КОМПЛЕКСНАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОДВОДНОГО АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА СВЯЗИ

Введение

Акустический канал остаётся основным средством связи сенсорных узлов и автономных аппаратов Интернета подводных вещей. Ограниченная полоса, длительное распространение и движение узлов делают его существенно нестационарным [2]. Поэтому до натурных испытаний модема необходима модель с изменяемыми параметрами среды [3].

Схема «ослабление плюс белый шум» не воспроизводит временную и частотную селективность, а детальный лучевой расчёт требует батиметрии и профиля скорости звука. Цель работы — построить воспроизводимую модель среднего уровня сложности, объединяющую потери, окрашенный шум, многолучевость и движение в едином операторе канала. Физически в приёмник приходят прямая, поверхностная и донная копии сигнала с различными задержками и амплитудами (рисунок 1).

Рисунок 1. Физическая схема многолучевого подводного канала

Источник: расчёт и построение автора

Метод построения комплексной модели

Крупномасштабное ослабление задаётся геометрическим расхождением и поглощением. При опорном расстоянии R₀=1 м отношение R/R₀ безразмерно, а в поглощающем члене R выражается в километрах:

                                                                                  (1)

Коэффициент поглощения определяется аппроксимацией Торпа, а коэффициент передачи — из рассчитанных потерь. Значения k от 1 до 2 охватывают переход от цилиндрического к сферическому расхождению [1]; параметрическая форма также удобна как основа более сложного прогноза потерь [5].

Многолучевая часть задаётся линией задержки с L отводами. Луч i имеет амплитуду aᵢ, задержку τᵢ, путь Rᵢ и проекцию скорости vᵢ. Для каждого луча учитываются временное масштабирование и доплеровский сдвиг. Шумовая маска суммирует турбулентную, судовую, ветровую и тепловую компоненты. Принятый сигнал описывается выражением:

                                                          (2)

Параметры среды, лучей, движения и шума изменяются независимо (рисунок 2). В испытательном тракте модель помещается между передатчиком и приёмником, после чего для одного кадра оцениваются BER, SNR и вероятность синхронизации (рисунок 3).

Рисунок 2. Архитектура комплексной параметрической модели канала

Источник: расчёт и построение автора

Рисунок 3. Включение модели канала в имитационный тракт системы передачи данных

Источник: расчёт и построение автора

Расчётный сценарий

Сформирован воспроизводимый шестилучевой стресс-сценарий в полосе 5 кГц около 20 кГц. Параметры приведены в таблице 1; начальные фазы лучей приняты нулевыми.

Таблица 1.

Параметры расчётного сценария

Для анализа частотной селективности вычислена передаточная функция многолучевой части:

                                                                                     (3)

Дополнительно рассчитаны среднеквадратичный разброс задержек, приближённая когерентная полоса, доплеровский сдвиг и спектральная плотность суммарного шума.

Результаты и обсуждение

При 20 кГц α=4.13 дБ/км, а суммарные потери на 2 км при k=1,5 равны 57.8 дБ. Это крупномасштабная составляющая без учёта запаса на замирания.

Для заданного профиля τrms=10.27 мс, а оценка Bc=19.5 Гц. Поскольку полоса сигнала 5 кГц во много раз шире Bc, канал является выраженно частотно-селективным. В рассчитанной реализации размах между 5-м и 95-м процентилями |H(f)| достигает 14.9 дБ, а отдельные провалы превышают 30 дБ. Эти провалы нельзя воспроизвести моделью с одним коэффициентом затухания.

При скорости 1,2 м/с fD=16 Гц. Плотность шума на 20 кГц равна 40.4 дБ re 1 мкПа²/Гц; доминирует ветровая компонента (рисунок 4). Модель разделяет факторы деградации и пригодна для сравнительных экспериментов [4], но без батиметрии не претендует на точный прогноз конкретной трассы.

Рисунок 4. Профиль задержек, частотный отклик и шум расчётного сценария

Источник: расчёт и построение автора

Практическое применение результатов

Расчётные показатели преобразованы в начальные требования к цифровому тракту (таблица 2); после натурных измерений их следует уточнить.

Таблица 2.

Связь параметров канала с инженерными решениями

Для 64 поднесущих в полосе 5 кГц интервал между ними составляет 78,1 Гц, а относительный доплеровский сдвиг — около 0,20. Без компенсации доплера нарушается ортогональность. Задержка 48 мс одновременно делает длинный циклический префикс невыгодным; нужны совместные оценка канала, компенсация доплера и адаптация символа.

Порядок экспериментальной верификации

Для калибровки предлагается передать зондирующую последовательность в рабочей полосе 5 кГц и одновременно записать фоновый шум. По взаимной корреляции определяются импульсная характеристика, задержки и мощности лучей; по фазовому наклону — доплеровский сдвиг; по паузам между посылками — спектральная плотность шума. Полученные оценки заменяют расчётные параметры таблицы 1.

Для инженерной приёмки модели целесообразно контролировать расхождение расчёта и измерения: не более ±3 дБ по средним потерям и шумовой маске, ±10 % по τrms и ±2 Гц по fD. После калибровки одинаковый набор кадров следует обработать моделью и натурным трактом и сравнить BER и частоту срывов синхронизации. Эти критерии задают проверяемый переход от расчётного сценария к макету.

Заключение

Разработана воспроизводимая модель, объединяющая передаточные потери, многолучевость, доплеровское масштабирование и окрашенный шум. Отношение R/R₀ устраняет неоднозначность геометрического члена, а раздельные параметры лучей позволяют независимо менять факторы среды.

Для трассы 2 км на частоте 20 кГц получены TL=57.8 дБ, α=4.13 дБ/км, τrms=10.27 мс, Bc≈19.5 Гц и fD=16 Гц. Размах между 5-м и 95-м процентилями частотного отклика составил 14.9 дБ, а отдельные провалы превысили 30 дБ. Следовательно, канал нельзя адекватно представить только потерями и белым шумом.

Практически энергетический бюджет должен учитывать не менее 57,8 дБ потерь, синхронизатор — диапазон ±20–25 Гц, а эквалайзер — задержки до 48 мс. Модель позволяет выбрать длительность символа, защитный интервал и компенсацию доплера до натурных испытаний. Следующий этап — калибровка по измеренной импульсной характеристике акватории.