Гидроакустическая связь — это передача информации под водой с помощью звука. Радиоволны в воде гаснут за считаные сантиметры, свет рассеивается на десятках метров, а звук проходит километры. Расплата за это — низкая скорость (от десятков бит в секунду на километры до десятков килобит на сотни метров), задержка около 0,67 с на каждый километр и капризная среда, где сигнал приходит с эхом и искажениями. Ниже разбираем, как это устроено и почему гидроакустический модем совсем не похож на Wi-Fi-адаптер.
Почему под водой не работает радио
Морская вода проводит ток (около 4 См/м), поэтому электромагнитная волна в ней быстро превращается в тепло. Сигналы Wi-Fi, Bluetooth и GNSS поглощаются почти полностью на расстоянии от сантиметров до дециметров: GNSS-приёмник под водой не видит спутников, а радиомодем не достаёт до соседнего аппарата. Сверхнизкие частоты проникают на десятки метров, но требуют гигантских антенн и передают считаные символы в минуту. Свет в чистой воде проходит десятки метров, но только по прямой видимости, а в мутной — всего несколько метров.
| Носитель | Дальность в воде | Скорость | Главное ограничение |
|---|---|---|---|
| Радиоволны (МГц–ГГц) | сантиметры–дециметры | не имеет значения | почти полное поглощение |
| Сверхнизкочастотное радио | десятки метров | единицы символов в минуту | огромные антенны |
| Оптика (сине-зелёный свет) | до десятков метров в чистой воде | до Мбит/с на коротких дистанциях | прямая видимость, мутность |
| Звук | сотни метров — десятки километров | от десятков бит/с до десятков кбит/с | задержка, эхо, шум |
Как ведёт себя звук в воде
Скорость звука и задержка
Звук в воде идёт со скоростью около 1500 м/с: более чем в 4 раза быстрее, чем в воздухе, но в 200 тысяч раз медленнее радиоволн. Километр сигнал проходит за 0,67 с, а обмен «запрос — ответ» на этой дистанции занимает больше 1,3 с. Поэтому подводные протоколы избегают частых подтверждений, а модемы работают скорее как почта, чем как телефон.
Скорость звука зависит от температуры (около 3 м/с на градус), солёности (около 1,3 м/с на 1 ‰) и глубины (около 1,7 м/с на каждые 100 м). Это важно не только для задержки. Звук всегда загибается в сторону меньшей скорости, поэтому летом, когда верхний слой тёплый, а нижний холодный, лучи уходят вниз, и между модемами на разной глубине возникают «зоны тени». Подробно о траекториях лучей рассказывает статья «Куда идут лучи под водой?» на Хабре.
Затухание
Сигнал слабеет по двум причинам. Первая — геометрическая: энергия расходится по всё большей сфере, и на расстоянии 1 км сигнал слабее, чем на расстоянии 1 м, на 60 дБ, а на 10 км — на 80 дБ. Вторая — поглощение водой, которое быстро растёт с частотой. В морской воде к вязкому трению добавляется химическая релаксация сульфата магния и борной кислоты, поэтому в пресной воде звук затухает заметно слабее.
| Частота | Поглощение в морской воде (эмпирическая формула Торпа) |
|---|---|
| 1 кГц | около 0,07 дБ/км |
| 10 кГц | около 1 дБ/км |
| 20 кГц | около 4 дБ/км |
| 100 кГц | около 30–35 дБ/км |
Отсюда правило: чем дальше нужно передать сигнал, тем ниже частота и уже полоса, а значит, ниже скорость. Модемы дальней связи работают на единицах–десятках килогерц: например, RedLine — в полосе 5–15 кГц. Реальные потери нередко выше расчётных: звук рассеивают пузырьки газа, планктон, рыба и неровности дна. Физику поглощения подробно разбирает статья «Почему звук в воде затухает?».
Шум
Полезный сигнал приходится выделять на фоне шума волн, дождя, судов, живых организмов и собственных механизмов носителя: винтов, подруливающих устройств, насосов. Поэтому антенну модема стараются разместить подальше от источников шума, а сами сигналы делают такими, чтобы приёмник мог их «вытащить» при отношении сигнал/шум около нуля. По паспортным данным, модемы семейства uWave рассчитаны на отношение сигнал/шум −2 дБ (значение получено в лабораторном статическом эксперименте без учёта многолучёвости), а RedLine — на −6 дБ.
Многолучёвость
Звук отражается от поверхности и дна, и эхо приходит позже прямого сигнала: разность хода в 15 м даёт задержку 10 мс. Эхо накладывается на следующие символы и портит приём. Хуже всего на мелководье и в замкнутых объёмах вроде технических бассейнов и баков, лучше — в глубокой воде при прямой видимости между антеннами.
С многолучёвостью борются защитными интервалами (это снижает скорость), широкополосными сигналами с корреляционным приёмом, адаптивными эквалайзерами и помехоустойчивым кодированием. Наглядный пример из нашей лаборатории: в металлическом баке 3 × 1,5 × 1,5 м два модема RedLine устойчиво работают только на расстоянии до 2 м, а два uWave — примерно на 1 м, хотя в открытой воде они рассчитаны на 8000 и 1000 м. Самодельному модему из статьи «Делаем простой гидроакустический модем» в таком баке пришлось увеличить защитный интервал, и скорость упала с 16,6 до примерно 3 бит/с. А заказчик из Швейцарии, испытывая модемы uWave в Женевском озере, сообщил, что при погружении на 20–30 см связь не превышала 20–25 м, тогда как на глубине 1,5–2 м дальность была гораздо больше (см. отзыв заказчика).
Эффект Доплера
Если модемы движутся друг относительно друга, частота сигнала смещается: при скорости 1 м/с и несущей 20 кГц сдвиг составляет около 13 Гц. Для фазовой модуляции это серьёзная проблема, поэтому в паспортах указывают допустимую относительную скорость. У uWave Max, uWave Max OEM и uWave USBL она составляет ±1 м/с, у RedLine и RedGTR — ±3 м/с (по документации на docs.unavlab.com).
Скорость передачи и дальность: почему это компромисс
Скорость ограничена двумя вещами: доступной полосой частот и отношением сигнал/шум на входе приёмника. Чем длиннее трасса, тем сильнее затухание на высоких частотах, тем уже полезная полоса и тем ниже скорость. Поэтому в паспортах модемов дальность и скорость всегда идут в паре, а числа приводятся для оптимальных условий.
Примеры из нашей линейки:
- uWave: до 1000 м при 78 бит/с;
- uWave Max: до 3000 м в режиме 78 бит/с, есть режимы 156, 314 и 634 бит/с (они несовместимы между собой и переключаются заменой встроенного ПО);
- RedLine: до 8000 м при 80 бит/с.
Насколько это много или мало? Пакет в 64 байта при 78 бит/с передаётся около 7 секунд без учёта служебных данных. Для координат, глубины, команд управления и телеметрии сенсоров этого достаточно, для видео и файлов — нет. Модемы других производителей на дистанциях 1–4 км заявляют в оптимальных условиях скорость до 10–14 кбит/с; сравнение по опубликованным данным приведено в статье «Как выбрать гидроакустический модем».
Модуляции в общих чертах
Модуляция — способ записать биты в параметрах звукового сигнала. Универсального «лучшего» варианта нет: выбор зависит от того, что важнее — дальность, скорость или устойчивость.
- Частотная манипуляция (FSK). Биты кодируются частотой тона. Просто, устойчиво, но медленно. Вариант со скачками частоты (FH-FSK) хорошо противостоит эху: например, Popoto использует его для режима 80 бит/с.
- Фазовая манипуляция (PSK, QAM). Биты кодируются фазой сигнала. При той же полосе скорость выше, но нужны когерентный приём, адаптивный эквалайзер и слежение за доплеровским сдвигом. Типичный выбор для быстрых линий на коротких дистанциях.
- OFDM. Данные распределяются по множеству узких поднесущих. Хорошо переносит многолучёвость, но чувствителен к доплеровскому смещению.
- Широкополосные и шумоподобные сигналы. Энергия «размазывается» по широкой полосе, а приёмник собирает её корреляцией. Так удаётся работать при низком отношении сигнал/шум, различать эхо и разделять абонентов по коду. К этому классу относятся сигналы с линейной частотной модуляцией, а также технология EvoLogics S2C (Sweep-Spread Carrier). Широкополосные сигналы и цифровая обработка лежат в основе и наших систем.
- Кодирование и повторная передача. Избыточные коды исправляют часть ошибок, а протоколы вроде ALO (At-least-once) повторяют пакет, пока не придёт подтверждение о доставке. Модемы семейства uWave поддерживают такой режим и до 254 логических адресов.
Как модемы делят эфир и строят сети
Модем на дне и модем на буе образуют простейшую линию «точка — точка». Когда абонентов много, нужно решить, кто и когда говорит. Абонентов разделяют по частоте, по времени или по коду; сеть можно строить на опросе ведущим узлом. Кодовое разделение позволяет нескольким модемам работать одновременно в одной акватории: у uWave для этого предусмотрено до 20 кодовых каналов.
Связь даёт побочный эффект — дальномерные измерения. Модем замеряет время распространения сигнала, а расстояние равно этому времени, умноженному на скорость звука. Разрешение по времени у модемов uWave Max — 0,0001 с, то есть 0,15 м по дальности при скорости звука 1500 м/с. Если приёмник ещё и определяет угол прихода сигнала, как uWave USBL, получается навигационная система на ультракороткой базе. О принципах позиционирования читайте в статье «Подводная навигация: USBL, LBL и iLBL».
Интернет подводных вещей
Интернет подводных вещей (Internet of Underwater Things, IoUT) — это сеть подводных датчиков, аппаратов и исполнительных механизмов, подключённая к обычному интернету через надводные шлюзы. Звуковой канал здесь служит мостом: узлы редко отправляют небольшие порции телеметрии, работают на батареях месяцами и не могут позволить себе частые переспросы.
Главные трудности сети — задержки, низкая скорость, столкновения пакетов при одновременной передаче и расход энергии. Типичная архитектура «каждый с каждым» с длинными цепочками ретрансляторов усугубляет эти проблемы: на каждом узле растут вероятность ошибки и задержка.
Мы пошли другим путём. Двухсредная точка доступа состоит из надводной части, которая выходит в интернет и принимает сигналы GNSS, и подводной части, которая обменивается данными с узлами и определяет их положение. Сетью управляет точка доступа: узлы передают данные только по её команде, поэтому коллизий нет даже при большом числе абонентов. Протокол «многие к одному» и радиус действия до 8 км (в зависимости от исполнения) позволяют обойтись без ретрансляторов, а гарантированная доставка реализована на уровне устройства. В описании наших применений упомянута система со специализированным протоколом Hadean: до 256 динамически адресуемых узлов телеметрии, а также узлы управления актуаторами (см. «Области применения наших устройств»).
Где применяют гидроакустическую связь
- Телеметрия и телеуправление автономных и телеуправляемых подводных аппаратов.
- Сети подводных сенсоров: экологический мониторинг, гидрология, контроль инфраструктуры.
- Управление исполнительными механизмами и акустические размыкатели.
- Определение положения подводных объектов.
- Голосовая связь с водолазами.
Оборудование UCNL
Лаборатория подводной связи и навигации разрабатывает и производит гидроакустические модемы и системы связи. Каталог модемов — на странице «Передача данных», водолазная связь — на странице «Телефония».
- uWave — компактный модем 41 × 45 мм массой 0,16 кг, дальность до 1000 м, 78 бит/с; прозрачный канал и пакетный режим.
- uWave Max и uWave Max OEM — дальность до 3000 м, скорости до 634 бит/с; OEM-версия поставляется платой и антенной для встраивания.
- uWave USBL — передача данных совмещена с определением дистанции и угла.
- RedLine — дальность до 8000 м при 80 бит/с, функция ретрансляции.
- RedGTR — кодовые команды для 25 абонентов, дальность до 8000 м.
- uSwitch — простое решение для образовательных проектов и прототипов.
- Двухсредная точка доступа — интернет подводных вещей.
- RedPhone — голосовая связь для водолазов.
Как подобрать модем под задачу — в статье «Как выбрать гидроакустический модем». Историю первого uWave и результаты его полевых испытаний мы описали в заметке «Самый маленький гидроакустический модем».
Источники и подробности: статьи команды на Хабре — «Почему звук в воде затухает?», «Куда идут лучи под водой?», «Делаем простой гидроакустический модем»; документация на docs.unavlab.com.
