Пропускная способность гидроакустического канала связи

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.

1. Stojanovic 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/10.1145/1347364.1347373

2. Lucani 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.2008.4531073

3. Stojanovic M., Preisig J. Underwater acoustic communication channels: propagation models and statistical characterization. IEEE Communications Magazine. 2009;47(1):84–89.

4. Matarneh A.M. Thorough investigation of BER simulation of DPSK in underwater acoustic channel. JJEE. 2016;2(2):160–171.

5. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики: пер. с англ. Л.: Судостроение; 1978. 445 с.

6. Coates R. Underwater Acoustic Systems. New York: Wiley; 1990. 188 p.

7. 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.

8. 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.

9. 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/10.25808/24094609.2019.29.3.004

10. Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография: пер. с англ. М.: Мир; 1980. 580 с.

11. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л.: Гидрометеоиздат; 1982. 264 с.

12. Андреева И.Б. Физические основы распространения звука в океане. Л.: Гидрометеоиздат; 1975. 190 с.

13. 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/10.1121/1.388170

14. Francois 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/10.1121/1.388673

15. Kibblevhite 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/10.1121/1.384473

16. Гийес Л., Сабате П. Основы акустики моря: пер. с фр. Л.: Гидрометеоиздат; 1967. 212 с.

17. Галагер Р. Теория информации и надежная связь: пер. с англ. М.: Сов. Радио; 1974. 720 с.