ПРОБЛЕМАТИКА ЕФЕКТИВНОГО АКУСТИЧНОГО ЗВ’ЯЗКУ У ПІДВОДНОМУ СЕРЕДОВИЩІ (ОГЛЯД)
DOI:
https://doi.org/10.18372/2310-5461.67.20239Ключові слова:
підводний, акустичний, багатошляхове, зв’язок, ефективність, обмеження, мілке, море, допплерівські, спектрАнотація
У статті досліджено сучасний стан, технологічні рішення та актуальні проблеми цифрового підводного акустичного зв’язку (ПАЗ), який набуває зростаючого значення у зв’язку з розвитком видобування морських ресурсів, використанням автономних і дистанційно керованих підводних апаратів, підводних дронів, систем моніторингу та побудови «підводного інтернету речей». Вступна частина статті аналізує сучасні методи підводного зв’язку — електромагнітний, оптичний та акустичний — і вказує на їхні обмеження: електромагнітний зв’язок у воді обмежений дистанцією близько 10 метрів через сильне затухання, оптичний зв’язок має вузьку спрямованість і обмежений прозорістю води з типовим радіусом дії до 100 метрів, тоді як акустичний зв’язок залишається єдиним придатним та універсальним засобом зв’язку на відстанях від сотень метрів до десятків кілометрів. Основна частина статті фокусується на особливостях акустичного каналу у мілководних районах (до 200 м глибини), які є особливо важливими з огляду на промислову та охоронну діяльність. Розглядаються проблеми багатошляхового розповсюдження, ефекти Доплера, питання геометричної та енергетичної дальності, фактори що обмежують швидкість передачі даних. Проводиться порівняння ефективності різних методів передачі та прийому сигналів в системах ПАЗ. У висновках статті підкреслюється, що за останні десятиліття технології підводного акустичного зв’язку досягли передачі даних зі швидкістю до 48 кбіт/с на дистанції близько 2 км з ефективністю до 4 біт/с/Гц. Підвищення спектральної ефективності відбувається завдяки впровадженню сучасних технологій, таких як OFDM, MIMO і високопорядкова модуляція (8-PSK, 16-QAM). Водночас обмежений частотний ресурс та складні умови підводного середовища стримує подальше зростання швидкості передачі даних. Автори виокремлюють ключові виклики для ПАЗ — багатошляхове розповсюдження, доплерівський зсув та спектральне розширення, які ускладнюють стабільність і надійність зв’язку. Запропоновано напрямки подальших досліджень: доплерівське розширення спектра, використання рознесених антен малогабаритних підводних апаратів, синтезованих діаграм направленості, адаптивної модуляції і кодування для максимізації швидкості та якості зв’язку в мінливих і складних умовах підводного середовища , а також використання високочастотних діапазонів для підвищення пропускної здатності систем. Практична цінність роботи полягає у глибокому аналізі наявних рішень, визначенні їхніх переваг і недоліків та формуванні рекомендацій для підвищення ефективності та надійності систем ПАЗ в умовах мінливого підводного середовища. Окремо відзначено проблему відсутності галузевої стандартизації (крім протоколу JANUS), що ускладнює взаємодію різнорідних систем, особливо в прибережних зонах з великою кількістю користувачів. Стаття пропонує класифікацію сценаріїв взаємодії підводних об’єктів, містить порівняльний аналіз впливу середовища на системи ПАЗ та визначає перспективні напрямки для подальшого розвитку ефективних і надійних систем підводного акустичного зв’язку.
Посилання
1. Kumara S., Vatsb C. Underwater communication: A detailed review. CEUR Workshop Proceedings. 2021.
Al-Zhrani S., Bedaiwi N. M., El-Ramli I. F., Barasheed A. Z., Abduldaiem A., Al-Hadeethi Y. Underwater Optical Communications: A Brief Overview and Recent Developments. Engineered Science. 2021. Vol. 16. P. 146–186. DOI: https://doi.org/10.30919/es8d574.
LinkQuest Inc. LinkQuest Underwater Acoustic Modems. UWM2000 Specifications. URL: https://www.link-quest.com/html/uwm2000.htm (дата звернення: 28.01.2025).
LinkQuest Inc. LinkQuest Underwater Acoustic Modems. UWM1000 Specifications. URL: https://www.link-quest.com/html/uwm1000.htm (дата звернення: 28.01.2025).
Micron Modem – 2023 Datasheet, Rev. 6. Tritech International Ltd. 2023. URL: https://www.tritech.co.uk/files/Datasheets/Micron-Modem-2023-datasheet-rev6.pdf (дата звернення: 28.01.2025).
SAM-1 Technical Reference Manual / Desert Star Systems. 2019. 62 с. URL: https://desertstarsystems.nyc3.digitaloceanspaces.com/Manuals/SAM-1TechnicalReferenceManual.pdf (дата звернення: 28.01.2025).
Benson B., Caffe M., Hovem J. Design of a low-cost underwater acoustic modem. IEEE Embedded Systems Letters. 2010. Vol. 2, No. 3. P. 58–61. DOI: https://doi.org/10.1109/LES.2010.2050191.
Petroccia R., Alves J. The JANUS Underwater Communications Standard: From Promulgation to Present. Proceedings of the OCEANS 2024 – Singapore. Singapore, 2024. P. 1–9. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS51537.2024.10682419.
Baggeroer A. B., Koelsch D. E., von der Heydt K., Catipovic J. DATS – A Digital Acoustic Telemetry System for Underwater Communications. OCEANS '81. Boston, MA, USA, 1981. P. 55–60. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS.1981.
Von Der Heydt K. Design and performance analysis of a Digital Acoustic Telemetry System for the short range underwater channel. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1984. Vol. OE-9, No. 3. P. 242–252. DOI: https://doi.org/10.1109/JOE.1984.1145632.
Mackelburg G. R. Acoustic data links for UUVs. IEEE Conf. Proc. OCEANS’91 [Ocean Technologies and Opportunities in the Pacific for the 90’s]. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 1991. Vol. 2. P. 1400–1406. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS.1991.606496.
Jones J. C. et al. The design and testing of a DSP, half-duplex, vertical, DPSK communication link. Oceans '97. Halifax, NS, Canada, 1997. Vol. 1. P. 259–266. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS.1997.634372.
Kaya A., Yauchi S. An Acoustic Communication System for Subsea Robot. OCEANS. Seattle, WA, USA, 1989. P. 765–770. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS.1989.586677.
Stojanovic M., Catipovic J. A., Proakis J. G. Phase-coherent digital communications for underwater acoustic channels. IEEE J. Ocean. Eng. 1994. Vol. 19. P. 100–111. DOI: https://doi.org/10.1109/48.289455.
Ochi H., Watanabe Y., Shimura T. Experiments on acoustic communication with quadrature amplitude modulation in multipath environment. Jpn. J. Appl. Phys. 2004. Vol. 43, No. 5S. P. 3140–3145. DOI: https://doi.org/10.1143/JJAP.43.3140.
Eggen T. H. Underwater acoustic communication over Doppler spread channels: PhD thesis. Massachusetts Institute of Technology. Cambridge, MA, USA, 1997. 205 p. DOI: https://doi.org/10.1575/1912/5709.
Eggen T. H., Baggeroer A. B., Preisig J. C. Communication over Doppler spread channels. Part I: Channel and receiver presentation. IEEE J. Oceanic Eng. 2000. Vol. 25, No. 1. P. 62–71. DOI: https://doi.org/10.1109/48.820737.
Eggen T. H., Preisig J. C., Baggeroer A. B. Communication over Doppler spread channels. II. Receiver characterization and practical results. IEEE J. Oceanic Eng. 2001. Vol. 26, No. 4. P. 612–621. DOI: https://doi.org/10.1109/48.972101.
Johnson M., Brady D., Grund M. Reducing the computational requirements of adaptive equalization in underwater acoustic communications. OCEANS '95. San Diego, CA, USA, 1995. Vol. 3. P. 1405–1410. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS.1995.528669.
Mesleh R., Haas H., Ahn C. W., Yun S. Spatial Modulation – A New Low Complexity Spectral Efficiency Enhancing Technique. Communications and Networking in China. Beijing, 2006. P. 1–5. DOI: https://doi.org/10.1109/CHINACOM.2006.344658.
Банкет В. Л., Незгазинська Н. В., Токар М. С. Методи просторово-часового кодування для систем радіозвязк. Цифрові технології. 2009. № 6. С. 5–166.
Roy S. et al. Enhanced underwater acoustic communication performance using space-time coding and processing. Oceans '04. Kobe, Japan, 2004. Vol. 1. P. 26–33. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS.2004.1402890.
Roy S., Duman T. M., McDonald V., Proakis J. G. High-Rate Communication for Underwater Acoustic Channels Using Multiple Transmitters and Space–Time Coding: Receiver Structures and Experimental Results. IEEE J. Ocean. Eng. 2007. Vol. 32, No. 3. P. 663–688. DOI: https://doi.org/10.1109/JOE.2007.899275.
Nordenvaad M. L., Oberg T. Iterative Reception for Acoustic Underwater MIMO Communications. OCEANS 2006. Boston, MA, USA, 2006. P. 1–6. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS.2006.307060.
Li B., Zhou S., Stojanovic M., Freitag L., Willett P. Multicarrier Communication Over Underwater Acoustic Channels With Nonuniform Doppler Shifts. IEEE J. Ocean. Eng. 2008. Vol. 33, No. 2. P. 198–209. DOI: https://doi.org/10.1109/JOE.2008.920471.
Frassati F., Lafon C., Laurent P.-A., Passerieux J.-M. Experimental assessment of OFDM and DSSS modulations for use in littoral waters underwater acoustic communications. Europe Oceans 2005. Brest, France, 2005. Vol. 2. P. 826–831. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANSE.2005.1513163.
Ayela G., Nicot M., Lurton X. New innovative multimodulation acoustic communication system. Proc. IEEE Oceans Conf. 1994. Vol. 1. P. 292–295. DOI: https://doi.org/10.1109/OCEANS.1994.363896.
Czapiewska A., Łuksza A., Studański R., Wojewódka Ł., Żak A. Evaluation of Selected Modulation Techniques in Underwater Multipath Channel. IEEE Access. 2025. Vol. 13. P. 13395–13404. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3530948.
Кебкал К. Г., Кебкал А. Г., Яковлев С. Г. Спосіб цифрового зв’язку за багатопроменевими гідроакустичними каналами з використанням частотно-модульованого несучого сигналу. Акустичний журнал. 2004. Т. 50, № 2. С. 220–230.
Pelekanakis K., Paglierani P., Alvarez A., Alves J. Comparison of error correction codes via optimal channel replay of high north underwater acoustic channels. Computer Networks. 2024. Vol. 242. P. 110270. DOI: https://doi.org/10.1016/j.comnet.2024.110270.
Brekhovskikh L. M., Lysanov Yu. P. Fundamentals of Ocean Acoustics. 3rd ed. New York: Springer, 2003. 273 p. DOI: https://doi.org/10.1121/1.1792644.
Stojanovic M., Preisig J. Underwater acoustic communication channels: propagation models and statistical characterization. IEEE Communications Magazine. 2009. Vol. 47, No. 1. P. 84–89. DOI: https://doi.org/10.1109/MCOM.2009.4752682.
