Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Беспроводная связь с подводным аппаратом. Учебное пособие
.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
М. С. Павлова, Е. С. Абрамова, И. И. Павлов, С. С. Абрамов
Беспроводная связь с подводным аппаратом
Учебное пособие
Новосибирск
2023
2
УДК 621.396.944(075.8)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензенты: доктор техн. наук, доц. Разинкин В.П.;
канд. техн. наук, доц. Кокорич М.Г.
Павлова, М. С. Беспроводная связь с подводным аппаратом : учебное
пособие / М. С. Павлова, Е. С. Абрамова, И. И. Павлов, С. С. Абрамов ;
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики,
кафедра радиотехнических устройств и техносферной безопасности. –
Новосибирск, 2023. – 100 c.
Учебное пособие разработано и подготовлено в соответствии со стандартами и требованиями Федерального государственного образовательного стан-
дарта высшего образования. Учебное пособие направлено на разработку беспроводной оптической связи с подводными аппаратами различного назначения,
находящимися как в надводном, так и в подводном положениях. Проведен ана-
лиз помехозащищенности беспроводной подводной передачи данных на базе
оптических лазерных излучателей к различным видам помех в оптических каналах связи.
Учебное пособие относится к области систем, сетей и устройств телеком-
муникаций и радиотехники, радиопередающих устройств, телекоммуникационных систем и устройств и предназначено для студентов, изучающих дисципли-
ны «Радиопередающие устройства систем радиосвязи и радиодоступа», «Радиопередающие устройства для телерадиовещания», «Устройства генерирова-
ния и формирования сигналов».
© Павлова М.С., Абрамова Е.С., Павлов И.И.,
Абрамов С. С., 2023
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2023
3
Оглавление
Введение ....................................................................................................................... 5
1 Обзор и анализ особенностей функционирования беспроводной связи с
подводными аппаратами…………………………………………………………… 6
1.1 Оптический метод передачи информации подводных беспроводных
систем связи ................................................................................................................. 6
1.1.1 Светодиодная связь .................................................................................... 6
1.1.2 Лазерная связь .......................................................................................... 10
1.2 Гидроакустический метод передачи информации подводных
беспроводных систем связи ..................................................................................... 13
1.3 Радиочастотный метод передачи информации подводных беспроводных
систем связи ............................................................................................................... 14
1.3.1 Системы подводной связи IVA S/W....................................................... 14
1.3.2 Системы подводной беспроводной связи СНЧ-НЧ .............................. 15
1.4 Классификация принципов подводной беспроводной связи ...................... 18
1.5 Заключение по первой главе .......................................................................... 19
1.6 Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки ........................... 19
2 Бистатические атмосферные и подводные оптические системы связи ............ 21
2.1 Атмосферная оптическая связь ...................................................................... 22
2.2 Атмосферная бистатическая связь ................................................................ 23
2.3 Подводная оптическая связь .......................................................................... 27
2.4 Анализ распространения полезного сигнала через рассеивающие участки
АОЛС, АБС и ПОС ................................................................................................... 30
2.5 Оценка возможности подводной бистатической связи в природных водах
..................................................................................................................................... 35
2.6 Заключение по второй главе .......................................................................... 41
2.7 Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки ........................... 42
3 Сверхнизкочастотная-низкочастотная радиосвязь с подводными объектами по
лазерному каналу передачи ...................................................................................... 43
3.1 Теоретические оценки по возможности создания протяженного
вертикального лазерного проводящего канала связи ............................................ 43
3.2 Исследование проводимости атмосферного лазерного канала .................. 47
3.3 Экспериментальные исследования электрических и магнитных полей,
возникающих при распространении лазерного излучения ................................... 52
3.4 Экспериментальные исследования электрических и магнитных полей,
возникающих при распространении импульсного лазерного излучения на
атмосферных трассах ................................................................................................ 58
3.5 Лазерный канал передачи для СНЧ-НЧ-передатчика ................................. 61
3.6 Заключение по третьей главе ......................................................................... 69
3.7 Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки ........................... 70
4 Экспериментальное исследование оптической системы связи по
атмосферному каналу ............................................................................................... 71
4.1 Экспериментальные исследования оптических систем связи с
применением метода статистического моделирования ........................................ 71
4
4.1.1 Использование основ имитационного моделирования систем
передачи данных в условиях воздействия различных внешних факторов ......... 71
4.2 Результаты исследования интенсивности дождя, вызывающего срыв
цифровой связи по атмосферному каналу .............................................................. 76
4.3 Заключение по четвертой главе ..................................................................... 84
4.4 Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки ........................... 84
Заключение ................................................................................................................. 85
Список сокращений ................................................................................................... 87
Список литературы ................................................................................................... 88
5
Введение
Характерной особенностью современного этапа развития и совершенствования систем связи специального назначения является широкое внедрение
перспективных телекоммуникационных технологий при комплексном исполь-
зовании средств СЧ/ВЧ, ОВЧ/УВЧ/СВЧ, радиорелейной, тропосферной, оптической и спутниковой связи в рамках создания объединенной цифровой систе-
мы связи специального назначения. Данная связь применяется в таких областях, как оборона, внутренняя и внешняя безопасность государства, ликвидация
последствий чрезвычайных ситуаций; НЧ/КНЧ/СНЧ связь для основных
направлений гидрооптики и научных исследований водных сред морей и океа-
нов занимает особое место. Для освоения ресурсов мирового океана огромное
значение и интерес придается развитию систем связи с подводными объектами,
в числе которых присутствует подводная оптическая связь (ПОС). Исследования в данной области активно ведутся в России и за рубежом. В Российской
Федерации приняты программы исследований в области телекоммуникационных систем для решения задач технологической платформы «Освоение океана». Наиболее известными работами в этой области являются труды зарубеж-
ных авторов, таких, как Zhao X.M., Wang Y.C., Diels J., Elizondo J., Miki M.,
Wada A., Rambo P., Schwarz J., Diels J, а также российских ученых: Донченко В.А., Монина А.С., Белова В.В., Поллера Б.В., Кузнецова С.Н., Мышкина В.Ф., Федорова И.Б., Зуева В.Е., Пожидаева В.Н., Зворыкина В.Д., Левина И.М., Левченко О.А., Кубрякова А.И., Гончарова Э.Г.
Использование систем беспроводной подводной оптической связи является очень перспективным, так как это практически единственная технология,
которая может использоваться для создания высокоскоростного канала связи в
подводной среде. К основным достоинствам такого способа связи можно отне-
сти высокую скорость передачи информации, а также скрытность и мобильность. К таким системам подводной оптической связи (ПОС) предъявляются
повышенные требования, такие, как надежность, герметичность, безопасность,
а также особые технические требования:
- скорость передачи информации не менее 100 Мбит/с;
- высокая четкость передачи видеоизображений в режиме реального
времени;
- бесконтактная передача информации;
- большие углы обзора.
Современные системы подводной оптической связи (ПОС) применяются
также как для сбора данных со стационарных датчиков сенсорных сетей, так и
для управления беспилотными подводными аппаратами.
Наряду с этим, основная сложность заключается в том, что для передачи
на глубоководные объекты сигналов управления современные СНЧ-НЧ-радиопередатчики являются стационарными, что снижает их оперативно-мобиль-
ное перемещение, что крайне важно для ряда задач, например, при ликвидации
чрезвычайных ситуаций (ЧС), возникающих с глубоководными объектами.
6
1 Обзор и анализ особенностей функционирования беспроводной
связи с подводными аппаратами
Технологии связи с подводным объектом могут включать в себя такие
виды связи, как подводная оптическая связь (ПОС) и атмосферные оптические
линии связи (АОЛС) [1]. В эту концепцию вписывается АОЛС, например, связь
борт корабля – буй, прямая либо беспроводная бистатическая оптическая связь
на подводный объект.
Несмотря на огромный прогресс акустической связи в водной среде, она
ограничена пропускной способностью передачи информации. Это привело к
распространению подводной оптической беспроводной связи, поскольку ПОС
обеспечивает более высокие скорости передачи данных, чем системы акустической связи, со значительно меньшим энергопотреблением и более простыми
вычислительными сложностями для беспроводных линий связи малого радиуса
действия.
Системы беспроводной подводной оптической связи очень перспективны,
поскольку это практически единственная технология, которая может использоваться для создания высокоскоростного канала связи в водной среде. К ключевым преимуществам такого способа связи можно отнести высокую скорость
передачи информации, скрытность и мобильность [2].
История развития систем подводной оптической связи. Был проведен ряд
исследований по применению электромагнитных волн видимого диапазона для
организации подводных линий связи [3-7]. Так, в 1995 году были исследованы
светодиодные системы, которые теоретически обеспечивали скорость передачи
данных до 10 Мбит/с на расстояние до 20 м или 1 Мбит/с на расстояние 30 м
[8]. В 2005 году теоретически были рассчитаны дальности передачи данных со
скоростями 220 Кбит/с и 4,4 Мбит/с в различных типах водных сред [8]. В
2006 году были осуществлены предварительные экспериментальные исследо-
вания подводной системы передачи информации с использованием всенаправ-
ленных светодиодных излучателей [9]. Полученные данные позволили сделать
прогноз относительно возможности организации связи с символьной скоростью
до 10 МГц на расстояние более 100 м [9]. В 2007 году в лабораторных условиях
была продемонстрирована возможность достижения скорости передачи данных
до 1 Гбит/с на расстояние более 2 м [10]. Коммерческая компания Ambalux
Corporation предлагает лазерные системы связи с заявленной скоростью
10 Мбит/с на дальности более 40 м [2, 11].
1.1 Оптический метод передачи информации подводных
беспроводных систем связи
1.1.1 Светодиодная связь
В последние десятилетия на подъеме Третьей цивилизационной волны
[12] отслеживается достаточно отчетливая тенденция смещения ведущих
7
направлений технического прогресса из военных областей в гражданские, которая наблюдается не только в телекоммуникациях, но и во многих других от-
раслях [13].
Благодаря вкладу большого количества инженеров и ученых стало воз-
можным появление беспроводных оптических каналов связи на базе светодиодов видимого излучения. Развитие передачи данных при помощи видимого све-
та, как принято считать, началось с фотофона, изобретенного Александром
Беллом и его помощницей Сарой Орр 19 февраля 1880 г. 3 июня 1880 г. при
помощи фотофона им было передано первое беспроводное телефонное сообще-
ние [14, 15]. Первое известное сообщение об излучении света твердотельным
диодом было сделано британским экспериментатором Генри Раундом в 1907 г.
Затем, в феврале 1927 г. русский ученый Олег Владимирович Лосев получил
первое авторское свидетельство на «Световое реле», которое позволило создавать малогабаритные безвакуумные источники света с высоким быстродействи-
ем и напряжением питания менее 10 В. Позже, в 1961 г., Роберт Байард и Гари
Питтман открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода [13,
16, 17].
Первый в мире светодиод, который работал в красном световом диапазоне и который можно было использовать на практике, был создан Ником Хо-
лоньяком в 1962 г. В 1972 г. его бывший студент Джордж Крафорд изобрел
первый в мире желтый светодиод и улучшил яркость красных и краснооранжевых светодиодов в 10 раз. В 1976 г. благодаря изобретению полупровод-
никовых материалов, которые были специально адаптированы к передачам через оптические волокна, Томас Пирсол создал первый в мире высокоэффектив-
ный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений [18,
19]. Из-за высокой стоимости светодиодов вплоть до 1968 г. их эксплуатация
была сильно ограничена. Производство светодиодов видимого излучения в
промышленных масштабах впервые было осуществлено компанией Monsanto
Company. После чего компания Hewlett-Packard стала использовать светодиоды
в ранних моделях своих карманных калькуляторов [13, 18, 19].
Сам термин «светодиоды» до начала 1970-х годов американскими учеными не использовался, вместо него существовал термин «Свет Лосева» (Losev
Light). Постепенно название Losev Light упоминалось все реже и позже было
забыто [18, 19].
Светодиоды желтого и зеленого цвета излучения появились в начале 70х годов К 1990 г. уровень светового потока производимых светодиодов достиг
значения в 1 лм. Первый синий светодиод высокой яркости был создан японским инженером Суджи Накамурой в 1993 г. После чего появились RGB светодиоды (аббревиатура от Red Blue Green, что в переводе с английского означает
«красный синий зеленый»), поскольку смешивание красного, синего и зеленого
цвета позволяло получить любой цвет, в том числе и белый. В 1996 г. появились первые белые люминофорные светодиоды. К 2005 г. удалось повысить
световую отдачу светодиодов до 100 лм/Вт [2, 13, 19].
8
Далее последовало появление светодиодов с различными цветовыми оттенками видимого излучения, а качество излучаемого ими света стало сопоставимым со светом, который повсеместно производился люминесцентными лампами и лампами накаливания, что позволило применять светодиоды видимого
излучения в бытовых устройствах и элементах освещения [20-25].
В 2003 году начал свое существование консорциум по системам связи через световые волны видимого спектра (Visible Light Communications Consortium
(VLCC), что в переводе с английского означает «консорциум коммуникацион-
ных линий в видимом свете»), который был образован крупными японскими
фирмами по производству бытовой электроники, а также операторами теле-
коммуникационных систем.
Целью этого консорциума стали исследование, разработка, планирование
и стандартизация беспроводных систем связи на базе электромагнитных волн
видимого спектра [26].
Известно, что исследованиями, разработками и усовершенствованиями
технологий VLC (Visible Light Communication – «коммуникационная линия в
видимом свете») занимаются в лаборатории Накагава университета Кэйо
(Nakagawa Laboratory, Keio University, Япония), в институте телекоммуникаций
Фраунгофера, института Генриха Герца (Fraunhofer Institute for
Telecommunications, Heinrich Hertz Institute, Германия), в Центре по оптическим
беспроводным приложениям под эгидой Национального научного фонда
(National Science Foundation (NSF) Center on Optical Wireless Applications
(COWA), США), в Институте цифровых телекоммуникаций Эдинбургского
университета в рамках проекта D-Light (University of Edinburgh’s Institute for
Digital Communications (IDCoM), Великобритания), в Исследовательской группе по связи Оксфордского университета (Communications Research Group
University of Oxford, Великобритания), в Центре разработки умного освещения
при департаменте Инженерного колледжа в Бостонском университете (Smart
Lighting Engineering Centre, Boston University College of Engineering, США), в
Центре повсеместной связи при помощи света Калифорнийского университета
(Center for Ubiquitous Communication by Light University of California, США) [13,
27-35].
Системы на базе светодиодов видимого излучения на сегодня являются
одной из наиболее перспективных областей развития беспроводной связи, так
как имеют потенциал достижения значительной скорости передачи данных и
использования широкой полосы пропускания, превосходящий современные ра-
диочастотные технологии передачи данных [36, 37]. Поэтому все эти группы
занимаются развитием технологии VLC на базе светодиодов видимого излучения, к тому же, одна из идей состоит в том, чтобы светодиодные лампы, которые освещают помещение, могли одновременно использоваться в качестве передатчика данных и имели возможность предоставлять данные на любое коли-
чество приемников в пределах освещения [38, 39].
Как показали экспериментальные исследования, такие источники види-
мого света, как, например, лампы накаливания и люминесцентные лампы, не
9
способны обеспечить необходимую скорость переключения из-за высокого
времени затухания [40-43]. Потому именно на базе светодиодов разрабатываются современные коммуникационные линии в видимом свете [44-46].
Скорости передачи данных в 1 Гбит/с с помощью светодиодов удалось
достичь в лабораторных условиях в 2011 г. учеными из института телекоммуникаций Фраунгофера, института Генриха Герца (Берлин, Германия) [47]. Их
работы проводятся в рамках проекта OMEGA, который представляет собой исследование и разработку способов по предоставлению широкополосного до-
ступа к сети интернет с пропускной способностью от 1 Гбит/с. В проекте участ-
вуют 20 европейских партнеров из промышленных и научных областей, а финансируется он Европейской Комиссией в рамках программы EU Framework
Programme 7 (FP7) с января 2008 г. [32].
Также китайские исследователи в октябре 2011 г. смогли создать светодиод на микрочипе, при помощи которого они были способны организовать локальную сеть с пропускной способностью до 150 Мбит/с и одновременно обеспечивать соединение с интернетом четырех компьютеров [13, 48].
Наибольших успехов достигла группа ученых под руководством доктора
технических наук Харальда Хааса (Harald Haas), который занимается разработ-
кой новой технологии уже более четырнадцати лет и является профессором
Эдинбургского университета (University of Edinburgh, Великобритания), почетным профессором университета Якоба (Jacob’s University, Германия), одним из
зачинателей проекта D-Light и сооснователем бизнес-проекта PureVLC [34, 49].
Исследовательская комиссия МСЭ-T (сектор стандартизации электросвязи
Международного союза электросвязи) в декабре 2012 г. опубликовала разработанный по инициативе VLCC стандарт IEEE 802.15.7 для VLC-технологий, со-
гласно которому пропускная способность коммуникационных линий в видимом
свете была впервые регламентирована в пределах 96 Мбит/с [50].
Израильская компания RiT Technologies, контрольный пакет акций кото-
рых с 2008 г. принадлежит российскому холдингу Stins Coman, в апреле 2014 г.
представила систему беспроводной оптической передачи данных на базе лазер-
ной технологии очень низкой мощности (Very Low Power – VLP, международ-
ный класс безопасности лазеров 1), обеспечивающую передачу данных до
10 Гбит/с. [13, 51].
Мексиканские разработчики из Sisoft также летом 2014 г. добились пропускной способности в 10 Гбит/с в лабораторных условиях при использовании
светодиодов видимого излучения [52]. Проект PureVLC сменил название на
pureLiFi в декабре 2013 г., и за три следующих года разработал оборудование
для организации Li-Fi сети под названиями Li-1st, затем Li-Flame и наконец LiFi X, которая способна обеспечить дуплексную передачу данных с пропускной
способностью 40 Мбит/с [53, 54].
Таким образом, светодиодная связь может рассматриваться как альтернативное решение проводной внутриобъектовой связи, так как вследствие боль-
шого угла распространения излучения (1000-1400) для их широкого использова-
ния на современном этапе в оптической связи между подводными объектами в
10
любых реализациях (АОЛС, АБС, ПОС, ПБС) не представляется возможным
из-за небольших дальностей связи [13].
1.1.2 Лазерная связь
Подводная оптическая беспроводная связь с применением лазерного излучателя используется во многих гражданских и военных сферах деятельности,
таких, как сбор океанографических данных, проб океанской воды, для монито-
ринга загрязнений окружающей среды, для регистрации климатических данных, для разведки на шельфе, для предотвращения стихийных бедствий, помощи в навигации, для распределения тактической системы наблюдения за счет
высокой скорости передачи данных, скрытности и мобильности.
Для подводной оптической связи в прямой видимости в работе [55] про-
водились экспериментальные исследования с использованием технической
схемы устройства, представленной на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Техническая схема оборудования подводной оптической
связи [55]
Рассматриваемый макет состоит из лазерного источника излучения на
длине волны 455 нм, IP-камеры для визуального контроля наведения, а также
выдачи целеуказаний и кремниевого фотодиода. Спроектированная линия подводной оптической связи состоит из двух идентичных приемопередающих модулей. Представленный приемопередающий модуль конструктивно выполнен в
виде металлических блоков цилиндрической формы.
В результате проведенных экспериментальных исследований макета под-
водной оптической связи в работе [55] были сделаны следующие выводы: дальность связи для чистой воды при использовании в качестве приемника p-i-nдиода (с энергетическим бюджетом 47 дБ) составляет 100 м; для передачи данных со скоростью не менее 100 Мбит/с целесообразно применять в системах
подводной оптической связи приемники и передатчики с малыми углами поля
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]