Подводная оптическая беспроводная связь как средство повышения эффективности информационно-телекоммуникационного обеспечения глубоководных исследований

DOI:

Подводная оптическая беспроводная связь (UОWC) имеет множество применений, из которого можно выделить области военных, промышленных и научных исследований [1-4]. Однако, во всех этих сферах присутствует одна и та же проблема – для передачи информационных данных требуется значительная ширина полосы пропускания сигнала. Традиционно подводная беспроводная связь осуществляется через гидроакустические волны из-за их относительно низкого ослабления. К сожалению, такого рода системы обладают относительно низкой полосой пропускания и высокую задержку по времени. В связи с этим они абсолютно не подходят для приложений, которые требуют интенсивного обмена информацией и ее обработки в режиме реального времени. Однако, гидроакустическая связь является единственной технологией, способной обеспечить обмен данными на больших расстояниях, поэтому постоянно проводятся исследования с целью улучшения характеристик гидроакустических каналов связи. Так как гидроакустические волны подвержены вредоносным атакам, требуется дополнительная технология, способная обеспечить безопасную широкополосную подводную связь [5].

Беспроводная связь по радиочастотным (RF) каналам является наиболее распространенной технологией в наземной связи. К сожалению, эта технология не подходит для подводного использования: фактически в воде радиочастотные волны сильно ослаблены.

Оптическая связь для передачи информации базируется на использовании светового потока. Потенциально это может в определенной степени решить проблему широкополосной подводной беспроводной передачи данных [6]. Сравнительно недавно в наземном применении была разработана технология связи видимого света (VLC), обеспечивающая как освещение, так и передачу данных с одной и той же инфраструктурой. VLC методы способны осуществлять беспроводную передачу информации при помощи быстро пульсирующего видимого света с использованием специальных светодиодов. Многочисленные научные исследования, проводимые с VLC оборудованием, рассчитаны также на замену соединения WiFi, так как постоянное увеличение скорости передачи данных ведет к исчерпанию частотного ресурса RF радиодиапазона.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Совокупность систем VLC, применяемые в водной среде, можно сокращенно назвать UOWC, где источниками света вместо светодиодов являются лазерные диоды (LD). С одной стороны, лазерные диоды обладают более высокой шириной полосы модуляции по отношению к светодиодам, в то время как последние имеют более высокую мощность, сравнительно низкую стоимость и более длительный срок службы.

Фактически UOWC определяется как связь на определенном расстоянии с использованием света. Оптическое волокно является наиболее распространенным видом канала для телекоммуникаций, обеспечивающим потребности в высокой пропускной способности. Заменяя канал с оптического волокна на свободное пространство под водой, мы получаем структуру UOWC, которую можно рассматривать как подводную передачу потока оптических сигналов [7]. По сравнению с гидроакустической и радиочастотной связью UWOC обладает значительно большим потенциалом: с его помощью мы можем осуществлять связь с высокой скоростью передачи и низкой временной задержкой.

В настоящее время производительность систем UOWC ограничена малой дальностью распространения сигнала [8]. Однако для повышения эффективности данных систем, которые предполагается использовать в реальных условиях на требуемых расстояниях и заданной скоростью передачи данных, по-прежнему необходимы углубленные научно-экспериментальные исследования. На рисунке 1 представлены сравнительные характеристики гидроакустических, RF и UOWC каналов связи в зависимости от дальности и скорости информационного потока данных.

Рисунок 1. Теоретическая телекоммуникационная производительность гидроакустической, радиочастотной и оптической технологий подводной связи.

Figure 1. Theoretical telecommunication performance of hydroacoustic, radiofrequency and optical technologies of underwater communication.

Основная цель статьи – обоснование целесообразности применения современных технологий UOWC, которые потенциально могут быть доступны уже в ближайшие несколько лет. Такого рода исследования помогут открыть большие возможности

UOWC по сравнению с нынешними оптическими подводными телекоммуникационными решениями, однако, это повлечет за собой увеличение стоимости и энергоемкости.

Один из возможных вариантов применения UOWC – прямая связь между водолазами. Это особенно важно, так как команде необходимо иметь защищенные телекоммуникации, обладающие высокой степенью скрытности, что очень сильно затруднит определение координат ее местоположения. На рисунке 2 показан подводный классический вариант, где два водолаза обмениваются закодированной тактической информацией.

Рисунок. 2. Вариант организации защищенного UOWC канала между водолазами.

Figure 2. The option of organizing a UOWC-protected channel between divers.

Среди главных отличительных достоинств UOWC можно выделить возможность обеспечения защиты от несанкционированного доступа к передаваемой информации, то есть информационные данные гораздо сложнее перехватить, чем при использовании традиционных подводных гидроакустических телекоммуникаций. Вариант с водолазами, отмеченный выше, не требует наличия дальней и широкополосной связи, поэтому системы могут быть реализованы достаточно простыми, малыми и легкими техническими средствами с низким энергопотреблением.

На рисунке 3 показан комплексный сценарий организации связи с участием UOWC. Он иллюстрирует наличие нескольких терминалов различного назначения (водолазы, корабли, подводные лодки, датчики и т.д.), объединенные в одну информационную сеть лазерными лучами.

Рисунок. 3. Пример сетевого применения UWOC.

Figure 3. UWOC Network Application Example.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Модель оптического канала определяется с помощью закона Бугера-Ламберта-Бера. После распространения луча на длину Z коэффициент L p потерь на распространение составляет:

L p = h • e ' "”¹ (1)

где c в м ^-1 – общий коэффициент ослабления, а h – константа. Суммарный коэффициент ослабления представляет собой сумму коэффициентов поглощения и рассеяния, обозначаемые a и b соответственно, то есть c = a + b . Коэффициенты поглощения и рассеяния с обратной единицей измерения определяются по растворенным в воде частицам водорослей, отложений различных веществ и органических соединений.

Спектральное ослабление излучения зависит также от такой компоненты, как хлорофилл, и, соответственно, ее концентрации в заданном объеме морской воды. Наличие хлорофилла является довольно значимым фактором для организации подводной линии связи. В связи с этим была определена зависимость между коэффициентом затухания и концентрацией хлорофилла. Как правило, в мутной воде затухание имеет минимальное значение в спектральной области 550÷600 нм. Для прибрежной океанической зоны диапазон волн должен быть от 520 до 570 нм, а для чистого океана минимальный уровень ослабления смещается в область более низких длин волн – от 450 до 500 нм. Таким образом, коэффициенты поглощения a и рассеяния b могут быть выражены как функция от длины волны λ с учетом концентрации в воде хлорофилла Cchlor [9]:

a(Л) = [a, (Л) + 0,06• а (Л) • Ch. ] • {1 + 0,2e4       },                (2)

b ( Л ) = 0,35^ C 0£ , Л

где, aw – коэффициент поглощения в чистой воде в то время, как aс является безразмерной величиной, полученной статистически, и означает коэффициент поглощения, специфичный для хлорофилла. Следовательно, концентрация хлорофилла С выражается в мг^м-3 и может использоваться в качестве параметра для расчета а (Л) и b(Л) . Измеренные значения поглощения а (Л), общего рассеяния b(Л) и ослабления

c ( Л ) приведены в таблице 1.

Таблица 1. Численные значения коэффициентов поглощения а (Л), рассеяния b (Л) и ослабления c(Л) в зависимости от состава воды

Table 1. Numerical values of absorption, dispersion and attenuation coefficients depending on water composition

Water types	а ( Л ) , m-1	b ( Л ) , m-1	c ( Л ) , m-1	Operate Wavelength, nm
Clear Ocean	0,114	0,03	0,151	450÷500
Coastal Ocean	0,179	0,220	0,339	520÷570
Turbid Harbour	0,366	1,829	2,195	550÷600

ОБСУЖДЕНИЕ

Модель светового излучения в морской воде показана на рисунке 4.

Рисунок. 4. Модель светового излучения в морской воде.

Figure 4. Model of light radiation in seawater.

Оптическая мощность P Rx , достигающая приемника, может быть представлена как [10]:

Г с ⁽х ) . z 1     A Rx -cos a

[ cose J 2ⁿ . z² ( i - cosfy )

Rx    Tx ⁿ Tx ⁿ Rx e                                                               ()

где P Tx – передаваемая мощность, η и η – оптическая эффективность Тх и Rx соответственно, с ( Я ) - суммарный коэффициент ослабления, Z - расстояние между передатчиком Тх и приемником Rх, θ – угол расхождения луча, θ – угол, образованный смещением осей передатчика и приемника относительно траектории распространения светового излучения к их плоскостям, A Rx – площадь апертуры приемника. Передаваемая мощность ограничена запасом энергии, которая является характеристикой передающего устройства. Важно, чтобы это энергия была как можно меньше. Таким образом, можно использовать средства связи с низким энергопотреблением и малой величиной питающего напряжения, что особенно полезно в подводных условиях.

Связь UOWC может быть структурно представлена в виде трех блоков: модуль передатчика, подводный оптический канал и модуль приемника. На рисунке 6 показаны компоненты типовой подводной оптической линии [11].

Рисунок 6. Схема типичной линии UOWC.

Figure 6. Typical UOWC Line Diagram.

На рисунке 6 структурно представлен передатчик Tх, который состоит из четырех основных компонентов: модулятора, схемы формирования импульсов, схемы возбуждения, преобразователя электрического сигнала, источника света и проекционного объектива для реализации конфигурации оптической линии связи. В свою очередь, приемник Rх выполнен из оптического полосового фильтра, фотоприемника, малошумящего усилителя и демодулятора.

Оптические источники света строятся, в основном, на базе светодиода или LD (лазерного диода). По сравнению со светодиодами лазер функционирует значительно быстрее, и поддерживает более высокую оптическую мощность на выходе. С другой стороны, системы из светодиодов дешевле, проще и надежнее. Лазерные диоды предпочтительно использовать при организации дальней связи.

В целом, оборудование UOWC имеет ограничения по мощности и массе, поэтому рациональный выбор одной из двух доступных оптических технологий (светодиодной или лазерной) в определенной сине-зеленой части спектра непосредственно зависит от исследований их эффективности в конкретных условиях. Как правило, сине-зеленые светодиоды – наилучший выбор для буйной системы, работающей на мелководье. Вместо этого для систем, работающих в глубоководном океане, предпочтительно использовать системы передачи на основе лазера [12].

Световое излучение, поступающее на приемник, не должно иметь шума от солнечного света и присутствия сторонних источников света. Чтобы попытаться решить эту проблему, полосу длин волн выбирают согласно полосе пропускания узкополосного оптического фильтра. В настоящее время используется много различных типов фотодетекторов, например, в виде фотодиодов. Эти устройства, благодаря своим характеристикам и малым размерам, высокой чувствительности и быстрому времени отклика довольно часто используются в области оптической связи.

Существует два типа фотодиодов: PIN-фотодиод и лавинный фотодиод (APD). Исследования последних лет сосредоточены на возможном применении в системах UOWC однофотонных лавинных диодов SPAD технологии. Лавинные фотодиоды имеют сходную структуру с PIN, но работают с гораздо более высоким обратным смещением. Данная физическая характеристика позволяет одному фотону производить большую лавину электронов. Этот способ работы называется режимом Гейгера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее время было проведено много исследований для использования технология UOWC в целях безопасной передачи информации с высокой скоростью передачи данных в подводной среде. Сегодня, UOWC системы, используемые в реальных условиях эксплуатации (за некоторыми исключениями) пока недоступны, поэтому в этой области еще предстоит провести много различных видов исследований. Например, разработка инновационных методов модуляции и кодирования системы помогут адаптировать к заданным условиям приемную и передающую стороны в водной среде.

Поскольку большинство систем UOWC интегрированы в платформу с батарейным питанием, энергетическая эффективность имеет большое значение. Также для увеличения скорости передачи данных и одновременной работы множества пользователей сети желательно обеспечить одновременное использование различных цветных источников света. Важно также детально изучить распространение светового пучка с помощью имитационных моделей, которые максимально приближены к реальным условиям. Все это позволяет оптимизировать способы передачи и приема, как с точки зрения передатчика, так и фотодетектора, используемого в качестве приемника светового излучения. Наконец, почти все исследования, приведенные в научных публикациях, проводятся путем моделирования или лабораторных экспериментов. Соответственно, необходимо в десятки раз увеличить количество натурных испытаний в реальной морской среде.

Статья ориентирована на тех специалистов, которые занимаются текущими и потенциально доступными в ближайшем будущем вопросами модернизации и повышения эффективности UWOC систем, разработчиков современных полупроводниковых приборов, а также на студентов и аспирантов вузов, ориентированных на выпуск научного и инженерно-технического персонала в области лазерных технологий.