mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2023-11-1-31-40mireabulletin-612Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSПропускная способность гидроакустического канала связиHydroacoustic communication channel capacityhttps://orcid.org/0000-0002-5824-8741ДенисовВ. Е.DenisovV. E.

Денисов Валерий Евгеньевич, старший преподаватель кафедры радиоволновых процессов и технологий Института радиоэлектроники и информатики

119454, Москва, пр–т Вернадского, д. 78

Valery E. Denisov, Senior Lecturer, Department of Radio Wave Processes and Technologies, Institute of Radio Electronics and Informatics

78 Vernadskogo pr., Moscow, 119454

 

denisov@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2023020220231113140Copyright © Денисов В.Е., 20232023Денисов В.Е.Denisov V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/612

Цели. Пропускная способность является важной характеристикой любого канала связи, так как определяет предельную скорость передачи информации в нем. Основная цель работы – определение пропускной способности гидроакустического канала связи при ограничении на среднюю интенсивность передаваемого сигнала. Дополнительной задачей являлось определение оптимального спектра передаваемого сигнала и расчет граничных частот этого спектра. Была рассмотрена модель однолучевого канала, характерная для глубокого моря, когда приемник или передатчик расположены на достаточной глубине.Методы. Использованы положения прикладной гидроакустики, теории случайных процессов и теории информации.Результаты. Получено выражение для коэффициента передачи гидроакустического канала связи и новое выражение для спектрального уровня шумов моря, обусловленных волнением поверхности моря. На основе кусочно-линейной аппроксимации кривых спектральных уровней шумов турбулентности, судоходства, волнения моря и теплового шума моря определена спектральная плотность интенсивности шума моря. Получены зависимости пропускной способности гидроакустического канала от дальности связи, интенсивности передаваемого сигнала и состояния поверхности моря. Определены нижняя и верхняя частоты оптимального спектра передаваемого сигнала и оптимальный спектр. Исследована зависимость коэффициента использования полосы частот от интенсивности входного сигнала для разных значений дальности связи.Выводы. Использование коэффициента затухания Франсуа – Гаррисона позволило связать пропускную способность канала с параметрами морской среды: температурой, соленостью, значением водородного показателя в иcследуемом районе. При заданной интенсивности входного сигнала пропускная способность существенно уменьшается с ростом дальности и усилением волнения моря. Показано, что с ростом расстояния ширина оптимального спектра уменьшается. Отмечается значительное влияние шума от волнения моря на форму оптимального спектра и значения его граничных частот. Было установлено, что возможны случаи увеличения коэффициента использования полосы частот ростом дальности при заданной интенсивности входного сигнала.

Objectives

Objectives. Capacity, describing the maximum rate of information transmission, is an important characteristic of any communication channel. The main purpose of this work isto determine the capacity of a hydroacoustic communication channel with constrained average intensity of the transmitted signal. An additional aim consists in finding the optimal spectrum of a transmitted signal and calculate its boundary frequencies. A model of a single-path channel was considered, which is characteristic of the deep sea with the receiver or transmitter placed at a sufficient depth.

Methods

Methods. Concepts of applied hydroacoustics, the theory of random processes, and information theory were used. 

Results

Results. An expression for gain in a hydroacoustic communication channel has been obtained. A novel expression derived for the spectral level of sea noise caused by sea surface waves is based on piecewise linear approximation of the curves of the spectral levels of noise obtained from four sources: turbulence, shipping, sea waves, and the thermal noise of the sea. Dependencies of the hydroacoustic channel capacity on communication distance, intensity of the transmitted signal, and sea state, are characterized. The definition of the optimal spectrum itself is determined along with the lower and upper boundary frequencies of the optimal spectrum of the transmitted signal. The dependence of the bandwidth usage on the intensity of the input signal at various communication distances has been investigated.

Conclusions

Conclusions. On the basis of the Francois–Garrison attenuation coefficient, channel capacity was correlated with the parameters of the marine environment: temperature, salinity, and pH in the study area. At a given intensity of the input signal, channel capacity was shown to decrease significantly with increasing distance and sea wave intensity. It is also shown that the width of the optimal spectrum decreases with increasing distance. Sea wave noise was noted to affect significantly the shape of the optimal spectrum and its boundary frequencies. The possibility of cases where bandwidth usage increases with increasing distance at a given input signal intensity cannot be ruled out.

гидроакустический канал связишумы моряспектральная интенсивность шумов моряинтенсивность сигналапропускная способностьоптимальный спектркоэффициент использования полосы частот каналаhydroacoustic communication channelsea noisespectral intensity of sea noisesignal intensitybandwidthoptimal spectrumchannel bandwidth utilizationReferencesStojanovic M. On the relationship between capacity and distance in an underwater acoustic communication channel. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review. 2007;11(4):34–43. https://doi.org/10.1145/1347364.1347373Stojanovic M. On the relationship between capacity and distance in an underwater acoustic communication channel. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review. 2007;11(4):34–43. https://doi.org/10.1145/1347364.1347373Lucani D.E., Stojanovic M., Medard M. On the relationship between transmission power and capacity of an underwater acoustic communication channel. In: Proceedings of OCEANS Conference. 2008. 6 p. https://doi.org/10.1109/OCEANSKOBE.2008.4531073Lucani D.E., Stojanovic M., Medard M. On the relationship between transmission power and capacity of an underwater acoustic communication channel. In: Proceedings of OCEANS Conference. 2008. 6 p. https://doi.org/10.1109/OCEANSKOBE.2008.4531073Stojanovic M., Preisig J. Underwater acoustic communication channels: propagation models and statistical characterization. IEEE Communications Magazine. 2009;47(1):84–89.Stojanovic M., Preisig J. Underwater acoustic communication channels: propagation models and statistical characterization. IEEE Communications Magazine. 2009;47(1):84–89.Matarneh A.M. Thorough investigation of BER simulation of DPSK in underwater acoustic channel. JJEE. 2016;2(2):160–171.Matarneh A.M. Thorough investigation of BER simulation of DPSK in underwater acoustic channel. JJEE. 2016;2(2):160–171.Урик Р.Дж. Основы гидроакустики: пер. с англ. Л.: Судостроение; 1978. 445 с.Urik R.J. Osnovy gidroakustiki (Principles of Underwater Sound). Leningrad: Sudostroenie; 1978. 445 p. (in Russ.). [Urik R.J. Principles of Underwater Sound. NY: McGraw-Hill, Book Company; 1975. 445 p.]Coates R. Underwater Acoustic Systems. New York: Wiley; 1990. 188 p.Coates R. Underwater Acoustic Systems. New York: Wiley; 1990. 188 p.Сиверс М.А., Басов В.В. Использование технологии MIMO-OFDM в системах гидролокации, гидроакустической связи, навигации и управления. В сб.: Волновая электроника и инфокоммуникационные системы: Материалы XXIII международной научной конференции: в 2 ч. Часть 2. Санкт-Петербург; 2020. С. 177–183.Sivers M.A., Basov V.V. The use of MIMO-OFDM technology in systems of the hydrolocation, hydroacoustic communication, navigation and management. In: Wave Electronics and Infocommunication Systems: Proceedings of the 23rd International Scientific Conference. In 2 v. V. 2. St. Petersburg; 2020. P. 177–183 (in Russ.).Ерошенко С.В., Кранц В.З., Сечин В.В. Об использовании параллельных каналов для повышения скорости передачи информации в системе гидроакустической связи со сложными сигналами. Гидроакустика. 2020;42(2):23–28.Eroshenko S.V., Krants V.Z., Sechin V.V. On the use of parallel channels to increase information rate in hydroacoustic communication system with compound signals. Gidroakustika = Hydroacoustics. 2020;42(2): 21–28 (in Russ.).Родионов А.Ю., Унру П.П., Кулик С.Ю., Голов А.A. Оценки применения многочастотных сигналов с постоянной огибающей в гидроакустических системах связи. Подводные исследования и робототехника. 2019;3(29):30–38. https://doi.org/10.25808/24094609.2019.29.3.004Rodionov A.Yu., Unru P.P., Kulik S.Yu., Golov A.A. Application of multi-frequency signals with constant envelope in underwater communication systems. Podvodnye issledovaniya i robototekhnika = Underwater Investigations and Robotics. 2019;3(29):30–38 (in Russ.). https://doi.org/10.25808/24094609.2019.29.3.004Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография: пер. с англ. М.: Мир; 1980. 580 с.Klei K., Medvin G. Akusticheskaya okeanografiya (Acoustical Oceanography): trans. from Eng. Moscow: Mir; 1980. 580 p. (in Russ.). [Clay C.S., Medwin H. Acoustical Oceanography. New York: Wiley; 1977. 544 p.]Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л.: Гидрометеоиздат; 1982. 264 с.Brekhovskikh L.M., Lysanov Yu.P. Teoreticheskie osnovy akustiki okeana (Theoretical Foundations of Ocean Acoustics). Leningrad: Gidrometeoizdat; 1982. 264 р. (in Russ.).Андреева И.Б. Физические основы распространения звука в океане. Л.: Гидрометеоиздат; 1975. 190 с.Andreeva I.B. Fizicheskie osnovy rasprostraneniya zvuka v okeane (Physical Foundations of Sound Propagation in the Ocean). Leningrad: Gidrometeoizdat; 1975. 190 р. (in Russ.).Francois R.E., Garrison G.R. Sound absorption based on ocean measurements: Part I: Pure water and magnesium sulfate contributions. J. Acoust. Soc. Am. 1982;72(3): 896–907. https://doi.org/10.1121/1.388170Francois R.E., Garrison G.R. Sound absorption based on ocean measurements: Part I: Pure water and magnesium sulfate contributions. J. Acoust. Soc. Am. 1982;72(3): 896–907. https://doi.org/10.1121/1.388170Francois R.E., Garrison G.R. Sound absorption based on ocean measurements: Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption. J. Acoust. Soc. Am. 1982;72(6):1879–1890. https://doi.org/10.1121/1.388673Francois R.E., Garrison G.R. Sound absorption based on ocean measurements: Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption. J. Acoust. Soc. Am. 1982;72(6):1879–1890. https://doi.org/10.1121/1.388673Kibblevhite A.C., Hampton L.D. A review of deep ocean sound attenuation data at very low frequencies. J. Acoust. Soc. Am. 1980;67(1):147–157. https://doi.org/10.1121/1.384473Kibblevhite A.C., Hampton L.D. A review of deep ocean sound attenuation data at very low frequencies. J. Acoust. Soc. Am. 1980;67(1):147–157. https://doi.org/10.1121/1.384473Гийес Л., Сабате П. Основы акустики моря: пер. с фр. Л.: Гидрометеоиздат; 1967. 212 с.Guies L., Sabate P. Osnovy akustiki morya (Fundamentals of acoustics of the sea): trans. from Franc. Leningrad: Gidrometeoizdat; 1967. 212 p. (in Russ.).Галагер Р. Теория информации и надежная связь: пер. с англ. М.: Сов. Радио; 1974. 720 с.Galager R. Teoriya informatsii i nadezhnaya svyaz’ (Information Theory and Reliable Communication): trans. from Eng. Moscow: Sovetskoe Radio; 1974. 720 р. (in Russ.). [Gallager R.G. Information Theory and Reliable Communication. NY: J. Wiley; 1968. 603 p.]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.