eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2021
И.Малахов, Ф.Панкратов
ОБЗОР СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ПОДВОДНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
ОБЗОР СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ПОДВОДНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Просмотры: 2213
DOI: 10.22184/2070-8963.2021.94.2.70.72
В статье проведен обзор сигнально-кодовых конструкций в подводной акустической связи. Рассмотрены основные используемые в подводной связи виды модуляции и кодирования. Приведены оценки коэффициентов битовых ошибок при использовании различных сигнально-кодовых конструкций.
В статье проведен обзор сигнально-кодовых конструкций в подводной акустической связи. Рассмотрены основные используемые в подводной связи виды модуляции и кодирования. Приведены оценки коэффициентов битовых ошибок при использовании различных сигнально-кодовых конструкций.
Теги: coding hydroacoustic modulation signal-code constructions underwater acoustic communications гидроакустика кодирование модуляция подводная акустическая связь сигнально-кодовые конструкции
ОБЗОР СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ в подводной акустической связи
И.Малахов, мл. науч. сотр. Института проблем управления
им. В.А.Трапезникова РАН / froztgal@gmail.com,
Ф.Панкратов, мл. науч. сотр. ИПУ им. В.А.Трапезникова РАН /
philippsait@gmail.com
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.94.2.70.72
В статье проведен обзор сигнально-кодовых конструкций в подводной акустической связи. Рассмотрены основные используемые в подводной связи виды модуляции и кодирования. Приведены оценки коэффициентов битовых ошибок при использовании различных сигнально-кодовых конструкций.
Введение
В последнее время все больший интерес к теме подводной акустической связи проявляют специалисты самых разных областей. В морях и океанах расположено большое количество различных объектов, обеспечивающих связь, добычу полезных ископаемых, защиту морских границ. Появление таких объектов привело к необходимости наблюдения и обслуживания, а также автоматизации этих процессов. Такие задачи способны решить беспилотные подводные модули (дроны), однако для обеспечения нормального функционирования сети таких дронов необходим устойчивый и надежный подводный канал связи.
Реализовать надежный высокоскоростной канал можно при помощи кабельных линий связи, однако такой подход не всегда реализуем в подводных сетях, так как большинство объектов в них являются мобильными. Использование традиционной беспроводной связи под водой также является довольно проблематичным, так как высокочастотные электромагнитные волны сильно затухают в водной среде. В подводной связи на данный момент используются гидроакустические, оптические и низкочастотные радиосистемы связи [1]. Наиболее интересным выглядит вариант использования гидроакустической системы, так как оптические системы связи работают на относительно небольшие расстояния, хотя и обеспечивая при этом высокую скорость передачи информации, а низкочастотные радиосистемы требуют использования больших антенн и обеспечивают малую скорость передачи информации.
Несмотря на перспективность, гидроакустический канал подвержен влиянию ряда эффектов, затрудняющих надежную и высокоскоростную передачу информации по нему.
К таким эффектам можно отнести многолучевое распространение сигналов за счет отражений от поверхности воды и дна, высокое затухание сигнала в канале, эффект Доплера и нестационарность канала связи из-за движения воды и дрейфа или движения приемопередатчиков.
В данной статье приведен обзор научных работ в области применения различных сигнальных кодовых конструкций, а также достигнутых в них на основании математического моделирования и ряда экспериментов результатов.
Модуляция и кодирование
В работе [2] была произведена оценка эффективности по коэффициенту битовых ошибок в зависимости от отношения "сигнал – смесь помехи с шумом" (BER vs SINR) таких видов модуляции, как BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM и 32QAM. В [3] исследовались характеристики модуляции при работе с различным количеством поднесущих в сигнале OFDM. Авторы [3] использовали мультиплексирование с ортогональным частотным разделением и нулевым заполнением интервала между блоками (ZP-OFDM) [4] и передачу широкополосных сигналов по методу прямой последовательности (DS-SS) [5].
В рамках исследования [3] были проведены тесты как в резервуаре с водой, так и в озере Ла Саль (Lake La Salle).
В случае использования методов цифровой фазовой модуляции BPSK и QPSK увеличение количества поднесущих в сигнале OFDM ведет к уменьшению BER. Как и ожидалось, при прочих равных вероятность битовой ошибки у BPSK ниже, чем у QPSK. В работе [3] авторы описали высокоскоростной программно-реконфигурируемый гидроакустический модем (SDAM) с возможностью адаптации в реальном времени, который изменяет вид модуляции и кодирования в зависимости от условий. Благодаря этому модем может достичь компромисса между надежностью и скоростью передачи данных. При тестировании модема авторами была достигнута скорость 104 кбит/с при BER, равном 2 ∙ 10–5, 208 кбит/с при BER, равном 10–3, и 260 кбит/с при BER, равном 10–2. Измерения проводились на двухсотметровом горизонтальном участке на мелководье.
В работе [6] описан эксперимент с использованием MIMO-OFDM [7]. MIMO обычно используется для увеличения скорости передачи данных по каналам с ограниченной полосой пропускания. Предлагаемый в [6] приемник состоит из следующих блоков:
итеративный блок демодуляции и декодирования сигналов MIMO, который, в свою очередь, состоит из двух блоков:
Такое решение применено для итеративного декодирования сигнала на каждой поднесущей. Авторы [6] проводили испытания с различным количеством передатчиков (от 2 до 4), количество приемников было равно 12, при использовании различных видов модуляции (QPSK, 8QAM, 16QAM, 64QAM). Максимальная достигнутая скорость в экспериментах была равна 125,7 кбит/с при использовании полосы пропускания 62,5 кГц, а максимально достигнутая спектральная эффективность была равна 3,5.
На рис.1 приведены усредненные по каналам показатели BER и коэффициента блоковых ошибок (BLER), полученные в эксперименте по акустической связи (RACE 08), который проводился в заливе Наррагансетт (Род-Айленд) в марте 2008 года. Глубина воды составляла от 9 до 14 м. В эксперименте изменялось число передатчиков от двух до четырех, количество приемников было равно 12.
На рис.2 приведены усредненные по каналам показатели BER без использования кодирования, полученные в эксперименте VHF 08. Этот эксперимент проводился в заливе Баззардс Атлантического океана (Массачусетс) в апреле 2008 года. Глубина воды составляла 12 м. Дальность передачи достигала 450 м при использовании сигнала очень высокой частоты (VHF). В эксперименте изменялась ширина полосы канала, использовалось два передатчика. Показатели BER с применением кодирования в обоих случаях были равны нулю.
В [2] рассматривались сигналы без применения кодирования и при использовании кодирования с исправлением ошибок (коэффициент избыточности 1/2 и 3/4). Использование кодирования с исправлением ошибок помогает значительно уменьшить BER.
В [6] был рассмотрен небинарный код с низкой плотностью проверок на четность (NB-LDPC [8]) и коэффициентом избыточности 1/2.
В [9] были проверены сверточные коды (CC) и блочные коды Рида – Соломона (RS). Эти коды не смогли значительно улучшить коэффициент битовых ошибок (BER) на выходе декодера. По этой причине были испытаны варианты так называемых турбокодов, в частности блочные турбокоды Рида – Соломона (RS-BTC) для повышения эффективности декодирования. После проверки системы на реке Панфельд (Penfeld) во Франции (район г. Брест) были проведены испытания в Брестском заливе. Использование RS-BTC с несколькими итерациями показало значительное улучшение BER по сравнению с кодами CC и RS.
Заключение
В приведенном выше обзоре было рассмотрено применение различных сигнально-кодовых конструкций в подводной среде. Согласно проведенному анализу скорость передачи данных недостаточна для передачи видеопотока приемлемого качества. Данная тема требует дальнейшего исследования с целью увеличения скоростей в подводных каналах связи.
Исследование и разработка новых перспективных сигнально-кодовых конструкций имеет важное значение для гидроакустической связи. Перспективными выглядят алгоритмы адаптивного изменения сигнально-кодовых конструкций в зависимости от состояния канала связи, так как каналы подводной связи нестационарные и условия в них постоянно меняются.
ЛИТЕРАТУРА
Душин С.В., Фархадов М.П., Шаврин С.С., Алёшин В.С. Тенденции и перспективы развития беспроводной подводной связи // DSPA: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. 2020. Т. 10. № 2. С. 11–18.
Demirors E., Sklivanitis G., Santagati G.E., Melodia T. and Batalama S.N. A High-Rate Software-Defined Underwater Acoustic Modem With Real-Time Adaptation Capabilities // IEEE Access. 2018. Vol. 6. PP. 18602–18615.
Kabir W. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) // 2008 China-Japan Joint Microwave Conference, Shanghai. 2008. PP. 178–184.
Ghosh M. Improved Equalization For Coded, Zero-Padded OFDM (ZP-OFDM) Systems // 2007 IEEE International Conference on Communications, Glasgow. 2007. PP. 4263–4268.
Pursley M.B. Direct-sequence Spread-Spectrum Communications for Multipath Channels // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002. Vol. 50. No. 3. PP. 653–661.
Li B. et al. MIMO-OFDM for High-Rate Underwater Acoustic Communications // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2009. Vol. 34. No. 4. PP. 634–644.
Stuber G.L., Barry J.R., McLaughlin S.W., Ye Li, Ingram M.A. and Pratt T.G. Broadband MIMO-OFDM Wireless Communications // Proceedings of the IEEE. 2004. Vol. 92. No. 2. PP. 271–294.
Huang J., Zhou S. and Willett P. // Nonbinary LDPC Coding for Multicarrier Underwater Acoustic Communication // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2008. Vol. 26. No. 9. PP. 1684–1696.
Trubuil J., Goalic A. and Beuzelin N. An Overview of Channel Coding for Underwater Acoustic Communications // MILCOM 2012–2012 IEEE Military Communications Conference, Orlando (FL). 2012. PP. 1–7.
И.Малахов, мл. науч. сотр. Института проблем управления
им. В.А.Трапезникова РАН / froztgal@gmail.com,
Ф.Панкратов, мл. науч. сотр. ИПУ им. В.А.Трапезникова РАН /
philippsait@gmail.com
УДК 621.391, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.94.2.70.72
В статье проведен обзор сигнально-кодовых конструкций в подводной акустической связи. Рассмотрены основные используемые в подводной связи виды модуляции и кодирования. Приведены оценки коэффициентов битовых ошибок при использовании различных сигнально-кодовых конструкций.
Введение
В последнее время все больший интерес к теме подводной акустической связи проявляют специалисты самых разных областей. В морях и океанах расположено большое количество различных объектов, обеспечивающих связь, добычу полезных ископаемых, защиту морских границ. Появление таких объектов привело к необходимости наблюдения и обслуживания, а также автоматизации этих процессов. Такие задачи способны решить беспилотные подводные модули (дроны), однако для обеспечения нормального функционирования сети таких дронов необходим устойчивый и надежный подводный канал связи.
Реализовать надежный высокоскоростной канал можно при помощи кабельных линий связи, однако такой подход не всегда реализуем в подводных сетях, так как большинство объектов в них являются мобильными. Использование традиционной беспроводной связи под водой также является довольно проблематичным, так как высокочастотные электромагнитные волны сильно затухают в водной среде. В подводной связи на данный момент используются гидроакустические, оптические и низкочастотные радиосистемы связи [1]. Наиболее интересным выглядит вариант использования гидроакустической системы, так как оптические системы связи работают на относительно небольшие расстояния, хотя и обеспечивая при этом высокую скорость передачи информации, а низкочастотные радиосистемы требуют использования больших антенн и обеспечивают малую скорость передачи информации.
Несмотря на перспективность, гидроакустический канал подвержен влиянию ряда эффектов, затрудняющих надежную и высокоскоростную передачу информации по нему.
К таким эффектам можно отнести многолучевое распространение сигналов за счет отражений от поверхности воды и дна, высокое затухание сигнала в канале, эффект Доплера и нестационарность канала связи из-за движения воды и дрейфа или движения приемопередатчиков.
В данной статье приведен обзор научных работ в области применения различных сигнальных кодовых конструкций, а также достигнутых в них на основании математического моделирования и ряда экспериментов результатов.
Модуляция и кодирование
В работе [2] была произведена оценка эффективности по коэффициенту битовых ошибок в зависимости от отношения "сигнал – смесь помехи с шумом" (BER vs SINR) таких видов модуляции, как BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM и 32QAM. В [3] исследовались характеристики модуляции при работе с различным количеством поднесущих в сигнале OFDM. Авторы [3] использовали мультиплексирование с ортогональным частотным разделением и нулевым заполнением интервала между блоками (ZP-OFDM) [4] и передачу широкополосных сигналов по методу прямой последовательности (DS-SS) [5].
В рамках исследования [3] были проведены тесты как в резервуаре с водой, так и в озере Ла Саль (Lake La Salle).
В случае использования методов цифровой фазовой модуляции BPSK и QPSK увеличение количества поднесущих в сигнале OFDM ведет к уменьшению BER. Как и ожидалось, при прочих равных вероятность битовой ошибки у BPSK ниже, чем у QPSK. В работе [3] авторы описали высокоскоростной программно-реконфигурируемый гидроакустический модем (SDAM) с возможностью адаптации в реальном времени, который изменяет вид модуляции и кодирования в зависимости от условий. Благодаря этому модем может достичь компромисса между надежностью и скоростью передачи данных. При тестировании модема авторами была достигнута скорость 104 кбит/с при BER, равном 2 ∙ 10–5, 208 кбит/с при BER, равном 10–3, и 260 кбит/с при BER, равном 10–2. Измерения проводились на двухсотметровом горизонтальном участке на мелководье.
В работе [6] описан эксперимент с использованием MIMO-OFDM [7]. MIMO обычно используется для увеличения скорости передачи данных по каналам с ограниченной полосой пропускания. Предлагаемый в [6] приемник состоит из следующих блоков:
- блок оценки смещения несущей частоты, в котором нулевые поднесущие OFDM-сигнала используются для компенсации доплеровского сдвига частоты;
- блок оценки канала, в котором пилотные поднесущие OFDM-сигнала используются для оценки канала;
итеративный блок демодуляции и декодирования сигналов MIMO, который, в свою очередь, состоит из двух блоков:
- блок последовательного подавления помех и мягкого выравнивания минимального среднего квадрата ошибки (MMSE);
- блок декодера канала, использующий код с низкой плотностью проверок на четность (LDPC [8]).
Такое решение применено для итеративного декодирования сигнала на каждой поднесущей. Авторы [6] проводили испытания с различным количеством передатчиков (от 2 до 4), количество приемников было равно 12, при использовании различных видов модуляции (QPSK, 8QAM, 16QAM, 64QAM). Максимальная достигнутая скорость в экспериментах была равна 125,7 кбит/с при использовании полосы пропускания 62,5 кГц, а максимально достигнутая спектральная эффективность была равна 3,5.
На рис.1 приведены усредненные по каналам показатели BER и коэффициента блоковых ошибок (BLER), полученные в эксперименте по акустической связи (RACE 08), который проводился в заливе Наррагансетт (Род-Айленд) в марте 2008 года. Глубина воды составляла от 9 до 14 м. В эксперименте изменялось число передатчиков от двух до четырех, количество приемников было равно 12.
На рис.2 приведены усредненные по каналам показатели BER без использования кодирования, полученные в эксперименте VHF 08. Этот эксперимент проводился в заливе Баззардс Атлантического океана (Массачусетс) в апреле 2008 года. Глубина воды составляла 12 м. Дальность передачи достигала 450 м при использовании сигнала очень высокой частоты (VHF). В эксперименте изменялась ширина полосы канала, использовалось два передатчика. Показатели BER с применением кодирования в обоих случаях были равны нулю.
В [2] рассматривались сигналы без применения кодирования и при использовании кодирования с исправлением ошибок (коэффициент избыточности 1/2 и 3/4). Использование кодирования с исправлением ошибок помогает значительно уменьшить BER.
В [6] был рассмотрен небинарный код с низкой плотностью проверок на четность (NB-LDPC [8]) и коэффициентом избыточности 1/2.
В [9] были проверены сверточные коды (CC) и блочные коды Рида – Соломона (RS). Эти коды не смогли значительно улучшить коэффициент битовых ошибок (BER) на выходе декодера. По этой причине были испытаны варианты так называемых турбокодов, в частности блочные турбокоды Рида – Соломона (RS-BTC) для повышения эффективности декодирования. После проверки системы на реке Панфельд (Penfeld) во Франции (район г. Брест) были проведены испытания в Брестском заливе. Использование RS-BTC с несколькими итерациями показало значительное улучшение BER по сравнению с кодами CC и RS.
Заключение
В приведенном выше обзоре было рассмотрено применение различных сигнально-кодовых конструкций в подводной среде. Согласно проведенному анализу скорость передачи данных недостаточна для передачи видеопотока приемлемого качества. Данная тема требует дальнейшего исследования с целью увеличения скоростей в подводных каналах связи.
Исследование и разработка новых перспективных сигнально-кодовых конструкций имеет важное значение для гидроакустической связи. Перспективными выглядят алгоритмы адаптивного изменения сигнально-кодовых конструкций в зависимости от состояния канала связи, так как каналы подводной связи нестационарные и условия в них постоянно меняются.
ЛИТЕРАТУРА
Душин С.В., Фархадов М.П., Шаврин С.С., Алёшин В.С. Тенденции и перспективы развития беспроводной подводной связи // DSPA: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. 2020. Т. 10. № 2. С. 11–18.
Demirors E., Sklivanitis G., Santagati G.E., Melodia T. and Batalama S.N. A High-Rate Software-Defined Underwater Acoustic Modem With Real-Time Adaptation Capabilities // IEEE Access. 2018. Vol. 6. PP. 18602–18615.
Kabir W. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) // 2008 China-Japan Joint Microwave Conference, Shanghai. 2008. PP. 178–184.
Ghosh M. Improved Equalization For Coded, Zero-Padded OFDM (ZP-OFDM) Systems // 2007 IEEE International Conference on Communications, Glasgow. 2007. PP. 4263–4268.
Pursley M.B. Direct-sequence Spread-Spectrum Communications for Multipath Channels // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002. Vol. 50. No. 3. PP. 653–661.
Li B. et al. MIMO-OFDM for High-Rate Underwater Acoustic Communications // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2009. Vol. 34. No. 4. PP. 634–644.
Stuber G.L., Barry J.R., McLaughlin S.W., Ye Li, Ingram M.A. and Pratt T.G. Broadband MIMO-OFDM Wireless Communications // Proceedings of the IEEE. 2004. Vol. 92. No. 2. PP. 271–294.
Huang J., Zhou S. and Willett P. // Nonbinary LDPC Coding for Multicarrier Underwater Acoustic Communication // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2008. Vol. 26. No. 9. PP. 1684–1696.
Trubuil J., Goalic A. and Beuzelin N. An Overview of Channel Coding for Underwater Acoustic Communications // MILCOM 2012–2012 IEEE Military Communications Conference, Orlando (FL). 2012. PP. 1–7.
Отзывы читателей
