بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک روش سویچینگ بسته ای - که با نام سویچینگ بسته ای دینامیک - روش سوبدین - نامگذاری میشود - برای مخابرات داده زیر آب - با کاربرد در مخابرات آکوستیکی دریاهای کم عمق و عمیق - ، پیشنهاد و بنا نهاده می شود و برای سه برد عملیاتی کوتاه، متوسط و بلند مورد ارزیابی و تحلیل قرار می گیرد. اساس روش پیشنهادی، بر توسعه پروتکل مخابرات نقطه-به-نقطه و سنکرون سازی بسته ای بین نودها استوار شده است. به دلیل ماهیت آکوستیکی کانال مخابرات زیر آب و عدم انتشار امواج الکترومغناطیس به درون آب، روش های معمول بیرون از آب برای کار در زیر آب جوابگو نیستند و لذا روش پیشنهادی در انطباق با مشکلات و پیچیدگی محیط زیرآب و حل معضل مذکور تدوین گردیده و راهگشا می باشد.
مشارکت اصلی مقاله، علاوه بر پیشنهاد روش سویچینگ بسته ای دینامیک، پیشنهادیه یک روش - یا رویکرد - توسعه ای جدید در طراحی و ساخت شبکه مخابرات داده زیرآب می باشد که میتواند گام مؤثری در آغازگری مباحث پروتکل سازی و استانداردسازی روش مخابرات داده زیرآب گردد. به منظور ارزیابی روش پیشنهادی، یک مودم آکوستیکی FSK زیر آب ، طراحی و پیاده سازی گردید که نتایج ارزیابی ها و مطالعات عملکردی نشان از اثربخشی روش پیشنهادی مقاله در برد کوتاه، متوسط و بلند - و اهداف پروتکل سازی مقاله - دارد. روش یا متودولوژی تحقیق بصورت شبیه سازی است و کلیه داده ها از این طریق تولید شده اند.
کلمات کلیدی: مخابرات، آکوستیک، زیر آب، دریای کم عمق.
1.مقدمه
در اجرای مخابرات داده بیسیم زیرآب - در مقایسه با مشابه بیرون آب - مشکلات چندگانه ای وجود دارد که در دو دسته کلی میتوان معرفی نمود. دسته اول مشکلات، به ماهیت آکوستیکی کانال زیرآب برمیگردند، اهم این مشکلات: محدودیت پهنای باند دردسترس کانال 100 - الی 200 کیلوهرتز - ، تلفات زیادتر - نسبت به بیرون آب - و تغییرات شدید آکوستیکی و فیزیکی محیط - کانال - زیرآب .[1-2] دسته دوم مشکلات به ساختار چندمسیرگی زیرآب مربوط می شوند و شامل: گسترش تأخیر زیادتر و زمان همدوسی کمتر و تداخل بین سمبولی - ISI - پیچیده تر - نسبت به بیرون آب - .[3-7] این دو دسته مشکلات به همراه مشکلات و مصائب کار در دریا و هزینه های سرسام آور باعث شده اند سیستم های مخابرات زیرآب نسبت به بیرون آب بسیار کمتر و بصورت کاملا محدود توسعه یابند بطوریکه میتوان گفت حوزه مخابرات داده زیرآب - نسبت به بیرون آب - در اول راه است و پروتکل سازی و استاندارد سازی، بصورت جامع و مورد پذیرش همگان در این زمینه هنوز ارائه نشده است.
از نظر نویسنده مقاله، در این پیش زمینه، پارامترهای مخابرات داده بیسیم زیرآب را میتوان در سه سطح طبقه بندی و - برای اهداف مقاله - بررسی نمود: سیستم، پروتکل، هیدروفیزیک. الف - پارامترهای سطح اول یا »سطح سیستم« شامل پارامترهایی می شوند که در طراحی و ساخت سیستم وارد می شوند شامل: فرکانس کار، پهنای پالس، مشخصات مدولاسیون، کد و زمان های محافظ و غیره. ب - پارامترهای سطح دوم یا » سطح پروتکل « شامل پارامترهایی می شوند که در پروتکل سازی وارد می شوند شامل: طول بسته، ساختار بسته و چیدمانی داده درون بسته و غیره. پروتکل طبق تعریف به مجموعه قراردادها و پیش فرض هایی گفته می شود که فرستنده و گیرنده بر اساس آن - با رعایت کامل آن - کار مخابره اطلاعات را - بطور صحیح - انجام می دهند شامل ساختار بسته پیام و نحوه چیدمانی بیت ها، طول بیت ها، نوع مدولاسیون، نوع کدهای بکار رفته و غیره. ج - پارامترهای سطح سوم یا »سطح هیدروفیزیک« شامل کلیه پارامترهای محیطی زیرآب می شوند که بر عملکرد مخابرات داده زیرآب تأثیر مستقیم دارند شامل: پروفایل سرعت صوت، دما، شوری، عمق و طول کانال، عمق چشمه و چاه آکوستیکی و غیره.
در این مقاله سعی شده است بصورت نظام مند با هماهنگ کردن این سه سطح از پارامترها و با محوریت قرار دادن سطح دوم - سطح پروتکل - ، روشی ارائه گردد که ضمن حل برخی مسائل - مشکلات - مخابرات داده زیرآب1 - نظیر بدست آوردن سیگنال واقعی در محل گیرنده بر اساس پاسخ ضربه واقعی محیط - منجر به نوعی پروتکل سازی و روش جدیدی در مخابرات داده زیرآب برای پاسخگویی به این نیاز - و با قابلیت تکرار - گردد. برای این منظور یک روش سویچینگ بسته ای بنا بر شرایط و اقتضائات پارامترهای سطح سوم - سطح هیدروفیزیک - پیشنهاد می گردد که مبتنی بر توسعه روش مند مخابرات نقطه-به -نقطه - و با پارامترهای معین سطح سیستم - بنا نهاده می شود و با توجه به اینکه پارامترهای سطح اول - سطح سیستم - قابلیت پیکره بندی مجدد - ساختاربندی مجدد - دارند این روش، روش سویچینگ بسته ای دینامیک - روش سوبدین - نام نهاده می شود. سایر مطالب این مقاله بصورت زیر بخش بندی می گردند:
در قسمت 2 تاریخچه کار مربوطه و مقایسه ای با کارهای مشابه انجام می شود، در بخش 3 ، روش پیشنهادی مقاله - روش سوبدین - توضیح داده می شود، در قسمت 4 نتایج مودم آکوستیکی زیرآب مورد مطالعه - مودم آکوستیکی FSK با قابلیت پیکره بندی مجدد و قابل تنظیم با پارامترهای مورد نیاز - مبتنی بر روش پیشنهادی مقاله - روش سوبدین - ارائه می گردند، در بخش 5، بحث و بررسی نتایج مقاله و در بخش 6 نتیجه گیری و کارهای آتی ارائه می گردند.
2.تاریخچه کار مربوطه
شبکههای مخابرات بیسیم زیر آب در زمینههای گوناگونی از جمله صنعت نفت، نظارت زیر آب، تحقیقات اقیانوسی، سیستمهای سونار و سیستمهای پدآفند نظامی کاربرد دارند. آقای راجا جورداک و همکاران - 2009 - نوعی از شبکه های زیرآب را توسعه دادند [8-11] که از جنبه های مختلفی قابل بحث و بررسی هستند: الف - روش انجام کار آنها بصورت تجربی است و از این نظر با کار ارائه شده در این مقاله یکسان است، با این تفاوت که کار ایشان برای بردهای کوتاه - در حد 20 متر - می باشد ولی کار انجام شده در این مقاله برای بردهای متوسط و بلند - از 1000 متر به بالا - می باشد. ب - در کار ایشان نوعی روش یا مفهوم سنکرون سازی برای شبکه های زیر آب پیشنهاد شده است که موسوم به S4 شده است، این روش و مفهوم سنکرون سازی محدودیت های زیادی دارد ازجمله اینکه کاربری خاص دارد، قابلیت توسعه برای لایه های دیگر شبکه نظیر لایه MAC و لایه Routing ندارد و از این نظر کارآ - اثربخش - نیست.
ج - در شبکه های ایجاد شده توسط کار ایشان فقط و فقط به لایه فیزیکی کار توجه شده و به لایه های دیگر شبکه نظیر لایه پیوند داده، لایه شبکه و سایر لایه ها توجه نشده است و به نظر می رسد در روش کار - متودولوژی - - و مکانیزم های طراحی شده - ایشان محدودیت های ذاتی وجود دارد که ایجاد یک شبکه زیر آب گسترده و با قابلیت های مختلف را عملا غیرممکن می سازد از همینروست که شبکه زیرآب ایجاد شده توسط ایشان کاربری بسیار خاص و محدود دارد حال آنکه با روش سوبدین مقاله حاضر این مشکل برطرف میگردد. آقای جورداک و همکاران شبکه های حسگر نرم افزاری - فعال شونده با نرم افزار - برای کاربردهای برد کوتاه دریاهای کم عمق پیشنهاد داده اند که تمرکز اصلی آنها بر توسعه لایه فیزیکی - لایه مخابرات زیرآب بصورت نرم افزاری - بوده است.
به لحاظ توسعه مخابرات زیرآب نرم افزاری اهداف مشابهی با این مقاله دنبال شده است با این تفاوت که کار ایشان برای مخابرات زیر آب برد کوتاه می باشد و قابلیت پیکره بندی مجدد - ساختاربندی مجدد - ندارد ولی کار پیشنهاد شده در این مقاله محدود به برد کوتاه نیست و برای برد متوسط و برد بلند نیز قابل برنامه ریزی و ساختاردهی مجدد مخابرات دیجیتال زیر آب می باشد. آقای جورداک - 2010 Ch. 1 - در ادامه کار قبلی، شبکه های حسگر آکوستیکی زیرآب نرم افزاری را بنا نهادند که در آن از نوعی روش طراحی Cross-Layering استفاده می کند.همچنین، آقای Sozer و خانم Stojanovic در دانشگاه - 2006 - MIT نوعی مودم با قابلیت پیکره بندی مجدد برای شبکه های حسگر زیرآب ارائه داده اند .[12-13] این کار منجر به تولید و تجاری سازی یک مودم آکوستیکی با قابلیت ساختاردهی مجدد2 با همکاری شرکت WHOI شده است .
کار ایشان دارای سخت افزار اختصاصی و مبتنی بر پردازشگر DSP انجام شده است . - Melodia et al. 2013 Ch. 1 - این کار از جنبه هایی مشابه و از جنبه هایی متفاوت با کار ارائه شده در این مقاله است، به لحاظ نوع سخت افزار و پیاده سازی متفاوت و از لحاظ ارائه کاری با قابلیت پیکره بندی مجدد مشابه با این مقاله می باشد.از طرفی دیگر، در این دو دسته فعالیت زیرساختی -که توضیح داده شدند- - Sozer and stojanovic 2006 و Jourdak - et al. 2009 بررسی اثرات پدیده چندمسیری و محوشوندگی ناشی از آن بر سیستم، - و مقاوم سازی مبتنی بر آن - انجام نشده است، حداقل اینکه بطور مستقیم ارزیابی - و مقاوم سازی - عملکرد سیستم مخابراتی زیرآب مبتنی بر آثار و پارامترهای چندمسیری زیرآب دریاهای کم عمق در این کارها انجام نشده است.
بطور کلی، در مورد تأثیر پارامترهای چندمسیری - گسترش تأخیر و زمان همدوسی - و پارامترهای محیطی تأثیرگذار بر پدیده چندمسیری - نظیر عمق و طول کانال و موقعیت نسبی فرستنده و گیرنده، پروفایل سرعت صوت و غیره - بر روی عملکرد سیستم، کاری گزارش نشده است و معمولا آثار چندمسیری بصورت مفروض، لحاظ شده است. بطور نمونه، آقای Labrador و همکاران - 2009 - در مرجع [14] یکی از پارامترهای چندمسیری، گسترش تأخیر کانال را ثابت فرض کرده اند - Tm=50 msec - - و برای یک سیستم مفروض با پهنای پالس ثابت - T=2msec - در مورد تصحیح عملکرد - و مدولاسیون - مطالعاتی انجام داده اند - ، در کار ایشان، هیچ یک از پارامترهای تأثیرگذار بر پدیده چندمسیری، نظیر عمق و طول کانال و موقعیت نسبی فرستنده و گیرنده و شرایط محیطی و هیدروفیزیکی دریاهای کم عمق لحاظ نشده است در حالیکه در پیشنهادیه این مقاله، این پارامترها برای دریاهای کم عمق، بطور واقعی محاسبه می شوند و مقاوم سازی سیستم مخابراتی زیرآب به دو شیوه - روش سنتی - کدینگ، سنکرون سازی، اکولایزر - و روش مدرن پروتکل سازی - ، قابل پیگیری و اجرا می شوند که در مقاله حاضر نقش نوعی روش پروتکل سازی بر مقاوم سازی دقت عملکرد سیستم مورد ارزیابی و تحلیل قرار می گیرد. روش یا متودولوژی تحقیق بصورت شبیه سازی است و کلیه داده ها از این طریق تولید شده اند. عمق دریای کم عمق 100 متر ، طول کانال متغیر و عمق فرستنده و گیرنده 10 متر لحاظ شده اند.
