CC BY
202
УДК 656
ОБЗОР ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ПОДВОДНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ И ПРЕДЛАГАЕМЫХ АРХИТЕКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ
РЕАЛИЗАЦИИ
Громашева О.С., к.т.н., с.н.с., Тихоокеанский океанологический институт им.В.И.Ильичева ДВО РАН,
e-mail: gromasheva@poi.dvo.ru Каменная Е.В., аспирантка 1 года обучения, ФГБОУ ВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И.
Невельского», e-mail: jen_s07@mail.ru Леонтьева Н.А., аспирантка 2 года обучения ФГБОУ ВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И.
Невельского», e-mail: nettelilan@mail.ru
Щербинина И.А., к.пед. н., ФГБОУ ВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail:
shcherbinina@msun.ru
Традиционное оборудование и протоколы локализации наземной беспроводной сети не удовлетворяют требованиям подводных сетей, которые должны функционировать в сложных условиях морской среды, а, следовательно, для организации работы подводного оборудования нужны новые технологии. В настоящее время ведутся активные разработки подводных акустических сенсорных сетей (ПАСС). Задачи применения технологий ПАСС требуют дополнительных исследований, так как в подводной сети применяется акустическая связь. Использование акустического канала для связи в ПАСС требует изучения его характеристик и свойств, а также их изменчивости в зависимости от морской среды. Важной задачей разработки ПАСС является создание новых архитектур и протоколов.
Ключевые слова: подводная акустическая сенсорная сеть, оборудование, морская среда.
OVERVIEW OF OPPORTUNITIES UNDERWATER ACOUSTIC SENSOR NETWORKS ARCHITECTURAL AND PROPOSED SOLUTIONS IMPLEMENTATION
Gromasheva O., Ph.D., Pacific Oceanological Institute under the name of V.I. Ilichev, e-mail: gromasheva@poi.dvo.ru Kamennaya E., the post-graduate student, FSEIHPE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi»,
e-mail: jen_s07@mail.ru
Leonteva N., the post-graduate student, FSEI HPE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi»,
e-mail: nettelilan@mail.ru
Sherbinina I., Ph.D., FSEI HPE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: shcherbinina@msun.ru
Traditional equipment and localization protocols terrestrial wireless network does not meet the requirements of submarine networks, which have to function in difficult conditions of the marine environment and, consequently, for the organization of the diving equipment we need new technologies. The active development of underwater acoustic sensor networks is currently underway (PASS). Tasks PASS application technologies require additional research, as in underwater acoustic communication network is used. Use of an acoustic channel for communication PASS requires examining its characteristics and properties, and their variability depending on the marine environment. An important task of the development of PASS is to create new architectures and protocols.
Keywords: underwater acoustic sensor network, equipment, marine environments.
Современные технологии использования подводных акустических сенсорных сетей (ПАСС) предлагают новые возможности исследования Мирового океана. Системы мониторинга океанографических параметров, применяемые последние десятилетия, используют традиционную схему сбора данных, основанную на отдельных элементах (станциях, датчиках, специальных океанологических буях). Каждый отдельный элемент системы наблюдения измеряет и регистрирует данные из окружающей среды и отправляет их на береговую станцию или на судно, используя при этом кабельную или спутниковую связь. В ПАСС эти элементы заменяются на более компактные по габаритам и менее дорогостоящие устройства (сенсорные узлы), которые снабжены множеством датчиков (температуры, солености, давления, скорости и т.д.). При этом связь между подводными сенсорными узлам осуществляется с помощью акустических сигналов.
Применение ПАСС позволяет решать проблемы безопасности судоходства, осуществлять экологический мониторинг, необходимый для понимания причин изменения климата, проводить исследования процессов загрязнения водной среды, наблюдения за популяциями морских животных как на коралловых рифах, так в арктических акваториях. Использование подводных сетей при мониторинге добычи углеводородов с помощью нефтяных платформ, расположенных на шельфе в разных районах Мирового океана, может предотвратить последствия катастроф, связанных с авариями при добыче нефти и газа. Кроме того, данные технологии могут использоваться в системах предупреждения о землетрясениях и цунами.
Необходимо отметить, что сейчас, когда ведутся разработки проектов подготовки к сетецентрическим войнам, важным вопросом применения ПАСС-технологий является их использование в военных целях. Подводная сеть может усилить военные возможности военно-морских ведомств, так как может быть использована для наблюдения, определения местоположения подлодок, организации минных контрмер и операций на вражеской территории. Последние 5 лет возрос интерес к ПАСС-технологиям Управления военно-морских исследований ВМС США. В стратегически важных районах Мирового океана ВМС США устанавливают системы и средства подводного наблюдения, интегрируемые с носителями морского подводного оружия, компьютерными системами в единой информационно-ударной боевой сети ForceNet [2]. АРХИТЕКТУРА ПАСС
На данном этапе развития существующие архитектуры ПАСС можно классифицировать по типу движения и по пространственному расположению. По возможности движения архитектуру ПАСС можно определить как:
- стационарные;
- мобильные;
- гибридные системы.
По пространственному расположению архитектуры ПАСС различаются зоной покрытия:
- двухмерные;
- трёхмерные системы.
В стационарных подводных сетях сенсорные узлы установлены на закреплённых буях или неподвижных платформах морского дна. Стационарные ПАСС используются при мониторинге отдельных акваторий, например гавани, залива или порта.
В мобильных подводных сетях сенсоры могут иметь разные схемы движения. Неуправляемые сенсорные узлы свободно дрейфуют под водой под воздействием различных естественных факторов, например, океанских течений. К таким устройствам относятся дрифтеры, океанографические и радиоакустические буи, погружные зонды, станции и планеры. Планеры двигаются за счёт аэродинамической подъёмной силы течений, могут менять относительную глубину погружения и преодолевать значительные расстояния благодаря особой конструкции крыльев.
Узлы сети, оборудованные винтовыми устройствами, которые часто называют мобильными, могут передвигаться под управлением инерционных навигационных устройств. Примерами такого оборудования служат автономные подводные АПА и необитаемые подводные аппараты (НПА). Это оборудование применяются в океанологии для измерения данных на различных глубинах океанской среды. Дрейфующие устройства используются на поверхности воды и передвигаются под воздействием ветра и волн, в то время как погружные буи позволяют проводить измерения на нескольких сотнях метров под водой. Погружные буи также дрейфуют в глубинных течениях, но благодаря особенностям конструкции, за счёт изменения параметров плавучести у них есть способность изменять глубину погружения.
В гибридных ПАСС присутствуют и стационарные, и мобильные узлы. В гибридная архитектура подразумевает использование мобильных узлов в качестве приёмника для сбора данных с подводных стационарных сенсорных узлов сети.
Все рассмотренные архитектуры ПАСС используют устройства для измерений на глубине и оправляют полученную информацию на береговую станцию по акустическому каналу, часто использованием спутниковой связи.
При классификации архитектуры ПАСС по пространственному расположению рассматриваются 2-мерные и 3-мерные модели. В двухмерной ПАСС все сенсорные узлы располагаются на одной плоскости, занимают положение на заданной глубине: поверхности, на дне или в толще воды.
В трёхмерной ПАСС сенсорные узлы могут располагаться на произвольной глубине. Стационарная подводная сеть подразумевает в основном, двухмерную архитектуру, так как сенсорные узлы располагаются на поверхностных буях или на донных стационарных платформах. Однако, в работе [2] авторы используют стационарные поверхностные буи с привязанными сенсорными узлами, где длина привязки может изменяться, тем самым создавая сеть с трёхмерной архитектурой.
Из-за отсутствия стандартов в системе разработки ПАСС и наличия большого количества специфических приложений, подводные сенсорные сети могут использовать и более сложную архитектуру. Более детальное исследование архитектур подводных сетей связанно с использованием схем взаимодействия и методов локализации - определения местоположения отдельных узлов сети. Например, для двумерной стационарной ПАСС с узлами на закреплённых донных платформах, определение локализации не требуется, так как местоположение узлов заранее определено. Для такой же подводной сети, но с узлами, находящимися на поверхности, для локализации может использоваться система GPS. В отличие от стационарных, для мобильных ПАСС необходимо периодическое определение местоположения узлов, но использование методов позиционирования - протоколов локализации -требует относительно высоких расходов. Таким образом, метод локализации зависит от выбора архитектуры. Нужно отметить, что существуют методы определения местоположения, независящие от типа архитектуры.
Решение задачи позиционирования узлов сети - определение местоположения и координация движения подводных узлов сети - необходимо для корректировки полученных данных, локализации опорных точек (маркеров) сети, отслеживания перемещений подводных узлов. Кроме того, информация о локализации элементов сети является основой для протоколов маршрутизации и доступа к данным.
В беспроводных сенсорных сетях локализация проводится на основе данных об измерениях углов и расстояний между узлами сети с использованием следующих методов, основывающихся на:
- индикации уровня принимаемого сигнала, основанного на оценке расстояний, рассчитанных по разнице мощности отправленного и полученного сигналов (предполагается, что свойства передающей среды известны или заданы);
- оценки угла прихода, когда определяется угол между траекторией сигнала и заданным направлением;
- по временной задержке между двумя приходящими сигналами, могут применяться радио- и акустические сигналы;
- по времени прихода сигнала, когда используются расстояния, рассчитанные по данным одностороннего измерения дальности и скорости сигналов, приходящих к синхронизированным узлам; при отсутствии синхронизации узлов среднее двухстороннего измерения (полный обход) используется для оценки пути; двухстороннее измерение вычисляется через временную задержку между посылаемым пакетом коротких импульсов и полученным откликом; для метода двухстороннего измерения не нужна синхронизация узлов, однако, для ассиметричных каналов этот метод может давать неточные результаты; в наземных беспроводных сенсорных сетях для локализации этим методом используются радиосигналы, дающие возможность проводить точную оценку времени прихода сигналов; значительная скорость распространения сигналов в воздушной среде требует моделирования устройств оценки значений временных значений (таймеров) высокого разрешения, так световой импульс проходит расстояние в 10 метров примерно за 33 наносекунды.
В ПАСС более предпочтителен метод локализации по времени прихода сигнала, так как скорость звука в воде ниже, чем в воздухе. Метод индикации уровня принимаемого сигнала неудобен из-за предсказуемых потерь, а параметры подводного оборудования не могут обеспечить необходимую точность. Использование метода оценки угла прихода в ПАСС не приобрело широкого применения из-за размеров и высокой стоимости направленных антенн. Метод измерения расстояний также недостаточно точен, в нём используют оценочную схему по устранению погрешностей. Широкое распространение получил алгоритм оценивания по методу наименьших квадратов.
Примером реализованной крупномасштабной беспроводной подводной сети является Seaweb. Она разрабатывалась в ВМС США, начиная с 1980х годов. Состоит из автономных подводных аппаратов (АПА), глайдеров (дронов, БПЛА), буёв, усилителей (повторителей) и сопровождающих судов, на которых установлено коммуникационное оборудование для связи по спутнику, телесонару (теле-гидролокатору) или радиоканалу (Рис. 1). Телесонар используется для связи под водой, радиоканал только для связи с оборудованием, находящимся на поверхности, спутниковая линия - для связи с береговым командным центром или с кораблём.
В обычных океанографических системах для локализации в основном используют два подхода:
- линия с короткой базой (SBL), когда судно следует за подводным оборудованием и использует коротковолновые акустические излучатели;
- линия с длинной базой (LBL), когда используется любой ретранслятор, установленный на дне или на поверхности в зоне проведения измерений.
Оба метода не нашли применения в ПАСС, так как LBL использует длинноволновые сигналы, которые создают помехи и не подходят для коммуникации между подводными сенсорными узлами, а для SBL необходимо обеспечивающее судно, что неприменимо для крупномасштабных мобильных ПАСС.
В настоящее время идут разработки альтернативных методов. Например, интеллектуальный буй с GPS (GIB), разработанный для слежения за отдельными элементами системы (АПА, дайверами и др.). GIB оснащены приёмником GPS и гидрофоном,
которые принимают сигналы от устройств и оценивают расстояние до них по задержкам времени прихода сигнала. С заданной периодичностью GIB оправляют вычисленные расстояния и свои координаты на центральный управляющий пост, где рассчитывают местоположение оборудования с точной географической привязкой. Центральный пост управления может быть расположен либо на берегу, либо на сопровождающем судне. Интеллектуальный буй GIB не подходит для применения в ПАСС по нескольким причинам. Во-первых, подводные устройства должны постоянно излучать сигналы, чтобы их отследил буй, что очень затратно по энергоресурсам, особенно при излучении длинноволновых сигналов. Во-вторых, при использовании коротковолновой связи требуется большое количество буев. В данном случае GIB только посылает на центральный пост значения расстояний между элементами системы, но в силу односторонности канала передачи информации не имеет возможности обменяться данными о локализации с узлами сети.
Рис. 1. Сеть 8еа«геЪ в восточной части Мексиканского залива, включающая 3 АПА, 6 узлов повторителя и 2 поверхностных буя
Проблемы ПАСС и подводной коммуникации
Применение акустических сигналов для связи между подводными сенсорными узлами определяется многими факторами. Под водой радиосигналы быстро затухают и распространяются только на короткие расстояния. При использовании радиосигналов необходимо, чтобы узлы ПАСС находились близко к поверхности морской воды, хотя недавние исследования показали перспективы использования радиосигналов глубоко под водой. Оптические модемы могут достигать скорости передачи данных до нескольких Мб/с на расстояние около 100 м только при высокой прозрачности водной среды. Однако на практике тяжело создать такие условия, и оптические сигналы подвергаются поглощению и рассеиванию на больших расстояниях.
По сравнению с радио- и оптическими сигналами акустические сигналы затухают медленнее и могут преодолевать большие расстояния. Скорость распространения звука в морской среде по сравнению со скоростью звука в воздухе значительно выше (Н"1500 м/с), поэтому можно провести достаточно точные измерения задержки прихода сигналов. Значения скорости звука в воде зависит в основном от плотности воды и её температуры, поэтому характеризуется пространственно-временной изменчивостью. Акустическое информационное поле является одним из наиболее эффективных полей, поэтому связь по акустическому каналу наиболее подходит для подводной коммуникации. Однако пропускная способность акустического канала небольшая, следовательно, скорость передачи данных достаточно низкая. Скорость передачи данных может быть увеличена, если использовать близкодействующую коммуникацию, при которой потребуется большое число сенсорных узлов, чтобы достичь определённого уровня подключения и площади охвата. В этом случае ПАСС только усложняет коммуникацию и работу сетевых протоколов. Более того, акустический канал обладает низким качеством связи из-за многолучевого распространения и временной изменчивости характеристик передающей среды. Не менее сложной проблемой является то, что в мобильных подводных сетях относительное движение передатчика и приёмника может привести к возникновению эффекта Доплера. Важной технической задачей является повышение ограниченного энергоресурса ПАСС.
Из-за этих сложностей, подводные сети нуждаются в разработке новых доступов к носителям, новых типов соединения и видов транспортировки. Методологически необходимы новые проекты локализации, протоколов синхронизации и архитектур. Существует много вариантов сетевых протоколов и протоколов управления, которые тесно связаны с сетевой архитектурой.
Характеристики акустического канала могут быть описаны в зависимости от различных параметров.
Обозначим
W.
мощность акустического излучения источника звука. Для ненаправленного источника
W„
2nP2
рс
P - а
где 1 - амплитуда давления, создаваемого источником на расстоянии 1 м. Отсюда
«Ч Чг.
тз
Амплитуда сигнала при распространении на расстояние Л уменьшается как вследствие расхождения фронта волны, так и вследствие частотно зависимого затухания звука в морской среде. Ослабление сигнала за счёт расхождения фронта волны учитывается коэффициентом
^ , где - фактор фокусировки для луча, по которому распространяется сигнал. Если расстояние измеряется в км, то этот
коэффициент будет равен
Ослабление сигнала из-за затухания звука описывается коэффициентом затухания
в С/о) = о,озб/03'2
дБ/км,
/
где " - несущая частота сигнала в кГц.
! 0-0,0018/03,2Д
Таким образом, уменьшение амплитуды сигнала вследствие затухания можно учитывать коэффициентом На практике часто используются выражения для оценки коэффициента поглощения а(/) , найденные эмпирически:
й / Г
- для заданных значении частоты в диапазоне нескольких сотен 1 ц:
/ + ЛЛ / 7С-1А-4 У2
101о§ (/) ~ 0,003 + ОД 1—^—- + 44-±-- + 2,75'10 /
' 1 + /2 4100+ /
/:
- для низких значении частоты
101оё й (/) - 0,002 + ОД1 + 0,011/2
где / даётся в кГц и а(/) измеряется в дБ/км.
Для передачи информации на большие расстояния (10-100 км) в ПАСС пропускная способность акустического канала ограничена несколькими кГц. Для меньшего (1-10 км), она достигает десятков кГц. При дистанциях менее 100 метров пропускная способность достигает сотен кГц. Из-за низкой пропускной способности акустического канала, скорость передачи данных также невелика. Максимально достижимая скорость передачи данных в акустическом канале ограничена диапазоном примерно 40 км/кбит. В настоящее время исследуются коротко-диапазонные акустические модемы с улучшенной модуляцией для увеличения скорости передачи данных в ПАСС.
Акустический канал также подвержен влиянию многолучевого распространения акустического сигнала и временной изменчивости водной среды. Главной причиной возникновения многолучевого распространения является отражение от морской поверхности и дна, а также стратификация морской среды. К тому же, колебания температуры и проводимости (солёности) формируют слоистую структуру водной среды. Границы раздела слоёв обладают отражающими и преломляющими свойствами и способствуют возникновению многолучевого распространения/рассеивания. Временная изменчивость, в основном, возникает из-за поверхностных волн, которые смещают точки отражения. В результате низкое качество связи приводит к высокому уровню коэффициента ошибок по битам (ВЕЯ). БЕЯ может достигать значений, равных 10-2, хотя в новых акустических модемах этот показатель меньше. Качество связи акустического канала зависит также от направления коммуникации (горизонтального или вертикального) и от глубины размещения сети. Причём, вертикальный канал меньше подвержен рассеиванию, чем горизонтальный, а на мелководье рассеивание более выражено из-за морского дна и поверхности.
К перечисленным выше проблемам в мобильных подводных системах добавляются следующие сложности:
- подвижность сенсорных узлов может вызвать эффект Доплера, возникающий при относительном движении приёмника и передатчика; мобильные платформы, такие как АПА, способны двигаться со скоростью в несколько морских узлов, в то время как неуправляемые дрейфующие устройства двигаются со скоростью морских течений, скорость которых зачастую меньше 1 морского узла;
- мобильность приводит к большим затратам энергоресурсов и высокой стоимости системы; эффективное использование энергии должно обеспечивать работоспособность оборудования на протяжении нескольких недель и месяцев, пока блоки питания (аккумуляторы, батареи) устройств не будут перезаряжены и направлены на новый этап мониторинга.
Таким образом, задача разработки архитектуры подводной акустической сенсорной сети, актуальна для успешного освоения энергетических, минеральных и биологических ресурсов Мирового океана, повышения безопасности морского судоходства, защиты акваторий портов.
Литература:
1. Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С., Л.Ю.Бочаров Угроза из глубины: XXI век. - Хабаровск: КГУП «Хабаровская краевая типография», 304с.
2. Материалы международной конференции «Инжиниринг & Телекоммуникации - Еп&Т 2014» 26 ноября 2014 г., МФТИ
3. В. В. Коваленко, В. Ю. Корчак, А. И. Хилько, В. Л. Чулков Вопросы противодействия сетевым системам подводного наблюдения и обеспечения их безопасности - Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2015. Т. 8, № 4
4. Громашева О.С.,Бачинский К.В., Кошелева А.В и др. Определение взаимосвязи изменения параметров акустических сигналов и гидрофизических характеристик морской среды / Океанологические исследования дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана: в 2кн. / ТОИ ДВО РАН Кн.2. - Владивосток: Дальнаука, 2013. с.241-251.
