CC BY
122
Физические поля корабля, океана и атмосферы
DOI: https://doi.org/10.24866/2227-6858/2021-2-5 УДК 621.396.944
А.А. Власов, А.Ю. Родионов
ВЛАСОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ - соискатель (автор [email protected]. ru
РОДИОНОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ - к.ф.-м.н., доцент, SPIN [email protected] Политехнический институт Дальневосточный федеральный университет Владивосток, Россия
Перспективы использования систем подводной коммуникации на основе магнитной индукции (обзор)
Аннотация: Представлен обзор открытых исследований по техническим системам, использующим магнитно-индуктивную связь для практического применения в пресных и морских акваториях. Предпринят анализ современных лабораторных и опытно -технических разработок зарубежных и российских научных коллективов. Рассмотрены вопросы перспектив реализации технологии магнитно-индуктивной связи и определены основные направления ее развития. Приведены предполагаемые характеристики и параметры разрабатываемых систем передачи данных на основе этой технологии, выделены принципиальные проблемы и обозначены способы их решения на стадии проектирования.
Ключевые слова: магнитная индукция, подводная связь, ферритовые антенны, ближнепольная магнитная связь, проницаемость, каналы подводной связи
Введение
Системы мониторинга, основанного на беспроводной передаче информации в водной среде, позволяют улучшить широко распространенные способы сбора научных данных, повысить эффективность контроля загрязнения среды, увеличить объем и достоверность поступающей информации о глобальном изменении климата. Такие системы обеспечат более точное обнаружение различных объектов на дне океана и передачу качественных изображений в реальном времени.
В настоящее время реализуются разнообразные глобальные проекты по наблюдению за морем. Так, межконтинентальный план EMSO (European Multidisciplinary Seafloor Observatory) был запущен Европейским Союзом для определения биогеохимических параметров океанов и мониторинга морской среды (Северный Ледовитый океан, Атлантический океан, Средиземное и Черное моря). Соединенные Штаты Америки и Канада начали реализовывать проекты IOOS (Intergrated Ocean Observing System) и NEPTUNE-Canada в своих территориальных водах с целью создания интегрированной и стабильной системы наблюдения за Мировым океаном. Китай также объявил о создании сети подводных научных наблюдений с предварительным охватом акваторий Восточного и Южного морей.
За исключением создания вышеупомянутых региональных структур морских наблюдений, некоторые страны и организации дополнительно проводят работы по созданию глобальных морских информационных сетей (ГМИН). Они будут нацелены на обеспечение
, ответственный за переписку), : 1279-9416,
© Власов А.А., Родионов А.Ю., 2021 Статья: поступила: 18.03.2021; рецензия: университет.
07.04.2021; финансирование: Дальневосточный федеральный
беспрепятственного наблюдения и функционирования инфраструктуры связи по всему Мировому океану с объектами в космосе и на суше. Например, США приступили к осуществлению плана OOI (Ocean Observatories Initiative) по созданию глобальной сети наблюдения и передачи данных для сбора различных типов информации о морях и океанах. Межправительственная океанографическая комиссия (МОК) также инициировала план глобальной системы наблюдения за океаном (ГСНО), охватывающий океанографический компонент Глобальной системы наблюдения Земли (ГЕОСС). Другой международный проект под названием «Арго», запущенный 27 странами, пытается использовать сети надводных буев для сбора информации о температуре, солености и других полезных данных в свободных ото льда океанах. К началу 2021 г. в Китае успешно завершено интегрирование сетей космической связи с инфраструктурой объектов мобильной связи и другими телекоммуникационными структурами различного типа и назначения (включая морские информационные сети) для предоставления широкого спектра информационных и коммуникационных услуг. Предполагается, что создание разнообразных ГМИН будет способствовать изучению и освоению Мирового океана, что позволит решать задачи оборонного и гражданского направления [18]. В табл. 1 перечислены и сопоставлены некоторые проекты по исследованию Мирового океана.
Таблица 1
Краткие выкладки известных морских технических проектов в мире [19]
Проекты и планы Год Страны/ организации Покрытие регионов Цели
ГСНО 1991 Межправительственная океанографическая комиссия (МОК) Мировой океан Координация наблюдений за климатом и экологической обстановкой Мирового океана в реальном времени
Арго 1994 27 стран (Аргентина, Австралия, Бразилия и др.) Свободные ото льда океаны Построение и развертывание операционных центров системы глобального мониторинга
ЮOS 2001 США Мировой океан Непрерывная передача информации для последующего детального анализа о текущих и будущих состояниях Мирового океана
EMSO 2006 Европейский Союз Северный Ледовитый океан Обеспечение интерактивного и постоянного мониторинга процессов в океане
OOI 2006 США Мировой океан Обеспечение организационной инфраструктуры для наблюдения за океаном, прогнозирование изменений в морской среде, содействие научному сотрудничеству
Интегрированное пространство Земля -информационные сети 2016 Китай Мировой океан, континенты и космическое пространство Интеграция систем наземных и морских информационных сетей
NEPTUNE-Canada 2016 Канада Северный Ледовитый океан, восточное и западное побережья Канады Обеспечение сетевого доступа к информационным ресурсам системы для научных экспериментов
Национальная сеть наблюдений морской среды 2016 Китай Восточное море и Южное море Реализация подводных наблюдений с высоким разрешением в реальном времени
Сравнение параметров основных видов связи
для исследований океана
На практике большая часть работ по организации каналов подводных связей главным образом была реализована через акустические виды связи. Акустическая связь характерна многими известными ограничениями, такими как высокие задержки распространения сигнала, весьма низкая емкость передаваемых данных, сильная зависимость канала от физических свойств и состояния среды распространения. Реализация подводной связи с помощью магнитной индукции (МИ), в отличие от традиционных способов (посредством распространения электромагнитных (ЭМ) или акустических волн), обладает уникальными и перспективными функциями, такими как:
- незначительная задержка распространения сигнала;
- стабильное поведение канала;
- достаточно широкий диапазон связи с приемлемой шириной полосы частот;
- низкие показатели шума канала МИ-связи;
- закрытый характер канала связи, что затрудняет его перехват и детектирование.
Стоит отметить, что для ЭМ-волн характерна большая степень затухания под водой, что
сильно ограничивает возможности связи, а с ростом частоты падает эффективное расстояние передачи информации. Чтобы увеличить дальность низкочастотной ЭМ-связи, необходимы антенны больших размеров, но они мало подходят для компактных подводных объектов. Например, для рабочей частоты 50 МГц размер антенны ЭМ-передатчика будет около двух метров.
МИ-волны под водой распространяются со скоростью 3,33 107 м/с и с незначительными задержками, в отличие от акустических волн, распространяющихся со скоростью 1500 м/с под водой. Эта чрезвычайно высокая скорость распространения МИ-волн позволит ощутимо улучшить эффективность обмена информацией в системах подводных коммуникаций, облегчит проектирование и реализацию подводных сетевых протоколов, поспособствует созданию подводных сетевых сервисов (например, локальных сетей). Кроме того, методы синхронизации физического уровня в среде с использованием беспроводных устройств становятся простыми и надежными благодаря малой задержке при стабильном поведении основных параметров канала.
Таблица 2
Сравнение подводной МИ-, ЭМ-, акустической и оптической видов связи [8]
Вид связи Скорость распространения сигнала, Диапазон скорости передачи Дальность связи, м Зависимость канала от свойств среды распространения Возможность скрытности связи и демаскиру-
м/с данных ющие свойства
Магнитно-индуктивная 7 3,3-10' Мбит/с 10-100 Проводимость Да
Электромагнитная 3,3-10' Мбит/с 0,1-10 Проводимость и многолучевость Да
Акустическая 1,5103 Кбит/с 103 Многолучевость, эффект Доплера, давление, уровень солености, уровень загрязнения Звуковой
Прозрачность,
Оптическая 3,3-10' Мбит/с 10-100 прямая видимость, уровень освещенности Визуальный
Предсказуемость и стабильность канала может быть достигнута благодаря тому, что значение реактивного сопротивления у катушки значительно меньше, чем значение реактивного сопротивления у антенны-диполя, а потому очень малая часть энергии передается на
большие расстояния в виде магнитного поля катушки. По сравнению с акустической связью многолучевое замирание не является проблемой для подводной связи на основе МИ-технологии. Кроме того, из-за высокой скорости распространения МИ-волны сдвиги частот, вызванные эффектом Доплера, будут несущественны. Стоит добавить, что акустические и электромагнитные шумы слабо влияют на МИ-канал, поскольку высокочастотный шум поглощается водной средой (табл. 2).
Преимущества МИ-каналов связи
Достаточно большой диапазон связи с высокой скоростью передачи данных становится возможен в МИ-каналах, так как передача и прием осуществляются с помощью пары катушек малого размера в качестве антенн, кроме того, в МИ-связи нет ограничений по минимальной частоте, на которой антенна не способна работать. С одной стороны, переменное магнитное поле может быть сгенерировано, каким бы малым не был размер катушки на МИ-передатчике, с другой - пока магнитный поток пронизывает катушку, МИ-приемник будет способен принимать сигнал, даже если значение частоты меньше одного мегагерца. Это свойство позволит любой антенне малых размеров в виде катушки генерировать низкочастотные МИ-сигналы, которые сделают возможным ведение связи на достаточно большие расстояния небольшим подводным объектам. Кроме того, рабочая частота МИ-катушки может достигнуть мегагерцо-вого диапазона при условии обеспечения достоверности и стабильного качества каналов, что способствует установлению связи с более высокими, чем в акустических системах, скоростями передачи данных.
Дополнительно стоит отметить, что стоимость МИ-катушек при массовом производстве очень низка - меньше 1 доллара США за катушку, а это также делает возможным широкое применение подводных МИ-узлов. Перспективные особенности подводной МИ-связи могут дать толчок созданию значительного числа новых направлений ее применения, что приведет к развитию современных методов организации подводной связи [7].
Доступная ширина полосы частот со стабильными и предсказуемыми характеристиками канала подводной МИ-связи позволит вести наблюдение в реальном времени, которое требует высокоскоростной доставки большого объема мультимедийных данных (например, аудио- или видеоданные).
МИ-связь в практических системах и методах передачи сигнала
в водной среде
Благодаря преимуществам - предсказуемости поведения канала связи, высокой скорости распространения сигнала, достаточной степени скрытности ведения связи и предполагаемой низкой стоимости оборудования, МИ-коммуникации обладают потенциалом применения в различных сферах деятельности. На сегодняшний день разработано немало технических систем на основе МИ-связи для решения разноплановых задач в условиях водной среды.
Точное обнаружение утечек подводных нефте- и газопроводов довольно сложно из-за неблагоприятных климатических условий, труднодоступности территории и т.п. Предлагаемый в [12] подход может значительно (примерно на два порядка) уменьшить количество ошибок обмена данными, вызванных различными помехами в окружающей среде, и повысить точность обнаружения вредных утечек (не более 36% ложных тревог). Авторы этой работы установили, что размещение МИ-датчиков с высокой плотностью вдоль трубопроводов может обеспечить безаварийную эксплуатацию инженерных сооружений при относительно малых затратах. Система наблюдения использует сенсоры как внутри, так и снаружи трубопроводов, включая датчики давления, акустические сенсоры и датчики анализа грунта. Архитектура беспроводной сенсорной сети на основе магнитной индукции применяется для эффективной и надежной беспроводной связи между элементами всего технического комплекса. По сравнению с существующими инженерными решениями по мониторингу состояния трубопроводов
данная схема гарантирует точные результаты обнаружения и локализации утечек в кратчайшие сроки, а также длительный срок эксплуатации всей системы в сложных климатических условиях [21].
Различные виды деятельности, связанные с морем, всегда были подвержены опасности стихийных бедствий - тайфуны, цунами, подводные землетрясения. Их раннее прогнозирование сегодня вполне возможно реализовать с помощью технологии МИ-коммуникаций. Подводные системы на основе МИ-связи могут найти применение для создания высокопроизводительного и надежного оборудования обнаружения, предупреждения бедствий. Например, группой инженеров под руководством С. Киселева спроектирована беспроводная сенсорная сеть на основе МИ-связи с реконфигурируемыми характеристиками для раннего обнаружения бедствий [14]. Численные результаты показали достаточно хорошую ее производительность: незначительные задержки прохождения информации, низкие показатели потерь и колебаний пропускной способности. С помощью этого предложенного метода МИ-связи решена проблема неоднозначности оценки канала и рассмотрена возможность оперативного обмена данными в созданной сети (путем изменения параметров несущей частоты полезного сигнала).
Развертывание многочисленных датчиков в море для формирования подводных беспроводных сенсорных сетей (ПБСС) является эффективным способом физического, химического и биологического мониторинга. Поскольку затраты на внедрение и потребление энергии МИ-катушек, как правило невелики, устройства на основе МИ-связи будут наиболее удачным вариантом для создания крупномасштабных и долгосрочных ПБСС.
Эксперименты по передаче данных в водной среде
на основе МИ-связи
В последние десятилетия было проведено немало экспериментов и разработаны испытательные стенды для изучения методов передачи данных в водной среде. Например, в 2001 г. Дж. Сойдехей и его коллеги разработали низкочастотную систему для организации МИ-связи на мелководье [17]. Ими было проведено несколько испытаний в прибрежных районах, в которых скорости передачи данных 100-300 бит/с наблюдались в диапазоне 250-400 м для граничных условий сред (воздух-вода). Авторами [17] разработана и усовершенствована МИ-концепция связи: сигнализации и навигации аппаратных средств, которые используют квазистатические переменные магнитные поля. Физические свойства магнитных полей позволяют этим системам работать через любые естественные границы сред.
Автором [10] был представлен комплекс SEA-TEL для передачи голоса дайвера на основе МИ-связи, который позволил успешно достигнуть дальности передачи порядка 30 м от поверхности воздуха до водолаза на несущей частоте 12 кГц. Система связи основана на генерации сильного переменного магнитного поля модулированной частоты сигнала. Разработчики устройства утверждают, что эффективность данного метода не зависит от границы раздела воздух-вода.
Для разработки прототипа МИ-приемопередатчика группой китайских инженеров под руководством Д. Вэй с успехом использовались МИ-катушки, универсальное программное радиоустройство и микроконтроллер MSP432 [11]. Применяя для экспериментов дистанционно контролируемое транспортное средство и подводный аппарат с дистанционным управлением, разработчики из Китая благополучно провели испытания МИ-связи как в пресной, так и в морской воде (рис. 1).
В табл. 3 приведены данные по опытным разработкам систем коммуникаций в водной среде на основе МИ-связи
В дополнение к упомянутым выше экспериментам и испытательным стендам добавим: понимание того, что подводные системы коммуникации с помощью магнитной индукции весьма перспективны, предопределило дальнейшее проведение многочисленных исследований в этой области.
б в
Рис. 1. Аппаратное исполнение системы тестирования методов МИ-связи: а - воздушное испытание, б - испытание в бассейне, в - морские испытания [11]
Таблица 3
Резюме МИ-коммуникационных испытаний и экспериментов по всему миру [18]
Ссылки на источники Годы Эксперименты и прототипы Тестовые площадки, сценарии применения Результаты, функциональные возможности
[21] и [18] 2011 Система мониторинга трубопроводов Mise-Pipe с разным объемом воды Точное обнаружение утечек для подземных трубопроводов
[17] 2001 CSS / MISL Мелководье и прибрежная зона Скорость передачи данных 100-300 бит/с в диапазоне 250-400 м
[10] 1972 SEATEL Воздушная среда для передачи голоса дайверу Самый большой диапазон до 30 м на частоте 12 кГц
[11] 2018 Система беспроводной связи ROA-RCB Пресная и морская вода Скорость передачи данных 20-80 Кбит/с в пределах 3 м
[13] 2017 Прототип М2 I Экстремальные условия, аналогичные подводной и подземной средам Надежная МИ-связь до 50 м
Концептуальные разработки систем МИ-связи
Коллектив разработчиков из США университета штата Северной Каролины в г. Шарлотта и Государственного университета Нью-Йорка в г. Буффало [16] предлагает совместное использование МИ-систем и акустических систем связи для замкнутой сети подводных роботов. Эта технология позволяет установить дальние и высокопроизводительные линии связи между сетью дронов и наземной базовой станцией, тем самым решая проблемы технической надежности и низкого потребления энергии в существующих образцах оборудования подводной акустической связи, особенно в неглубоких водоемах, таких как реки и озера. Чтобы оценить производительность предлагаемой совместной системы в подводной среде, авторами статьи была проанализирована точность взаимодействия распределенных передатчиков, рассчитаны временные и частотные ошибки. Основываясь на точности синхронизации, рассмотрена производительность связи, методы формирования сигнала и пространственно-временного кодирования. По сравнению с классическими видами акустической связи гибридная концепция связи позволяет создавать более надежные подводные комбинированные системы ввиду меньшей задержки сигнала и большей полосы пропускания для МИ-коммуникационного оборудования. Рабочая частота устанавливается равной 10 кГц для акустической синхронизации и 10 МГц - для синхронизации методом МИ-связи. Частота кварцевого генератора составляет 100 кГц. Количество передающих абонентов сети, включая главный узел, равно 10. Расстояние между подчиненными абонентами и главным узлом установлено в 20 м. Мощность передатчика установлена равной 10 мВт. Мощность шума составляет 9,81-10-3 мВт. Передатчики МИ-связи работают с полосой пропускания 20 кГц. Акустические передатчики работают с шириной полосы 10 кГц.
С. Рамадан в своей работе [15] рассмотрел целесообразность улучшения связи в пресной и морской воде при помощи МИ-метода связи с использованием пары катушек в качестве передатчика и приемника. С помощью моделирования МИ-канала автор проводил анализ как температурных, так и атмосферных шумов. Для всего исследования использовалась модель канала с затуханием сигнала в зависимости от пройденного им расстояния. Низкочастотная характеристика канала проверена путем моделирования в среде МАТЬАВ для условий пресной и морской воды. Сравнение результатов показало, что пресная вода обеспечивает более высокую пропускную способность канала связи. Это указывает на то, что затухание сигнала для морской воды было значительно большим, чем затухание сигнала тракта связи в пресной воде. Например, для достижения расстояния 100 м полоса пропускания канала для пресной воды составляла 25 кГц с затуханием в 102,1 дБ, тогда как для морской воды эти показатели были снижены до 10 Гц и 104,5 дБ соответственно. Что касается пропускной способности каналов, то для обеспечения связи в условиях с пресной водой можно достичь более высокого уровня. Таким образом, для связи на расстоянии 100 м была достигнута пропускная способность примерно 315,51 Кбит/с для связи в пресной воде, в то время как обмен данными не выше 200 Кбит/с был возможен для схемы МИ-связи в морской воде.
Сотрудники Школы морской науки и техники Северо-Западного политехнического университета г. Сиань (КНР) представили результаты теста МИ-связи для объектов, расположенных в воздушной и водной средах [9]. В данном исследовании смоделирована взаимосвязь между значением напряженности магнитного поля и различными факторами, такими как расстояние и частота сигнала. Результаты измерений показали, что частота и передающий магнитный момент существенно влияют на характеристики МИ-канала, следовательно, и на глубину проникновения сигнала. В [9] представлена разработка системы МИ-связи, где сигналы, модулированные с помощью частотной манипуляции (ББК), излучаются передающей антенной, расположенной в воздухе, и принимаются погруженным в воду приемником с трех-направленной антенной. После подавления посторонних шумов, узкополосной фильтрации и других методов обработки сигнала в тракте приема стала возможна безошибочная передача данных с высоты 2 м над поверхностью моря до объекта на глубине до 35 м. Полученные
результаты доказывают эффективность методов МИ-связи для комплексов коммуникации между воздушной средой и средой моря.
Инженеры Чжанюй Ли и Чжи Сун [20] предлагают оптимизированную конструкцию антенной системы МИ-связи на основе активных элементов. Они аналитически рассчитали структуру в виде массива катушек, которая оптимально повышает производительность всего оборудования, так как существующие типы МИ-связи предполагают высокую мощность передачи и большую антенну для достижения эффективной дальности связи. Полученные в [20] результаты показывают, что активная антенна с рассчитанной конструкцией позволит увеличить мощность сигнала, обеспечив дальность связи с уверенным приемом сигнала на глубину до 28 м при его мощности не более 30 дБ. Это намного продуктивнее по сравнению с аналогами, применяющими пассивные конструкции антенны, практическая реализация которых гарантирует только 8 дБ усиления уровня мощности сигнала. Антенная система оптимизирована путем определения наиболее совершенной структуры размещения катушек с наилучшими значениями физических параметров канала, выполненной моделированием в среде COMSOL (рис. 2).
Рис. 2. Предлагаемая схема активной МИ-антенны с массивом катушек [20]
Авторы [8] описали некоторые основные принципы МИ-коммуникаций и представили несколько открытых вопросов, связанных с проектированием системы. В этой статье предпринята попытка проанализировать все существующие исследования в области подводной связи с использованием магнитной индукции. Результаты изучения МИ-связи подтвердили перспективность организации стабильных каналов передачи данных в водной среде на расстояние до 100 м, с полосой пропускания 2 кГц, на частоте 200 МГц, со скоростью передачи данных порядка 1 Мбит/с и возможностью применения различных способов обработки сигнала.
Практическое применение систем МИ-связи
В книге В.И. Хомича [4] упоминается разработка передающей ферритовой антенны для спасательного морского аварийного передатчика. Анализ условий работы этого устрой-
ства позволил конструкторам сделать вывод: ферритовая магнитная антенна значительно эффективнее антенн других типов, так как обеспечивает максимальную надежность и дальность действия. Такой передатчик способен непрерывно работать в течение 72 ч, с возможностью гарантированного детектирования его сигнала в радиусе до 10 км, независимо от погодных условий в море (волнение, ветер, осадки). Длина изделия составляет 0,5 м, диаметр -0,1 м, масса - 3,6 кг.
В работах А.Н. Шибкова [5, 6] теоретически обосновывается возможность создания системы, позволяющей применение в типичных условиях водной и воздушной сред речевой и кодовой связи. При сравнительно малой мощности оборудования, порядка 0,125 Вт, можно установить связь между водолазом и обеспечивающим судном с антенной на поверхности воды на расстоянии до 250 м (глубина места 30 м).
В диссертации В.П. Рублева [3] рассмотрена система подводной радиотелефонной связи, предназначенной для симплексной связи между аквалангистами и обеспечивающим судном, в которой применен принцип модуляции электрического токового поля, состоящей из двух полукомплектов (рис. 3). Технические характеристики: дальность связи (в режиме «аквалангист-аквалангист») - 70-80 м; на мелководье (глубины до 20 м) - более 100 м. Связь между берегом (судном) и аквалангистами - более 150 м. С помощью этого оборудования возможна связь непосредственно с береговой черты. Рабочая полоса частот - 300-3000 Гц, чувствительность приемника - 0,5 мкВ, потребляемая мощность в режиме приема - до 0,72 Вт, в режиме передачи - до 96 Вт.
Рис. 3. Конструкция подводного переговорного устройства для легководолазов [6]
Сотрудники Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН (г. Красноярск) [1] привели результаты исследований резонансного и нерезонансного вариантов построения передатчиков ближнепольных магнитных систем связи, которые могут быть использованы для передачи информации в сложных условиях: связь с подземными и подводными объектами, обмен информацией с объектами, находящимися в железобетонных конструкциях и подвалах зданий, а также в других случаях, когда традиционные системы связи на основе электромагнитных волн неэффективны (рис. 4).
Рис. 4. Усилитель мощности передатчика системы ближнепольной магнитной связи [1]
В этой работе рассмотрены варианты построения передатчиков с непосредственным подключением усилителя мощности к передающей катушке или с подключением через согласующий трансформатор. Приведены преимущества и недостатки представленных вариантов построения передатчиков, показаны возможности их практического использования. Прикладную реализацию эта система получила в усилителе мощности, который серийно выпускает отечественное предприятие. Параметры усилителя позволяют обеспечить работоспособность с физическими параметрами, не более: напряжение - до 150 В, ток - до 100 А, частота - до 200 кГц (табл. 4).
Таблица 4
Параметры системы ближнепольной магнитной связи [1]
Передатчик
Параметры Значение Ед. измерения
Рабочая частота 24 кГц
Площадь передающей катушки 0,25 м2
Число витков катушки 3 -
Напряжение на катушке, не более 100 В
Ток в катушке, не более 70 А
Магнитный момент, не менее 50 А-м2
Потребляемая передатчиком мощность, 150 Вт
Приемник
Спектральная плотность амплитуды собственных шумов приемника, не хуже 10-14 Тл/Гц1/2
Полоса частот приемника 5 кГц
Отношение сигнал/шум на расстоянии 150 м, не хуже (радиальная/тангенциальная составляющие) 11/5 дБ
Отечественная компания IVA Technologies (Москва) разработала технологию подводной радиосвязи, которая позволяет передавать сигнал на поверхность [2] (рис. 5).
Рис. 5. Схема применения подводной радиостанции №А БОТ [2]
Портативная подводная радиостанция, где для обмена данными в качестве беспроводного носителя информации использована магнитная составляющая электромагнитной-волны, успешно прошла все испытания в условиях опытового бассейна и открытой воды. Серийное производство намечено на 2021 г. Радиостанция обеспечивает передачу данных на расстоянии 500 м и при глубине погружения до 100 м. Для условий гидрологических неодно-родностей и между средами дальность связи составляет 60 м. Чувствительность приемника -0,6 мкВ, мощность передатчика - 5 Вт, масса оборудования - 4 кг. При проектировании этой технологии использованы наработки приморских ученых [3, 5, 6].
Заключение
Итак, предпринятый нами обзор продемонстрировал, что некоторые особенности подводной МИ-связи в перспективе могут способствовать созданию новых эффективных направлений их применения и благоприятствовать развитию различных способов организации коммуникационных сетей ближнепольной магнитной связи в водной среде.
Резюмируя, перечислим основные преимущества реализации подводной связи с помощью магнитной индукции: незначительная задержка распространения сигнала, стабильное поведение канала, достаточно широкий рабочий диапазон частот, низкие показатели шумов канала МИ-связи, закрытый характер приемно-передающего тракта, что затрудняет детектирование и перехват сигнала.
Очевидная перспективность МИ-метода заключается в следующем:
- МИ-связь использует спектр незвуковых и неоптических частот и применима для решения широкого спектра инженерных и технических задач;
- МИ-связь не имеет ограничений по минимальной частоте, на которой антенна не способна эффективно работать;
- стоимость производства МИ-катушек незначительна, что предполагает повсеместное применение в качестве компонентов подводного оборудования связи.
В то же время анализ литературы показал недостатки систем МИ-связи: узкая полоса пропускания сигнала, ограниченная дальность передачи и высокая чувствительность катушки. В будущем, нам представляется, на этих проблемах развития и применения подводной связи с использованием МИ-метода необходимо сосредоточить внимание.
Однозначно можно сделать вывод: развитие технологии МИ-метода передачи данных в различных средах и условиях связано с совершенствованием современных программных методов моделирования с последующим анализом результатов и апробацией в реальных условиях.
Заявленный вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабицкий А.Н., Беляев Б.А., Боев Н.М., Галлеев Р.Г. Передатчики ближнепольных магнитных систем связи // Успехи современной радиоэлектроники. 2017. № 12. С. 111-115. eLIBRARY ID: 32498112
2. Мобильный радиокомплекс беспроводной подводной связи IVA S/W // iva-tech [сайт компании]. URL: https://iva-tech.ru/catalog/product-iva-s-w/ (дата обращения: 12.05.2019).
3. Рублев В.П. Системы многоабонентной электромагнитной связи и управления биообъектами в электропроводящих средах: дис. ... канд. техн. наук / ДВГТУ. Владивосток, 2007. 173 с.
4. Хомич В.И. Ферритовые антенны. М.: Энергия, 1989. 95 с.
5. Шибков А.Н. Подводная связь и навигация с использованием электромагнитного поля: дис. ... канд. техн. наук / ДВГТУ. Владивосток, 2006. 284 с.
6. Шибков А.Н. Электромагнитные системы информационного обеспечения подводных инженерно-технических работ. Теория и эксперимент. Владивосток: Дальнаука, 2005. 231 с.
7. Akyildiz Ian F., Pu Wang, Zhi Sun. Realizing underwater communication through magnetic induction. IEEE Commun. Mag. 2015;53(11):42-48. DOI: 10.1109/MCOM.2015.7321970
8. Ashish Kumar Sharma, Sadanand Yadav, Sandeep N. Dandu, Vinay Kumar, Joydeep Sengupta, San-jay B. Dhok, Sudhir Kumar. Magnetic induction-based non-conventional media communications: a review. IEEE Sensors J. 2017;17(4):926-940. DOI: 10.1109/JSEN.2016.2640190
9. Binbin Chai, Xin Zhang, Jinhong Wang. A Test of Magnetic Induction Communication from Air to Sea. 2018 OCEANS - MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans (OTO). Conference Paper Publisher, IEEE, 2018. DOI: 10.1109/OCEANSKOBE.2018.8559464
10. Bogie I.S. Conduction and magnetic signalling in the sea a background review. Radio and Electron. Engineer. 1972;42(10):447-452. DOI: 10.1049/ree.1972.0076
11. Debing Wei, Steban S. Soto, Javier Garcia, Aaron Trent Becker, Li Wang, Miao Pan. ROV assisted magnetic induction communication field tests in underwater environments. Proc. ACM Intern. Conf. WUWNet, Shenzhen, China. 2018(20):1-5. DOI: 10.1145/3291940.3291988
12. Hongkuan Zhou, Yuzhou Li, Tao Jiang. Sea clutter distribution modeling: a kernel density estimation approach. Proc. WCSP. Hangzhou, China. 2018(10):1-6. DOI: 10.1109/wcsp.2018.8555876
13. Hongzhi Guo, Zhi Sun, Chi Zhou. Practical design and implementation of metamaterial-enhanced magnetic induction communication. IEEE Access. 2017(5):17213-17229. DOI: 10.1109/ACCESS.-2017.2719406
14. Kisseleff S., Akyildiz I.F., Gerstacker W. Disaster detection in magnetic induction based wireless sensor networks with limited feedback. Proc. IFIP WD. 2014(11): 1-7. DOI: 10.1109/WD. 2014.-7020824
15. Sana Ramadan. Underwater communication thought magnetic induction (MI). Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, 2017. URL: https://dalspace.library.dal.ca/bitstream/handle/10222/73429/Sana-Ramadan-MASc-ECED-October-2017.pdf?sequence=1.pdf - 19.06.2020.
16. Soham Desai, Vaishnendr Sudev, Xin Tan, Pu Wang, Zhi Sun. Enabling underwater acoustic cooperative MIMO Systems by Metamaterial-Enhanced Magnetic Induction. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), April 15-18, 2019. Marrakesh, Morocco. 2019:1-8. DOI: 10.1109/WCNC.2019.8885489
17. Sojdehei J.J., Wrathall P.N., Dinn D.F. Magneto-inductive (MI) communications. Proc. MTS/IEEE Oceans. 2001(11):513-519. DOI: 10.1109/OCEANS.2001.968775
18. Xin Tan, Zhi Sun, Ian F. Akyildiz. Wireless underground sensor networks: MI-based communication systems for underground applications. IEEE MAP. 2015;57(4):74-87. DOI: 10.1109/MAP.2015.-2453917
19. Yuzhou Li, Shengnan Wang, Cheng Jin, Yu Zhang, Tao Jiang. A survey of underwater magnetic induction. communications: fundamental issues, recent advances, and challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019;21(3):2466-2487. DOI: 10.1109/COMST.2019.2897610
20. Zhangyu Li, Zhi Sun. Antenna system optimization for active metamaterial-enhanced magnetic induction communications. 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2019, Conference Paper Publisher, IEEE. Krakow, Poland. 2019:1-5. URL: https://ieeexplore.ieee.org/doc-ument/8739834 - 19.06.2020.
21. Zhi Sun, Pu Wang, Mehmet C. Vuran, Mznah A. Al-Rodhaan, Abdullah M. Al-Dhelaan, Ian F. Aky-ildiz. Mise-PIPE: Magnetic induction-based wireless sensor networks for underground pipeline monitoring. Ad Hoc Networks. 2011;9(3):218-227. DOI: 10.1016/j.adhoc.2010.10.006
FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2021. N 2/47
Physical Fields of Ship, Ocean and Atmosphere www.dvfu.ru/en/vestnikis
DOI: https://doi.org/10.24866/2227-6858/2021-2-5 Vlasov A., Rodionov A.
ALEXANDER VLASOV, Scientific Degree Applicant (Corresponding Author), [email protected]
ALEXANDER RODIONOV, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Assistant Professor, [email protected] Polytechnic Institute, Far Eastern Federal University Vladivostok, Russia
Prospects for the usage of underwater communication systems based on magnetic induction (review)
Abstract: An overview of open studies on technical systems using the magnetic-inductive coupling for practical application in freshwater and marine areas is presented. Analysis of the contemporary laboratory and experimental technical developments of international and Russian scientific teams has been undertaken. Prospects of implementation of the magnetic-inductive communication technology are considered, and the main directions of its further development are determined. Characteristics and the assumed parameters of the conceptual models of data transmission systems based on this technology are given, and the key problems of the design, practical use and possible methods of solving such problems are indicated.
Keywords: magnetic induction, underwater communication, ferrite antennas, near-field magnetic communication, permeability, underwater communication channels
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.
The authors declare no conflicts of interests.
REFERENCES
1. Babitsky A., Belyaev B., Boev N., Galleev R. Transmitters of near-field magnetic communication systems. Advances in modern radio electronics. 2017(12): 111-115. eLIBRARY ID: 32498112.
2. Mobile radio complex for wireless underwater communication IVA S/W. iva-tech (the site of the company). URL: https://iva-tech.ru/catalog/product-iva-s-w/ - 12.05.2019.
3. Rublev V. Systems of multi-component electromagnetic communication and control of biological objects in electrically conductive media. Dissertation ... Candidate of Technical Sciences. Vladivostok, 2007.173 p.
4. Khomich V.I. Ferrite antennas. M., Energia, 1989, 95 p.
5. Shibkov A. Underwater communications and navigation using an electromagnetic field. Dissertation ... Candidate of Technology Sciences. Vladivostok, 2006, 284 p.
6. Shibkov A.N. Electromagnetic systems of information support for underwater engineering and technical works. Theory and experiment. Vladivostok, Dalnauka, 2005, 231 p.
7. Akyildiz Ian F., Pu Wang, Zhi Sun. Realizing underwater communication through magnetic induction. IEEE Commun. Mag. 2015;53(11):42-48. DOI: 10.1109/MC0M.2015.7321970
8. Ashish Kumar Sharma, Sadanand Yadav, Sandeep N. Dandu, Vinay Kumar, Joydeep Sengupta, San-jay B. Dhok, Sudhir Kumar. Magnetic induction-based non-conventional media communications: a review. IEEE Sensors J. 2017;17(4):926-940. DOI: 10.1109/JSEN.2016.2640190
9. Binbin Chai, Xin Zhang, Jinhong Wang. A Test of Magnetic Induction Communication from Air to Sea. 2018 OCEANS - MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans (OTO). Conference Paper Publisher, IEEE, 2018. DOI: 10.1109/OCEANSKOBE.2018.8559464
10. Bogie I.S. Conduction and magnetic signalling in the sea a background review. Radio and Electron. Engineer. 1972;42(10):447-452. DOI: 10.1049/ree.1972.0076
11. Debing Wei, Steban S. Soto, Javier Garcia, Aaron Trent Becker, Li Wang, Miao Pan. ROV assisted magnetic induction communication field tests in underwater environments. Proc. ACM Intern. Conf. WUWNet, Shenzhen, China. 2018(20):1-5. DOI: 10.1145/3291940.3291988
12. Hongkuan Zhou, Yuzhou Li, Tao Jiang. Sea clutter distribution modeling: a kernel density estimation approach. Proc. WCSP. Hangzhou, China. 2018(10):1-6. DOI: 10.1109/wcsp.2018.8555876
13. Hongzhi Guo, Zhi Sun, and Chi Zhou. Practical design and implementation of metamaterial-enhanced magnetic induction communication. IEEE Access. 2017(5): 17213-17229. DOI: 10.1109/AC-CESS.2017.2719406
14. Kisseleff S., Akyildiz I.F., Gerstacker W. Disaster detection in magnetic induction based wireless sensor networks with limited feedback. Proc. IFIP WD. 2014(11):1-7. DOI: 10.1109/WD. 2014.7020824
15. Sana Ramadan. Underwater communication thought magnetic induction (MI). Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, 2017. URL: https://dalspace.library.dal.ca/bitstream/handle/10222/73429/Sana-Ramadan-MASc-ECED-October-2017.pdf?sequence=1.pdf - 19.06.2020.
16. Soham Desai, Vaishnendr Sudev, Xin Tan, Pu Wang, Zhi Sun. Enabling underwater acoustic cooperative MIMO Systems by Metamaterial-Enhanced Magnetic Induction. 2019 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), April 15-18, 2019. Marrakesh, Morocco. 2019:1-8. DOI: 10.1109/WCNC.2019.8885489
17. Sojdehei J.J., Wrathall P.N., Dinn D.F. Magneto-inductive (MI) communications. Proc. MTS/IEEE Oceans. 2001(11):513-519. DOI: 10.1109/OCEANS.2001.968775
18. Xin Tan, Zhi Sun, Ian F. Akyildiz. Wireless underground sensor networks: MI-based communication systems for underground applications. IEEE MAP. 2015;57(4):74-87. DOI: 10.1109/MAP.2015.-2453917
19. Yuzhou Li, Shengnan Wang, Cheng Jin, Yu Zhang, Tao Jiang. A survey of underwater magnetic induction. communications: fundamental issues, recent advances, and challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019;21(3):2466-2487. DOI: 10.1109/COMST.2019.2897610
20. Zhangyu Li, Zhi Sun. Antenna system optimization for active metamaterial-enhanced magnetic induction communications. 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2019, Conference Paper Publisher, IEEE. Krakow, Poland. 2019:1-5. URL: https://ieeexplore.ieee.org/doc-ument/8739834 - 19.06.2020.
21. Zhi Sun, Pu Wang, Mehmet C. Vuran, Mznah A. Al-Rodhaan, Abdullah M. Al-Dhelaan, Ian F. Aky-ildiz. Mise-PIPE: Magnetic induction-based wireless sensor networks for underground pipeline monitoring. Ad Hoc Networks. 2011;9(3):218-227. DOI: 10.1016/j.adhoc.2010.10.006
