83«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований»
УДК 62
Дронин Ярослав Сергеевич Манышев Валерий Сергеевич Петров Игорь Олегович Севостьянов Виталий Романович Щербаха Никита Константинович Dronin Yaroslav Sergeevich Manyshev Valeriy Sergeevich Petrov Igor Olegovich Sevostyanov Vitaliy Romanovich Shcherbakha Nikita Konstantinovich
Студенты Students
Дальневосточный федеральный университет Far Eastern Federal University
ПОДВОДНАЯ СВЯЗЬ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ, ДОСТИЖЕНИЯ И ВЫЗОВЫ
UNDERWATER COMMUNICATION BASED ON THE USE OF MAGNETIC INDUCTION: FUNDAMENTAL PROBLEMS, ACHIEVEMENTS AND
CHALLENGES
Аннотация. В данной статье рассматривается подводная связь на основе магнитной индукции: перспективность применения магнитной индукции для подводных каналов связи, фундаментальные проблемы, достижения и вызовы.
Abstract: This article discusses underwater communication based on magnetic induction: the prospects of using magnetic induction for underwater communication channels, fundamental problems, achievements and challenges.
Ключевые слова: магнитная индукция (МИ), скорость передачи данных, информация, подводная связь, затухания, магнитное поле, магнитная проницаемость.
Keywords: magnetic induction, transmission speed, magnetic field, information, underwater communication, attenuation, magnetic permeability.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность беспроводной подводной связи до сих пор очень велика, поскольку водная среда занимает около 71% всей поверхности Земли,
XМеждународная научно-практическая конференция соответственно интерес к данному виду связи велик как в социальных целях
(например, мониторинг чрезвычайных ситуаций и ликвидации последствий
стихийных бедствий) так и в экономических, поскольку нецелесообразно и
невыгодно использовать проводные подводные сети из-за высокой стоимости
водонепроницаемых кабелей.
Вопрос "по какому принципу строить подводную сеть" остается актуальным на сегодняшний день, т.к. однозначное решение этой проблемы не найдено. Учеными было предложено использовать радиоволны, оптические и акустические волны. Однако все они сталкиваются с такими проблемами как: маленький радиус связи из-за высокого уровня затухания и рассеяния, низкая скорость распространения, высокое энергопотребление, большие габариты и эффект Доплера.
Еще одной проблемой является ближний-дальний эффект. Он наблюдается, если на один приемник приходит сигнал с двух и более источников, расположенных на разных расстояниях. Сигнал от ближайшего источника будет более сильным, поэтому он будет создавать помехи для сигнала от дальних источников. В подводной связи это ощущается наиболее остро из -за того, что вода обладает большей плотностью, чем воздух [1].
МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Наиболее современным решением таких проблем является построение линии связи на основе магнитной индукции.
Связь осуществляется помощью двух антенн - катушка в устройстве передатчика, которая при взаимодействии с переменным электрическим током генерирует изменяющееся во времени магнитное поле, и катушка в устройстве приемника, которая демодулирует сигнал с помощью тока индукции. Информация сосредоточена в магнитном поле, то есть она передается через модулированный электрический резонанс [2].
Концептуально, катушку источника можно рассматривать как магнитный диполь, где его цель состоит в том, чтобы максимизировать диапазон
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» пропускания путем создания максимальной напряженности поля, это
достигается путем максимизации магнитного момента.
Передача данных через морскую среду возможна, так как морская вода
имеет высокую проводимость, но нужно учитывать, что температура, соленость,
плотность и другие физические свойства воды в различных водоемах
отличаются. Поэтому коммуникация возможна только на небольших
расстояниях, поскольку интенсивность магнитного поля обратно
пропорциональна пройденному расстоянию в среде и по мере погружения в воду.
Отсюда можно сделать вывод, что дальность передачи информации меньше
длины волны сигнала.
Рис.1. МИ система передачи данных.
ПРЕИМУЩЕСТВА Во-первых, данный вид связи имеет высокую пропускную способность, по причине высокой скорости распространения под водой - 33300 км/с и малой задержкой распространения [3].
Во-вторых, магнитная индукция зависит от магнитной проницаемости среды (у воздуха, воды и почвы она приблизительно одинаковая), следовательно, данная технология связи не зависит от погоды и времени года, и несмотря на изменение агрегатного состояния среды (замерзание воды в водоеме зимой) сеть существует [4].
В-третьих, как говорилось ранее, с экономической точки зрения более выгодно использовать катушки индуктивности, т.к. они намного дешевле, чем, например, лазерная установка для оптической линии связи. С этой же стороны стоит отметить, что катушки потребляют намного меньше энергии.
XМеждународная научно-практическая конференция
Еще одним преимуществом является отсутствие одной из
мультипликативных помех - многолучевое распространение, т.к. принцип работы сети заложен в использовании ближнего поля.
ПРОБЛЕМЫ
Как и у других технологий, кроме преимуществ у МИ связи имеются недостатки [5]. Как говорилось ранее, дальность передачи информации меньше длины волны сигнала и для достижения разумных расстояний катушка передатчика и приемника должна работать в настроенном резонансном контуре. Этот принцип генерирует значительное усиление для частот сигнала вокруг резонансной частоты, но уменьшает возможную полосу пропускания в зависимости от добротности резонансного контура. Поскольку дальность связи ограничена радиусом катушек передатчика и приемника, переносные устройства, такие как автономные подводные аппараты, не являются эффективными, если они ограничены размерами катушек на обоих концах.
При повышении частоты появляются вихревые токи, поэтому необходимо использовать как можно меньшую частоту. Это отрицательно влияет на скорость передачи. Вихревой ток генерирует сильное вторичное поле, которое пагубно влияет на полезное информационное поле.
Напряженность магнитного поля обратно пропорциональна кубу расстояния между передатчиком и приемником, что сильно ограничивает дальность связи.
Каждую систему требуется рассчитывать и изготавливать индивидуально для каждого водоема. Одной из причин является разница проводимости - у морской воды она выше, чем у пресной.
Несмотря на энергетическую экономию, катушки все равно требуют электричество. Под водой, как правило, тяжело организовать электропитание системы связи, поэтому такую технологию нельзя назвать идеальной. Такая проблема, свойственная всем известным способам передачи информации под водой, особенно сильно замечается при осуществлении линий связи на больших расстояниях, т.е. с использованием ретрансляторов.
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований»
ИННОВАЦИИ
Наука не стоит на месте, потому что всегда старается создавать что -то новое или улучшать старое. Предложенный ранее вариант с использованием двух катушек можно считать простейшим. Так, например, Морис Хотт с коллегами предложили инновационный подход. По мнению авторов, такая связь имеет высокое затухание - 60 дБ на 10 м, поэтому более целесообразно использовать высокочувствительные детекторы магнитного поля на стороне приема в целях увеличения дальности связи. Основное преимущество такого изобретения - малые размеры и небольшой вес таких приемников. Однако, насколько известно авторам, высокочувствительные детекторы магнитного поля не были изучены в области передачи данных. На рисунке ниже представлен предложенный авторами проект, где передатчик - катушка, а приемник -анизотропный магниторезистивный (АМР) детектор.
с, и_
I ^ 1 ^ J j
г ^ Ll I ГТн—
I I Г I I Imlrtimrn-
/ Ч _/ J. AMR I tabon
и Ru П ]—с_""Р"'"1Г
Рис.2. Катушка и АМР детектор
Независимо от этого исследования, Натан Стрейчен, Джон Буске и Надер Бехдад в своей статье изучают возможности улучшения и оптимизации устройств магнитно-индуктивной связи: диапазон, полоса пропускания, эффективность, габариты (геометрические размеры и вес) [6]. Одно из инженерных решений - использование вращающегося на подшипниках с низким коэффициентом трения (для уменьшения энергопотребления устройства) постоянного магнита, окруженного магнитным экраном, для создания магнитного момента. В целях достижения этого необходимо использовать две ортогональные петли (в простейшем случае - в форме окружности), которое можно представить в виде диполя. Если электрически изменять проницаемость экрана, то можно амплитудно модулировать поле. Авторы проанализировали несколько видов модуляции и пришли к выводу, что наиболее выгодно
XМеждународная научно-практическая конференция использовать электрически модулированное сопротивление, то есть цилиндрическое экранирование окружает вращающийся Магнит. Этот экран должен быть изготовлен из высокопроницаемого материала с низкой плотностью потока насыщения и низкими потерями, а вокруг экранирования намотана тороидальная катушка.
Аналогично подводной связи, магнитную индукцию можно использовать и под землей, например, в шахте при добыче полезных ископаемых. Только за XXI век произошло огромное количество аварий в шахтах, унесших жизни сотен шахтеров. Вероятно, что такого бы не случилось при наличии связи между шахтами и надземным пространством. Чтобы избежать этого, компания Lockheed Martin разработала систему MagneLink, основанную на магнитной индукции. В серии разработок имеются магнитные переключатели электрических устройств, с помощью которых можно реализовать удаленное управление предприятием.
ВЫЗОВ
Компания НАСА утверждает, что под толщей соленого льда (5 - 10 км) находится слой электропроводящей жидкости, которая является ценным ресурсом для человечества. Чтобы добыть ее, компания предлагает концепции зонда, который способен растопить лед, достичь дна океана и добраться до полезного ископаемого. Но для этого необходимо осуществлять связь с зондом. Компания планирует использовать магнитно -индуктивную технологию по причине сильных затуханий электрических сигналов в толще льда. Однако, по мнению авторов статьи, напряженность магнитного поля будет уменьшаться по мере увеличения расстояния, поэтому необходима очень чувствительная технология приемника, чтобы улавливать слабый сигнал после проникновения через несколько километров соленого льда.
ДОСТИЖЕНИЯ
Технология подводной связи на основе магнитной индукции используется с 1990-х годов. На основе квазистатических магнитных полей переменного тока,
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» компания MISL, Ltd (Magneto-Inductive Systems Limited) разработала серию уникальных систем связи, сигнализации и навигации. Так, работая со станцией береговых систем ВМС США, компания MISL в 1999 г. провела несколько испытаний опытных образцов, работающих на мелководье, в зоне прибоя и пляжной зоне [7].
На сайте Google Patents отображено зарегистрированное в 1998 году патентное право на МИ систему связи с использованием буя, который служит узлом сети [8]. Буй выпускается из подводной лодки и плавает на поверхности океана или моря. Такое изобретение способно осуществить передачу данных от, например, погруженной подводной лодки до буя с помощью магнитной индукции, а потом от буя до командного пункта (наземного штаба, надводного судна, самолета или спутника) более удобным для воздушного пространства способом связи (например, с помощью радиоволны). Таким образом осуществляется двусторонняя подводная связь между буем и погруженным судном, при этом используется диапазон от крайней низкой частоты до очень низкой частоты (до 3 кГц).
ВЫВОД
В данной статье был рассмотрен вопрос об актуальности подводной связи и примеры ее реализации, такие как проводные - оптические и волноводные линии связи, беспроводные - акустические линии связи и с помощью электромагнитной волны. Далее был рассмотрен альтернативный способ беспроводной подводной связи на основе использования магнитной индукции. Также были рассмотрены достоинства и недостатки предложенного канала связи. Следующим шагом приведены предложенные учеными пути модернизации технологии. Так, например, НАСА планирует произвести добычу электропроводящей жидкости, которая находится под толщей соленого льда, соответственно, для достижения цели необходимо высокочувствительное оборудование на используемом зонде, в контексте данной задачи можно провести испытания АМР-детектора.
XМеждународная научно-практическая конференция
Технология является рабочей, т.к. на данный момент существуют реальные
запатентованные системы, построенные на МИ. Некоторые из них стоят на вооружении ВМС США.
Стоит отметить, что такая технология может использоваться не только в целях подводной, но и в целях подземной связи, навигации, медицины (МИ томография).
Такая технология передачи называется "дальним полем", т.к. вся передаваемая энергия предназначена для ненаправленного излучения во все окружающее пространство.
Исходя из рассмотренного материала можно сделать вывод, что МИ связь является одним из перспективных направлений в беспроводной подводной связи.
Библиографический список:
1. Niaz Ahmed. Magneto inductive communication system for underwater wireless sensor networks // A dissertation, Missouri University of Science and Technology [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3559&context=doc toral_dissertations
2. Д.А. Черемухин, Л.Г. Стаценко. Осуществление подводной связи через магнитную индукцию // САПР и моделирование в современной электронике. Брянск, 2019 [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=42326772
3. Aaron T. Becker, Debing Wei and others. ROV Assisted Magnetic Induction Communication Field Tests in Underwater Environments // WUWNet'18, December 3-5, 2018, Shenzhen, China [Электронный ресурс] - Режим доступа: https ://par.nsf. gov/servlets/purl/10082515
4. Sana Ramadan. Underwater communication through magnetic induction // Dalhousie University Halifax, Nova Scotia October 2017 [Электронный ресурс]-
«Новые импульсы развития: вопросы научных исследований» Режим доступа: https://dalspace.library.dal.ca/bitstream/handle/10222/73429/Sana-Ramadan-MASc-ECED-October-2017.pdf?sequence=1&isAllowed=y
5. Dohler M. Magneto-Inductive Underground Communications in a District Heating System // Centre Tecnologic de Telecomunicacions de Catalunya Barcelona,Spain [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.cttc.es/wpcontent/uploads/2013/03/111007-pid1076278- 45415.pdf
6. Strachen N., Booske J., Dehdad N. A mechanically based magneto-inductive transmitter with electrically modulated reluctance // PLOS ONE -инклюзивное журнальное сообщество [Электронный ресурс] - Режим доступа : https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0199934
7. SPIE - международное общество оптики и фитоники [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/ 12.354659?SSO=1
8. Google Patents - Гугл Патенты [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://patents.google.com/patent/US6058071A/en
