CC BY
35ПОДВОДНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ.
ПОТЕНЦИАЛ РАЗВИТИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
Павлов С.А., Беличева К.В. *
АО «Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин», г. Санкт-Петербург * E-mail: ksenia.belicheva@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-57-58
В связи с устойчивым ростом различных видов человеческой деятельности в океане, таких как океанографические исследования, добыча полезных ископаемых, мониторинг окружающей среды и т.д., возникает острая потребность в высокоскоростной беспроводной связи под водой для передачи больших объемов данных, в том числе высококачественного видео в онлайн-режиме при выполнении современными робототехническими средствами высокоточных операций в районе морского дна.
Традиционно, беспроводная связь в морской среде осуществляется с использованием акустических систем и в одностороннем режиме посредством электромагнитных волн ОНЧ-(3...30 кГц) и СНЧ-диапазонов (30...300 Гц). Данные способы связи позволяют осуществлять передачу данных на десятки километров, а в случае гидроакустических волн и на любую глубину, однако не предназначены для высокоскоростной передачи данных (от Мб/с) и имеют другие известные недостатки. Принято считать, что радиочастотные волны не подходят для связи под водой ввиду их сильного затухания. Однако, с 2006 года компанией Wireless Fibre Systems поставляются радиомодемы, осуществляющие передачу сигналов в морской среде со скоростью 100 бит/с на дальности до 30 м. Уместно упомянуть об успешном эксперименте Российских ученых под руководством А. К. Томилина по передаче коротковолнового модулированного радиосигнала на глубинах до 10 м на расстояние 470 м при помощи шаровых антенн. Достаточным интересом обладает отечественная разработка - компактный мобильный радиокомплекс IVA S/W для голосовой связи под водой посредством магнитной составляющей электромагнитной волны. Существуют также исследования по организации подводной связи на основе магнитной индукции. О возможности передачи широкополосных сигналов в глубоководных средах посредством радиочастот и магнитной индукции пока речи не идет, но системы связи на новых принципах представляют интерес с точки зрения их функционирования в загрязненных водоемах, через границу раздела сред, лед и препятствия, а также при наличии высокого уровня звуковых и световых шумов.
Настоящая статья рассматривает перспективы применения способа беспроводной подводной связи с длиной волны, лежащей в видимом оптическом спектре. Такие системы способны обеспечить высокую скорость передачи данных (вплоть до нескольких Гб/с на дальностях до 10 м и порядка Мб/с на дальностях до 150 м); имеют сравнительно низкое энергопотребление, мобильны и компактны. Канал гидрооптической связи обладает высокой скрытностью, более того практически отсутствует возможность перехвата сигнала. Оптический луч способен преодолевать границу раздела сред вода-воздух без существенного ослабления, что делает перспективным применение видимого диапазона частот для передачи больших объемов данных (со скоростью нескольких Мб/с) с воздуха на небольшие глубины.
Исследования, направленные на разработку систем беспроводной гидрооптической связи, являются востребованными, так как скорость передачи данных в канале видимого света, в том числе подходящая для трансляции высококачественного видео в реальном времени, недостижима другими видами подводной беспроводной связи. Однако, неблагоприятные условия морской среды (сильное поглощение и рассеяние, и в меньшей степени турбулентность) создают большие трудности для использования гидрооптических систем передачи данных и значительно сокращают достижимую дальность связи, что требует эффективных технических решений. Другой весомой проблемой, заметно ограничивающей применение гидрооптических систем связи, является задача строгого ориентирования передатчика относительно приемника, что особенно критично для систем передачи данных на основе лазера. Требования к точности совмещения луча передатчика с полем зрения приемника ужесточаются в случае, если передатчик и приемник являются нестационарными объектами, например, при дистанционном управлении подводными аппаратами; в случае турбулентной водной среды, приводящей к отклонению оптического луча; в сильно мутных водах с высоким показателем рассеяния.
Светодиодные системы, обладающие рассеянным излучением, позволяют осуществлять многоадресную связь, а также передачу данных между нестационарными объектами, но заметно проигрывают лазерным системам по дальности связи и скорости передачи данных. Перспективными
№6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 57
решениями по увеличению дистанции связи является ретрансляция данных посредством нескольких приемо-передающих узлов [1], а также разработка гибридных оптико-акустических систем связи [2, 3]. Немало исследований ориентировано на расширение диаграммы направленности передатчика посредством применения в качестве излучателя массива светодиодов [4]. Частично решить проблему строгого выравнивания передатчика относительно приемника позволяет использование на стороне приема массива фотодатчиков/ солнечных панелей [5], или массива линз [6]. Актуальны работы по созданию всестороннего гидрооптического приемо-передатчика с множественным доступом, построенного по принципу сотовой связи [7].
Лазеры перспективны для высокоскоростной передачи данных на сравнительно дальние расстояния, но требуют наличия системы точного совмещения луча передатчика с полем зрения приемника и дальнейшего удержания связи. Более того, качество колированного лазерного луча сильно ухудшается из-за эффектов рассеяния и турбулентности, поэтому системы связи на основе лазера ограничены применением в глубокой чистой океанской/морской воде. В качестве технических решений предлагаются системы, где передающий модуль реализует функцию сканирования короткими импульсами маломощного лазера для поиска приемника [8]. Известны также адаптивная схема регулировки диаметра луча с помощью специализированной оптики [9], система наведения на основе ip-камеры, разработанная АО «Мостком» [10], оптико-акустическая система наведения, предложенная НПК «ГОИ им. Вавилова» [11].
Заметно снизить недостатки гидрооптической связи возможно за счет адаптации способов модуляции для подводного канала связи, в том числе с применением помехоустойчивого кодирования; повышения чувствительности приемников; разработки эффективной системы наведения для установления и удержания связи; построения и использования адаптивной математической модели для конкретного типа акватории, максимально учитывающей все факторы ослабления и искажения оптического излучения.
Литература
1. X Wang, H. Luo, Y. Yang, et al. Underwater Real-time Video Transmission via Optical Channels with Swarms of A UVs. Conference - ICPADS (2022)
2. A. Kakati, D. Sharma, and N. Aggarwal. A Brief Survey on Underwater Wireless Optical Communication System. International Journal of Research - Granthaalayah, 6(6), 238-245 (2018)
3. H. Luo, Z. Xu, J. Wang, et al. Reinforcement Learning-Based Adaptive Switching Scheme for Hybrid Optical-Acoustic AUV Mobile Network. Wireless Communications and Mobile Computing. Vol. 2022 (2022)
4. P. Leon, L. Brignone, J. Opderbecke, et al. A new underwater optical modem based on highly sensitive Silicon Photomultipliers. Oceans 2017 - Aberdeen (2017)
5. X. Chen, W. Lyu, C. Yu. Diversity-reception UWOC system using solar panel array and maximum ratio combining. Optics Express. Vol. 27 (2019)
6. A. Liu, R. Zhang, B. Lin, et al. Multi-Degree-of-Freedom for Underwater Optical Wireless Communication with Improved Transmission Performance. J. Mar. Sci. Eng., 11, 48 (2023)
7. F. Akhoundi, M. V. Jamali, N.B. Hassan, et al. Cellular Underwater Wireless Optical CDMA Network: Potentials and Challenges. IEEE Access, vol. 4, 4254-4268 (2017)
8. http://news.mit. edu/2018/ advancing-undersea-optical-communications-0817 (2020)
9. A. Celik, N. Saeed, B. Shihada, et al. End-to-End Performance Analysis of Underwater Optical Wireless Relaying and Routing Techniques Under Location Uncertainty. IEEE Transactions on Wireless Communication. vol. 19, no.2, 1167-1181 (2019)
10. С. Кузнецов, Б. Огнев, С. Поляков. Система оптической связи в водной среде. Первая миля. 2. 46-51, (2014)
11. В.А. Яковлев, А.Г. Журенков, П.К. Шульженко, и др. Оптико-акустическое устройство наведения для системы подводной беспроводной оптической связи. Оптический журнал. Т. 79. №10, 91-92 (2012)
58
№6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023vv»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
