang rendah; jika anda ingin memilih kadar kod yang tinggi, anda hanya boleh menjalankan komunikasi jarak dekat. Secara umumnya, untuk membuat jarak penyebaran mencapai 10-100km, lebar jalur yang tersedia adalah dalam julat 2-5kHz; penghantaran jarak sederhana ialah 1-10km, dan lebar jalur adalah pada urutan 10kHz; jika jalur frekuensi yang digunakan lebih besar daripada 100kHz, jarak perambatan mestilah kurang daripada 100m.

 

4.1.3 'Berbilang laluan yang teruk

Fenomena berbilang laluan disebabkan oleh kewujudan lebih daripada satu laluan perambatan antara sumber bunyi dan penerima, dan ia sering berlaku di laut cetek dan perambatan jarak jauh. Ringkasnya, isyarat daripada satu sumber bunyi boleh menerima berbilang isyarat yang tiba pada masa yang berbeza di hujung penerima disebabkan kewujudan berbilang laluan. Berbilang laluan akan menyebabkan turun naik dalam amplitud dan fasa isyarat. Disebabkan oleh masa perambatan yang berbeza bagi laluan yang berbeza, ia akan menyebabkan herotan isyarat yang serius, akan membawa kepada penghiasan isyarat yang diterima antara penerima yang berbeza, dan berbilang laluan juga akan menyebabkan lebar jalur lebar. Ini akan merendahkan isyarat komunikasi dengan teruk dan menyebabkan gangguan antara simbol. Multipath juga berkaitan dengan kedudukan dan jarak antara sumber bunyi dan penerima. Mengambil satah dasar laut sebagai rujukan, pengaruh berbilang laluan saluran menegak adalah kecil, dan pengaruh berbilang laluan saluran mendatar adalah besar.

 

Kebisingan alam sekitar ialah himpunan banyak faktor, yang berkaitan dengan pasang surut, gelora, angin laut dan ombak, dan ribut petir. Kebisingan kapal juga merupakan sumber bunyi yang penting. Berbeza dengan keadaan bunyi laut dalam yang agak pasti, bunyi alam sekitar laut cetek, terutamanya perairan pantai, teluk dan pelabuhan, akan berubah dengan ketara mengikut masa dan tempat. Kebisingan terutamanya terdiri daripada bunyi kapal dan industri, bunyi aeolian dan bunyi biologi. Bunyi persekitaran akan mengurangkan nisbah isyarat kepada bunyi isyarat dan menjejaskan prestasi komunikasi akustik bawah air. 4.1.5' Doppler Dispersion Severe Doppler shift disebabkan oleh pergerakan relatif sumber bunyi dan penerima. Memandangkan kelajuan bunyi adalah 200,000 kali lebih perlahan daripada kelajuan gelombang elektromagnet, kelajuan yang sangat kecil boleh menyebabkan peralihan frekuensi doppler, dan disebabkan saluran tersebut, frekuensi pembawa akustik bawah air adalah lebih rendah. Kedua-dua faktor ini adalah lebih rendah daripada pengaruh udara Dopple. lebih besar. Jika Doppler hanya menghasilkan transformasi frekuensi yang mudah, pampasan penerima adalah agak mudah, bagaimanapun, disebabkan kewujudan berbilang laluan, apabila isyarat akustik mengenai permukaan laut satu atau lebih kali, pergeseran Doppler yang berbeza akan berlaku di antara setiap laluan, yang sukar untuk mengimbangi apabila komunikasi data berkelajuan tinggi, ia akan menjana kecekapan jalur frekuensi.