Разработка модема с моделью гидроакустического многолучевого канала для систем подводной связи с OFDM сигналами

1.1. Актуальность проблемы моделирования

Лучи в толще воды: от советской акустической школы к современным подводным модемам. Расчет многолучевой модели канала распространения гидроакустических сигналов сегодня предполагает использование конкретных моделей, которые могут изменить сгенерированный передатчиком сигнал для того, чтобы на стороне приемника можно было оценить не просто искажения за счет аддитивного белого Гауссового шума, но учесть в результирующем сигнале, который приходит на приемник, многолучевую картину распространения с суперпозицией лучей, межсимвольную интерференцию, реальное затухание в среде с учетом частоты и траектории распространения акустических волн.

Оценки основных параметров гидроакустической системы, таких как скорость передачи данных, помехоустойчивость и шумобезопасность, традиционно могут быть получены в ходе испытаний гидроакустической аппаратуры в натуральных условиях. Тем не менее, такие оценки являются довольно дорогостоящими и не могут охватить все диапазоны вариаций внешних условий. Это особенно актуально для морской среды, которая обладает высокой пространственной изменчивостью с несколькими специфическими пространственными и временными масштабами.

Наиболее простым решением для разрешения такой проблемы является разработка полномасштабных компьютерных моделей блоков гидроакустической системы связи, включая математические модели канала распространения звука в морском пространстве. Компьютерное моделирование позволяет не только симулировать шумовую обстановку для системы связи без реальных испытаний в реальных условиях, но и прогнозировать параметры канала для конкретного географического положения.

1.2. Обзор существующих моделей распространения акустических волн

Несмотря на недавние достижения в области моделирования подводных акустических каналов, модели Bellhop и Kraken остаются наиболее известными аналогами легаси-подхода Вагина-Авилова. Методология трассировки лучей, лежащая в основе предлагаемой модели канала, происходит из фундаментальных работ Вагина А. В. и Авилова К. В., разработанных в Акустическом институте им. академика Н. Н. Андреева (Москва, Россия) – ведущем учреждении в области исследований подводной акустики.

Примечательно, что даже современные реализации продолжают опираться на оригинальный исходный код на языке Fortran, который инкапсулирует фундаментальную математическую основу, управляющую этими моделями распространения. Фундаментальные работы исследователей советской эпохи остаются высоко актуальными сегодня и предлагают несколько методологических преимуществ, однако они были в значительной степени упущены в международной литературе после геополитических переходов конца 20-го века.

Описания существующих моделей подводных каналов распространения акустических волн представлены, например, в работах [1—3]. Эти модели могут оценивать структуру волнового поля с использованием уравнений Гельмгольца, но не адаптированы для получения импульсной характеристики канала, что важно при проектировании гидроакустических систем связи с оценкой помехоустойчивости в условиях, близких к реальным.

1.3. Цель и структура работы

В данной работе рассматриваются результаты разработки канала системы подводной связи, работающей по принципу ортогонального частотного разделения каналов (OFDM). Существующая модель канала связи позволяет использовать алгоритмы адаптации в процессах подводных систем связи, а также применять априорную информацию о параметрах среды в любой точке Земли.

Недавние достижения в области глубокого обучения открыли новые пути для адаптивных подводных OFDM-приемников. Например, гибридные архитектуры, сочетающие физические модели каналов с коррекцией нейронной сети, демонстрируют улучшенную робастность при ограниченных данных обучения. Интеграция таких компонентов, управляемых данными, с предложенным здесь каркасом трассировки лучей представляет собой перспективное направление для повышения помехоустойчивости в изменяющихся во времени морских условиях.

Исследования сигналов OFDM для подводных акустических каналов связи ведутся как минимум с 2008 года, однако относительно немного действительно значимых прорывов было задокументировано в этой области. Учитывая, что эта область пересекается с оборонными и военно-морскими приложениями, многие результаты остаются предметом ограниченного общественного раскрытия, что способствует сохраняющейся актуальности фундаментальных исследований и постоянному интересу к развитию открытых исследований надежных подводных OFDM-систем.

2.1. Физика распространения звука в морской среде

Рассмотрим структуру канала распространения акустических волн в общем виде. Сигнал, проходящий через морскую среду, подвергается поглощению, а также имеет рефракцию из-за вариации скорости звука на разных глубинах и вследствие траектории распространения. Необходимо принять во внимание, что акустическая часть гидроакустической системы связи состоит из ненаправленного источника и приемника звуковых волн. Они размещены на требуемом расстоянии друг от друга и на требуемых глубинах.

При прохождении луча через канал связи появляется задержка, которая может быть определена как расстояние до приемной антенны с учетом траектории луча. Также возникает фазовый сдвиг, который связан с отражением на границе вода-дно и от статистически шероховатой границы вода-воздух.

2.2. Импульсная характеристика многолучевого канала

Импульсная характеристика многолучевого канала, без учета процессов затухания и шума в среде, описывается формулой:

Формула 1 – Импульсная характеристика канала связи