עתיד התקשורת התת ימית

כך עובדת המערכת של רפאל

תקשורת תמונה שנקלטה ופוענחה במסגרת ניסוי ימי במפרץ חיפה

"אם תגרום לסירתך לעצור, תכניס את קצהו האחד של צינור ארוך לתוך המים ואת קצהו השני תצמיד לאוזנך, אתה תשמע קולות של ספינות ממרחק רב ממך". דברים אלה כתב לאונרדו דה וינצ'י לפני כ-600 שנה. בפשטות, אמירה זו ממצה את האקוסטיקה התת-מימית המודרנית שהתפתחה חמש מאות שנה מאוחר יותר: הבנה של התפשטות האות האקוסטי במים (הכרה בכך שספינות מייצרות רעש אשר נע למרחקים גדולים), ועיבוד האות האקוסטי (רעיון למקלט הממיר אות אקוסטי במים לאות אקוסטי באוויר, ואפילו הצעה להיות סטטי כדי להקטין רעשים עצמיים).

אקוסטיקה תת-מימית

ההתקדמות מאז לאונרדו דה וינצ'י מתבטאת בפיתוח מערכות תת-מימיות מתוחכמות (וזולות) ומידוּל מעמיק יותר של הערוץ התת-מימי. אי-שם במאה ה-16 התרכז העיסוק בתחום התת-מימי בניסיון לפתח פלטפורמה שתיקרא בעתיד צוללת ובה יוכל לשהות אדם ולנוע מתחת למים. במרוצת השנים התפתח המחקר בתחום זה, בעיקר במהלך שתי מלחמות העולם והמלחמה הקרה. אז התבססו מספר קבוצות באקדמיה ובמכוני מחקר, המתרכזות במחקר ובפיתוח של מערכות לתחום התת-מימי.

אחת מקבוצות אלו נמצאת במחלקת עיבוד אותות ואלגוריתמים בחטיבת חימוש ומוגדרת כמוקד ידע לאומי לאקוסטיקה תת-מימית. מדור תקשורת תת-מימית במחלקה זו עוסק במחקר ובפיתוח של יכולות תקשורת ורשת אקוסטית תת-מימית החל משלב ההנבטה ועד למימוש של מערכת מבצעית. אופי העבודה במדור כולל ביצוע פעילות מחקרית וגיבוש תכן של אלגוריתמים, הכנת סביבת בדיקה סימולטיבית, בדיקות בבריכה האקוסטית ברפאל וביצוע ניסויים בסביבה ימית.

שימוש באותות אקוסטיים לצורכי תקשורת קיים כבר שנים או ליתר דיוק כבר אלפי שנים בטבע. יונקים כדוגמת עטלפים, לווייתנים ודולפינים עושים שימוש בגלי קול לצורך תקשורת וגילוי מטרות. אותות אלו דומים לאותות בעלי מודולציה בתדר, המוכרים מעולם התקשורת (נקראים CHIRPS). שימוש באותות אלו משמש גם לאיכון ולגילוי של עצמים בסביבה הימית.

עם זאת, פיתוח של מערכות תקשורת אקוסטית תת-מימית מהווה אתגר גדול עקב אופיו המורכב של הערוץ האקוסטי התת-מימי. דבר זה בא לידי ביטוי במגוון תופעות והשפעות. הניחוּת של האות האקוסטי במים ורעש הרקע גדלים עם התדר.

רוחב הסרט של הערוץ מוגבל מאוד (מספר בודד של קילו-הרצים). בניגוד לערוצי תקשורת רדיו, האותות המשודרים בערוץ התת-מימי הם בדרך כלל רחבי סרט. מהירות הקול במים (כ-1500 מ'/שנייה) גורמת לכך שתופעת דופלר הינה משמעותית ורגישה אף לתנועות קטנות יחסית במים. מעבר לכך, תופעת הרב-נתיב נמשכת זמן רב ומשתנה הן במרחב והן בזמן. תנאי פתיחה אלו מציבים אתגרים מהותיים במחקר ובפיתוח של מערכת תקשורת הנדרשת לשדר ולפענח מידע בסביבה התת-מימית בצורה אמינה.

מערכת DEEPLINK

אחת ממערכות התקשורת לרשת של משתמשים לתווך התת-מימי המשווקות בעולם פותחה בשנים האחרונות במדור תקשורת תת-מימית במחלקת עיבוד אותות ונקראת DEEPLINK . מודם זה משמש לתקשורת אקוסטית בין צוללים וכלים תת-ימיים. בשל הדינמיות של המערכת (תנועה, שינויי טופולוגיה וקישוריות בין המשתמשים) מדובר ברשת אד-הוק ללא תחנה מנהלת, בשונה מרשתות סלולריות שבהן הגישה לרשת מנוהלת על ידי תחנת בסיס. התקשורת ברשת היא חשאית כך שמיירט לא יוכל לזהות שידור במים.

חשאיות זו מושגת על ידי פריסת האותות על פני רוחב הסרט וגורמת להורדת קצב השידור (כ-100 ביטים לשניה!). תחת מגבלות אלו מסוגלת הרשת לתמוך בשידור הודעות שליטה ובקרה והודעות טקסט קצרות באופן רובוסטי ובאמינות גבוהה למרות המגבלות של הערוץ התת-מימי. כדי להתמודד בהצלחה עם חסימות של קו-ראייה בין משתמשים (שובר גלים או ספינות חולפות) לומדת מערכת DEEPLINK את הטופולוגיה המשתנה ותומכת בממסור הודעות על ידי שאר משתמשי הרשת בעת שנוצר צורך בכך.

בשנים האחרונות החלה התעניינות הולכת וגוברת בפעילויות של קבוצות המחקר באקדמיה ובתעשייה ברחבי העולם ביכולת לתקשר ולהעביר מידע בתווך התת-מימי. הדרישה ליכולות מסוג זה הולכת וגדלה בשנים האחרונות עם התפתחות תחום חיפושי הנפט והגז, הקמת אסדות הקידוח והצורך בהגנה על מתקנים לאומיים בעלי חשיבות אסטרטגית בגזרה ימית הולכת וגדלה. כיום, המענה לאתגרים אלו משלב רכבים תת-מימיים בלתי מאוישים.

פתרונות התקשורת של רכבים אלו כוללים שימוש בקו תקשורת בין הרכב לתחנת האם, אשר מגביל את הטווח ויכולת התנועה של הכלי. פתרון נוסף הינו שידור בגלי רדיו מפני הים, שמחייב את הכלי לקטוע את משימתו, להשקיע אנרגיה יקרת ערך בעלייה לפני הים, ובכל מקרה תקשורת זמן אמת אינה אפשרית בפתרון זה. לפיכך יש צורך בפתרון המסוגל לתת מענה לנפחי התקשורת הנדרשים בזמן אמת תוך הסרת מגבלות הניידות.

במדור תקשורת מפתחים כיום את הדור הבא של המודמים התת-מימיים שישמשו ליישומים מתקדמים אלו. בהשראת תהליך האבולוציה של מכשירי הסלולר, החזון הינו לשלב יכולות תקשורת והעברת נתונים מתקדמות לסביבה התת-מימית. כיום מפתחים שיפור יכולות שליטה ובקרה המשלבות העברת וידיאו בזמן אמת ותשדורת נתונים בקצבים מהירים.

הצורך בתקשורת אקוסטית תת-מימית בקצבים מהירים הביא לתנופה מחקרית בנושא בקרב גופי מחקר ברחבי העולם. בשנים האחרונות חלה קפיצת מדרגה חסרת תקדים בתכן מודמים אקוסטיים תת-מימיים מקצבי מידע של מאות ביטים לעשרות אלפי ביטים בשנייה. נכון להיום, קפיצת מדרגה זו נשארה בתחום המחקר האקדמי ומעט מאוד מוצרים מסחריים של מודמים אקוסטיים בקצב גבוה פותחו. במדור תקשורת תת-מימית פותח לאחרונה מודם לקצב גבוה המבוסס על תקשורת OFDM אשר מאפשרת מימוש דל הספק תוך התמודדות מיטבית עם תופעות הערוץ התת-מימי. בניסוי הדגמה שודרו תמונות בין כלי שיט במפרץ חיפה על ידי המודם שפותח.

על אף ההתקדמות המשמעותית בשנים האחרונות במדור תקשורת בפיתוח מודמים לתקשורת תת-מימית, קצבי המידע הזמינים (רק עשרות אלפי ביטים בשנייה) נמצאים בקצה התחתון של הקצבים הנדרשים עבור יישומי העברת תמונות ברזולוציה גבוהה ווידיאו בזמן אמת. דוחסי וידיאו סטנדרטיים (דוגמת מקודדים בתקן H.264 הנחשב יעיל ביותר) אינם משיגים את קצבי המידע הרלוונטיים.

נושאים אלה ואחרים הם חלק מאתגרי המחקר והפיתוח שניצבים בפני הקבוצה בשנים הקרובות והכוללים בין היתר מימוש שיטות תקשורת חשאיות מתקדמות, שימוש בקידוד מידע מתקדם ופיתוח פרוטוקולי רשת לסביבה דינמית. פיתוח יכולות אלו ומימושן יהוו פריצת דרך בקנה מידה עולמי בתחום מערכות התקשורת התת-מימיות.

You might be interested also