Анализ гидроакустических сетей

Эффект Доплера используется и в полезных целях. Например, действие гидроакустического лага основано на эффекте, который в данном случае проявляется в том, что при движении судна частота отраженного от дна звукового сигнала будет отличаться от частоты посылки (для луча, наклоненного вперед по ходу судна - в сторону увеличения, для луча, наклоненного в сторону кормы - в сторону уменьшения). Доплеровский сдвиг частоты может достигать достаточно больших значений: при частоте посылки 200 килогерц сдвиг частоты - 200 герц на каждый узел судна. Два наклоненных акустических луча позволяют определить и контролировать снос судна боковыми течениями.

Направление движения объекта определяют, сравнивая частоты посылаемых сигналов и принимаемого отраженного эха, для чего в тракт гидролокатора вводят доплеровские фильтры.

Если объект локации удаляется от лоцирующего корабля, тон эха понижается, тем сильнее, чем больше скорость объекта.

Неравномерный прогрев воды вызывает рефракцию звуковых лучей (искривление). Звуковые лучи стремятся в сторону холодных слоев, чаще находятся у поверхности моря ночью и в глубине днем. То же происходит и в зависимости от времени года - зимой лучи стремятся в приповерхностную зону, а летом в глубинные слои.

Рефракция значительно затрудняет обнаружение подводных объектов, навигацию и связь. Образуется “мертвые зоны” или “зоны тени”, в которые не попадают приемные звуковые сигналы [3].

Внутренние волны могут порождать весьма интересные гидроакустические явления, вариации и флуктуации сигналов во времени. Например при передаче акустических сигналов может возникать явление многолучевости распространения (реверберация), что может приводить к значительным искажениям исходного сообщения. С такими явлениями как многолучевость и Доплеровский эффект приходится бороться с помощью специальных методов обработки сигнала, например используется когерентный метод приема в подводной связи.

2 Подводные акустические сети

Подводные акустические сети состоят из автономных донных станций и поверхностных, которые служат как шлюзы и обеспечивают радиосвязь с береговыми станциями. Примечательной стороной таких сетей является низкая пропускная способность акустических каналов передачи, высокое время ожидания, следующее из медленного распространения звука, и высокие уровни шумов. Конечная цель при разработке подводных акустических сетей состоит в том, чтобы обеспечить самоконфигурирование узлов, которые автоматически адаптировались бы к среде.

В последние два десятилетия, акустическая технология связи под водой испытала существенный прогресс. Системы связи с повышенной скоростью передачи и надежностью теперь доступны для организации соединения в реальном масштабе времени между подводными узлами. Настоящие разработки направлены на объединение соединений точка-точка в единую сеть, чтобы удовлетворить запрос на системы, способные собирать и передавать данные с больших площадей: типа совокупности данных окружающей среды, контроля загрязнения и военного наблюдения.

Традиционный подход при исследовании океанского дна или толщи воды состоит в том, что необходимо развернуть океанографические датчики, произвести запись данных, и впоследствии поднять на поверхность оборудование с данными. Этот подход имеет несколько недостатков:

Записанные данные не могут быть переданы на поверхность, пока донная станция находится на дне.

Нет никакой связи между оборудованием, находящимся под водой и пользователем, поэтому невозможно переконфигурировать систему в случае необходимости.

Если отказ оборудования донной станции произойдет в подводном положении, то сбор данных может остановиться, или же все данные могут быть потеряны полностью. Идеальное решение при необходимости контроля областей океанской поверхности в реальном масштабе времени в течение длинных промежутков времени состоит в том, чтобы подключить донные станции с контролирующими центрами посредством беспроволочной связи. Основные подводные акустические сети формируются, путем установки двунаправленной акустической связи между узлами типа автономных подводных станций. Пользователи, расположенные на берегу могут получать данные в реальном масштабе времени от большого количества отдаленных донных станций. После оценки полученных данных они могут посылать сообщения управления любой из этих станций. Поскольку данные не хранятся более на донной станции, то их потеря, связанная с отказом оборудования последней, исключена.

Основная проблема любых донных станций на сегодняшний день - это обеспечение их необходимым питанием. Процесс замены батареи является процессом дорогостоящим, поскольку включает в себя поиск донной станции, ее подъем на поверхность и обратное погружение. Энергия является самым ценным ресурсом, когда речь идет о подводных аппаратах. Сетевые протоколы должны сохранить энергию, сокращая количество повторных посылок.

Некоторые подводные решения требуют, чтобы сеть была развернута настолько быстро, насколько это возможно, при том без существенного планирования. Поэтому, сеть должна обладать способностью самостоятельно определять расположение узлов и автоматически выбирать конфигурацию с целью обеспечения эффективности передачи данных. Также, в условиях изменения состояния канала или выхода из строя части узлов в ходе работы, сеть должна динамически изменить свою конфигурацию, чтобы сохранить работоспособность и продолжить функционирование.

2.1 Гидроакустическая связь

В отличие от цифровой связи через радио каналы, где данные передаются посредством электромагнитных волн, в подводных каналах прежде всего используются акустические волны. Скорость распространения акустических волн в ГА каналах на пять порядков меньше, чем скорость распространения радиоволн. Низкая скорость распространения соответственно увеличивает время ожидания пакета в сети. Если высоко время ожидания пакета, то при разработке сетевых протоколов для ГА следует учитывать, что скорость передачи в сети будет значительно меньше, нежели в радиоканале.

Возможная пропускная способность ГА канала зависит от частоты передачи. При этом для акустических сигналов наблюдается явление многолучевости распространения, что может приводить к значительным искажениям исходного сообщения. Для борьбы с многолучевостью и Доплеровским эффектом требуется значительное снижение скорости передачи данных и применение специальных методов обработки сигналов.

До начала прошлого десятилетия для достижения надежной связи в ГА каналах использовался некогерентный прием дискретной частотной модуляции. Хотя системы НКГ ДЧМ системы эффективны в ГА каналах, их низкая пропускная способность делает их непригодными для устройств с высокой скоростью передачи данных типа многопользовательских сетей. Потребность в системах дальнего действия с высокой скоростью передачи данных привела к появлению систем узконаправленного действия с когерентными методами приема. Сегодня, когда стали доступны компьютеры с высокой вычислительной мощностью, стало возможным применение когерентного приема в подводной связи.

2.2 Гидроакустические сети

Два типа задач приветствовали развитие подводных гидроакустических сетей. Первая задача сбора данных о состоянии окружающей среды, а другая - наблюдение за состоянием подводной обстановки. Как правило, сеть состоит из нескольких типов датчиков, некоторые из которых установлены стационарно, а другие на свободно перемещающихся транспортных средствах этот тип сети называется автономной Океанической Сетью, где суммарная информация состоит из набора океанографических параметров, например: температуры, солености, подводных потоков. Сеть состоит из большого числа датчиков, как правило, неподвижных или медленно передвигающихся. Такая сеть может быть быстро развернута. Задача такой сети охватить мелкую водную область. Пример такой сети, называемой SeaWeb, будет описан более подробно позже.

2.3 Сетевая топология

Есть три основных топологии, которые могут использоваться, чтобы связать сетевые узлы: централизованная, распределенная и многопролетная.

В централизованной сети связь между узлами организуется через центральную станцию, которая обычно называется сервером сети. Эта конфигурация подходит для глубоководных сетей, где поверхностный бакен может действовать в качестве центра и управлять связью с донными станциями. Главный недостаток этой конфигурации - присутствие единственного пункта, отказ которого приводит к отказу всей сети. Также, из-за ограниченности диапазона частот отдельного модема, сеть не может охватить большие области.

Следующие два типа топологии принадлежат одноранговым сетям. Полностью связанная одноранговая топология обеспечивает двухточечные соединения между каждым узлом сети. Такая топология устраняет потребность в маршрутизиции. Однако, мощность выходного сигнала, необходимая для передачи сообщения на отдельные узлы, чрезмерно высока. Также, возможно что узел, который пробует посылать сообщения далекому узлу, будет попросту заглушать связь между двумя узлами, находящимися сравнительно близко от него.

Одноранговая многопролетная топология подразумевает связь только между соседними узлами. Сообщения передаются от источника до адресата путем передачи пакетов от узла до узла. Для маршрутизации используются интеллектуальные алгоритмы, которые позволяют сети адаптироваться к изменяющимся условиям. Многопролетные сети способны охватывать относительно большие области, так как диапазон сети определен числом узлов.

Одна из целей при построении ГА сетей состоит в том, чтобы значительно уменьшить потребление энергии при условии обеспечения надежной связи между узлами в сети и выходом во внешнюю сеть. Сетевая топология является важным параметром, который определяет потребление энергии. Цена, которую приходиться платить за уменьшение в потреблении энергии - это потребность в сложном протоколе и увеличение длительности и времени распространения пакета. Поэтому, особое внимание нужно уделять задачам, которые являются чувствительными к временным задержкам.

2.4 Методы множественного доступа

В многих информационных сетях, включая ГА сети, связь - пульсирующая, и промежуток времени, в течении которого осуществляется передача по каналу, обычно меньше чем промежуток времени, в течении которого канал простаивает. Таким образом, сетевые пользователи должны совместно использовать ресурсы канала с максимальной эффективностью посредством метода множественного доступа. Множественный доступ с кодовым разделением каналов (FDMA), делит весь спектр частот на полосы и предоставляет пользователям отдельные частотные каналы. Из-за серьезных ограничений пропускной способности и уязвимости узкополосных систем к помехам, FDMA системы не являются эффективным решением в ГА каналах связи.

Вместо деления полосы частот применяется множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Производится деление всего временного интервала на интервалы времени, называемые фреймами. Коллизии в результате пересечения пакетов от смежных слотов времени предотвращена включением времен защиты, которые пропорциональны задержкам распространения сигналов в канале. TDMA системы требуют очень точной синхронизации. Имеющиеся различия времени ожидания в ГА каналах требуют значительной длительности времени защиты, что значительно ограничивает эффективность TDMA. Также, реализация системы является трудной задачей.

Множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) Зпозволяет нескольким пользователям одновременно использовать одну и ту же полосу частот. Сигналы от различных пользователей различает посредством ПСП. CDMA каналы обеспечивают большую пропускную способность, они слабо восприимчивы к разнице времен задержки при распространении сигналов. Использование этого вида множественного доступа позволяет уменьшить потребление батареи и соответственно увеличить производительность сети. Следовательно, CDMA кажется наиболее подходящим методом для организации множественного доступа в небольших подводных гидроакустических сетях.

2.5 Алгоритмы маршрутизации

Существует два основных метода, используемые для маршрутизации пакетов внутри информационной сети: использование виртуальных каналов, где все пакеты одного потока следуют одним и тем же путем через сеть, и маршрутизация датаграмм, где пакеты следуют от отправителя до получателя различными путями. В первом случае виртуальные каналы определяются перед началом передачи информации. Во втором случае, каждый узел, на который приходит пакет, принимает решение, которое состоит в том, чтобы определить узел на который следует отправить пакет.

Многие из методов маршрутизации основаны на том, чтобы определить самый короткий путь для пакетов. В этом методе каждому соединению в сети назначается стоимость, которая является функцией физического расстояния и уровня перегрузок. Алгоритм пробует находить самый короткий путь (то есть, путь с самой низкой стоимостью) от узла до получателя.

В рассматриваемых сетях главная проблема состоит в том, чтобы получить текущее состояние каждого соединения в сети, чтобы остановиться на лучшем маршруте для пакета. Однако, состояние соединений является величиной постоянно меняющейся, в этом случае количество модификаций маршрутизации может быть очень высоко.

2.6 Протоколы управления доступом

Существуют различные протоколы управления доступом, которые могут использоваться, чтобы избежать информационной потери в ГА сетях, возникающей по причине коллизий. Рассмотрим MACA протокол и его разновидности.

MACA протокол заключается в использовании двух пакетов передачи сигналов имеющих названия: Request-to-Send (RTS) и Clear-to-Send (CTS). Когда абонент А хочет послать сообщение абоненту В, он сначала отправляет сигнал RTS. Если В получает RTS, то он посылает назад команду CTS. Как только А получает CTS, он начинает передачу пакета данных. Узлы могут исследовать канал на этапе обмена сигналами RTS-CTS. Информация о состоянии канала может использоваться, чтобы установить уровни мощности выводного сигнала и типа модуляции. Эти свойства MACA протокола необходимы для эффективной разработки подводных гидроакустических сетей.

Все это обеспечивает надежную связь с минимальным потреблением энергии и позволяет избежать коллизий. Обмен RTS-CTS увеличивает объем передаваемой информации, но сокращает количество повторных передач, что позволяет снизить объем передаваемой информации.

MACA протокол гарантирует надежность непрерывной связи на сетевом уровне. Если некоторые пакеты сообщения потеряны из-за ошибок, с узлов получателя будет подан запрос на повторную передачу пакетов. На высоко надежных линиях связи этот подход позволяет увеличить пропускную способность, так как это устраняет потребность посылать квитанции на каждый отправленный пакет. В случае, если передача идет через канал связи с низким качеством, сообщение будет содержать ошибочные пакеты. Восстановление ошибок в пакете данных на сетевом уровне будет требовать чрезмерной задержки.

Эффективность и надежность MACA протокола может быть значительно увеличена за счет создания надежных соединений между близко расположенными узлами. Для этой цели был предложен MACAW протокол, где квитанция передается после каждой успешной посылки. Включение дополнительного пакета в пересылке увеличивает потребление энергии, что в свою очередь уменьшает производительность системы. Однако для гидроакустических систем, при применении такого метода все равно наблюдается прирост производительности. Протокол MACAW не использует управление мощностью передачи и возникающие асимметрии в канале. Его эффективность при использовании управления мощностью передачи пока еще не исследована.

2.7 Методы запроса авто-повторений

Запрос авто-повторений (ARQ) используется, чтобы обнаружить ошибочных данных в процессе передачи по каналу связи и в случае их обнаружения осуществит повторную передачу пакетов, содержавших ошибки. Самая простая схема запроса авто-повторений, которая может быть использована в гидроакустическом канале это stop and wait ?RQ, где источник пакета ждет квитанции от узла адресата для подтверждения передачи пакета без ошибок. Так как канал не используется в течение времени между передачей пакета и приемом квитанции, эта ARQ схема имеет низкую производительность. В go back-N и селективном методах повторении ARQ , узлы передают пакеты и получают квитанции непосредственно в процессе передачи пакетов, поэтому требуют канал, поддерживающий полный дуплекс. Деление ограниченной пропускной способности ГА каналов на два канала реализации полного дуплекса может значительно уменьшать скорость передачи данных по физическому каналу. Однако, эффект от двух этих методов еще необходимо исследовать.

Страницы: 1, 2, 3