Dezvoltarea și aplicarea senzorului cu traductor acustic subacvatic

1 Conceptul de bază și istoria rețelei de traductoare acustice subacvatice

 

The Rețeaua de traductoare acustice subacvatice  este produsul popularizării tehnologiei rețelei globale. Acum că terenul este conectat prin mijloace optice sau electrice cu fir, iar rețeaua este conectată prin rețele wireless sau chiar prin sateliți de comunicație în aer, rețeaua subacvatică poate fi singurul pământ virgin rămas care nu a fost pe deplin cultivat. Este de imaginat ca într-o zi, când porniți computerul și vă conectați la internet, să puteți obține imediat date în timp real ale curenților oceanici din adâncul oceanului atlantic. Dacă este instalată o cameră subacvatică, puteți vedea chiar și peștii colorați ai marelui din amonte pe ecran. . Aceasta este sarcina cu care se confruntă rețeaua de traductoare acustice subacvatice: rețeaua acustică subacvatică este folosită ca mijloc de transmitere a informațiilor, senzorul subacvatic este folosit ca fereastră pentru achiziția de informații, iar rețeaua acustică subacvatică este în cele din urmă încorporată în rețeaua convențională într-un fel pentru a integra datele subacvatice trimise observatorului. Deoarece undele sonore sunt singura formă de energie care poate fi transmisă pe distanțe lungi în apă, undele radio au o distanță foarte scurtă de propagare în apă, iar lumina nu este, de asemenea, potrivită pentru mediile subacvatice din cauza atenuării mari și a împrăștierii sub apă. . Traductorul acustic subacvatic este o rețea fără fir compusă din unde acustice subacvatice ca purtător de informații. Este analog cu o rețea fără fir în aer, cu excepția faptului că purtătorul de informații din aer sunt undele radio, iar purtătorul de informații din apă sunt undele sonore. Rețeaua acustică subacvatică trebuie să rezolve două probleme tehnice, una este traductorul de comunicare acustică subacvatică, iar cealaltă este conectarea în rețea bazată pe comunicarea acustică. Comunicarea acustică subacvatică rezolvă comunicarea punct-la-punct între doi utilizatori (sau surse de informații), iar rețeaua rezolvă problema interacțiunii informaționale atunci când mai mulți utilizatori (sau surse de informații) împart canalul mediu de apă. Fiind o tehnologie emergentă în curs de dezvoltare, motivul pentru care dezvoltarea rețelei acustice subacvatice rămâne cu mult în urma rețelei wireless din aer este în mare măsură limitat de dezvoltarea tehnologiei de comunicații acustice subacvatice. Cea mai timpurie comunicație acustică subacvatică poate fi urmărită până la modulația de amplitudine (AM) și telefoanele subacvatice cu bandă laterală unică (SSB) pentru date analogice în anii 1950; au existat câteva sisteme analogice înainte de anii 1970, datorită modulației de amplitudine în mediul de reverberație acustică subacvatică. Odată cu dezvoltarea tehnologiei VLSI, tehnologia digitală subacvatică de schimbare a frecvenței (FSK) a fost aplicată la începutul anilor 1980. Este robust la răspândirea în timp și frecvență a canalului. Comunicarea acustică coerentă subacvatică a apărut la sfârșitul anilor 1980. În comparație cu comunicarea necoerentă, tehnologia de comunicare acustică subacvatică coerentă poate îmbunătăți eficiența lățimii de bandă a canalului acustic subacvatic cu lățime de bandă limitată. Cu toate acestea, din cauza durității și complexității canalului acustic subacvatic, comunicarea acustică subacvatică coerentă nu a început. S-a acceptat că produsul distanței și vitezei comunicației acustice subacvatice la acel moment era de aproximativ 0,5 km. În anii 1990, datorită dezvoltării tehnologiei cipului DSP și a teoriei comunicării digitale, pot fi realizate multe tehnologii complexe de egalizare a canalelor, care au condus la dezvoltarea tehnologiei de comunicare acustică subacvatică coerentă și s-au îndreptat către studiul comunicării pe canal orizontal, deoarece efectul multipath al canalului este mult mai complicat decât cel al canalului vertical în marea adâncă. La mijlocul anilor 1990, produsul de viteză și distanță al traductorului de comunicare acustică subacvatică în mediul mării de mică adâncime a atins 40 km× kbit, ceea ce a făcut ca traductorul acustic subacvatic să fie înființat. O componentă cheie a rețelelor subacvatice este apariția modemurilor acustice subacvatice. Cel mai vechi concept de aplicare a traductorului acustic subacvatic a fost Rețeaua Autonomă de Eșantionare a Oceanului (AOSN) în 1993. Statele Unite ale Americii au început un experiment anual în 1998 pentru a verifica conceptul de traductor acustic subacvatic. De la mijlocul anilor 1990, tehnologia comunicațiilor acustice subacvatice și tehnologia rețelelor subacvatice s-au dezvoltat constant în același timp. Cu toate acestea, datorită particularității și complexității mediului de apă (cum ar fi întârzierea mare, atenuarea mare, calea multiplă și schimbarea frecvenței), acesta este utilizat pe uscat. Tehnologia rețelelor fără fir nu poate fi aplicată direct rețelelor subacvatice, iar cercetările privind canalele subacvatice, comunicațiile subacvatice și protocoalele de rețele subacvatice sunt în ascensiune. În același timp, din anii 1990 până în prezent, dezvoltarea rețelelor terestre de senzori fără fir bazate pe comunicații fără fir pe rază scurtă a fost, de asemenea, foarte rapidă. Se poate spune că rețeaua de senzori acustici subacvatici este o extensie a conceptului de rețea de senzori terestre la aplicațiile subacvatice. Rețeaua de senzori acustici subacvatici este compusă din mai multe noduri de senzori. Nodurile pot fi fixe, precum geamanduri ancorate sau ținte submersibile, sau mobile, precum roboții subacvatici (UV sau AUV). În prezent, rețeaua de senzori acustici subacvatici poate obține informații diferite în funcție de diferitele tipuri de senzori subacvatici: poate fi utilizată pentru achiziția de date oceanografice, monitorizarea poluării marine, dezvoltarea nearshore, prevenirea dezastrelor, navigație subacvatică și asistență pentru poziționare, cercetarea resurselor marine și achiziția de date de cercetare științifică, monitorizare tactică distribuită, recunoaștere mină și urmărire și localizare ținte subacvatice. Pe scurt, rețeaua de senzori acustici subacvatici este de a obține informații subacvatice prin diferite noduri de senzori dintr-o anumită zonă subacvatică și de a efectua comunicații acustice și rețele cu noduri subacvatice și, în cele din urmă, trece prin noduri specifice și re-radio Într-o formă cu fir și cu fir, informațiile obținute în zona de acoperire sunt încorporate în rețeaua convențională de pe mal și trimise subrețelei subacvatice. Puteți vedea câteva caracteristici ale rețelei de senzori acustici subacvatici: Prima este mobilitatea. Deoarece este mobilă, trebuie să fie o rețea autonomă care să se poată autoorganiza și să urmeze o anumită metodă de rutare a rețelei; a doua este comunicarea subacvatică fără fir și acustică subacvatică, datorită utilizării comunicării acustice subacvatice, trebuie să fie adaptabilă la caracteristicile mediului marin și să rezolve provocările tehnice ale stratului fizic; în al treilea rând, are energie limitată, deoarece este wireless, deci este alimentat de la baterie; în al patrulea rând, are date. Funcția de releu poate transmite datele de monitorizare către țărm. Pentru a transmite datele în mod eficient și fiabil, trebuie urmat un anumit protocol de rețea. Topologia rețelei determină metoda de rutare, pierderea de energie, capacitatea rețelei și fiabilitatea rețelei, astfel încât topologia rețelei trebuie introdusă mai întâi.

2 Structura topologică a rețelei de senzori acustici subacvatici

La fel ca structura rețelei de senzori fără fir de pe uscat, structura topologică a rețelei de senzori hidroacustici subacvatici poate fi împărțită în două categorii: rețea centralizată (rețea centralizată) și rețea distribuită peer-to-peer (rețea distribuită peer-to-peer). Într-o rețea centralizată, comunicarea între noduri se realizează printr-un nod central, iar rețeaua este conectată la rețeaua principală prin acest nod central. Principalul dezavantaj al acestei configurații este că există un singur punct de eșec, adică defecțiunea acestui nod va duce la eșecul întregii rețele. Și pentru că raza de acțiune a unui singur modem este limitată, acoperirea rețelei centralizate este limitată. Figura 1 este o diagramă schematică a topologiei unei rețele centralizate. Rețeaua peer-to-peer înseamnă că nu există un nod central care să le „administreze” și fiecare nod are o autoritate relativ egală. În funcție de diferitele metode de rutare, există unele diferențe în rețeaua peer-to-peer. O rețea peer-to-peer complet conectată oferă conexiuni directe „punct-la-punct” la două noduri arbitrare din rețea. Această topologie reduce nevoia de rutare. Cu toate acestea, atunci când nodurile sunt împrăștiate într-o zonă mare, este nevoie de comunicare. Puterea a crescut foarte mult. Și va exista, de asemenea, o problemă „aproape și departe”, adică atunci când un nod A trimite un pachet de date către un nod la distanță, va bloca nodurile vecine ale nodului A să nu primească alte semnale.

 

Rețeaua multi-hop peer-to-peer comunică numai între nodurile adiacente, iar un mesaj este completat de mai multe hopuri între noduri de la sursă la destinație. Sistemul multi-hop poate acoperi o suprafață mai mare, deoarece raza de acțiune a rețelei depinde de numărul de noduri și nu mai este limitată de raza de acțiune a unui singur modem. Figura 2 este o diagramă schematică a topologiei rețelei peer-to-peer multi-hop. Rețeaua este o rețea pentru aplicații mobile fără fir, care aparține unei rețele peer-to-peer multi-hop. Nu are nevoie să construiască în avans o infrastructură, cunoscută și sub numele de rețea fără infrastructură (rețea infrastructurală). Caracteristicile sale sunt: ​​rețea autonomă, topologie dinamică, limitare a lățimii de bandă și capacitate variabilă a legăturii, comunicare multi-hop, control distribuit, noduri cu energie limitată și securitate limitată. Deoarece nu se bazează pe infrastructură, poate fi implementat rapid și poate acoperi o zonă mai mare. Deoarece infrastructura pe care se poate baza în apă este limitată, iar AUV-ul mobil va fi o parte importantă a rețelei de senzori acustici subacvatici (AUV poate îmbunătăți performanța rețelei de senzori subacvatici), capacitatea sa de auto-organizare și topologia dinamică fac ca rețeaua AdHoc să fie foarte potrivită pentru a fi utilizată în rețelele de senzori acustici subacvatici. Deși rețeaua AdHoc este potrivită pentru aplicarea rețelei hidroacustice, problema sa de siguranță a fost întotdeauna un subiect de cercetare. De fapt, cel Rețeaua de senzori subacvatici de hidrofon ar trebui să fie un hibrid între o rețea centralizată și o rețea peer-to-peer. În literatura de specialitate [16], este introdusă o rețea de senzori hidroacustici bidimensionali și tridimensionali. Bidimensional se referă la dimensiunea informațiilor obținute. În rețeaua bidimensională de senzori acustici subacvatici, nodurile de senzori și transponderele de date (Sink) sunt plasate pe fundul mării, într-o zonă mică cu Sink ca centru, iar datele fiecărui senzor pot fi în legătura orizontală Pentru a ajunge la Sink într-un mod direct sau multi-hop (Multi-hop peer-to-peer network), iar datele senzorului pot ajunge numai prin transmisie la stația de suprafață pe verticală. Deoarece doar informațiile unei anumite zone a fundului mării pot fi obținute, aceasta se numește o rețea de senzori bidimensionali. În rețeaua tridimensională de senzori acustici subacvatici, adâncimea țintei submersibile poate fi controlată, astfel încât nodurile multi-senzore dintr-o anumită zonă să fie situate la adâncimi diferite, astfel încât informațiile oceanului dintr-o anumită zonă și adâncimi diferite pot fi obținute, așa că se numește o rețea de senzori acustici subacvatici tridimensional. În topologia rețelei, este, de asemenea, o rețea peer-to-peer multi-hop. AUV poate atinge adâncimi diferite în ocean, combinat cu o rețea de senzori de fund fix, poate forma, de asemenea, o rețea tridimensională de senzori acustici subacvatici. Merită subliniat că, din cauza rețelelor de senzori acustici subacvatici, există întotdeauna o problemă de acces la alte rețele convenționale pe apă. Există un nod special numit stație de suprafață, gateway sau nod principal pentru a finaliza această lucrare. Acesta trebuie să aibă nu doar un modem acustic pentru comunicarea cu rețelele subacvatice, ci și un modem radio sau cablu pentru comunicarea cu rețelele de satelit sau de la mal. Stația de suprafață poate folosi geamandura ca purtător sau nava de suprafață ca purtător. Topologia rețelei determină metoda de rutare, pierderea de energie, capacitatea rețelei și fiabilitatea rețelei. Studiile au arătat că o rețea compusă din mai multe noduri de senzori distribuite la intervale egale de-a lungul unei linii drepte consumă mai multă energie decât o rețea peer-to-peer multi-hop conform metodei de rutare a unei rețele peer-to-peer complet conectate; iar capacitatea rețelei este, de asemenea, afectată de topologia rețelei.

 

3 Concepte înrudite ale stratului de rețea de senzori acustici subacvatici

Rețeaua de senzori acustici subacvatici este într-adevăr un domeniu nou-nouț, dar conceptul pe care îl urmează este același cu cel al stivei de protocoale de rețea utilizate în mod obișnuit. Tabelul 1 este conceptele de nivel de rețea utilizate în mod obișnuit. Din motive de simplitate, acest articol discută doar cele trei straturi de bază: stratul fizic, stratul de legătură de date și stratul de rețea. Problema care trebuie rezolvată de stratul fizic este modul de utilizare a mediului de transmisie

 

 

Caracteristicile (de exemplu, caracteristicile canalului) și metodele de modulare corespunzătoare permit transmisia eficientă a datelor. Comunicarea acustică bazată pe mediul de apă este o problemă tipică de nivel fizic în stratul de protocol de rețea. La capătul de transmisie, biții de informație trebuie transformați în semnale (semnale acustice) care pot fi transmise de canal, iar la capătul de recepție, semnalele din mediu trebuie schimbate înapoi în biți de informație. Aceasta este sarcina modemului acustic subacvatic, care implică în principal trei aspecte: conversia media (cum ar fi: conversia semnalului electro-acustic), eficiența utilizării benzii de frecvență, adaptabilitatea canalului. Metodele de modulație utilizate în mod obișnuit în comunicarea acustică subacvatică sunt împărțite în două categorii, una este modulația necoerentă, cum ar fi frecvența de schimbare a frecvenței (FSK), iar cealaltă este metoda de modulare coerentă, cum ar fi deplasarea de fază (PSK) și modularea în amplitudine în cuadratura. (QAM). Modulația necoerentă are o rezistență bună la mediul acustic subacvatic dur, dar rata este scăzută; metoda de modulare coerentă are o eficiență ridicată de codare și o utilizare a benzii de înaltă frecvență, dar distanța de transmisie este limitată. Unele tehnologii sunt atât stratul fizic.

 

Mediul de propagare al rețelei de senzori acustici subacvatici este apa, care este foarte diferită de aerul mediu al rețelei de senzori terestre. Prin urmare, protocolul de rețea care poate fi utilizat eficient pe uscat nu poate fi aplicat rețelei acustice subacvatice. Vom începe cu caracteristicile de propagare acustică a apei și vom discuta efectele sunetului. Învățarea factorilor de comunicare și analiza dificultăților pe care le provoacă diferitelor straturi ale stivei de protocoale de rețea.

 

4.1 'Factorii fizici care afectează comunicare acustică subacvatică

4.1.1 „Întârziere lungă de propagare și variație mare de întârziere Viteza de propagare a undelor electromagnetice în aer este de 200.000 de ori viteza de propagare a undelor sonore în apă. Viteza lentă a sunetului face ca întârzierea de propagare să fie foarte mare, cu o întârziere de aproximativ 0,67 s pe kilometru și, în același timp, întârzierea în timp a canalului sub formă de variație foarte mare face ca întârzierea canalului să fie foarte mare. afectează debitul rețelei, iar aceasta din urmă face inoperabile unele protocoale bazate pe timp.

 

4.1.2 „Pierdere de propagare mare (numită și pierdere de cale)

Conform modelului de propagare al lui Urick, pierderile de propagare sunt suma pierderilor cauzate de expansiune și atenuare. Pierderea de atenuare include efectele absorbției, împrăștierii și scurgerii de energie sonoră din canalul de sunet. Absorbția este cauzată de conversia energiei sonore în energie termică, care crește cu frecvența și distanța. Pierderea de expansiune se referă la extinderea energiei acustice cauzată de extinderea frontului de undă. Include în principal expansiunea sferică (expansiunea omnidirecțională) a surselor punctiforme în mediile de adâncime. Pierderea de propagare crește cu pătratul distanței; și expansiune cilindrică în medii de apă puțin adâncă. Expandand pe plan orizontal, pierderea de propagare creste cu distanta. Deoarece pierderea de propagare a semnalelor acustice crește odată cu creșterea frecvenței și a distanței, banda de frecvență disponibilă a canalului acustic subacvatic este foarte limitată, iar distanța de propagare este, de asemenea, limitată. Prin urmare, în rețeaua de comunicații subacvatică, dacă doriți să efectuați o comunicare la distanță lungă, puteți alege doar o rată de cod redusă; dacă doriți să alegeți o rată de cod ridicată, puteți efectua doar comunicații pe distanțe scurte. În general, pentru ca distanța de propagare să ajungă la 10-100km, lățimea de bandă disponibilă este în intervalul 2-5kHz; transmisia la distanță medie este de 1-10km, iar lățimea de bandă este de ordinul a 10kHz; dacă banda de frecvență utilizată este mai mare de 100 kHz, distanța de propagare trebuie să fie mai mică de 100 m.

 

4.1.3 „Rute multiple severe

Fenomenul multipath este cauzat de existența a mai mult de o cale de propagare între sursa de sunet și receptor și apare adesea în mările puțin adânci și în propagarea pe distanțe lungi. Mai simplu spus, un semnal de la o singură sursă de sunet poate primi mai multe semnale care sosesc la momente diferite la capătul de recepție datorită existenței mai multor căi. Căile multiple va provoca fluctuații în amplitudinea și faza semnalului. Datorită timpului diferit de propagare a diferitelor căi, va provoca o distorsiune gravă a semnalului, va duce la decorelarea semnalelor primite între diferite receptoare, iar calea multiplă va provoca, de asemenea, lărgirea lățimii de bandă. Acestea vor degrada grav semnalul de comunicare și vor cauza interferențe între simboluri. Multipath este, de asemenea, legat de poziția și distanța dintre sursa de sunet și receptor. Luând ca referință planul fundului mării, influența pe mai multe căi a canalului vertical este mică, iar influența pe mai multe căi a canalului orizontal este mare.

 

Zgomotul de mediu este o colecție de mulți factori, care sunt legați de maree, turbulențe, vânturi și valuri de mare și furtuni. Zgomotul navei este, de asemenea, o sursă importantă de zgomot. Spre deosebire de situația în care zgomotul de adâncime este relativ cert, zgomotul de mediu al mării de mică adâncime, în special apele de coastă, golfuri și porturi, se va modifica semnificativ cu timpul și locul. Zgomotul este compus în principal din zgomot de nave și industrial, zgomot eolian și zgomot biologic. Zgomotul de mediu va reduce raportul semnal-zgomot al semnalului și va afecta performanța comunicării acustice subacvatice. 4.1.5' Dispersie Doppler Schimbarea Doppler severă este cauzată de mișcarea relativă a sursei de sunet și a receptorului. Deoarece viteza sunetului este de 200.000 de ori mai mică decât viteza undelor electromagnetice, o viteză foarte mică poate cauza schimbarea frecvenței Doppler și, din cauza canalului, acusticul subacvatic este mai mic pentru a face ca frecvența purtătorului de apă să fie mai mică. aerul este mult mai mare. Dacă Doppler produce doar o simplă transformare a frecvenței, compensarea receptorului este relativ ușoară. Cu toate acestea, datorită existenței mai multor căi, atunci când semnalul acustic lovește suprafața mării o dată sau de mai multe ori, se vor produce deplasări Doppler diferite, ceea ce este dificil de compensat atunci când comunicarea de date de mare viteză va genera interferențe.