Гидроакустическая и радиосвязь. Сходства и отличия

Вместе с ростом интереса в обществе к теме эксплуатации беспилотных аппаратов (БА) вообще растет и интерес к подводным БА (ПБА) в частности, что толкает некоторых производителей надводных БА (летающих, ползающих и плавающих) к началу разработок в новой для них области ПБА. Известно, что связь с автономными ПБА обеспечивается преимущественно по гидроакустическому каналу, а с надводными БА — по радиоканалу. Обычно разработчики БА неплохо знакомы с радиосвязью в отличие от гидроакустической связи. Поэтому подача информации о гидроакустической связи в форме сравнения с радиосвязью является для них удобной формой получения новых знаний. Статья написана для разработчиков и эксплуатантов надводных БА автором, принимавшим участие в разработке как радио, так и гидроакустических модемов.

Гидроакустический и радиоканал. Общие сведения

Переносчиком информации в радиоканале (РК) служит электромагнитная волна скорость распространения которой в вакууме составляет около 3∙10⁸ м/сек. В гидроакустическом канале (ГК) информацию переносит звук, т. е. упругая волна, распространяющаяся в пресной воде с температурой 20 ⁰C со скоростью около 1481 м/сек. Сразу отметим насколько велика задержка при передаче информации в ГК относительно РК. При нахождении БА на расстоянии 2 км от оператора задержка «туда-обратно» составит для РК порядка 4000/3∙10⁸≈13.3 мкс, а для ГК 4000/1481≈2.7 сек, что делает управление ПБА оператором по ГК в режиме реального времени, как минимум, проблематичным. Иногда можно услышать мнение, что коммуникация в ГК труднее, чем РК просто потому что скорость звука намного ниже скорости света. Ниже будет показано, что далеко не всегда проблема заключается в скорости носителя.

Популярный диапазон частот, используемый для связи с БА посредством РК, простирается от сотен мегагерц до примерно 6 ГГц [1]. Разумеется, не все частоты этого диапазона можно использовать легально и не все они доступны в данный момент времени и в данном месте, но все равно пропускная способность РК для связи с БА позволяет прокладывать линки со скоростями в десятки, а то и сотни мегабит в секунду. В ГК все гораздо скромнее. Всего выделяют три частотных диапазона: LF (low frequency) — 9–15 kHz; MF (middle frequency) — 15–30 kHz; HF (high frequency) — 30–180 kHz. Границы диапазонов очень условные. В LF затухание наименьшее, но шумов (волны, ветер, суда, живность и т.п.) может быть больше, чем в MF и HF. В целом LF лучше всего подходит для протяженных линков с относительно н��зкими скоростями. В MF шумов меньше всего, но затухание уже больше, чем в LF, поэтому дальности средние, зато пропускная способность повышается. HF лучше всего подходит для высокоскоростной передачи, но только на небольшие расстояния из-за сильного затухания. Частоты выше 180 кГц для связи использовать нет особого смысла, т. к. дальность связи получается не намного больше, чем в подводных оптических линках где скорости, напротив, очень высоки. Кроме того, высокие частоты активно используются сонарами.

Пропускная способность линии с шириной полосы, занимаемой сигналом, в 5 МГц, проложенной в РК, и пропускная способность линии с шириной полосы 5 кГц, проложенной в ГК диапазона MF, отличаются ровно в 1000 раз при условии одинакового уровня шумов на входе приемника. Таким образом, применение, например, модема 3D Link [2] в РК позволяет получить в этом случае скорость порядка 8 Мбит/сек для довольно надежного профиля модуляции/кодирования 16QAM, FEC rate=½. В ГК здесь можно рассчитывать максимум на 8 кбит/сек, но и эту пропускную способность будет выбрать чрезвычайно трудно из-за ряда причин о которых пойдет речь далее.

Несмотря на низкую пропускную способность ГК является отнюдь не узкополосным, напротив, это чрезвычайно широкополосный канал. Действительно, отношение ширины полосы частот, занимаемой линком, к средней частоте диапазона для ГК, проложенного в диапазоне 16–21 кГц, составляет 5/18.5≈0.27, где 18.5 кГц — средняя частота диапазона. Это очень много. Если такое же отношение применить к РК со средней частотой 2400 МГц, то ширина полосы канала составила бы 0.27∙2400≈648 МГц. Сделать антенны, элементы аналогового тракта и цифровой обработки сигналов способными работать в столь широком диапазоне частот не является тривиальной задачей. Это частично оправдывает высокую цену гидроакустических модемов.

Дальность радиосвязи в свободном пространстве зависит от используемого модема, антенн, антенных кабелей и может быть оценена из следующего уравнения дальности [3]

(1)

где
— искомая дальность связи [meters];
— скорость света в вакууме [m/sec];
— частота [Hz];
— мощность передатчика модема [dBm];
— усиление антенны передатчика [dBi];
— потери в кабеле от модема к антенне передатчика [dB];
— усиление антенны приемника [dBi];
— потери в кабеле от модема к антенне приемника [dB];
— чувствительность приемника модема [dBm].

Из уравнения (1) разработчик системы радиосвязи для надводного БА легко сможет оценить дальность связи, зная параметры используемых модемов, антенн и кабельных линий, которые приводятся в документации. Для радиоканала в плане расчета дальности связи в свободном пространстве все просто и удобно. Это удобство является следствием дв��х причин.

1. Шум в РК возникает в приемном тракте. Это так называемый тепловой шум [4]. Из-за того, что шум возникает в одном месте и, кроме того, он белый и гауссовский оказывается возможным ввести такой удобный для расчетов параметр приемника как чувствительность . Чувствительность приемников измеряют по стандартной методике и приводят в документации.

2. Плотность потока мощности электромагнитной волны (ЭМВ) в месте приема, измеряемая в Вт/м² (см. (2) [5]), не зависит от частоты волны (зависимость дальности от частоты обусловлена тем, что эффективная площадь приемной антенны зависит от частоты (см. (3) [5])). Этот факт, а также то, что РК является относительно узкополосным приводит к примерно одинаковому ослаблению всех частотных составляющих сигнала при прохождении через РК, что упрощает расчеты.

(2)

(3)

Для ГК связи удобной формулы расчета дальности не существует. Это обусловлено также двумя причинами.

1. Основной шум в ГК является внешним по отношению к приемнику (ambient noise), т. е. он возникает не внутри приемника, а приходит из среды распространения сигнала. Этот шум может вызываться проходящими судами, взволнованной ветром поверхностью воды и термическим движением молекул воды. Внешний шум в ГК является гауссовским, но он не белый, что усложняет расчет дальности.

2. Интенсивность звуковой волны уменьшается с расстоянием от источника не только за счет потерь на расширение, описываемых выражением, аналогичным (2) для РК, но и за счет потерь на поглощение, описываемых более сложными эмпирическими зависимостями. Уровень потерь на поглощение сильно зависит от частоты звуковой волны.

Рассмотрим методику расчета дальности в ГК на основе вычисления отношения сигнал/шум (ОСШ, Signal to Noise Ratio — SNR) [6]. ОСШ в ГК в полосе частот относительно частоты и на расстоянии от передатчика описывается следующим выражением

(4)

где
— дальность [meters];
— частота [Hz];
— интенсивность звука полезного сигнала в полосе на расстоянии 1 метр от акустического центра излучателя передатчика [Pa] (Pa — pascal, единица давления);
— коэффициент направленности (directivity index) передающего трансдюсера;
— коэффициент направленности (directivity index) приемного трансдюсера;
— затухание в ГК на расстоянии и частоте , отнесенное к затуханию на расстоянии 1 метр от акустического центра излучателя передатчика;
— спектральная плотность интенсивности внешнего шума на частоте [Pa/Hz].

При расчетах дальности удобнее пользоваться значениями, выраженными в децибелах. Для представления интенсивности звука принято использовать величину в дБ относительно одного микропаскаля (uPa) подобно тому как в РК принято использовать величину мощности в дБ относительно одного милливатта (dBm). Выражая значения в (4) в дБ, получим

(5)

Значение является стандартной характеристикой трансдюсеров (излучателей звука), работающих в режиме проектора (т. е. передатчика) [7], и доступно из документации. Значение описывается следующим выражением [6]

(6)

где
— фактор рассеяния, описывающий затухание звуковой волны за счет уменьшения пространственной плотности; при расчетах в ГК принято использовать значение 2 для сферической волны (аналогично (2) для РК), а 1 и 1.5 для цилиндрической и практической волн, соответственно;
— погонный коэффициент поглощения [dB/km], учитывающий превращение звуковой энергии в тепло за счет вязкого трения [8] и при использовании формулы Thorp [6], описываемого следующим выражением ( — частота в kHz)

(7)

Величина находится из выражения [6]

(8)

где

— спектральная плотность интенсивности шума океанской турбулентности на частоте [dBuPa/Hz] ( — частота в kHz);

— спектральная плотность интенсивности шума судовой активности на частоте [dBuPa/Hz] ( — частота в kHz), где — фактор судовой активности от низкой (0) до высокой (1);

— спектральная плотность интенсивности шума ветра на частоте [dBuPa/Hz] ( — частота в kHz), где — скорость ветра [м/сек];

— спектральная плотност�� интенсивности термического шума на частоте [dBuPa/Hz] ( — частота в kHz).

В результате расчетов по (5) получим значение ОСШ в ГК, зависящее от дальности и частоты . Это значение сравнивается с пороговым значением ОСШ при котором модем еще способен извлекать информацию из принимаемого сигнала с требуемым качеством. Если получившееся ОСШ больше порогового для всех значений в полосе, занимаемой сигналом, то система связи будет работоспособна на дальности и наоборот.

Далее приводятся расчеты ОСШ в ГК для системы связи на базе OFDM. Исходные данные для расчета.

• Полоса частот, занимаемая сигналом: 16–21 кГц (MF диапазон);

• 192 dBuPa;

• число поднесщих OFDM сигнала (общее/информационных): 1024/848;

• ширина полосы частот, занимаемой OFDM поднесущей: около 5.89 Гц;

• 0;

• 2;

• 0 (на частотах выше примерно 7 кГц судовая активность практически не влияет на уровень шума [6]);

• 0, 5 и 10 м/сек.

На рис. 1–3 приведены результаты расчета ОСШ в полосах OFDM поднесущих по приведенной выше методике для скоростей ветра 0, 5 и 10 м/сек, соответственно.

На рис. 4 показана спектральная плотность мощности (Power Spectral Density — PSD) внешнего шума в ГК в полосе 9–180 кГц при скорости ветра 0, 5 и 10 м/сек.

Из графика на рис. 4 следует, что диапазонах LF и MF уровень шума падает с ростом частоты. Это важно, т. к. падение уровня шума с ростом частоты в некоторой степени компенсирует рост затухания в ГК с ростом частоты за счет коэффициента поглощения, при этом ОСШ до определенной дальности не зависит от частоты что видно из рис. 1–3 для дальности 1 км.
Оценка дальности просто получается из графиков, изображенных на рис. 1–3, если задаться пороговым ОСШ. Допустим пороговое ОСШ равно 0 дБ. Тогда дальность действия гидроакустического линка составит для скоростей ветра 0, 5 и 10 м/сек, соответственно, >9, 9 и 7 км.

Из рис. 1–3 следуют следующие весьма важные для практики выводы.

Первое. С увеличением дальности ОСШ на верхних частотах, занимаемых гармониками полезного сигнала, уменьшается. Это следствие сильной зависимости погонного коэффициента поглощения (7) от частоты. Если на дальности 1 км эта зависимость вносит еще небольшой вклад в ослабление сигнала, то на дальности 9 км ее влияние настолько велико, что разность в ОСШ на низшей и высшей гармониках спектра сигнала превышает 10 дБ, что приводит к уменьшению предельной дальности функционирования ГК относительно РК при одинаковых энергетических возможностях передатчика и пороговом ОСШ приемника даже без учета других отличий.

Второе. Дальность действия линка в ГК сильно зависит от состояния поверхности моря которое в первую очередь определяется скоростью ветра. При увеличении скорости ветра от 0 до 10 м/сек ОСШ в ГК падает более чем на 20 дБ, что серьезно снижает дальность действия канала связи. Ветер приводит к образованию пены на поверхности моря. Пена есть ничто иное как пузыри воздуха которые постоянно лопаются, внося шум в толщу воды.

Расчеты дальности действия ГК, приведенные в этом разделе, призваны показать, в основном, их непрактичность в реальных ситуациях. Оценки дальности получаются слишком сложным способом и зависят от многих параметров. По этой причине на практике используют оценки, приведенные производителями гидроакустических модемов в документации. Следует, однако, помнить, что, как правило, эти оценки получены в условиях, приближенных к идеальным с точки зрения состояния моря и конфигурации линка и любые отклонения от этих условий в худшую сторону способны серьезно уменьшить заявленные значения, а то и привести к полной неработоспособности линии.

Влияние переотражений на дальность связи в гидроакустическом и радиоканале

Произведем некоторое усложнение описанной в предыдущем разделе модели, допустив наличие переотражений при распространении сигнала в РК и ГК. Здесь мы намеренно будем рассматривать ситуацию в которой отражатели находятся только снизу и сверху, с боков, спереди и сзади отражатели отсутствуют. Явления рефракции также не учитываем. Такое упрощение приводит к приземному каналу связи в случае РК и к каналу связи, проложенному в море с глубиной, не превышающей глубину поверхностного слоя, в случае ГК [9]. Скорость звука в поверхностном слое примерно одинакова и, как следствие, явления рефракции отсутствуют, а толщина этого слоя может составлять до нескольких десятков метров, что приводит к практически значимым моделям гидроакустических каналов, проложенным на шельфе где деловая активность максимальна. Методика оценки дальности связи в приземном РК изложена в [1]. Ниже приведем основные результаты.

Дальность связи в приземном РК описывается уравнением дальности [3], аналогичным (1), в которое добавлен только — множитель ослабления, учитывающий дополнительные потери за счет влияния поверхности Земли, растительности, атмосферы и других факторов [dB].

(9)

Формулы для расчета множителя ослабления при распространении радиоволны над гладкой поверхностью Земли довольно сложны, особенно для расстояний , превышающих дальность радио горизонта [3]. Поэтому в дальнейшем рассмотрении проблемы прибегнем к математическому моделированию с помощью комплекта компьют��рных программ автора. Рассмотрим типичную задачу передачи видео с борта беспилотного летательного аппарата (БЛА) на наземную станцию (НС) с помощью модема 3D Link [2]. Исходные данные следующие.

1. Высота подвеса антенны НС: 5 м.

2. Высота полета БЛА: 1000 м.

3. Частота радиолинии: 2.45 ГГц.

4. Коэффициент усиления антенны НС: 17 дБ.

5. Коэффициент усиления антенны БЛА: 3 дБ.

6. Мощность передатчика: +25 дБм (300 мВт).

7. Скорость в видеоканале: 4 Мбит/сек.

8. Чувствительность приемника в видеоканале: −100.4 дБм (для полосы частот, занимаемой сигналом 12 МГц).

9. Подстилающая поверхность: сухая почва.

10. Поляризация: вертикальная. Расстояние прямой оптической видимости для этих исходных данных составит 139.6 км. Результаты расчетов в виде мощности сигнала на входе приемника модема в дБм представлены на рис. 5.

Синяя кривая на рис. 5 есть мощность сигнала на входе приемника НС учетом влияния земной поверхности, зеленая кривая — мощность сигнала на входе приемника НС при связи в свободном пространстве, а красная прямая линия обозначает чувствительность этого приемника. По оси X отложена дальность в км, по оси Y — мощность в dBm. В тех точках дальности в которых синяя кривая лежит над красной прямой прием видео с борта БЛА возможен, в противном случае связи не будет. Из графика видно, что из-за осцилляций пропадание связи произойдет в диапазоне дальностей 37.1–37.8 км и далее в диапазоне 60.8–65.1 км. При этом окончательный разрыв соединения наступит гораздо дальше — после 120.6 км полета. Видимый на синей кривой скачок в точке 126.3 км обусловлен тем, что до этой дальности (т. е. в области радиовидимости) расчет производится по интерференционным формулам, а после этой дальности (т. е. в области радиотени) — по дифракционным формулам Фока [3].

Добавление в модель РК отражателя в виде земной поверхности существенно усложнило расчеты, но не сделало их невозможными. Заметим, что основные сложности возникают при расчете дальности с учетом кривизны Земли, т. е. когда расстояние между приемником и передатчиком довольно велико, в противном случае расчеты были бы намного проще [3]. В итоге, можно констатировать, что для приземного РК существует практически значимая и достаточно удобная методика оценки дальности.

ГК в поверхностном слое во многом похож на приземный РК. Нижним отражателем в РК и ГК выступает земная поверхность. При углах падения к земной поверхности около 90⁰ модуль коэффициента отражения близок к 1, а его фаза к 180⁰ как для радио [3], так и для звуковых волн [8]. Это означает, что при связи на дальности гораздо большей высоты расположения антенн над земной поверхностью отражение от нее практически зеркальное как для РК, так и для ГК. В общем, снизу все одинаково.

Верхним отражателем в РК выступает небо, а в ГК — поверхность воды. Ничего удивительного в том, что небо может отражать радиоволны нет. Тропосфера приземного слоя всегда содержит неоднородности с разной диэлектрической проницаемостью которые и являются отражателями радиоволн. Эти эффекты используются в тропосферной радиосвязи [10]. С другой стороны известно [10], что коэффициент отражения от неоднородностей тропосферы настолько мал, что его влияние на уровень поля в приземном РК ничтожно. Верхний отражатель в ГК представляет собой границу раздела вода-воздух. Коэффициент отражения звуковой волны от границы раздела при вертикальном падении зависит от разности акустических сопротивлений двух контактирующих сред [8]. Акустическое сопротивление среды равно плотности среды, умноженной на скорость звука в среде [8]. Разность акустических сопротивлений воздуха и воды очень велика, поэтому отражение от такой границы практически зеркальное и сопровождается изменением фазы волны на 180⁰. В общем, сверху в РК не отражается почти ничего, а в ГК почти все.

Наличие верхнего отражателя с существенным коэффициентом отражения в поверхностном ГК приводит к тому, что количество путей по которым сигнал может распространяться от передатчика к приемнику (лучей) составляет как минимум 3 (прямой, отраженный от дна и отраженный от поверхности моря). Также возможны пути в которых звук испытывает отражения и от дна и от поверхности, в том числе многократные. При этом число путей распространения сигнала в поверхностном ГК может ощутимо превышать 3. Напротив, в приземном РК возможно только два пути — прямой и отраженный от земли.

Само по себе наличие большого количества лучей в канале не является проблемой. Напротив, это даже позитивное явление в тех случаях когда можно использовать лучи для передачи независимых информационных потоков при помощи технологии MIMO в режиме пространственного мультиплексирования (spatial multiplexing) [11] или увеличивать надежность канала связи при помощи MIMO в режиме пространственного-временного кодирования (space-time coding) [12]. Однако, эти технологии находят ограниченное применения в ГК в силу того, что ГК, как правило, сильно нестационарны. Обычно гидроакустические модемы оборудованы только одним антенным элементом и тогда многолучевость ГК становится проблемой, т. к. она уменьшает надежность линка. При сложении большого количества лучей со случайными фазами и амплитудами статистика уровня сигнала в месте приема в поверхностном ГК будет определяться вероятностным распределением Райса, а в таких условиях вероятность ошибки в канале возрастает относительно уровня ошибок в каналах без многолучевости при одинаковом значении среднего ОСШ [13] и это приводит к уменьшению дальности связи в каналах с многолучевостью.

Многолучевые каналы связи делят на каналы с частотно-неселективными и частотно-селективными замираниями [13]. В частотно-неселективных каналах линейные искажения спектра передаваемого сигнала практически отсутствуют. Это происходит когда разность хода прямого и отраженного луча настолько мала, что начальная фаза всех составляющих спектра сигнала прямого и отраженного луча практически одинакова. В этом случае сигнал просто либо ослабляется, либо усиливается, но его форма и вид спектра остаются неизменными. Вид спектра сигнала и импульсная характеристика такого канала показана на рис. 6. Данные характеристики сняты на выходе приемника радиомодема 3D Link [2], работающего в кабельной линии на частоте 2.2 ГГц сигналом с шириной полосы 11.6 МГц, с помощью комплекта сервисного ПО SDR Surfer [14].

Спектр, показанный на рис. 6, представляет собой типичный спектр OFDM сигнала с защитными полосами по бокам в которых информация не передается и информационными поднесущими с одинаковым уровнем в основной полосе. Так как частотно-неселективный канал не вносит искажений в сигнал, то OFDM сигнал на его выходе сохраняет свой классический прямоугольный спектр. Импульсная характеристика такого канала, показанная на рис. 6 оранжевым цветом, имеет отчетливый один максимум, что говорит о присутствии в канале одного луча, либо нескольких лучей с настолько малой разностью хода, что при сложении они сливаются в один и неразличимы. Заметим, что импульсная характеристика, изображенная на рисунке, имеет вид функции sinc. В данном случае это связано не с каналом, а с тем, что для тестирования канала применялся OFDM сигнал который не содержит поднесущих в защитных полосах.

Для частотно-неселективных каналов должно соблюдаться следующее условие [13]

(10)

где
— максимальная разность хода прямого и отраженного луча;
— ширина спектра полезного сигнала.

В том случае когда условие (10) не выполняется канал является частотно-селективным, а это значит, что составляющие спектра сигнала, принадлежащие разным лучам, имеют разные начальные фазы и могут усиливаться и ослабляться независимо друг от друга что приводит к изменению формы сигнала и формы спектра. Искажения, возникающие в частотно-селективных каналах, деструктивно влияют на надежность линка, однако, их можно устранить при помощи специальных эквалайзеров которые, с другой стороны, требовательны к вычислительным ресурсам. Однако, даже при использовании эквалайзеров, дальность связи в частотно-селективных каналах ниже, чем в частотно-неселективных при одинаковом значении ОСШ, т. к. полностью устранить искажения невозможно. Многие важные для практики РК являются частотно-неселективными, но ГК, как правило, частотно-селективны и поэтому обработка сигналов в ГК сложнее, чем в РК. Подкрепим это утверждение небольшим расчетом. Для этого вычислим для двухлучевого канала в котором антенны располагаются на высотах и над поверхностью земли на расстоянии друг от друга. Разность хода лучей в этом случае описывается следующим приближенным выражением ([3], (2.2.21))

(11)

Разделив (11) на скорость носителя (ЭМВ или звук), получим для двухлучевого канала

(12)

Рассмотрим сценарий с 20 м и 1000 м который встречается на практике как в РК, так и в ГК. При этом получим в РК 2.7 нс, а в ГК с пресной водой 0.54 мс. Сравним эти значения с величиной , равной 50 нс для РК с 20 МГц и 0.2 мс для ГК с 5кГц. Из этого сравнения ясно, что согласно (10) РК с такими параметрами является частотно-неселективным, а ГК — частотно-селективным. Здесь скорость носителя первый раз вступает в игру. Вид спектра сигнала и импульсная характеристика частотно-селективного канала показана на рис. 7. Данные характеристики сняты на выходе приемника прототипа гидроакустического модема Aco Link [15], работающего в пластиковом баке с пресной водой размерами 77х42х29 см (ДШВ), с помощью того же комплекта сервисного ПО SDR Surfer. Центральная частота 18.4 кГц, ширина полосы сигнала 5 кГц. 3D Link и Aco Link используют для передачи информации OFDM сигналы с одинаковым числом поднесущих. Таким образом, мы можем наглядно оценить разницу в характеристиках РК и ГК, не отвлекаясь на различия тестирующих сигналов, т. к. сигналы эти структурно одинаковые.

Из рис. 7 наглядно видно как сильно искажена форма спектра на выходе частотно-селективного ГК. От былой прямоугольности не осталось и следа! Импульсная характеристика свидетельствует о том, что данный канал содержит как минимум 7 лучей, а, возможно, и больше. При этом уровень мощности лучей падает довольно медленно с увеличением задержки относительно первого (прямого) луча. Такое поведение типично для ГК, проложенного в замкнутом объеме воды, где наблюдаются многократные переотражения.

К сожалению, наличие переотражений является не единственной проблемой для рассматриваемого ГК в поверхностном слое. Верхний отражатель в виде поверхности моря не является статичным в отличие от нижнего отражателя — дна. Волнение морской поверхности из-за ветра превносит Допплеровский сдвиг в сигнал, отраженный от нее, переводя канал в категорию так называемых каналов с двойным рассеянием (doubly-spread channels) где сигналы, относящиеся к разным лучам сдвинуты друг относительно друга не только по времени, но и по частоте. Извлечение информации из сигналов, прошедших через каналы с двойным рассеянием, задача гораздо более трудная по сравнению с каналами, рассеянными только, допустим, по времени. Дополнительные трудности возникают когда ветер достигает уровня при котором гребни морских волн начинают опрокидываться, захватывая воздух в толщу воды и приводя к образованию пузырей. Это начинает происходить при скорости ветра около 4 м/сек [16]. Пузыри являются хорошими отражателями акустической энергии, при этом они нестационарны и могут двигаться в различных направлениях, создавая кластеры отражателей вблизи точки на поверхности моря где должно происходить основное отражение. Таким образом, при определенной силе ветра формируется т. н. кластерное отражение при котором луч, отраженный от поверхности моря, состоит из большого количества подлучей разность хода и Допплеровский сдвиг для которых немного отличаются. Будет ли волнение морской поверхности и наличие кластерного отражения критичными для функционирования системы связи зависит от применяемых типов сигналов, их параметров и алгоритмов обработки сигналов. В данной статье эти вопросы не рассматриваются. Однако, важно понимать, что влияние погодных условий и прежде всего силы ветра на функционирование поверхностного ГК очень велико, т. к. ветер не только создает Допплеровское рассеяние, но и вносит шум в канал, как мы видели в предыдущем разделе.

Чтобы продемонстрировать влияние волнения морской поверхности на форму спектра принимаемого сигнала прибегнем к математическому моделированию по методике [17]. При этом влияние внешних шумов учитывать не будем. Это позволит нам увидеть какие искажения возникают в сигнале именно под воздействием волнения морской поверхности, вызываемого ветром, а не шумов, вызываемых им же. В качестве исходных данных воспользуемся сценарием эксперимента SPACE [17] который проводился как раз в поверхностном канале с глубиной моря 10 метров на расстоянии между передатчиком и приемником 1 км, установленными на глубинах 4 и 2 метра, соответственно. Согласно данным Fig. 7 [17], уровень мощности лучей составил в среднем 0, −6, −9 и −14 дБ, а задержка 0, 0.35, 1.1 и 1.6 мсек, всего 4 луча. Первый луч — прямой; второй луч испытал 2 отражения от поверхности и одно от дна (первое отражение — от поверхности); третий луч испытал 3 отражения от поверхности и 3 от дна (первое отражение — от дна); четвертый луч испытал 3 отражения от поверхности и 4 от дна (первое отражение — от дна). На рис. 8 и 9 показана спектрально-временная диаграмма уровня звукового давления (Sound Pressure Level — SPL) в месте расположения приемника для такого ГК при скорости ветра 0 и 10 м/сек, соответственно, вычисленная в полосе частот 15.89–20.86 кГц на длительности 1.72 сек.

Из сравнения рис. 8 и 9 видно, что наличие ветра делает ГК весьма нестационарным в том смысле, что уровень сигнала на определенной частотной позиции начинает меняться со временем (рис. 9), чего не наблюдается при отсутствии ветра (рис. 8). Разумеется, это негативно отражается на возможности извлечения информации из принимаемого сигнала. Это интуитивно можно оценить, рассматривая спектры символов, принимаемых в таком ГК, в системе связи, использующей OFDM. На рис. 10 показаны амплитуды спектральных составляющих OFDM символа номер 0 при скорости ветра 0 и 10 м/сек, а на рис. 11 — символа номер 1.

Из сравнения рис. 10 и 11 видно, что при нулевой скорости ветра амплитудные спектры соседних OFDM символов совпадают по форме. Это дает возможность улучшить оценку характеристики канала связи за счет усреднения данных по всем принимаемым символам, что в конечном итоге увеличивает дальность связи. При скорости ветра 10 м/сек амплитудные спектры соседних символов слабо коррелированы, соответственно, возможности для усреднения отсутствуют, а это, как правило, ограничивает дальность связи. Спектр сигнала, полученный при скорости ветра 10 м/сек, выглядит зашумленным, но «шерсть» на спектре это не шум. В защитных полосах никакой «шерсти» нет при любой скорости ветра, т. к. при моделировании шум был отключен. «Шерсть» возникает из-за нестационарности ГК которая разрушает ортогональность поднесущих OFDM сигнала. Дело в том, что лучи, отраженные от движущейся поверхности моря, получают небольшой сдвиг по частоте и соответствующий им сигнал начинает частично выходить из предназначенного ему фильтра быстрого преобразования Фурье, попадая в соседние фильтры на выходе которых он воспринимается уже как шум. В данной ситуации система связи с OFDM может быть вполне работоспособна в том случае если она способна работать при суммарном уровне шума, включающего внешний шум и шум, возникающий за счет проникновения сигналов из соседних подканалов (т. н. межканальная интерференция, Inter Channel Interference — ICI). Например, математическая модель модема Aco Link [15] устойчиво работает в таком ГК при скорости ветра 10 м/сек при использовании профиля модуляции-кодирования BPSK, FEC rate=½ для ОСШ по внешнему шуму вплоть до 5 дБ.

Выводы. Частотно-селективная многолучевость и двойное рассеяние (по времени и частоте) типичны для ГК в отличие от РК. Сложность обработки сигналов в каналах с частотно-селективной многолучевостью и двойным рассеянием не способствует достижению рекордных показателей по дальность связи. По этой причине дальность связи в ГК, как правило, меньше, чем в РК при прочих равных условиях.

Влияние движения передатчика и приемника на дальность связи в гидроакустическом и радиоканале

Дополнительно усложняем нашу модель приземного РК и поверхностного ГК, вводя в нее перемещение передатчика и приемника друг относительно друга.

Известно, что за счет эффекта Допплера [18] при взаимном перемещении передающей и приемной антенн частота гармонического колебания, воспринимаемого приемником увеличивается если передатчик и приемник сближаются и уменьшается если они отдаляются. Менее известно, что изменение частоты волны является лишь следствием того, что под влиянием эффекта Допплера принимаемый сигнал (или волна) сжимается или растягивается если передатчик и приемник, соответственно, сближаются или отдаляются. Действительно, если передатчик и приемник сближаются, то сигнал длительностью полностью «зайдет» в антенну приемника за время меньшее по сравнению со статичной ситуацией просто потому что за это время расстояние между объектами уменьшилось. Если сигнал представляет собой синусоидальное колебание длительности , то оно как гармошка будет сжиматься или растягиваться, что эквивалентно изменению частоты синусоиды. Следовательно, для гармонического сигнала компенсация эффекта Допплера может быть достигнута за счет его переноса по частоте на величину обратную Допплеровскому частотному смещению. Однако, для сигнала, состоящего из многих синусоид с сильно отличающимися частотами, влияние эффекта Допплера не эквивалентно переносу всего спектра сигнала по частоте на некоторое значение. Каждая частотная составляющая сигнала испытывает строго индивидуальный частотный сдвиг, зависящей от ее частоты и скорости взаимного перемещения. В тех случаях когда сигнал относительно узкополосный, т. е. частоты низшей и высшей гармоник спектра сигнала отличаются незначительно, а длительность сигнала мала, то, действительно, относительно хорошей компенсации Допплеровского сдвига можно добиться просто передвинув все составляющие спектра на одинаковую величину, равную Допплеровскому сдвигу на центральной частоте с обратным знаком. Это часто практикуется в модемах, спроектированных для связи в РК. Напротив, модемы, проектируемые для связи в ГК, работают с чрезвычайно широкополосными сигналами и для них такой метод компенсации Допплеровского сдвига не подходит. Компенсация Допплеровского сдвига для широкополосных сигналов производится с помощью специальных фильтров — ресэмплеров которые могут сжимать или растягивать сигнал, т. е. менять его длительность, а не расположение на оси частот [9]. Ресемплер является далеко не самым простым в исполнении блоком и, кроме того, предъявляет высокие требования к быстродействию устройств цифровой обработки сигналов особенно когда реализуется на базе микропроцессора. Поэтому без особой надобности его не используют, что как раз актуально для радиомодемов где его обычно и нет. По этой причине попытки использования модемов, спроектированных для РК, могут давать неоднозначный эффект при их применении в ГК (с соответствующей заменой антенн и настройкой параметров, конечно). В определенных сценариях все может работать неплохо, но при наличии движения связь может исчезнуть.

Количественно оценивать влияние эффекта Допплера на сигнал принято с помощью т. н. масштабирующего множителя Допплера (Doppler scaling factor) [19], описываемого следующим выражением

(13)

где
— разность радиальных скоростей передатчика и приемника;
— скорость носителя (ЭМВ для РК или звук для ГК).

Множитель Допплера для ГК при 1 м/сек и 1481 м/сек составит 1/1481=6.75∙10⁻⁴. Вроде бы немного, но умножив это значение на скорость света 3∙10⁸ м/сек, получим 202.5 км/сек — именно с такой скоростью нужно двигаться, чтобы получить аналогичное значение множителя Допплера для РК. Другими словами, влияние взаимного перемещения передатчика и приемника на связь в ГК за счет эффекта Допплера гораздо более существенное, чем в РК, и пренебрегать этим никак нельзя. Здесь скорость носителя второй раз вступает в игру.

Несмотря на то, что алгоритмы компенсации Допплеровского сдвига в гидроакустических модемах на базе ресемплеров (как указано выше) ощутимо сложнее аналогичных алгоритмов в модемах, спроектированных для работы в РК, на практике они вполне реализуемы. Однако, это касается только случаев когда величина множителя Допплера примерно одинакова для всех лучей. Это довольно распространенный вариант для случаев когда углы между лучами относительно малы, что, в целом, выполняется для связи в протяженных поверхностных ГК. Но данное условие не выполняется в каналах, проложенных в замкнутых объемах воды (баках, бассейнах и т. п.), в реках, вблизи причальных стенок и в других местах где отражатели могут располагаться со всех сторон. В этих случаях взаимное перемещение передатчика и приемника способствует созданию уже обсуждавшегося выше канала с двойным рассеянием, что не сулит ничего хорошего. Существует также важный для практики вариант протяженного поверхностного ГК где двойное рассеяние все-таки наблюдается. Это происходит при всплытии или погружении передатчика или приемника. Схематическое изображение этой ситуации приведено на рис. 12.

Из рис. 12 видно, что при всплытии передатчика и неподвижном приемнике луч, отраженный от поверхности моря будет укорачиваться, а отраженный от дна — удлиняться. Прямой луч будет удлиняться если глубина расположения приемника больше глубины передатчика и наоборот.

На рис. 13 и 14 показаны полученные методом математического моделирования амплитуды откликов согласованного фильтра приемника на сигнал, принимаемый в канале, изображенном на рис. 12, при погружении передатчика со скоростями 0 и 5 м/сек, соответственно. В качестве исходных данных для моделирования использовался сценарий эксперимента MACE [17] который проводился в канале с глубиной моря 100 метров на расстоянии между передатчиком и приемником 1.28 км, установленными на глубинах 45 и 60 метров, соответственно. Со��ласно данным Fig. 8 [17], уровень мощности лучей составил в среднем 0, −3, −2 и −10 дБ, а задержка 0, 2.35, 2.84 и 8.92 мсек, всего 4 луча. Первый луч — прямой; второй луч испытал отражение только от поверхности; третий луч испытал отражение только от дна; четвертый луч испытал отражение сначала от поверхности, а потом от дна.

Отклик согласованного фильтра, изображенный на рис. 13, 14, состоит из трех поверхностей, относящихся к трем первым лучам в рассматриваемом ГК. Из рис. 13 видно, что при отсутствии движения максимумы всех откликов имеют примерно одинаковый сдвиг по оси частот (frequency offset) и отличаются только задержкой (timing offset). Ситуация кардинально меняется при наличии движения вниз у передатчика (рис. 14). В этом случае частотный сдвиг, соответствующий максимумам откликов, разный для всех трех лучей, как и должно быть с учетом конфигурации ГК, изображенной на рис. 12.

Несмотря на сложность организации устойчивой связи в ГК с двойным рассеянием, существуют методики которые позволяют это делать.

1. Применение сигналов с расширенным спектром (spread spectrum). При таком подходе система связи извлекает информацию только из самого мощного луча, трактуя остальные лучи просто как шум. Эта методика используется во множестве гидроакустических модемов, доступных на рынке, в т.ч. Aco Link [15]. Недостатком этого способа является серьезное уменьшение скорости передачи информации и/или дальности связи относительно ГК без рассеяния или с незначительным рассеянием (когда основной луч намного мощнее всех остальных).

2. Применение эквалайзеров, либо алгоритмов обработки сигнала каждого луча по отдельности с последующим сложением побитовых мягких решений, либо и то и другое совместно [19]. Эти методы допускают передачу информации в ГК со скоростями существенно выше, чем при использовании spread spectrum, но работоспособны, как правило, при небольшом количестве лучей. Алгоритмы обработки сигналов, реализованные в гидроакустическом модеме Aco Link [15] по данной методике, позволяют обеспечивать одинаковую скорость передачи информации в статическом ГК и канале с погружением/всплытием за счет повышения порогового ОСШ на 3 дБ для последнего.

В заключение этого раздела на рис. 15–17 приведен вид амплитудных спектров и импульсных характеристик ГК, полученных в ходе полевых испытаний модема Aco Link [15], чтобы наглядно продемонстрировать искажения сигнала, создаваемые ГК. Испытания проводились на реке Оредеж в Ленинградской области в сентябре 2025 года. Заметим, что реки продуцируют одни из наиболее сложных с точки зрения условий связи ГК. В реках всегда много естественных отражателей, расположенных со всех сторон. Кроме того, в реках присутствует течение которое приводит к взаимному перемещению передатчика и приемника. Во всех линках, представленных на рис. 15–17, связь обеспечивалась.

Выводы. Влияние движения передатчика и приемника на процесс информационного обмена в ГК гораздо более существенное, чем в РК за счет того, что скорость звука значительно меньше скорости света и, соответственно, процессы сжатия/растяжения сигнала за счет эффекта Допплера проявляются в ГК сильнее. Модемы, проектируемые для использования в ГК, требуют специальных алгоритмов компенсации Допплеровского смещения по сравнению с модемами для РК из-за того, что сигнал в ГК, как правило, гораздо более широкополосный, чем в РК.

Влияние рефракции на дальность связи в гидроакустическом и радиоканале

Дальнейшим усложнением модели РК и ГК является введение в нее явления рефракции [20] которое в применении к беспроводной связи заключается в изменении переносчиком информации направления своего распространения из-за изменения скорости распространения носителя в среде. Следствием закона Снеллиуса является то, что при наклонном распространении в среде с постоянно увеличивающейся скоростью волна изгибается в сторону среды с меньшей скоростью и движение фронта волны перестает быть прямолинейным.

В приземном РК рефракция связана, в основном, с изменением диэлектрической проницаемости воздуха тропосферы с высотой [3]. В том случае когда диэлектрическая проницаемость уменьшается с высотой ЭМВ загибается в сторону земной поверхности и наоборот. Чаще всего имеет место ситуация т. н. стандартной рефракции когда диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом высоты с градиентом −7.85∙10⁻⁸ 1/m [3]. Это означает, что в большинстве приземных радиолинков ЭМВ стремится распространятся вдоль поверхности земного шара, а не уходить от него в космос, что способствует увеличению дальности связи. В расчетах дальности связи явление рефракции в приземном РК учитывают вводя эквивалентный радиус Земли [3] который для стандартной рефракции равен 8500 км, в то время как геометрический радиус Земли равен 6370 км. Понятно, что чем больше радиус Земли, тем больше расстояние прямой видимости которое как раз и ограничивает дальность радиосвязи в приземном канале. Также вводят понятие критической рефракции с градиентом 31.4∙10⁻⁸ 1/m и сверхрефракции с градиентом 31.4∙10⁻⁸ 1/m [3]. При критической рефракции радиоволна распространяется строго вдоль поверхности Земли как будто бы она распространялась над ровной поверхностью, т. е. эквивалентный радиус Земли становится равным бесконечности. При сверхрефракции радиоволна испытывает многократные отражения от поверхности Земли, распространяясь в пределах так называемого тропосферного волновода на большие расстояния. Сверхрефракция над теплыми морями в УКВ диапазоне не является редкостью, но на практике не используется из-за того, что не слишком и часта. В основном это вредное явление, приводящее к взаимным помехам в системах радиовещания [3]. Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что рефракция в приземном РК способствует увеличению дальности связи. Расчет дальности связи в РК с рефракцией прост — достаточно заменить радиус Земли, используемый в расчете множителя ослабления на эквивалентный с последующим использованием (9) для получения окончательного результата.

В ГК рефракция также имеет место, но проявляется наиболее ярко в глубоких морях. Это связано с зависимостью скорости звука от таких параметров морской воды как соленость, давление и температура. Схематично зависимость этих параметров от глубины (depth) изображена на рис. 18.

Скорость звука увеличивается при увеличении солености, давления (глубины) и температуры. Таким образом, с ростом глубины скорость звука увеличивается за счет солености и давления, а за счет температуры, наоборот, уменьшается. Поэтому общая зависимость скорости звука от глубины (т.н. профиль скорости звука) довольно сложная. Схематично она изображена на рис. 19.

Из рис. 19 видно, что в поверхностном слое (surface layer) который мы рассматривали в предыдущих разделах скорость примерно постоянна и звук там распространяется по прямым траекториям (лучам), показанным на рис. 20.

Напротив, в области постоянного термоклина (permanent termocline) и глубокого изотермического слоя (deep isothermal layer) зависимость скорости звука от глубины сильно нелинейная и имеет глобальный минимум на глубине около 1 км. На стыке этих слоев за счет рефракции возможно формирование пространственного волновода, называемого глубоководным звуковым каналом [9], по которому звук может распространяться на значительные расстояния по существенно изогнутым траекториям, схематично показанным на рис. 21.

Глубоководный пространственный канал в ГК является аналогом тропосферного волновода в случае сверхрефракции в РК в том смысле, что оба способствуют увеличению дальности связи. Однако, сверхрефракция относительно редкое явления для РК, а глубоководное дальнее распространение в ГК наблюдается повсеместно в глубоких морях. Несмотря на широкое распространение глубоководного звукового канала его практическое использование представляет собой определенный вызов для проектировщика гидроакустического линка по двум причинам [9].

1. Уровень сигнала вдоль трассы глубоководного канала сильно неоднороден. Там где звуковые волны, принадлежащие разным трассам складываются неконструктивно могут формироваться области тени где сигнал чрезвычайно слабый и связь, соответственно, невозможна. В других областях, напротив, сигнал может быть довольно сильный за счет конструктивного сложения и связь возможна. Предсказать заранее это трудно.

2. Разность хода волн, принадлежащих разным траекториям, может достигать секунд [9], что сравнимо с длительностью информационного пакета в гидроакустической связи. Извлечение информации из суммы двух и более пакетов с разным информационным наполнением является сложной задачей. Расчет дальности связи в ГК с рефракцией сложен и непрактичен, т. к. требует знания профиля скорости звука по всей трассе распространения сигнала. При необходимости для этой цели обычно используют специальные пакеты программ [21].

Выводы. Явление рефракции в РК и ГК, как правило, способствует увеличению дальности связи. Сверхдальнее (волноводное) распространение в РК наблюдается редко, а в ГК — повсеместно в глубоких морях. Использование волноводного ГК на практике представляет собой сложную техническую задачу.

Заключение

Из представленного обзора следует, что гидроакустический канал, в среднем, сложнее радиоканала с точки зрения организации в нем информационных линков. Такое положения дел обусловлено несколькими причинами.

1. Интенсивность звуковой волны уменьшается с расстоянием не только за счет пространственного расширения как у радиоволны, но и за счет поглощения в воде которое быстро увеличивается с ростом частоты, что может приводить к амплитудным искажениям спектра принимаемого сигнала даже в отсутствии многолучевости.

2. Надежность связи в поверхностном гидроакустическом канале сильно зависит от погодных условий в отличие от радиоканала где такая зависимость, как правило, отсутствует или слаба. Ветер над морем вносит в гидроакустический канал шум и Допплеровское рассеяние, вызываемое движением морской поверхности под действием ветра.

3. Скорость звука примерно в 200 тысяч раз меньше скорости света. Соответственно, Допплеровский сдвиг и задержки в гидроакустическом канале оказываются во столько же раз больше, чем в радиоканале при одинаковой пространственной конфигурации линка и при одинаковых скоростях движения передатчика, приемника и отражателей.

4. Многолучевость встречается в гидроакустических каналах чаще, чем в радио за счет того, что объем среды распространения (водоема) всегда ограничен, а граница раздела вода/воздух практически идеально отражает звук.

Литература

1. Смородинов А.А. 1. Как увеличить дальность связи с беспилотным летательным аппаратом (БЛА). Хабр. 2019.

2. Цифровой дуплексный радиомодем 3D Link.

3. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. Связь. Москва. 1971.

4. Thermal noise. Статья в Википедии.

5. C.A. Balanis. Antenna theory. Analysis and design, Fourth edition. John Wiley & Sons. 2016.

6. M.Stojanovic, "On the Relationship Between Capacity and Distance in an Underwater Acoustic Communication Channel," ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review (MC2R), vol.11, Issue 4, October 2007, pp.34–43.

7. J.L.Butler and C.H. Sherman, Transducers and Arrays for Underwater Sound, Second Edition. Springer, 2016.

8. R.Coates, Underwater Acoustic Systems, New York: Wiley, 1989.

9. S.Zhou and Z. Wang, OFDM for Underwater Acoustic Communications, Wiley, 2014.

10. Гусятинский И.А., Немировский А.С., Соколов А.В., Троицкий В.Н. Дальняя тропосферная радиосвязь. Связь. Москва. 1968.

11. Spatial multiplexing. Статья в Википедии.

12. Space-time coding. Статья в Википедии.

13. J.G.Proakis, Digital Communications, Fourth edition. McGraw-Hill, 2001.

14. Сервисное ПО SDR Surfer. ГК Геоскан. Санкт-Петербург.

15. Aco Link. Цифровой гидроакустический модем для широкого круга задач. Краткое описание. ГК Геоскан. Санкт-Петербург. 2025.

16. В.В. Луговский. Динамика моря. Судостроение. Ленинград. 1976.

17. P.Quarabaqi and M.Stojanovic, "Statistical Characterization and Computationally Efficient Modeling of a Class of Underwater Acoustic Communication Channels," IEEE Journal of Oceanic Engineering. Vol. 38, Issue: 4, October 2013, p. 701–717.

18. Doppler effect. Статья в Википедии.

19. K.Tu, T.Duman, M. Stojanovic and J.Proakis, "Multiple Resampling Receiver Design for OFDM over Doppler-Distorted Underwater Acoustic Channels," IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol.38, No.2, April 2013, pp.333–346.

20. Refraction. Статья в Википедии.

21. Ocean Acoustics Library — OALIB.