НАЗНАЧЕНИЕ И ЗАДАЧИ

Сетевая система «интернета подводных вещей» предназначена для обеспечения доступа к автономным подводным инструментам: различным сенсорам, актуаторам, АНПА/ТНПА непосредственно из сети Интернет. Система призвана решать задачи дистанционного сбора данных и управления различными подводными механизмами, передачи данных с автономных подводных датчиков — без необходимости предварительной настройки или согласования в условиях меняющегося состава и положения агентов.

КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМЫ

Система «интернета подводных вещей» представляет собой набор специализированных устройств и стека сетевых протоколов, изначально разрабатываемых с учетом их применения в условиях гидроакустического канала: сложными гидрологическими условиями, низкой скоростью передачи информации и низкой скоростью распространения сигналов в среде, узкой доступной полосы частот.

Основа системы представлена тремя типами устройств:

•        многорежимными гидроакустическим модемами, обеспечивающими надежную передачу данных по гидроакустическому каналу и поддерживающих специализированный стек протоколов, начиная с физического уровня;
•        двухсредными плавучими точками доступа, обеспечивающими доступ к подводной сетевой инфраструктуре из сети интернет посредством сотовой и/или спутниковой связи, а также пассивное позиционирование подводных  элементов сети;
•        универсальными интерфейсными устройствами с открытой схемотехникой и исходным кодом, которые обеспечивают информационное сопряжение различных сенсоров и инструментов с гидроакустическими модемами.

Основная проблема, с которой сталкиваются разработчики подобных проектов, состоит в возникновении коллизий акустических сигналов в точке приема, при этом используются относительно скоростные (и рассчитанные на небольшие дистанции — до сотен метров) способы передачи данных. Ставка делается на усложнение методов маршрутизации, однако практика показывает, что такой подход неоправдан по следующим причинам: в реальном гидроакустическом канале, быстро меняющемся, где вероятность доставки сообщения может быть значительно меньше единицы, передача данных по цепочке ретрансляторов крайне неэффективна не только по причине все увеличивающейся с числом ретрансляторов вероятностью ошибки, но и по причине неприемлемой задержки и накладными расходами на маршрутизацию. В предлагаемой нами системе применен совершенно иной подход, при котором благодаря специализированному стеку протоколов обеспечивается полное отсутствие коллизий на стороне приемника и передача данных без посредников-ретрансляторов Команды управления и передача небольших объемов данных осуществляются при помощи кодовых посылок фиксированной длины, передача данных от автономных подводных узлов осуществляется только по запросу надводной двухсредной точки доступа, которая, имея информацию о расположении (а соответственно и возможным задержкам на распространение) подводных узлов опрашивает их, оптимально используя время и полосу пропускания. Помимо этого, в настоящей системе используются методы, изначально обеспечивающие передачу данных на значительные расстояния (до 8 км между передатчиком и приемником), что позволяет исключить необходимость использования ретрансляторов, фиксированная длина сообщений позволяет максимально повысить энергетическую эффективность системы, и как следствие — увеличить автономность. В системе помимо разделения по времени, на физическом уровне используется кодовое разделение абонентов, являющееся неотъемлемой частью специализированного стека протоколов.

В рамках настоящей системы подводные узлы делятся на три типа:

• узлы с динамической адресацией, которые не требуют предварительной настройки и могут включаться в существующую сеть автоматически. Одна двухсредная точка доступа может одновременно работать с 256 такими узлами. Каждый из таких узлов оборудован встроенными датчиками давления и температуры, при помощи интерфейсного устройства устройство может передавать на плавучую точку доступа до 8-ми целочисленных значений от 0 до 999, до 7-ми комбинированных значений, состоящих из 24-битного целого и 32-битного вещественного числа, и байтовый массив размером до 128 байт. Интерфейсное устройство с открытой архитектурой и исходным кодом обрабатывает различные пользовательские датчики и передает их непосредственно модему, который по запросу от двухсредной точки доступа передает их наверх, где к ним обеспечивается доступ из сети интернет;
• узлы для управления актуаторами первого типа с фиксированным адресом. Двухсредная точка доступа может работать с 250 такими устройствами. Каждый из узлов способен принимать 4 различные команды адресно и/или широковещательно с возможностью подтверждения;
• узлы для управления актуаторами второго типа с фиксированным адресом; Двухсредная точка доступа может работать с 49 такими устройствами. Каждый из узлов способен принимать 20 различных команд адресно и/или широковещательно с возможностью подтверждения;

Так, в общей сложности, одна точка доступа может одновременно обслуживать до 555 различных узлов, в акватории радиусом до 8 километров.

Все узлы поддерживают дистанционную настройку режимов энергосбережения в широком диапазоне. При этом, режимом управляет модем, который перед уходом в спящий режим сигнализирует об этом интерфейсному устройству, а при пробуждении также пробуждает и подключенное к нему интерфейсное устройство.

Модемы используют современную  высоконадежную и помехоустойчивую технологию цифровой гидроакустической связи, позволяющей устойчиво работать в широком диапазоне гидрологических условий и прекрасно зарекомендовавшей себя как в морских условиях, так и в крайне сложных мелководных водоемах.

Высокая универсальность системы дополняется пассивным позиционированием, которое обеспечивается следующими техническими решениями:

• при использовании трех и более плавучих точек доступа, прием сигналов от узлов и фиксация времени их прихода производится одновременно на всех используемых точках доступа, которые, будучи оборудованы приемниками спутниковой навигационной системы, образуют длинную навигационную базу, позволяющую определить их географическое положение;
• при использовании специализированной точки доступа, оборудованной фазированной антенной решеткой определяется горизонтальный угол прихода сигнала от подводных узлов, что наряду с известной их глубиной (все узлы оборудованы датчиками глубины), которая также передается по запросу от точки доступа, позволяет определить их относительное местоположение;

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ

Развитие системы предполагается осуществить в следующих этапах.

Этап 1. Реализация базовой функциональности. Длиннобазисная система позиционирования + физический протокол. Плановые сроки завершения работ — начало 2018 года.

Этап 2. Реализация двухчастотной системы взаимодействия. Повышение частоты обмена данными с близкорасположенными устройствами должно привести к разгрузке основного низкочастотного канала, а также к существенному повышению скорости информационного обмена. Плановые сроки реализации этапа — 2018 год.

Этап 3. Реализация двухсредных буёв с фазированными антенными решётками. Обеспечение работы системы связи и навигации всего на одном буе. Плановые сроки реализации этапа — 2019 год.