RU2645893C2 - Method of underwater communication - Google Patents
Method of underwater communication Download PDFInfo
- Publication number
- RU2645893C2 RU2645893C2 RU2015155813A RU2015155813A RU2645893C2 RU 2645893 C2 RU2645893 C2 RU 2645893C2 RU 2015155813 A RU2015155813 A RU 2015155813A RU 2015155813 A RU2015155813 A RU 2015155813A RU 2645893 C2 RU2645893 C2 RU 2645893C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- acoustic
- aqueous medium
- optical radiation
- radiation
- Prior art date
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 25
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 66
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 36
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000002609 medium Substances 0.000 claims description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
Способ относится к области систем телекоммуникации, использующих электромагнитные волны оптического диапазона и звуковые волны, где в качестве передающей среды выступает вода.The method relates to the field of telecommunication systems using electromagnetic waves of the optical range and sound waves, where water acts as a transmission medium.
Основным каналом телекоммуникации между подводными объектами является акустический канал, обеспечивающий достаточную для большинства приложений производительность и дальность связи. Вместе с тем, в некоторых приложениях, например, передачи видеоданных в реальном времени, требующих обмена мегабитными потоками информации, акустический канал принципиально не может обеспечить требуемой производительности.The main telecommunication channel between underwater objects is the acoustic channel, which provides sufficient performance and communication range for most applications. At the same time, in some applications, for example, real-time video transmission, requiring the exchange of megabit streams of information, the acoustic channel cannot fundamentally provide the required performance.
В настоящее время интенсивно развиваются способы подводной связи, основанные на применении электромагнитного излучения оптического диапазона волн. Определяющим преимуществом оптического метода является потенциальная возможность создания канала связи со скоростью передачи данных в воде в несколько Мбит/с. Однако существенным недостатком оптического метода подводной связи является его относительно невысокая дальность действия. Наиболее перспективным способом реализации метода оптической подводной связи является использование лазерных комплексов, работающих в диапазоне длин волн (470-570 нм) [Vikrant, А.K., & Jha, R.S. Comparison of Underwater Laser Communication System with Underwater Acoustic Sensor Network // International Journal of Scientific & Engineering Research. - Volume 3. - Issue 10. - 2012. - P. 2]. Выбор этого диапазона длин волн обусловлен наименьшим ослаблением их в водной среде.Currently underwater communication methods are being intensively developed, based on the use of electromagnetic radiation in the optical wavelength range. The defining advantage of the optical method is the potential possibility of creating a communication channel with a data transfer rate in water of several Mbit / s. However, a significant drawback of the optical method of underwater communication is its relatively low range. The most promising way to implement the method of optical underwater communication is the use of laser systems operating in the wavelength range (470-570 nm) [Vikrant, A.K., & Jha, R.S. Comparison of Underwater Laser Communication System with Underwater Acoustic Sensor Network // International Journal of Scientific & Engineering Research. -
Известный способ по патенту US 2005/0232638 А1 "СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДВОДНОЙ БЕСПРОВОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ" защищает способ и устройство для подводной коммуникации между стационарными подводными системами сбора информации, где в качестве источника оптического излучения используют светодиоды, а в качестве приемного устройства применяют систему на основе кремниевых фотодиодов. Передачу данных в известном решении производят с использованием стандартного протокола IRDA. Максимальная дистанция передачи данных составляет 10 метров. Расчетная максимальная скорость передачи данных оценивается в пределах 4 Мбит/с.The known method according to patent US 2005/0232638 A1 "METHODS AND DEVICE FOR UNDERWATER WIRELESS OPTICAL COMMUNICATION" protects the method and device for underwater communication between stationary underwater systems for collecting information, where LEDs are used as the source of optical radiation, and the system is used as a receiving device based silicon photodiodes. Data transfer in a known solution is performed using the standard IRDA protocol. The maximum data transmission distance is 10 meters. The estimated maximum data rate is estimated at 4 Mbps.
Недостатком данного способа является малая дальность связи, ограничивающая область ее применения. Кроме того, здесь не предусмотрена система для обеспечения взаимной пространственной ориентации диаграмм направленности передающего и принимающего модулей.The disadvantage of this method is the small communication range, limiting the scope of its application. In addition, there is no system provided for providing mutual spatial orientation of the radiation patterns of the transmitting and receiving modules.
Известен также способ и техническое решение по организации оптического канала связи с использованием сложного оптического сигнала, полученного модуляцией лазерного излучения псевдослучайной последовательностью, позволившее передать под водой данные со скоростью 1 Гбит/с на расстояние, превышающее 2 м [Hanson F., Radic S. Широкополосная подводная оптическая коммуникация // Applied optics. - 2008. - Т. 47. - №. 2. - С. 277-283]. Недостатком данного способа является малая для практического использования дистанции связи.There is also a known method and technical solution for organizing an optical communication channel using a complex optical signal obtained by modulating laser radiation with a pseudo-random sequence, which allowed transmitting data at a speed of 1 Gbit / s over a distance exceeding 2 m under water [Hanson F., Radic S. Broadband underwater optical communication // Applied optics. - 2008. - T. 47. - No. 2. - S. 277-283]. The disadvantage of this method is small for practical use of the communication distance.
Здесь также не предусмотрена система наведения лазерного излучения на активную область приемного устройства, что при малой угловой расходимости пучка излучения не позволяет удерживать необходимую соосность диаграмм направленности.It also does not provide a system for directing laser radiation to the active region of the receiving device, which, with a small angular divergence of the radiation beam, does not allow maintaining the necessary alignment of radiation patterns.
Наиболее близким к заявляемому способу оптической подводной связи, принятым за прототип, является способ, описанный в патенте US 7,953,326 В2 "СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ДЛЯ ПОДВОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ". Известный способ позволяет осуществить всенаправленную передачу и прием оптических сигналов под водой на дистанции порядка 100 м, при скорости передачи данных более 1 Мбит/с. В прототипе дано несколько вариантов реализации оптических каналов связи и вариантов технических решений для основных узлов и блоков канала связи.Closest to the claimed method of optical underwater communication, adopted as a prototype, is the method described in patent US 7,953,326 B2 "SYSTEMS AND METHODS FOR UNDERWATER OPTICAL COMMUNICATION". The known method allows for omnidirectional transmission and reception of optical signals under water at a distance of about 100 m, with a data transfer rate of more than 1 Mbit / s. The prototype provides several options for the implementation of optical communication channels and technical solutions for the main nodes and blocks of the communication channel.
Общим для всех приведенных в прототипе вариантов реализации и для заявляемого способа является наличие устройств и действий:Common to all given in the prototype implementation options and for the proposed method is the presence of devices and actions:
- передатчик, включающий в себя генератор несущей частоты оптического диапазона волн, устройство ввода информационного сигнала, модулятор несущей частоты и устройство вывода модулированного оптического излучения в водную среду;- a transmitter including a carrier frequency generator of the optical wavelength range, an input signal input device, a carrier frequency modulator and a device for outputting modulated optical radiation into the aquatic environment;
- приемное устройство, содержащее устройство ввода оптического излучения из водной среды, приемник сигнала оптического диапазона волн, демодулятор и устройство вывода информационного сообщения;- a receiving device comprising a device for inputting optical radiation from an aqueous medium, a signal receiver of an optical wavelength range, a demodulator and an information message output device;
- передатчик излучает непосредственно в водную среду сигнал, модулированный информационным сообщением;- the transmitter emits directly into the aquatic environment a signal modulated by an information message;
- приемное устройство принимает сигнал передатчика, прошедший через водную среду, демодулирует и выводит полученное информационное сообщение.- the receiving device receives the transmitter signal that has passed through the aquatic environment, demodulates and displays the received information message.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является малая дальность связи из-за использования диффузоров, расширяющих диаграммы направленности на излучающей и приемной сторонах. Такое расширение приводит к снижению плотности энергии, излученной передатчиком, и увеличению шума сторонних источников на приемной стороне, вследствие чего система не эффективна в части обеспечения дальней связи. Использование в прототипе передатчика и приемника с узкими диаграммами направленности невозможно из-за отсутствия системы наведения осей диаграмм направленности передатчика и приемника навстречу друг другу. Для связи с использованием узких диаграмм направленности должна быть предусмотрена система наведения, позволяющая сводить оси диаграмм направленности оптического излучателя и приемника навстречу друг другу и удерживать это состояние на протяжении всего сеанса связи.The disadvantage of this method, adopted as a prototype, is the small communication range due to the use of diffusers that expand the radiation patterns on the emitting and receiving sides. Such expansion leads to a decrease in the energy density emitted by the transmitter and to an increase in the noise of third-party sources on the receiving side, as a result of which the system is not effective in providing long-distance communications. The use of a transmitter and a receiver with narrow radiation patterns in the prototype is impossible due to the lack of a system for guiding the axes of the radiation patterns of the transmitter and receiver towards each other. To communicate using narrow radiation patterns, a guidance system should be provided that allows the axes of the radiation patterns of the optical emitter and receiver to be reduced towards each other and to maintain this state throughout the entire communication session.
Технической задачей, на которую направлен заявляемый способ, является устранение указанных недостатков, а именно создание эффективного по дальности действия, высокоскоростного оптического канала связи между подвижными или подвижными и стационарными подводными объектами.The technical problem to which the claimed method is directed is to eliminate these drawbacks, namely the creation of an effective range of action, high-speed optical communication channel between mobile or mobile and stationary underwater objects.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе и устройстве подводной связи, содержащем передатчик, в состав которого входят источник электромагнитных волн оптического диапазона, устройство ввода информационного сообщения, модулятор, диффузор, устройство вывода модулированного оптического сигнала в водную среду; приемник, содержащий диффузор, систему ввода оптического излучения из водной среды, демодулятор и устройство вывода информационного сообщения, в отличие от него с целью увеличения предельной дальности действия оптического канала связи, излучатель и приемник оптического сигнала выполнены с малой угловой расходимостью диаграмм направленности, что позволяет повысить плотность потока энергии излучения и уменьшить шумовую засветку оптического приемника; для обеспечения работы такого канала связи между подвижными или стационарными и подвижными объектами в систему введен акустический канал связи, с целью обнаружения, идентификации корреспондентов, определения расстояния между ними, наведения и стабилизации осей диаграмм излучения - приема.The stated technical problem is solved in that in the known method and device for underwater communication, comprising a transmitter, which includes an optical wave electromagnetic source, an information message input device, a modulator, a diffuser, a modulated optical signal output device to an aqueous medium; a receiver containing a diffuser, an optical radiation input system from an aqueous medium, a demodulator and an information message output device, in contrast to it, in order to increase the maximum range of an optical communication channel, an emitter and an optical signal receiver are made with a small angular divergence of radiation patterns, which allows to increase radiation energy flux density and reduce the noise exposure of the optical receiver; To ensure the operation of such a communication channel between moving or stationary and moving objects, an acoustic communication channel has been introduced into the system in order to detect, identify correspondents, determine the distance between them, point and stabilize the axes of the radiation-reception diagrams.
Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ подводной оптоакустической подводной связи, приведена на рис. 1.A block diagram of a device that implements the proposed method for underwater optoacoustic underwater communication is shown in Fig. one.
Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ подводной оптоакустической подводной связи, включает: А, В - корреспонденты; 1 - оптический генератор; 2 - модулятор; 3 - устройство ввода информационного сообщения; 4 - устройство вывода модулированного оптического излучения в водную среду; 5 - устройство ввода оптического излучения из водной среды; 6 - демодулятор; 7 - устройство вывода информационного сообщения; 8 - детектор ошибки наведения оптического канала; 9 - акустическая антенна; 10 - акустический модем; 11 - детектор ошибки наведения акустического канала; 12 - блок управления системой наведения и стабилизации.The block diagram of a device that implements the proposed method for underwater optoacoustic underwater communication includes: A, B - correspondents; 1 - optical generator; 2 - modulator; 3 - input device informational messages; 4 - a device for outputting modulated optical radiation into an aqueous medium; 5 - a device for inputting optical radiation from an aqueous medium; 6 - demodulator; 7 - device output informational messages; 8 - optical channel pointing error detector; 9 - acoustic antenna; 10 - acoustic modem; 11 - acoustic channel pointing error detector; 12 - control unit guidance system and stabilization.
Способ работает следующим образом.The method works as follows.
Объект, инициирующий сеанс связи, излучает при помощи акустической антенны 9 акустического модема 10 сигнал вызова. В процессе излучения сигнала вызова производится сканирование водного пространства изменяемой, либо узкой диаграммой направленности акустической антенны. Встречный корреспондент, получив сигнал вызова, излучает при помощи акустической антенны 9 и аналогичного акустического модема 10 ответный сигнал. После установления акустического контакта корреспонденты уточняют взаимное расстояние, относительное положение в пространстве, направление движения, если требуется сближение, и совмещают оси излучение/прием акустических антенн. Сближение осуществляется до расстояния, необходимого для установления оптической связи. До установления оптического контакта управление наведением устройств вывода/ввода оптического излучения 4,5 осуществляется акустическим каналом посредством блока управления системой наведения и стабилизации 12, по сигналу, выделенному детектором ошибки наведения акустического канала 11, из сигнала, принятого акустическим модемом 10. Блок управления системой наведения и стабилизации поддерживает оси диаграмм направленности акустической антенны, устройств вывода и ввода модулированного оптического излучения в водную среду, в коллинеарном положении. Ошибка наведения содержится в принятом акустическим модемом пилот-сигнале, излучаемом встречным корреспондентом. Критерием точного наведения приемной и излучающей систем является максимум модуля (мощности) принятого сигнала и/или минимум его фазового запаздывания, зависящие в направленных антеннах от точности наведения на источник сигнала. После установления оптического контакта и захвата системы ориентации оптическим каналом связи управление ориентацией переходит к оптической системе. Здесь корреспонденты также обмениваются пилот-сигналами, из которых детектор ошибки наведения оптического канала 11 вырабатывает управляющий сигнал для блока управления системой наведения и стабилизации компенсации ошибки 12. В течение сеанса оптической связи система наведения и стабилизации обеспечивает пространственную ориентацию пары излучение-прием на основе данных об ошибке наведения. В случае потери оптического контакта управление ориентацией переходит к акустическому каналу до захвата канала связи системой оптической ориентации.The object initiating the communication session emits a ring signal using the
Работа оптического канала связи происходит следующим образом: оптический генератор несущей частоты 1 вырабатывает электромагнитные колебания оптического диапазона длин волн, которые в модуляторе 2 взаимодействуют с сигналом информационного сообщения, поступившим из устройства ввода информационного сообщения 3. Далее модулированная несущая частота поступает в устройство вывода модулированного оптического излучения в водную среду 4, имеющее малую угловую расходимость излучаемого сигнала. Некоторая доля энергии излученного сигнала, зависящая от величины поглощения, рассеяния, а также потерь энергии за счет сферического расхождения волны на дистанции между корреспондентами, попадает в устройство ввода оптического излучения из водной среды 5, имеющее узкую угловую характеристику диаграммы направленности приема, и далее в демодулятор 6, где происходит выделение принятого сообщения и выдача его через устройство вывода информационного сообщения 7 потребителю.The operation of the optical communication channel is as follows: the optical generator of the
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015155813A RU2645893C2 (en) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | Method of underwater communication |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015155813A RU2645893C2 (en) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | Method of underwater communication |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015155813A RU2015155813A (en) | 2017-06-30 |
RU2645893C2 true RU2645893C2 (en) | 2018-03-01 |
Family
ID=59309553
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015155813A RU2645893C2 (en) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | Method of underwater communication |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2645893C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU85057U1 (en) * | 2008-12-25 | 2009-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная компания "ГЛЮОН" | SUBMARINE COMMUNICATION SYSTEM |
RU2501038C1 (en) * | 2012-07-05 | 2013-12-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" | Hydroacoustic system |
WO2014186034A2 (en) * | 2013-03-15 | 2014-11-20 | Fairfield Industries Incorporated | High-bandwidth underwater data communication system |
-
2015
- 2015-12-24 RU RU2015155813A patent/RU2645893C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU85057U1 (en) * | 2008-12-25 | 2009-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная компания "ГЛЮОН" | SUBMARINE COMMUNICATION SYSTEM |
RU2501038C1 (en) * | 2012-07-05 | 2013-12-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" | Hydroacoustic system |
WO2014186034A2 (en) * | 2013-03-15 | 2014-11-20 | Fairfield Industries Incorporated | High-bandwidth underwater data communication system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015155813A (en) | 2017-06-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Abumarshoud et al. | LiFi through reconfigurable intelligent surfaces: A new frontier for 6G? | |
CN111162903B (en) | Free space quantum key distribution system and method for aircraft | |
Alimi et al. | Challenges and opportunities of optical wireless communication technologies | |
JP5771438B2 (en) | Interleaved optical signal amplification | |
CN108737088B (en) | Free space laser communication system based on quantum encryption | |
Moerman et al. | Beyond 5G without obstacles: mmWave-over-fiber distributed antenna systems | |
US8755692B2 (en) | Wireless data transmission with terahertz waves | |
CN211406034U (en) | Free space quantum key distribution system for aircraft | |
Soltani et al. | Terabit indoor laser-based wireless communications: LiFi 2.0 for 6G | |
Oh et al. | 10 Gbps all-optical full-duplex indoor optical wireless communication with wavelength reuse | |
Poulton et al. | Lens-free chip-to-chip free-space laser communication link with a silicon photonics optical phased array | |
CN102185652A (en) | Wireless laser communication transmission method and system | |
Harada et al. | Adaptive beam divergence for expanding range of link distance in FSO with moving nodes toward 6G | |
RU2645893C2 (en) | Method of underwater communication | |
Gupta et al. | Review on UAV-based FSO links: recent advances, challenges, and performance metrics | |
Leccese et al. | State-of-the art and perspectives of underwater optical wireless communications | |
Saxena et al. | On the performance of all-optical RORIS dual hop UAV based FSO systems | |
Derakhshandeh et al. | Underwater wireless laser-based communications using optical phased array antennas | |
JP2007150455A (en) | Free space optical communication system | |
Haq et al. | Weather-limited in-band full-duplex transceiver model for free-space optical communication | |
JP2002084232A (en) | Method for aerial optical communication and transmitter-receiver | |
KR102676687B1 (en) | Method and apparatus for optimizing beam-pointing in wireless optical communication system | |
Lou et al. | Basic principles of underwater optical communication | |
RU2691759C1 (en) | Information transmission system using radio and optoelectronic channels | |
JP2015201790A (en) | Array antenna device and mobile station communication system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181225 |