Сети связи для подводных автономных роботизированных комплексов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

СЕТИ СВЯЗИ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ 

АВТОНОМНЫХ РОБОТИЗИРОВАННЫХ 

КОМПЛЕКСОВ

Монография

Ростов-на-Дону  Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 681.883
ББК 32.873

С334

Печатается по решению экспертной группы комитета по инженерному 

направлению науки и образования при ученом совете Южного 

федерального университета (протокол №11 от 28 октября 2017 г.)

Рецензенты:

главный научный сотрудник Института радиотехники 
и электроники им. В. А. Котельникова РАН, г. Фрязино, 

доктор технических наук В. И. Каевицер

ведущий научный сотрудник АО «Концерн «Автоматика», г. Таганрог, 

кандидат технических наук И. М. Пономарев

Федосов, В. П.

С334
Сети связи для подводных автономных роботизированных ком
плексов : монография / В. П. Федосов,  С. П. Тарасов, В. В. Воронин, С. В. Кучерявенко, П. П. Пивнев, А. А. Легин, А. В. Ломакина, 
В. А. Франц. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного 
федерального университета, 2018. – 178 с.

ISBN 978-5-9275-2793-9
Представлены разработанные и исследованные на основе математиче
ского моделирования и натурных экспериментов алгоритмы и устройства 
беспроводной передачи информации для подводных роботизированных 
комплексов. Описаны созданные авторами 3D-модели подводной среды передачи информации для исследования современных систем кодирования с 
использованием пространственных признаков на основе приема и передачи 
антенными решетками в условиях канала с переотражениями. Монография 
предназначена для специалистов по гидросвязи, магистрантам и аспирантам 
соответствующих направлений.

УДК 681.883

ББК 32.873

ISBN 978-5-9275-2793-9

© Южный федеральный университет, 2018
© Федосов В. П., Тарасов С. П., Воронин В. В.,

Кучерявенко С. В., Пивнев П. П., Легин А. А., 
Ломакина А. В., Франц В. А., 2108

© Оформление. Макет. Издательство Южного

Федерального университета, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с постоянным развитием цифровых систем беспроводного 

доступа в различных средах идет непрерывная разработка и улучшение 
цифровых алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающих повышение 
их пропускной способности. Одним из прорывных принципов повышения 
пропускной способности является использование алгоритмов обработки 
пространственно-временных сигналов на основе использования антенных 
решеток на передачу и прием информации. Особенно актуально применение принципов пространственного кодирования в каналах распространения акустических полей, сопровождающихся переотражениями, что приводит к многопутности (многолучевости). В таких условиях функционируют подводные беспроводные акустические средства связи и управления, используемые в шельфовой зоне и в ограниченных водных бассейнах. Пропускная способность таких систем по сравнению с обычными 
(одноантенными) системами передачи информации увеличивается в N раз, 
где N – число элементов антенной решетки. Повышение эффективности 
происходит без увеличения полосы частот, занимаемой системой передачи данных.

Успехи в применении пространственно-временного кодирования для

беспроводной связи оказывают активное влияние на развитие гидросвязи 
при наличии отражений от поверхностей раздела сред. 

Проделанная работа временно созданного творческого коллектива 

направлена на развитие методов, алгоритмов и устройств обработки пространственно-временных сигналов при решении задач повышения эффективности беспроводных систем связи для передачи видеоданных.

Работа над монографией распределена между авторами следующим 

образом:

Федосов В. П.  общая редакция, предисловие, введение, разд. 26;
Кучерявенко С. В.  разд. 1;
Легин А. А., Ломакина А. В.  разд. 26;
Тарасов С. П., Пивнев П. П. введение, разд. 7;
Воронин В. В., Франц В. А.  разд. 8.

ВВЕДЕНИЕ

В 
настоящее 
время 
разрабатываются 
научно-технические 

направления, 
которые 
оказывают 
влияние 
на 
развитие 
рынков 

Национальной технологической инициативы, что позволит создать 
глобально конкурентоспособные высокотехнологичные продукты. 

Требования к системам передачи информации под водой непрерывно 

ужесточаются из-за растущего объема передаваемой информации и увеличения скорости передачи. Решить большинство задач по передаче данных позволяет применение новых методов, в частности – с использованием широкополосных и сверхширокополосных сигналов. 

Гидроакустический (ГА) канал имеет принципиальные отличия от 

радио- и проводных каналов связи. Для него характерны следующие особенности: 

- существенная зависимость коэффициента затухания ГА-сигналов от 

частоты; 

- малые скорости распространения ГА-сигналов в водной среде; 
- многолучевое распространение в неоднородной водной среде, в 

условиях наличия границ, в мелком море и др.

Дополнительные ограничения на разработку ГА-сети накладывают 

автономное исполнение абонентов и жесткие требования к экономии 
энергии.

В качестве особенностей в монографии рассматриваются алгоритмы 

увеличения скорости передачи информации за счет использования пространственно-временного кодирования в системах гидросвязи на основе 
антенных решеток, а также широкополосных гидроакустических приемопередающих систем. Разработана 3D-модель подводной среды с переотражениями применительно к анализу гидросистем связи на основе MIMOпринципа (Multiply Input  Multiply Output). Приведены результаты моделирования эффективной системы гидросвязи для передачи изображений
на основе адаптивных пространственно-временных алгоритмов, нивелирующих влияние переотражений в подводной среде.

Введение

5

Одним из ключевых научно-технических направлений является раз
работка технологии подводной связи для автономных необитаемых подводных аппаратов.

В эту технологию включается разработка системы технического зре
ния и средств визуализации. В системах подводной беспроводной связи 
для передачи высококачественного видеосигнала в реальном времени 
необходима высокоскоростная передача данных. 

Если существует проблема с высокоскоростной передачей каче
ственного видеосигнала в реальном времени, то предполагается система 
хранения снятых видеосигналов с камер видеонаблюдения. Кроме того, 
оборудование системы видеонаблюдения, обработки и хранения данных 
не должно быть энергозатратным, так как предполагается длительная автономная работа аппарата без подзарядки энергоресурсов. 

В данной работе ставится задача разработать сеть накопления и пе
редачи данных подводного аппарата, а также требования к оборудованию 
сети.

Сеть передачи данных, в частности, обеспечивает работоспособность 

системы технического зрения и средств визуализации автономных необитаемых подводных аппаратов.

Многолучевое (многопутное – multipath) распространение сигналов в 

ГА-канале создает эффект их «затягивания». Вследствие этого наблюдается сильная межсимвольная интерференция. В отличие от многолучевых 
радиоканалов, межсимвольная интерференция в которых может распространяться на несколько символов, в ГА-канале она может влиять на десятки и даже сотни символов. Априорная неизвестность параметров ГАканала требует использования приемников, способных адаптироваться к 
многолучевости, изменению дистанции и доплеровскому сдвигу. Для этого применяются методы с излучением известных сигналов для измерения 
на приемнике импульсной характеристики канала и подстройки корреляционного фильтра. Введение слежения за несущей частотой обеспечивает 
компенсацию эффекта Доплера.

Классическим методом борьбы с явлением многолучевого распро
странения сигналов является включение в передаваемый поток защитных 
интервалов (паузы), длительность которых не меньше времени «затягива

Введение

6

ния» сигнала. Это ведет к снижению и так невысокой пропускной способности канала. Другой путь – разработка приемников с компенсацией этого 
явления на основе когерентной обработки широкополосных сигналов. 
Ширина максимума автокорреляционной функции сигнала должна быть 
меньше, чем интервал времени между двумя ближайшими приходами. 
Желательно, чтобы приемник мог самостоятельно выбирать оптимальный 
для своей работы приход и иметь возможность одновременной обработки 
нескольких приходов, что обеспечит улучшение отношения сигнал/помеха. В работе [1], наиболее часто упоминаемой другими исследователями, выведен обобщенный коэффициент максимальной пропускной 
способности ГА канала: 40 кБод×км, означающий, что максимальная скорость передачи данных на 10 км составит 4 кБод. Другие исследователи 
уменьшают его до значения 2535 кБод×км в зависимости ГА-свойств 
канала.

Первые результаты в решении данной проблемы были получены для 

некогерентных систем связи, в которых использовалась многопозиционная частотная модуляция. В некогерентных системах для устранения эффекта многолучевости применялись такие методы, как  метод сверточного 
помехоустойчивого кодирования и алгоритм Витерби, с помощью которых производилось выделение данных, пришедших по прямому лучу. 
Следует отметить, что подобные системы из-за своей невысокой сложности и стоимости нашли очень широкое применение. Эти свойства некогерентных систем сохраняют свою привлекательность и по сей день в том 
случае, когда скорость передачи информации является не очень высокой и 
находится в пределах сотни – первых тысяч бит в секунду [2].

Однако при решении задачи увеличения скорости передачи инфор
мации по акустическому каналу связи наибольшие успехи были достигнуты при разработке когерентных систем связи за счет обеспечения фазовой 
синхронизации и непрерывного отслеживания изменений текущего состояния канала связи с использованием эквалайзеров. За счет применения 
этих методов стало возможным вне зависимости от условий распространения развивать скорости передачи данных от единиц до десятков килобит в секунду.

Введение

7

Подобные работы, помимо указанных выше стран, были широко раз
вернуты в середине 80-х гг. и в СССР и проводились они, в том числе, в 
Московском энергетическом институте и в Новосибирском электротехническом институте связи. Результатом данных работ является создание 
технических средств по передаче по акустическому каналу связи больших 
объемов информации.

Чуть позже исследования в этой области с целью передачи информа
ции уже на большие расстояния с использованием сложных сигналов проводились в Акустическом институте, а применительно к океанографической аппаратуре – в Институте океанологии им. П. П. Ширшова РАН.

В ходе исследований, проведенных как в нашей стране, так и за ру
бежом, были разработаны общие подходы к разработке аппаратуры гидроакустической системы связи (ГАСС). В основе большинства современных ГАСС лежит предварительная обработка передаваемой информации, 
увеличение информационной емкости сигналов за счет использования 
многопозиционной фазочастотной манипуляции, использование эквалайзеров для адаптивной коррекции характеристик канала связи, а также 
внедрение помехоустойчивого кодирования.

В настоящее время целый ряд зарубежных фирм выпускает ГАСС 

для широкого использования, имеющие схожие характеристики.

Существенные преимущества были достигнуты за счет применения в 

первую очередь широкополосных технологий, заключающихся в применении сверхширокополосных сигналов [3]. 

Основой применения широкополосных технологий является извест
ная теорема Шеннона, согласно которой скорость передачи информации 
прямо пропорциональна используемой для передачи ширине полосы и 
отношению сигнал/шум. А как раз применение сверхширокополосных 
сигналов и позволяет увеличить и полосу используемых для передачи 
частот, и отношение сигнал/шум. Второй фактор позволяет одновременно 
говорить и об увеличении энергетической дальности действия ГАСС, а 
также повышении ее помехоустойчивости. 

Очень важной в свете решения задачи использования широкополос
ных технологий является разработка эффективных широкополосных излучающих антенн.

Введение

8

Еще одним примером эффективного применения широкополосных 

технологий в акустической связи для повышения технических характеристик последней является акустический модем для управления подводными средствами [6].

Одним из путей повышения эффективности
систем передачи 

информации 
также 
является 
разработка 
специальных 
языков 

информационного 
обмена, 
позволяющих 
минимизировать 
объем 

передаваемой информации без снижения количества информации в 
передаваемом сообщении. Данному направлению в настоящее время 
также уделяется значительное внимание [7]. 

Проведем анализ информации о средствах гидроакустической связи, 

разработанных отечественными производителями. Одним из разработчиков таких средств является Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ). В [9] представлен модем 
гидроакустической связи, предназначенный для обеспечения передачи 
сигналов управления и цифровой информации. Передача цифровой информации производится методом однократной относительной фазовой 
манипуляции (ОФМ), а обработка принимаемых сигналов осуществляется 
методом оптимального некогерентного приема. По сообщению разработчиков СибГУТИ [10, 11], данный последовательный модем, который при 
скорости манипуляции 200 Бод (длительность элемента сигнала 
5

Т
мс) 

и однократной ОФМ обеспечивает скорость передачи информации 
200 бит/с (относительная скорость передачи составляет r = 1 бит/с/Гц), 
следует использовать в качестве базового модема при построении гидроакустических линий связи различной конфигурации. При этом:

- для передачи сигналов команд управления и телеметрической ин
формации малого объема (до 64 байт) применяется метод передачи с разнесением во времени (код с шестикратной передачей исходной информации);

- для повышения достоверности приема сигналов больших объемов 

цифровой информации (до 2048 бит) используется метод пространственного разнесения на 3 приемные антенны.

Введение

9

Применение указанных мер, направленных на повышение достовер
ности приема информации в реальном гидроакустическом канале, показало:

- прием сигналов команд управления и телеметрической информации 

малого объема при их шестикратном повторении обеспечивается безошибочно;

- при вероятности ошибки в канале на уровне 7·10-3 прием сигналов 

телеметрической информации методом пространственного разнесения на 
3 приемные антенны осуществляется с вероятностью ошибки 1,1·10-3;

- в «хороших» гидролого-акустических условиях применение метода 

пространственного разнесения обеспечивает прием сигналов телеметрической информации с вероятностью ошибки (12)·10-4;

- в условиях северных морей с сильно выраженной стратификацией 

среды обеспечивается устойчивая связь и требуемое качество передачи 
сигналов команд управления на расстояния до 500 м, а также отмечаются 
факты устойчивой связи на расстояния до 1700 м.

На основании полученных экспериментальных данных делается вы
вод о том, что испытанные образцы аппаратуры могут применяться для 
обеспечения исследовательских и технологических работ на шельфе на 
дистанции 1,52 км.

Анализ информации о средствах гидроакустической связи, разрабо
танных в СибГУТИ, показал следующее:

- в базовом модеме гидроакустической связи применяется жесткое 

ограничение принимаемых сигналов связи. Кроме того, из-за конечной 
полосы пропускания сквозного приемно-излучающего тракта возникает 
межсимвольная интерференция (МСИ) между соседними во времени посылками сигнала, приводящая к системным помехам, уровень которых не 
зависит от входного отношения сигнал/шум, а определяется только соотношением между полосой пропускания сквозного приемно-излучающего 
тракта и длительностью посылки сигнала. В результате модем гидроакустической связи в условиях модельного гауссовского шума обеспечивает 
вероятность ошибки на уровне Рош=10-3 при входном отношении сигнал/шум  = 3,7 в рабочей полосе частот, что соответствует энергетическому проигрышу 3,4 дБ;