CC BY
12
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 15. № 4-2023
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
СЫ: 10.36724/2409-5419-2022-15-4-14-25
ОБЗОР КЛЮЧЕВЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ПОДВОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ
ПАВЛОВ Иван Иванович1
ПАВЛОВА
Мария Сергеевна 2
АБРАМОВА
Евгения Сергеевна 3
АБРАМОВ
Сергей Степанович 4
ЩЕРБАКОВ Юрий Сергеевич 5
Сведения об авторах:
1 к.т.н., доцент, доцент кафедры "Радиотехнических устройств и техносферной безопасности", федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики",
г. Новосибирск, Россия, iipavlcv02@mail.ru
2 к.т.н., доцент кафедры "Радиотехнических устройств и техносферной безопасности", федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики", г. Новосибирск, Россия, mspavlcva@ngs.ru
3 к.т.н., доцент, доцент кафедры "Радиотехнических устройств и техносферной безопасности", федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики",
г Новосибирск, Россия, evgenka_252@mail.ru
4 д.т.н., доцент, заведующий кафедрой "Радиотехнических устройств и техносферной безопасности", федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики",
г. Новосибирск, Россия, abramcv@sibguti.ru
5 к.т.н., доцент, доцент кафедры "Радиотехнических устройств и техносферной безопасности", федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики",
г. Новосибирск, Россия, ampal55@mail.ru
АННОТАЦИЯ
Введение: повышенный интерес к исследованию подводной среды океанов требуется для изучения флоры и фауны, дна океана, поиска полезных ископаемых, мониторинга существующих нефтяных вышек и других объектов в океане, сбора необходимой информации. Это все невозможно осуществить без качественной и надежной связи в подводных океанических условиях. Известными способами организации подводной беспроводной связи считаются системы связи с использованием акустических, радиочастотных и оптических волн. Зарубежные и российские исследователи отмечают, что подводная акустическая и радиочастотная беспроводная связь характеризуется небольшой скоростью передачи информации и высокой задержкой, но при этом позволяет передать информацию на большие расстояния. Потребность в высокой скорости передачи информации способствовала развитию подводной оптической беспроводной связи. Она позволяет организовать связь на большой скорости передачи информации с низкой задержкой на короткие расстояния. Увеличение дальности связи можно обеспечить при помощи сетевых технологий построения таких систем связи. Цель исследования: целью исследования является обзор научных работ зарубежных исследователей в анализе теоретических и экспериментальных исследований в области подводной оптической беспроводной связи. Результаты: Показано, что подводная оптическая беспроводная связь может быть организована непосредственно между надводной станцией и оптическими узлами или же с использованием сетевых технологий построения сети может организовать многоуровневую систему связи от надводной станции до оптических узлов с применением оптических точек доступа и/или оптических базовых станций. Проведенный анализ показал, что при организации подводной оптической беспроводной связи основным влиянием на качество и надежность связи непосредственно оказывает подводная океаническая среда. Практическая значимость работы заключается в систематизации научных работ зарубежных исследователей по проблемам подводной оптической беспроводной связи и использовании в качестве основы для будущих прикладных исследований.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: оптический беспроводной канал связи, подводная оптическая беспроводная связь, скорость передачи информации, дальность связи, световой пучок лазера, тип океанической воды, модуляция интенсивности; когерентная модуляция
Для цитирования: Павлов И.И., Павлова М.С., Абрамова Е.С., Абрамов С.С., Щербаков Ю.С. Обзор ключевых особенностей при построении подводной оптической беспроводной связи // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2023. Т. 15. № 4. С. 14-25. Сс1: 10.36724/2409-5419-2023-15-4-14-25
Vol. 15. No. 4-2023, H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Введение
Изучением планеты Земля во всем мире занимаются миллионы людей. Еще много лет назад людей интересовало почему светит солнце, идет дождь, некоторые животные могут жить на суше, но при этом не могут плавать в воде и многое другое. Это способствовало в дальнейшем развитию различных видов научных исследований.
В настоящее время большое внимание уделяется изучению океанов. Если учесть тот факт, что поверхность Земли покрыта водой на 70,8 % и при этом общий размер водной поверхности составляет примерно 510 ООО ООО км2, то из этого количества воды где-то 360 ООО ООО км2 составляют воды океанов. Поэтому высокий интерес к исследованию подводной среды океанов необходим для изучения животного и растительного мира, исследования дна океана, поиска полезных ископаемых в недрах океана, мониторинга существующих нефтяных вышек и других объектов в океане, наблюдение и сбор различной информации для изучения океанов. Для осуществления всех перечисленных операций необходима качественная и надежная связь из подводной среды океанов с поверхностными станциями.
Наиболее распространенными видами подводной беспроводной связи (рис. 1) являются системы связи, лежащие на основе акустических волн, радиочастотных волн и оптических волн.
Одной из первых и распространенных технологий подводной беспроводной связи была подводная акустическая беспроводная связь, которая позволяет передавать информацию от передатчика к приемнику на очень большие расстояния. В работе [1] еще в 1995 году была представлена система подводной акустической беспроводной связи со скоростью передачи информации 40 кбит/с.
Уже через год в 1996 году ученные разработали систему подводной акустической беспроводной связи, которая работала на скорости 8 кбит/с, но при этом позволяла передавать информацию в подводной среде океанов на расстояние 13 км в горизонте и на 20 м в глубину (по вертикали) от передатчика сообщений к получателю [2].
Развитие подводной акустической беспроводной связи на этом не остановилось и уже в 2005 году в работе [3] была разработана система, в которой увеличили скорость передачи информации до 125 кбит/с и использовался метод 32-ОАМ с коэффициентом символьных ошибок 10~4. Система подводной акустической беспроводной связи имеет много недостатков, например таких, как высокая задержка при передаче информации из-за низкой скорости распространения, большое рассеяние, низкая пропускная способность и негативное влияние акустических волн на подводных млекопитающих, рыб и растений.
Ключевым недостатком подводной акустической беспроводной связи является очень низкая скорость передачи информации, что привело к развитию и исследованию подводных беспроводных систем на основе низкочастотных радиоволн. Если рассмотреть работы зарубежных авторов, то в [4] была предложена подводная беспроводная связь на основе микроволн над поверхностью океана и в результате передачу информации можно было осуществить на несколько десятков километров. Этот же подход на микроволнах был использован в работе [5], где скорость передачи информации в подводной среде океана была увеличена до 500 кбит/с и передавалась на расстояние до 90 м по горизонтали. В работе [6] авторам удалось увеличить пропускную способность подводной беспроводной связи на основе микроволн до 10 Мбит/с и с возможностью передачи по горизонтали на расстояние 100 м.
Тем не менее подводная радиочастотная беспроводная связь имеет большой недостаток в виде серьезного затухания в воде. Также для осуществления сеанса связи потребуются большие антенны и ограничение прибрежными участками океана.
Однако организовать работу подводной радиочастотной беспроводной связи возможно, если использовать сверхнизкие частоты. Это позволит уменьшить уровень затухания, но «платой» за это будет высокая стоимость оборудования и низкая скорость передачи информации.
Низкая скорость передачи информации и низкая пропускная способность подводных акустических и радиочастотных беспроводных систем послужила развитию подводной беспроводной связи на основе оптических волн.
Многочисленные исследования и эксперименты доказали, что затухания оптических волн в подводной среде океана в диапазоне длин волн 450-550 нм - это синий и зеленый свет, являются наименьшими относительно других длин волн. Все исследования в изучении подводной оптической беспроводной связи заключались в увеличении скорости передачи информации [7].
На сегодняшний день наиболее распространенной подводной оптической беспроводной связью является связь на основе лазера. В работе [8] была рассмотрена подводная оптическая беспроводная связь на основе зеленого лазера с длиной волны 532 нм, где в результате получили скорость передачи информации равной 1 Гбит/с, но расстояние составляло всего 2м.В работе [9], вышедшей в2015 году, авторами был использован синий лазер с длиной волны 405 нм, чем добились скорости передачи информации до 1,45 Гбит/с и передачи на расстояние 4,8 м.
Подводная оптическая беспроводная связь имеет преимущество в высокой скорости передачи информации, низкой задержки и энергоэффективности из-за небольшого расстояния передачи информации.
Для увеличения расстояния передачи информации от передатчика сообщений к получателю в подводной оптической беспроводной связи необходимо использовать сетевые решения при построении таких систем.
В данной статье рассмотрим возможную архитектуру для подводной оптической беспроводной связи, а также основные свойства оптических волн при распространении в подводной среде океана и методы модуляции в подводной оптической беспроводной связи.
Архитектура подводной оптической беспроводной связи
Подводная оптическая беспроводная связь может работать в двух режимах. Первый режим, режим прямого подключения (ad-hoc) - это самый распространенный тип беспроводной сети, в котором нет зависимости от установленного сетевого оборудования.
В этом режиме не предусмотрен центральный блок управления, вследствии чего передача информации осуществляется непосредственно оптическими узлами. Путь прохождения информации от источника сообщения до получателя
формируется в момент подключения и является динамическим. Поэтому в данной сети для оптических узлов необходимы навыки самоорганизации и самонастройки.
Второй режим - это режим инфраструктуры. Он строится на оптических точках доступа, которые распространяют оптические волны в разные стороны, или же возможно использование оптических базовых станций. Оптические точки доступа и/или оптические базовые станции организуют подводную локальную сеть, в которой каждая оптическая точка доступа или оптическая базовая станция обслуживает и координирует работу в зоне своего покрытия.
На рисунке 2 представлен пример организации подводной оптической связи. Для организации связи между подводными оптическими узлами используют оптические каналы темно-зеленого цвета. Связь от оптической базовой станции до подводного оптического узла осуществляется оптическими каналами оранжевого цвета.
Если необходимо связаться оптическим базовым станциям на одной глубине, то используются горизонтальные оптические каналы красного цвета, а связь между оптическими базовыми станциями на разных глубинах осуществляется вертикальными оптическими каналами синего цвета. Для увеличения энергоэффективности данной системы возможно организовать питание оптических узлов от солнечных батарей, которые расположены на поверхностных буях и подключенных к оптическим узлам по проводному каналу.
Рис. 2. Пример организации подводной оптической беспроводной связи
Vol. 15. No. 4-2023, H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Все подводные лодки и автономные подводные аппараты могут организовать сеансы связи между собой и с наземными станциями, находящимися в одной подводной оптической беспроводной связи. Вся необходимая информация, собранная подводными оптическими узлами, поступает через центральную оптическую базовую станцию на надводную станцию. Далее эта информация может быть передана с помощью радиочастотных сетей или спутниковой связи на мобильную станцию или береговую станцию.
Рис. 3. Архитектура подводной оптической беспроводной связи
На рисунке 3 представлена одна из возможных архитектур подводной оптической беспроводной связи. Более подробно рассмотрим принцип пространственного покрытия подводной оптической беспроводной связи.
1. Стационарная одномерная подводная оптическая беспроводная связь организуется за счет того, что оптические узлы образуют горизонтальную линию, которая может находиться у поверхности воды, так как каждый оптический узел закреплен за поверхностным буем или же опущен на океаническое дно. При этом оптические узлы находятся в стационарном состоянии, т.е. не могут передвигаться в пространстве. В этом случае вся информация передается непосредственно от оптического узла на надводную станцию. Такая архитектура подводной оптической беспроводной связи напоминает топологию «звезды».
2. Подвижная одномерная подводная оптическая беспроводная связь организована, как и стационарная одномерная подводная оптическая беспроводная связь, где оптические узлы работают автономно. При этом оптический узел, закрепленный за поверхностным буем, может перемещаться по горизонтали и собирать необходимую информацию, а затем передавать ее на надводную станцию. Оптические узлы, которые размещаются на океаническом дне, также могут передвигаться по горизонтали и после сбора информации поднимаются к поверхности для передачи собранной информации на надводную станцию.
3. Стационарная двумерная подводная оптическая беспроводная связь представляет собой группу оптических узлов, которые подключены к оптической базовой станции. Вся информация, собранная оптическими узлами, передается на оптическую базовую станцию и уже с оптической базовой станции поступает на надводную станцию. В стационарной двумерной подводной оптической беспроводной связи все
оптические узлы связываются с оптической базовой станцией по горизонтальным оптическим каналам. А оптическая базовая станция связывается с надводной станцией по вертикальным оптическим каналам. В рассматриваемой стационарной двумерной подводной оптической беспроводной связи предусматривается то, что все оптические узлы находятся на одной глубине в одной горизонтальной плоскости. Такое построение сети возможно звездой, кольцом, сотой или ячеистой топологией.
4. Подвижная двумерная подводная оптическая беспроводная связь строится по аналогии со стационарной двумерной подводной оптической беспроводной связью, но в данной модели оптические узлы могут свободно плавать в подводной среде океана. Кроме того, оптическая базовая станция тоже может передвигаться и собирать информацию с различных подводных оптических узлов или датчиков. Подвижная двумерная подводная оптическая беспроводная связь является более сложной динамической топологией по сравнению со стационарной двумерной подводной оптической беспроводной связью.
5. Стационарная трехмерная подводная оптическая беспроводная связь организована за счет размещения оптических узлов на разной глубине. Поэтому для связи между надводной станцией и оптическим узлом необходимо организовать три уровня связи.
а) Связь между оптическими узлами на разной глубине или связь между оптическими узлами и оптической подводной станцией на одной глубине.
б) Связь между оптическими узлами и оптической базовой станцией на разных глубинах или связь между оптическими базовыми станциями на одной глубине.
в) Связь оптической базовой станции с надводной станцией.
Все оптические узлы и оптические базовые станции не могут передвигаться как по горизонтали, так и по вертикали.
6. Подвижная трехмерная подводная оптическая беспроводная связь строится на основе автономных подводных аппаратов или дистанционно управляемых подводных аппаратов, которые могут передвигаться на разную глубину и в разных направлениях. Это позволяет увеличить производительность подводной оптической беспроводной связи.
Основные положения подводной оптической беспроводной связи на физическом уровне
Физический уровень подводной оптической беспроводной связи, как любой проводной сети, включает в себя различные основные функции связи, такие как обработка сигнала, модуляция и демодуляция сигнала, кодирование сигнала, моделирование и оценка канала связи и многое другое.
Как уже упоминалось выше подводная оптическая беспроводная связь по сравнению с подводной беспроводной связью на основе акустических и радиочастотных волн позволяет организовать канал связи с высокой скоростью передачи информации на расстояния в десятки метров с очень низкой задержкой. Также для создания приемопередающих устройств подводной оптической беспроводной связи могут быть использованы недорогие, энергосберегающие лазеры и
при этом размер самого устройства может быть небольшим. Так как связь между оптическими узлами или между оптическим узлом и оптической базовой станцией осуществляется в режиме «точка-точка», то она еще и обеспечивает повышенную надежность передачи информации.
Но несмотря на все это у подводной оптической беспроводной связи существует множество проблем, которые необходимо устранять. Например, при организации оптической беспроводной связи между двумя узлами из-за смещения приемопередатчиков в пространстве может произойти разъединение. Данное разъединение связано с движением глубинных течений подводной среды океана в зависимости от глубины и поверхностных движений океанической воды. Также если в качестве несущей волны будет выбран лазер синего или зеленого цвета, он все равно будет подвержен поглощению, рассеиванию из-за воздействия молекул воды и твердых частиц, находящихся в океанической воде, на фотоны. Этот факт приводит к ухудшению производительности и снижению дальности связи.
Поэтому для увеличения дальности связи используется сетевая схема построения подводной оптической беспроводной связи. Для устранения несоосности оптических узлов требуются очень точные алгоритмы выравнивания, которые должны поддерживать связь между оптическими узлами постоянно.
Поэтому при исследовании подводной оптической беспроводной связи основной аспект ложится на изучение физического уровня. Сюда можно отнести распространение оптических волн в подводной среде океана, ретрансляцию, маршрутизацию, развертывание, подвижность оптических узлов, самонастройку, самоорганизацию и т.д.
Основные свойства оптических волн при распространении в подводной среде океана
Распространение оптических волн в подводной среде океана разнообразно и очень сильно зависит от того, где организован оптический беспроводной канал связи, на какой глубине и какую физико-химическую структуру имеет океан в данном месте. Для того, чтобы организовать оптический беспроводной канал связи на физическом уровне необходимо рассмотреть оптические свойства подводной среды океана, которые делятся на присущие и видимые.
К присущим оптическим свойствам можно отнести коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния и коэффициент затухания. Все эти коэффициенты являются сильно зависящими от химического состава океанической воды.
Видимые оптические свойства океанической подводной среды основаны на таких факторах, как среда и геометрическая структура световых пучков, которая включает в себя коэффициент отражения, коэффициент излучения и проводимость светового пучка лазера.
При передаче информации по оптическому беспроводному каналу связи большое влияние на дальность оказывает поглощение подводной среды океана. Это связано с тем, что мощность сигнала излучаемого светового пучка при распространении постоянно уменьшается из-за физических свойств подводной среды океана. Кроме поглощения на мощность
сигнала оказывает такое свойство подводной среды океана, как рассеяние светового пучка. Фотоны светового пучка рассеиваются в разных направлениях и в конечном результате приемником принимается не весь переданный оптический сигнал из-за ограниченных размеров апертуры приемника.
Оставшиеся фотоны светового пучка могут быть приняты с задержкой из-за более длинных и различных путей передачи части светового пучка лазера вследствие рассеяния. Этот фактор приводит к тому, что возникает межсимвольная интерференция, многопутевое замирание и временное дрожание.
В работе [10] авторами предложена геометрическая модель прохождения светового пучка через водную среду океана (рис. 4).
Рис. 4. Геометрическая модель прохождения светового пучка через водную среду океана
На основе данной геометрической модели прохождения светового пучка через водную среду океана можно сформулировать такие понятия, как коэффициент поглощения и коэффициент рассеяния.
Рассматриваемая модель имеет какой-то объем воды А У с толщиной Ай, через который проходит световой пучок лазера с длиной волны X и полной мощностью сигнала Р(Х). Проходя через объем воды часть мощности сигнала Р(Х) поглощается телом воды:
Ра(Х) = а(Х)-Р,(Х),
а часть мощности сигнала Р(Х) рассеивается из-за изменения направления:
Р(Х, Ф) = Р(к)-Р,(к),
где а(Х) иР(Х) - коэффициент поглощения и коэффициент рассеяния, соответственно,
Ф - телесный угол рассеяния светового пучка лазера.
Оставшаяся мощность сигнала продолжает распространяться по заданной траектории:
Р(Х, Ф) = у(Х)-Рг(Х),
где у(Х) - коэффициент остаточной мощности сигнала.
Согласно закону сохранения мощности коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния и коэффициент остаточной мощности сигнала связаны между собой следующим соотношением:
а(Х) + Р(Х) + у(Х) = 1.
Исходя из рассматриваемой модели определили спектральную поглощающую способностью/У как отношение поглощаемой мощности сигнала к полной мощности сигнала:
Vol. 15. No. 4-2023, H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
А (М- Ра ^
Спектральное рассеяние Б(Л) определяется как отношение рассеянной мощности сигнала к полной мощности сигнала:
Б (X)- РН. Р м
Коэффициент поглощения а(А) определяется путем взятия предела, когда толщина Ай приближается к нулю, для отношения спектрального поглощенияА(Л) к толщине Ай следующим образом:
A (М
а(Х)= lim —^
м ^о Ad
Коэффициент рассеяния Р(Х) определяется путем взятия предела, когда толщина Ай приближается к нулю, для отношения спектрального рассеяния Б(Л) к толщине Ай следующим образом:
B (я.)
В(Х)= lim —^
v 7 м^о Ad
значения коэффициента поглощения и коэффициента рассеяния практически до максимальных.
На распространение оптических волн в подводной среде океана также особую роль играет глубина погружения оптического беспроводного канала связи. И в зависимости от того, на сколько глубоко солнечный свет проникает в океан, различают несколько вертикальных зон разделения подводной среды океана (рис. 5).
Солнце - Луна
Сумма коэффициента поглощения а(Х) и коэффициента рассеяния Р(Х) в результате дадут коэффициент затухания мощности сигнала в подводной среде океана:
с(Х) = а(Х) + Р(Х).
Коэффициент экстинкции с(Х) показывает ослабление мощности сигнала и сильно зависит на от глубины нахождения оптического беспроводного канала связи и от типа океанической воды, в которой распространяется световой пучок лазера.
Встречаются три наиболее распространенных типа океанической воды.
1. Чистая океаническая вода состоит из молекул чистой воды (Н20) и растворенных в ней солей, таких как ЫаСе, MgCe2, Ыа2Б04, НСе и многих других. Суммарное поглощение молекул чистой воды и растворенных в ней солей составляет общее поглощение чистой океанической воды и является небольшой величиной. Также стоит отметить, что коэффициент рассеяния в чистой океанической воде тоже имеет небольшие значения и поэтому световой пучок лазера распространяется по заданной траектории с малой величиной дисперсий.
2. Прибрежная океаническая вода включает в себя большую концентрацию различных растворенных частиц. Из-за этого в прибрежной океанической воде коэффициент поглощения и коэффициент рассеяния имеют более высокие значения, что негативно влияет на передачу светового пучка лазера в созданном оптическом беспроводном канале связи.
3. Мутная вода гавани является наиболее неблагоприятной средой для распространения оптических волн, так как в ней самая наибольшая концентрация взвешенных и цветных растворенных органических частиц, которые увеличивают
г0 со
■50 F X s о
■100 О Е о
■200 В
■500 £ ^ а. ф
■1 000 Ъ >. О
--1 500
Рис. 5. Вертикальное зонирование подводной среды океана
Самый верхний слой океана, начинающийся от поверхности океана, называется фотической зоной, она располагается до той глубины, куда проникает солнечный свет. Фотическая зона состоит из двух зон. Первая зона называется эвфотиче-ской зоной и располагается в среднем до 200 м от поверхности океана вглубь. В этой зоне довольно достаточная освещенность для поддержания фотосинтеза и жизнедеятельности океанической флоры и фауны.
Вторая зона - это батиальная зона, она располагается в глубине океана от 200 м до 1500 м. Ее еще называют сумеречной зоной, в ней освещенность солнечным светом падает и не может быть достаточной для фотосинтеза.
Самой последней зоной является абиссальная зона, она располагается на глубине ниже 1500 м. Ее еще называют зоной вечной темноты, солнечный свет в эту зону не попадает. Воды в этой зоне отличаются небольшой подвижностью, низкой температурой и низким содержанием биогенных веществ.
Несмотря на то, что фотическая зона располагается в верхних слоях океана, а при этом средняя глубина океана составляет примерно от 3,8-4,3 км, фотическая зона представляет собой самую большую часть океана, поэтому коэффициент затухания в верхних слоях до 100 м начинается с величины 0,05 м1, далее на глубине около 100 м он достигает 0,1 м1 и, чем глубже находится оптический беспроводной канал связи, тем больше коэффициент затухания.
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 15. № 4-2023
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Океаническая турбулентность определяется как хаотические быстрые неупорядоченные изменения показателя преломления из-за колебаний океанических свойств подводной среды, таких как скорость, давление, соленость, плотность, температура воды [11]. Океаническая турбулентность приводит к непостоянству приема передаваемого светового пучка лазера и, соответственно, к значительному снижению производительности оптического беспроводного канала связи.
Наиболее важной задачей при организации оптической беспроводной связи между оптическими беспроводными приемопередатчиками является организация и поддержание постоянной надежной и качественной связи. Это достигается с помощью наведения и выравнивания, т.е. устранения несоосности оптических беспроводных приемопередатчиков.
В основном при наведении и выравнивании оптических беспроводных приемопередатчиков основными проблемами являются, во-первых, смещение центра светового пучка лазера передатчика и центра апертуры приемника на некоторый телесный угол. Этот фактор может быть вызван неточной информацией о месторасположении приемника. И во-вторых, возможны дрожания светового пучка лазера, которые могут возникнуть из-за случайного смещения центра светового пучка лазера передатчика и центра апертуры приемника в результате океанической турбулентности, глубинных течений и колебаний в зависимости от глубины, а также от случайных движений океанической флоры и фауны.
Если первую проблему наведения и выравнивания можно решить с помощью более точной информации о месторасположении приемника и наиболее эффективных алгоритмов расчета местоположения приемника, то вторая проблема остается трудно решаемой, так как контролировать случайные процессы океанической подводной среды очень тяжело.
Однако в работе [12] авторы рассмотрели то, что если оптический беспроводной канал связи находится в прибрежной океанической воде или мутной воде гавани жесткие требования, предъявляемые к наведению и выравниванию, становятся слабее из-за высокой дисперсии светового пучка лазера.
При прохождении светового пучка лазера через оптический беспроводной канал связи присутствует эффект рассеяния фотонов в результате свойств океанической подводной среды. В связи с чем часть светового пучка лазера может отклониться от заданной траектории и следовать по другому пути распространения и с большим расстоянием. Данная часть светового пучка лазера поступает на апертуру приемника в разные моменты времени, что приводит к задержке или временной дисперсии, а также к межсимвольной интерференции.
Многолучевая задержка светового пучка лазера в основном возникает на мелководье из-за отражения от поверхности океана, океанического дна и препятствия в непосредственной близости. А межсимвольная интерференция проявляет себя при большой скорости передачи информации по оптическим беспроводным каналам связи. Авторами в работе [13] был проведен анализ и получен результат, что при расстоянии 50 метров для поляризованного светового пучка лазера со скоростью передачи информации 1 Гбит/с влияние межсимвольной интерференции является существенной. В работе [14] было доказано обратное, что при использовании метода
Монте-Карло влияние межсимвольной интерференции на коротких расстояниях не существенно.
Основные способы модуляции в подводной оптической беспроводной связи
В подводной оптической беспроводной связи можно выделить два основных типа модуляции: модуляция интенсивности и когерентная модуляция.
Модуляция интенсивности, или же некогерентная модуляция, представляет собой вид модуляции, где выходная оптическая мощность светового пучка лазера изменяется в соответствии с определенной характеристикой модулированного сигнала.
Организовать модуляцию в подводной оптической беспроводной связи можно двумя способами - использовать встроенный модулятор или внешний модулятор. Если используется встроенный модулятор, то передача «1» и «0» происходит за счет включения и выключения источника света, т.е. используется ток источника света. При передаче «1» источник света включается, а при передаче «0» источник света выключается.
Встроенный модулятор отличается невысокой ценой и простотой сборки, но при этом он ограничен в дальности и скорости передачи информации. Это связано с тем, что возникает эффект чирпинга (chirping effect) - наложение паразитной модуляции длины волны генерации, созданной импульсным преобразованием лазера.
Во внешних модуляторах источник света не выключается для непрерывной передачи светового пучка лазера. Чтобы передать сообщение внешний модулятор модулирует сигнал за счет изменения интенсивности и фазы сигнала, что в свою очередь обеспечивает блокировку и прохождение светового пучка лазера к приемнику. Внешние модуляторы отличаются очень высокой скоростью передачи информации и большой дальностью связи. Это обеспечивается за счет постоянной мощности передачи и высокой скорости переключения. Но это приводит к увеличению стоимости оборудования и сложности конструкции, а также не эффективному использованию мощности источника света.
При использовании в схеме встроенного модулятора и модуляции интенсивности такая система называется IM/DD-модуляцией. Она является самой распространенной, так как у нее низкая стоимость, простота изготовления и в ней не надо хранить информацию о фазе.
Одним из видов IM/DD-модуляции является схема ON/OFF Keying (OOK), что в переводе с английского означает управление включением/выключением. В схеме OOK «1» и «0» передаются через оптический беспроводной канал связи наличием или отсутствием светового пучка лазера. В схеме OOK организованы форматы импульсов с возвратом к нулю или без возврата к нулю. Если используется формат импульса без возврата к нулю, то для передачи «1» необходимо использовать всю длительность бита, а в формате импульса с возвратом к нулю используется только часть длительности бита.
Схема OOK очень сильно зависит от изменения оптического беспроводного канала связи и поэтому производительность данной схемы сильно ухудшается.
Vol. 15. No. 4-2023, H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Для того чтобы улучшить производительность схемы 00К, необходимо использовать механизм динамического порога обнаружения ошибок. В работе [15] представлен данный механизм динамического обнаружения ошибок в соответствии с оценкой состояния оптического беспроводного канала связи.
Схема 00К стала очень популярной и практичной за счет низкого энергопотребления, эффективного использования полосы пропускания и простоты конструкции. В работах [16, 17] можно ознакомиться с теоретическими и экспериментальными исследованиями для подводной оптической беспроводной связи.
Позиционно-импульсная модуляция - также одна из самых широко используемых технологий в подводной оптической беспроводной связи. В данной модуляции каждый из М переданных битов в виде импульса в течение 2М временных интервалов, положение которых соответствует отправленному сообщению.
Позиционно-импульсная модуляция позволяет обеспечить более высокую мощность и спектральную эффективность в обмен на более сложный приемопередатчик. Но из-за эффекта дрожания предъявляются жесткие требования к синхронизации, что приводит к снижению производительности. Поэтому традиционно-импульсная модуляция была усовершенствована и получены следующие виды модуляции: дифференциальная позиционно-импульсная модуляция [18], дифференциальная амплитудная позиционно-импульсная модуляция [19] и многие другие. Более подробно можно ознакомиться с аналитическими и экспериментальными исследованиями позиционно-импульсной модуляции для подводной оптической беспроводной связи в работах авторов [20 - 27].
Широтно-импульсная модуляция позволяет уменьшить среднюю мощность светового пучка лазера разделением его на дискретные части. Поэтому широтно-импульсная модуляция снижает пиковую мощность передачи путем распределения общей мощности на М временных интервалов, что обеспечивает более высокую среднюю мощность с увеличением М временных интервалов. Широтно-импульсная модуляция главным образом выгодна из-за своей спектральной эффективности и невосприимчивостью к межсимвольной интерференции.
В цифровой импульсно-интервальной модуляции за импульсами «Вкл» следуют временные интервалы «Выкл», количество которых равно десятичному значению символа передаваемой информации. Более подробно можно ознакомиться в работе [28].
Цифровая импульсно-интервальная модуляция является асинхронным методом модуляции, который также может поддерживать переменную длину символов. Несмотря на то, что цифровая импульсно-интервальная модуляция обеспечивает высокую мощность и спектральную эффективность, она подвержена ошибочному приему информации во время процедуры демодуляции. Более подробно о цифровой импульсно-интервальной модуляции для подводной оптической беспроводной связи можно ознакомиться в работах [29-31].
В отличие от модуляции интенсивности в когерентной модуляции для передачи информации используется как ампли-
тудная, так и фазовая модуляция. В приемнике задающий генератор преобразует оптическую несущую в базовую полосу или радиочастотную промежуточную частоту, которая называется гомодинным и гетеродинным преобразованием, соответственно.
Когерентная модуляция обеспечивает более высокую чувствительность приемника, спектральную эффективность и устойчивость к фоновому шуму, но с дополнительными затратами и сложностью. Для более подробного рассмотрения когерентной модуляции в подводной оптической связи можно ознакомиться с работами [22, 32-34].
В конце статьи хотелось бы уделить внимание источникам шума в оптических беспроводных приемопередатчиках. В работе [35] выявлены следующие источники шума: это темно-вой ток фотодиода, шум передатчика, дробовой (пуассонов-ский) шум, тепловой шум и фоновый шум. Можно отметить то, что на практике темновой ток фотодиода пренебрежительно мал, его влияние можно не учитывать. На передаваемый световой пучок лазера влияет шум передатчика, вызванный колебаниями интенсивности света. Шум передатчика обычно рассчитывается относительным шумом лазера, который оказывает незначительное влияние на производительность приемника [36]. Тепловой шум обычно рассчитывается как гауссовский случайный процесс с нулевым средним значением, который является результатом поведения электронных схем, особенно нагрузочного резистора. Дробовой шум рассчитывается как пуассоновский процесс, который возникает из-за случайных флуктуаций тока фотодиода. Если количество принимаемых фотонов велико, пуассоновский процесс может быть аппроксимирован гауссовским процессом, как для приемников на основе PIN-диодов, так и для приемников на основе лавинных фотодиодов [36, 37].
Фоновый шум сильно зависит от типа воды, глубины расположения оптического беспроводного канала связи и длины волны оптической несущей. В эвфотической зоне солнечная интерференция может рассматриваться как основной источник фонового шума.
Заключение
Проведенный обзор и анализ научных работ зарубежных исследователей показал, что к основным способам организации подводной беспроводной связи можно отнести системы связи с применением акустических, радиочастотных и оптических волн.
Преимуществом подводных акустических и радиочастотных беспроводных сетей является передача информации на дальние расстояния, но при этом они обладают низкой скоростью передачи информации и высокой задержкой. Все эти недостатки компенсирует в себе подводная оптическая беспроводная связь. Она позволяет обеспечить высокие скорости передачи информации с низкой задержкой, а за счет построения по сетевым технологиям - увеличить дальность связи.
Предложенная архитектура подводной оптической беспроводной связи может работать в двух режимах. В первом режиме надводная станция непосредственно устанавливает связь с оптическими узлами. Во втором режиме строится, в
основном, многоуровневая система связи за счет использования оптических точек доступа и/или оптических базовых станций.
Рассмотренные научные исследования показали, что основное и большое влияние на качество и надежность связи оказывает подводная океаническая среда, где находится оптический беспроводной канал связи. Выделяют присущие оптические свойства подводной океанической среды, к которой относятся коэффициенты поглощения, рассеяния и затухания. Все они сильно зависят от химического состава воды океана. И видимые оптические свойства - это такие факторы, как среда и геометрическая структура светового пучка лазера. К ним относятся коэффициенты отражения, излучения и проводимости светового пучка лазера. Каждый из оптических свойств по-своему влияет на источник света и оказывает неблагоприятное воздействие на него.
Показана возможность использования модуляции интенсивности и когерентной модуляции в подводной оптической беспроводной связи. Это позволяет использовать два вида модуляторов, такие как встроенный и внешний модуляторы.
Встроенный модулятор простой в сборке и имеет низкую стоимость, но при этом не обеспечивает связь на дальние расстояния с высокой скоростью передачи информации. Внешний модулятор позволяет обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния, но это приводит к увеличению стоимости оборудования, сложности конструкции и неэффективности использования мощности источника света.
Подводя итог, можно сказать, что систематизация научных работ зарубежных исследователей по подводной оптической беспроводной связи выявила достаточно много проблемных вопросов, которые могут послужить основой для будущих прикладных исследований.
Литература
1. Стоянович М. Последние достижения в области высокоскоростной подводной акустической связи II IEEE Журнал океанической инженерии, том 21, № 2. С. 125-136, Апрель 1996, DOL10.1109/48.486787
2. ЗелинскиА., ЮнЯ.Х., By Л. Анализ эффективности цифровой акустической связи в мелководном канале II IEEE Журнал океанической инженерии, том20, №4. С.293-299, Октябрь 1995, DOI:10.1109/48.468244.
3. Очи X., Ватанабе Е., ШимураТ. Базовое исследование подводной акустической связи с использованием 32-квадратурной амплитудной модуляции II Японский журнал прикладной физики, том 44, № 6S. С. 4689, Июнь 2005, D01:10.1143/JJAP.4
4. Мур Р.К. Радиосвязь в море II IEEE Геология, том 4, № 11. С. 4251, Ноябрь 1967, DOLIO. 1109/MSPEC.1967.5217169/MSPEC.1967.5217169
5. ШоуЭ., Аль-ШаммаА.И., Уайли С.Р., Toan Д. Экспериментальные исследования распространения электромагнитных волн в морской воде II Микроволновая конференция, Сентябрь 2006. С. 572-575, D01:10.1109/EUMC.2006.281456
6. Урибе К., Гроте В. Модель радиосвязи для подводной WSNII 3-я международная конференция по новым технологиям, мобильности и безопасности, Декабрь 2009. С. 1-5, D01:10.1109/NTMS.2009.5384789.
7. Дантли С. Свет в море II Наука об окружающей среде, том 53, № 2. С. 214-233, Февраль 1963, DOI:10.1364/JOSA.53.000214
8. Хэнсон Ф., Радич С. Подводная оптическая связь с высокой пропускной способностью II Прикладная оптика, том. 47, № 2. С. 277-283, Январь 2008, D01:10.1364/A0.47.000277
9. НакамураК., МидзукосиИ., ХанаеаМ. Оптическая беспроводная передача 405 нм, 1,45 Гбит/с оптических сигналов IM/DD-OFDM через подводный канал длиной 4,8 м II Оптика Экспресс, том. 23, № 2. С. 1558-1566, Январь 2015, DOI:10.1364/OE.23.001558
10. Мобли К. Свет и вода: перенос излучения в природных водах II Академическая пресса, 1994.
11. Джонсон Л.Д., Ясман Ф., Грин Р., Лисон М.С. Последние достижения в области подводной оптической беспроводной связи II Подводные технологии Международный журнал подводного общества, том 32, № 3. С. 167-175, Ноябрь 2014, D01:10.3723/ut.32.167.
12. СанчесР., Маккорми Н.Дж. Аналитическая функция распространения луча для приложений океанской оптики II Прикладная оптика, том 41, № 30. С. 6276-6288, Октабрь 2002, D01:10.1364/A0.41.006276.
13. Яруеатанадилок С. Моделирование и оценка производительности подводного беспроводного оптического канала связи с использованием векторной теории переноса излучения II Журнал IEEE по отдельным областям связи, том26, №9. С.1620-1627, Декабрь 2008, D01:10.1109/JSAC.2008.081202.
14. Габриель Ч., ХалигаМ.А., БуреннанС., Леон П., РигаудВ. Соображения о несоосности в подводных беспроводных оптических линиях связи типа "Точка-точка", Конф. OCEAN'S2013, Июнь 2013. С. 1-5,DOI:10.1109/OCEANS-Bergen.2013.6607990.
15. ХалигаМ.А., УйсалМ. Обзор оптической связи в свободном пространстве: перспектива теории связи II Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE, том 16,№4. С. 2231-2258,Июнь2014, DOI:10.1109/COMST.2014.2329501.
16. Ахунди Ф., СалехиДжЛ., ТашакориА. Сотовая подводная беспроводная оптическая сеть CDMA: анализ производительности и концепции внедрения II IEEE Операции по коммуникациям, том 63, №З.С.882-891, Март 2015,DOI:10.1109/TCOMM.2015.2400441.
17. Гассемлуи 3., ПопулаВ., Раджбхандари С. Оптическая беспроводная связь: моделирование системы и канала с помощью MATLAB(R) //СРС, Август2012, D01:10.1201/bl2687.
18. ШиуД.-С., КанДж.М. Дифференциальная импульсно-пози-ционная модуляция для энергоэффективной оптической связи II IEEE Операции по коммуникациям, том 47, № 8. С. 1201-1210, Август 1999,DOI:10.1109/26.780456.
19. Гассемлуи 3., АлдиббиатН.М. Многоуровневая цифровая схема импульсной интервальной модуляции для оптической беспроводной связи II Международная конференция 2006 года по прозрачным оптическим сетям, Ноттингем, Великобритания, Июнь 2006, том 3. С. 149-153, DOI:10.1109/ICTON.2006.248423.
20. Сари X., Вудеорд Б. Подводная голосовая связь с использованием модулированного лазерного луча II Материалы конференции Океаны '98, том 2, Сентябрь 1998. С. 1183-1188, DOI:10.1109/OCEANS.1998.724422.
Vol. 15. No. 4-2023, H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
21. ЧенM., Чжоу С., Ли Т. Реализация PPM в подводной лазерной системе связи II Коммуникации, схемы и системы, 2006 Международная конференция, томЗ, Июнь2006. С. 1901-1903, D01:10.1109/ICCCAS.2006.285044.
22. Мейхонг С., Синьшен Ю., Фенли Ч. Оценка методов модуляции для подводной беспроводной оптической связи II Коммуникационное программное обеспечение и сети ICCSN '09, Февраль 2009. С. 138-142, D01:10.1109/ICCSN.2009.97.
23. АнгитаД., БриззолараД., Породи Г. VHDL моделирование модулей уровня PHY и MAC для подводной оптической беспроводной связи II Материалы 5-й Европейской конференции по схемам и системам связи (ECCSC'10), Белград, Сербия, Ноябрь2010. С. 185-188,DOI:10.1109/ACCESS.2022.3225913.
24. АнгитаД., БриззолараД., Пароди Г. Оптическая беспроводная связь для подводных беспроводных сенсорных сетей: проектирование и реализация аппаратных модулей и схем II OCEANS 2010 MTS/IEEE SEATTLE, Сиэтл, Вашингтон, США, 2010. С. 1-8, DOI:10.1109/OCEANS.2010.5664321.
25. Хагем P.M., ТильД.В., О'Киф С.Г., ФикеншерТ. Оптическая беспроводная связь для обратной связи пловцов в режиме реального времени: обзор II 2012 Международный симпозиум по коммуникациям и информационным технологиям (ISCIT), Голд-Кост, Квинсленд, Австралия, 2012. С. 1080-1085, DOI:10.1109/IS-CIT.2012.6380853.
26. Хе X., Ян Дж. Исследование производительности подводных оптических систем связи M-ary РРМ с использованием теории векторного переноса излучения II ISAPE2012, Сиань, Китай, 2012. С. 566-570, D01:10.1109/ISAPE.2012.6408834.
27. Ceamu П., Принс С. Проблемы проектирования подводной беспроводной оптической системы связи II Международная конференция 2014 года по связи и обработке сигналов, Мелмаруватур, Ин-дия,2014. С. 1440-1445, DOI:10.1109/ICCSP.2014.6950087.
28. Габриель К., ХалигиМ.А., БуреннанС., Леон П., РигаудВ. Исследование подходящих методов модуляции для подводной беспроводной оптической связи //2012 Международный семинар по оптической беспроводной связи (IWOW), Пиза, Италия, 2012. С. 1-3, DOI:10.1109/IWOW.2012.6349691.
29. ДониецМ., Василеску И., ЧитреМ., Детвейлер К., Хофф-манн-Кунт М., Рус Д. AquaOptical: легкое устройство для высокоскоростной подводной связи "точка-точка" на большие расстояния// ОКЕАНЫ 2009, Билокси, Миссисипи, США, 2009. С. 1-6, DOI:10.23919/OCEANS.2009.5422200.
30. Дониец М., Рус Д. Двунаправленная оптическая связь с AquaOptical IIII2010 Международная конференция IEEE по системам связи, Сингапур, 2010. С. 390-394, DOI:10.1109/ICCS.2010.5686513.
31. ДониецМ., Детвейлер К., Василеску И., Рус Д. Использование оптической связи для удаленной работы подводного робота II 2010 Международная конференция IEEE /RSJ по интеллектуальным роботам и системам, Тайбэй, Тайвань, 2010. С. 4017-4022, DOI:10.1109/IROS.2010.5650224.
32. КоченорБ., Маллен Л., ЛауксА. Фазово-когерентная цифровая связь для беспроводных оптических линий связи в мутных подводных средах II OCEANS 2007, Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, 2007. С. 1-5,DOI:10.1109/OCEANS.2007.4449173.
33. Кокс У.К., ХьюзБ.Л., МутДж.Ф. Системауправленияполя-ризацией для подводной оптической связи II ОКЕАНЫ 2009, Билокси, Миссисипи, США, 2009. С. 1-4, DOI:10.23919/OCEANS.2009.5422258.
34. ДонгЮ., ЧжанТ., ЧжанХ. Модуляция положения поляризованного импульса для беспроводной оптической связи II 47-я ежегодная конференция по информационным наукам и системам (CISS) 2013 года, Балтимор, Мэриленд, США, 2013. С. 1-5, DOI:10.1109/CISS.2013.6624253.
35. Гальярди P.M., Карп С. Оптическая связь II Нью-Йорк, Уайли-Интернаука, 1976. 445 c.,DOI:10.1007/l-4020-0613-6_12948.
36. Сюй Ф., ХалигиМ.А., Буреннан С. Влияние различных источников шума на производительность приемников FSO на основе PIN и APD// Материалы 11-й международной конференции по телеком-муникациям,Грац,Австрия, 2011. С. 211-218.
37. Дэвидсон Ф.М., Сан С. Аппроксимация по Гауссу в сравнении с почти точным анализом производительности оптических систем связи с сигнализацией РРМ и приемниками APD II в IEEE Опе-рациипокоммуникациям,том 36,№ 11. С. 1185-1192,Ноябрь 1988, DOI:10.1109/26.8924.
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 15. № 4-2023
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
OVERVIEW OF KEY FEATURES IN THE CONSTRUCTION OF UNDERWATER OPTICAL WIRELESS COMMUNICATION
IVAN I. PAVLOV
St. Petersburg, Russia, iipavlov02@mail.ru MARIA S.PAVLOVA
St. Petersburg, Russia, mspavlova@ngs.ru
EVGENIA S. ABRAMOVA
St. Petersburg, Russia, evgenka_252@mail.ru
SERGEY S. ABRAMOV
St. Petersburg, Russia, abramov@sibsutis.ru
YURIY S. SHCHERBAKOV
St. Petersburg, Russia, ampal55@mail.ru
ABSTRAd
Intoduction: increased interest in the researches of the underwater environment of the oceans is required for the study of flora and fauna, the ocean floor, the search for minerals, monitoring existing oil rigs and other objects in the ocean, collecting the necessary information. All this cannot be done without high-quality and reliable communication in underwater oceanic conditions. Known methods of organizing underwater wireless communication considered communication systems using acoustic, radio frequency and optical waves. Foreign and Russian researchers note that underwater acoustic and radio frequency wireless communication is characterized by a low speed of information transmission and high latency, but at the same time, it allows you to transmit information over long distances. The need for high-speed information transmission has contributed to the development of underwater optical wireless communication. It allows you to organize communication at a high speed of information transmission with low latency over short distances. An increase in the
KEYWORDS: optical wireless communication channel, underwater optical wireless communication, information transfer rate, communication range, laser light beam, type of ocean water, intensity modulation, coherent modulation.
communication range may provided with the help of network technology for building such communication systems. Purpose: the purpose is to review the scientific works of foreign researchers in the analysis of theoretical and experimental research in the field of underwater optical wireless communication. Results: It is shown, that underwater optical wireless communication maybe organized directly between the surface station and optical nodes, or using network technology to build a network to organize a multi-level communication system from the surface station to the optical nodes using optical access points and/or optical base stations. The analysis showed that when organizing underwater optical wireless communication, the main influence on the quality and reliability of communication is directly exerted by the underwater oceanic environment. Practical relevance: of the work lies in the systematization of scientific works of foreign researchers on the problems of underwater optical wireless communication and use as a basis for future applied research.
REFERENCES
1. M. Stojanovic, "Recent advances in high-speed underwater acoustic communications," IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 21. No. 2, pp. 125-136, Apr. 1996, DOI:10.1109/48.486787
2. A. Zielinski, Y.H. Yoon, L. Wu, "Performance analysis of digital acoustic communication in a shallow water channel," IEEE J. Ocean. Eng., vol. 20. No. 4, pp. 293-299, Oct. 1995, DOI: 10.1109/48.468244.
3. H. Ochi, Y. Watanabe, T. Shimura, "Basic Study of Underwater Acoustic Communication Using 32-Quadrature Amplitude Modulation," Japanese J. of App. Physics, vol. 44. No. 6S, p. 4689, Jun. 2005, D0I:10.1143/JJAP.4.
4. R.K. Moore, "Radio communication in the sea," IEEE Spectrum, vol. 4. No. 11, pp. 42-51, Nov. 1967, D0I:10.1109/MSPEC.1967.5217169/MSPEC.1967.5217169.
5. A. Shaw, A.I. Al-Shamma'a, S.R. Wylie, D. Toal, "Experimental investigations of electromagnetic wave propagation in seawater," European Microwave Conf., Sep. 2006, pp. 572-575, D0I:10.1109/EUMC.2006.281456.
6. C. Uribe, W. Grote, "Radio Communication Model for Underwater WSN," 3rd Int. Conf. on New Technologies, Mobility and Security, Dec. 2009, pp. 1-5, D0I:10.1109/NTMS.2009.5384789.
7. S.Q. Duntley, "Light in the sea," J. Opt. Soc. Am., vol. 53. No. 2, pp. 214-233, Feb. 1963, D0I:10.1364/J0SA.53.000214.
8. F. Hanson, S. Radic, "High bandwidth underwater optical communication," Appl. Opt., vol. 47. No. 2, pp. 277-283, Jan. 2008, D0l:10.1364/A0.47.000277.
9. K. Nakamura, I. Mizukoshi, M. Hanawa, "Optical wireless transmission of 405 nm, 1.45 Gbit/s optical IM/DD-OFDM signals through a 4.8 m underwater channel," Opt. Express, vol. 23. No. 2, pp. 15581566, Jan. 2015, DOI:10.1364/OE.23.001558
10. C. Mobley, "Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters," Academic Press, 1994.
11. L.J. Johnson, F. Jasman, R. Green, M.S. Leeson, "Recent advances in underwater optical wireless communications," Underwater Techno., vol. 32. No. 3, pp. 167-175, Nov. 2014, D0I:10.3723/ut.32.167.
12. R. Sanchez, N.J. McCormick, "Analytic beam spread function for ocean optics applications," Appl. Opt., vol. 41. No. 30, pp. 62766288, Oct. 2002, D0I:10.1364/A0.41.006276.
13. S. Jaruwatanadilok, "Underwater wireless optical communication channel modeling and performance evaluation using vector radiative transfer theory," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 26. No. 9, pp. 1620-1627, Dec. 2008, D0I:10.1109/JSAC.2008.081202.
14. C. Gabriel, M.A. Khalighi, S. Bourennane, P. Lon, V. Rigaud, "Misalignment considerations in point-to-point underwater wireless optical links," OCEANS, Jun. 2013, pp. 1-5, D0I:10.1109/0CEANS-Bergen.2013.6607990.
Vol. 15. No. 4-2023, H&ES RESEARCH
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
15. M.A. Khalighi, M. Uysal, "Survey on Free Space Optical Communication: A Communication Theory Perspective," IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 16. No. 4, pp. 2231-2258, Jun. 2014, DOI:10.1109/COMST.2014.2329501.
16. F. Akhoundi, J.A. Salehi, A. Tashakori, "Cellular Underwater Wireless Optical CDMA Network: Performance Analysis and Implementation Concepts," IEEE Trans. Commun., vol. 63. No. 3, pp. 882-891, Mar. 2015, DOI:10.1109/TCOMM.2015.2400441.
17. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, "Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB(R)," CRC, Aug 2012, DOI:10.1201/b12687.
18. D.-S. Shiu, J.M. Kahn, "Differential pulse-position modulation for power-efficient optical communication," IEEE Trans. Commun., vol. 47. No. 8, pp. 1201-1210, Aug. 1999, DOI:10.1109/26.780456.
19. Z. Ghassemlooy, N.M. Aldibbiat, "Multilevel digital pulse interval modulation scheme for optical wireless communications," Int. Conf. on Transparent Opt. Netw., vol. 3, pp. 149-153, Jun. 2006, DOI:10.1109/ICTON.2006.248423.
20. H. Sari, B. Woodward, "Underwater voice communications using a modulated laser beam," OCEANS '98 Conference Proceedings, vol. 2, Sep. 1998, pp. 1183-1188, DOI:10.1109/OCEANS.1998.724422.
21. M. Chen, S. Zhou, T. Li, "The Implementation of PPM in Underwater Laser Communication System," Communications, Circuits and Systems Proceedings, 2006 International, vol. 3, Jun. 2006, pp. 1901-1903, DOI:10.1109/ICCCAS.2006.285044.
22. S. Meihong, Y. Xinsheng, Z. Fengli, "The evaluation of modulation techniques for underwater wireless optical communications," Communication Software and Networks, ICCSN '09, Feb. 2009, pp. 138-142, DOI:10.1109/ICCSN.2009.97.
23. D. Anguita , D. Brizzolara, G. Parodi, "VHDL modeling of PHY and MAC Layer modules for underwater optical wireless communication," Proceedings of Papers 5th European Conference on Circuits and Systems for Communications (ECCSC'10), Belgrade, Serbia, Nov. 2010, pp. 185-188, DOI:10.1109/ACCESS.2022.3225913.
24. D. Anguita, D. Brizzolara, G. Parodi, "Optical wireless communication for underwater Wireless Sensor Networks: Hardware modules and circuits design and implementation," OCEANS 2010 MTS/IEEE SEATTLE, Seattle, WA, USA, 2010, pp. 1-8, DOI:10.1109/OCEANS.2010.5664321.
25. R.M. Hagem, D.V. Thiel, S.G. O'Keefe, T. Fickenscher, "Optical wireless communication for real time swimmers feedback: A review," 2012 International Symposium on Communications and Information Technologies (ISCIT), Gold Coast, QLD, Australia, 2012, pp. 10801085, DOI:10.1109/ISCIT.2012.6380853.
26. X. He, J. Yan, "Study on performance of M-ary PPM underwater optical communication Systems using vector radiative transfer theory,"
pp.
566-570,
ISAPE2012, Xi'an, China, 2012, DOI:10.1109/ISAPE.2012.6408834.
27. P. Swathi, S. Prince, "Designing issues in design of underwater wireless optical communication system," 2014 International Conference on Communication and Signal Processing, Melmaruvathur, India, 2014, pp. 1440-1445, DOI:10.1109/ICCSP.2014.6950087.
28. C. Gabriel, M.A. Khalighi, S. Bourennane, P. Lon, V. Rigaud, "Investigation of suitable modulation techniques for underwater wireless optical communication," 2012 International Workshop on Optical Wireless Communications (IWOW), Pisa, Italy, 2012, pp. 1-3, DOI:10.1109/IWOW.2012.6349691.
29. M. Doniec, I. Vasilescu, M. Chitre, C. Detweiler, M. Hoffmann-Kuhnt, D. Rus, "Aquaoptical: A lightweight device for high-rate longrange underwater point-to-point communication," OCEANS 2009, Biloxi, MS, USA, 2009, pp. 1-6, DOI:10.23919/OCEANS.2009.5422200.
30. M. Doniec, D. Rus, "BiDirectional optical communication with AquaOptical II," 2010 IEEE International Conference on Communication Systems, Singapore, 2010, pp. 390-394, DOI:10.1109/ICCS.2010.5686513.
31. M. Doniec, C. Detweiler, I. Vasilescu, D. Rus, "Using optical communication for remote underwater robot operation," 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Taipei, Taiwan, 2010, pp. 4017-4022, DOI:10.1109/IROS.2010.5650224.
32. B. Cochenour, L. Mullen, A. Laux, "Phase coherent digital communications for wireless optical links in turbid underwater environments," OCEANS 2007, Vancouver, BC, Canada, 2007, pp. 1-5, DOI:10.1109/OCEANS.2007.4449173.
33. W.C. Cox, B.L. Hughes, J.F. Muth, "A polarization shiftkeying system for underwater optical communications," OCEANS2009, Biloxi, MS, USA, 2009, pp. 1-4, DOI:10.23919/OCEANS.2009.5422258.
34. Y. Dong, T. Zhang, X. Zhang, "Polarized pulse position modulation for wireless optical communications," 2013 47th Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS), Baltimore, MD, USA, 2013, pp. 1-5, DOI:10.1109/CISS.2013.6624253.
35. R.M. Gagliardi, S. Karp, "Optical Communications," New York, Wiley-Interscience, 1976. 445 p., DOI:10.1007/1-4020-0613-6_12948.
36. F. Xu, M.A. Khalighi, S. Bourennane, "Impact of different noise sources on the performance of PIN- and APD-based FSO receivers," Proceedings of the 11th International Conference on Telecommunications, Graz, Austria, 2011, pp. 211-218.
37. F.M. Davidson, X. Sun, "Gaussian approximation versus nearly exact performance analysis of optical communication systems with ppm signaling and apd receivers," IEEE Transactions on Communications, vol. 36. No. 11, pp. 1185-1192, Nov. 1988, DOI:10.1109/26.8924.
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Ivan I.Pavlov, PhD, docent, associate Professor at the Department of "Radio engineering devices and technosphere security", federal state institution of higher education "Siberian state university of telecommunication and information science", Novosibirsk, Russia, iipavlov02@mail.ru Maria S.Pavlova, PhD, associate Professor at the Department of "Radio engineering devices and technosphere security", federal state institution of higher education "Siberian state university of telecommunication and information science", Novosibirsk, Russia, mspavlova@ngs.ru Evgenia S.Abramova, PhD, docent, associate Professor at the Department of "Radio engineering devices and technosphere security", federal state institution of higher education "Siberian state university of telecommunication and information science", Novosibirsk, Russia, evgenka_252@mail.ru
Sergey S.Abramov, PhD, docent, head of the department of "Radio engineering devices and technosphere security", federal state institution of higher education "Siberian state university of telecommunication and information science", Novosibirsk, Russia, abramov@sibsutis.ru Yuriy S.Shcherbakov, PhD, docent, associate Professor at the Department of "Radio engineering devices and technosphere security", federal state institution of higher education "Siberian state university of telecommunication and information science", Novosibirsk, Russia, ampal55@mail.ru
For citation: Pavlov I.I, Pavlova M.S., Abramova E.S., Shcherbakov Yu.S., Shcherbakov Yu.S. Overview of key features in the construction of underwater optical wireless communication. H&ES Reserch. 2023. Vol. 15. No. 4. P. 14-25. doi: 10.36724/2409-5419-2023-15-4-14-25 (In Rus)
