تقنيات الإتصال تحت الماء

يتزايد الطلب على أنظمة الاتصالات تحت الماء بسبب التوسع المستمر للأنشطة البشرية في البيئات تحت الماء مثل المراقبة البيئية، والتنقيب تحت الماء، واستكشاف حقول النفط البحرية. هناك أيضًا استخدام متزايد للروبوتات في المهمات تحت الماء من أجل زيادة الدقة وقابلية التشغيل. تُستخدم عادةً المركبات التي تُشغَّل عن بُعد (ROVs) والمركبات ذاتية التشغيل تحت الماء (AUVs) في مثل هذه التطبيقات، وتتمثل النقطة المهمة في كيفية التواصل معها. بشكل كلاسيكي تُستخدَم الكبلات أو تقنيات قائمة على الألياف، والتي توفر اتصالًا عالي السرعة وموثوقًا. ومع ذلك، يمكن أن يكون استخدامها تحديا في المواقع التي يصعب الوصول إليها في أعماق البحار لأنها ستحد من نطاق وقدرة المركبة تحت الماء على المناورة. في مثل هذه الحالات، هناك اهتمام كبير بتقنيات الاتصال اللاسلكي. يمكن أن يوفر الاتصال البصري معدلات بيانات عالية غير مسبوقة (من رتبة ميغابت في الثانية إلى جيجابت في الثانية) للنطاقات القصيرة والمتوسطة (1).

 كان نقل المعلومات اللاسلكية تحت الماء من مختلف أنواع شبكات تحت الماء (التي قد تشمل مركبة مستقلة تعمل تحت الماء (AUV) أو مركبة غير مأهولة تحت الماء (UUV) أو شبكات استشعار) قيد البحث النشط على مدى عقود عديدة. سنقدم هنا الخلفية التاريخية لمختلف الموجات الفيزيائية (الصوتية، الراديوية والبصرية) (2).

الموجات الصوتية (Acoustic waves): من بين الأنواع الثلاثة للموجات المذكورة أعلاه، تُستخدم الموجات الصوتية كالموجة الحاملة الأساسية للاتصالات اللاسلكية تحت الماء نظرًا لقلة امتصاصها نسبيًا ومسافة التغطية الطويلة (2).

 لها تاريخ تطبيق طويل يمكن أن يعود إلى أواخر القرن الثامن عشر. بعد التوسع الواسع في التطبيقات العسكرية خلال الحربين العالميتين، أصبح نظام الاتصالات الصوتية تحت الماء تقنية مشهورة مثبتة الأداء طُبِّقَت تقريبًا على كل جانب من جوانب شبكات الاستشعار تحت الماء.

 بالنظر إلى الاتساع الشديد للمحيطات وتأثير التوهين القوي لمياه البحر على مصادر التواصل الأخرى مثل الموجات الضوئية وموجات الراديو ، فإن الميزة الأكثر جاذبية للاتصالات الصوتية تحت الماء هي أنها يمكن أن تحقق مدى اتصال طويل يصل إلى عدة عشرات من الكيلومترات.

 على الرغم من أن الطريقة الصوتية هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتحقيق الاتصال تحت الماء، إلا أن لها أيضًا بعض القيود الفنية الجوهرية. أولًا، نظرًا لأن الترددات النموذجية المرتبطة بالصوتيات تحت الماء تتراوح بين 10 هرتز و1 ميجاهرتز، فإن معدل بيانات الإرسال للوصلة الصوتية منخفض نسبيًا (عادةً بترتيب kbps).

 ثانيًا نظرًا لبطء سرعة الانتشار للموجة الصوتية في الماء (حوالي 1500 متر / ثانية بدرجة 20 مئوية من الماء النقي)، فإن الرابط الصوتي يعاني من تأخير شديد في الاتصال (عادةً برتبة ثوانٍ). وبالتالي لا يمكنه دعم التطبيقات التي تتطلب تبادل آني لبيانات كبيرة الحجم (3).

 موجات الراديو (Radio Frequency waves): اكتُشفَ استخدام موجات الراديو في الاتصالات اللاسلكية تحت الماء لمزيد من التحسين في معدلات البيانات لأنها توفر نطاقًا تردديًا أعلى وسرعة أكبر في بيئة تحت الماء. اعتمادًا على بنية تصميم النظام، يمكن أن تتراوح موجات التردد اللاسلكي من بضع عشرة هرتز إلى غيغاهرتز.

 تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية التي تعمل بتردد منخفض للغاية (ELF) أي 30-300 هرتز على نطاق واسع في التطبيقات العسكرية أو في إنشاء مسارات اتصال بين الأجسام الأرضية وتحت الماء. تُستخدَمُ للانتشار لمسافات طويلة وتُنشَر بنجاح للتواصل مع الغواصات البحرية.

 طُوِّرَ أول مشروع ELF في عام 1968 للتواصل بين الغواصات المغمورة بعمق. في هذا المشروع، استُخدِمَ نظام تنبيه لاستدعاء الغواصة إلى السطح من أجل اتصالات ذات نطاق ترددي عالٍ باستخدام وصلات الراديو الأرضية (2).

 نظرًا لأن مياه البحر التي تحتوي على الكثير من الملح هي وسائط نقل موصلة، يمكن لموجات الراديو أن تنتشر فقط بضعة أمتار في ترددات تردد منخفضة للغاية (30-300 هرتز). علاوة على ذلك، تتطلب أنظمة ( الراديوية - الكهرومغناطيسية )RF-EM تحت الماء أيضًا هوائي إرسال ضخم وأجهزة إرسال واستقبال مكلفة ومستهلكة للطاقة (3).

الموجات الضوئية (Optical waves): نظرًا لأن موجات الراديو تتطلب حجمًا ضخمًا للهوائي وقوة إرسال كبيرة في المياه العذبة وتعاني من ضعف شديد في مياه البحر، فإن الخيار الواضح التالي للاتصال تحت الماء لدعم معدل بيانات مرتفع هو استخدام الإشارة الضوئية.

الاتصالات اللاسلكية الضوئية تحت الماء قادرة على تجاوز سرعة الجيجا بت في الثانية ضمن مسافة بضع مئات من الأمتار بسبب التردد العالي للناقل البصري. على الرغم من أن الموجات الضوئية في البيئة تحت الماء تواجه العديد من التحديات الشديدة بسبب امتصاصها في الماء أو تناثرها بسبب الجسيمات المعلقة أو بسبب التشتت الشديد الذي تسببه الشمس، لا تزال هناك أدلة كثيرة على الربط البصري عريض النطاق تحت الماء على نطاقات معتدلة (2).

 بالمقارنة مع المقاربة الصوتية و الراديوية، فإن الاتصالات اللاسلكية الضوئية تحت الماء لديها أعلى معدل بيانات الإرسال، وأقل تأخير للوصلة وأقل تكاليف التنفيذ. يمكن أن تحقق الاتصالات اللاسلكية الضوئية تحت الماء معدل بيانات من رتبة Gbps على مسافات معتدلة لعشرات الأمتار. ستضمن هذه الميزة عالية السرعة تحقيق العديد من التطبيقات في الوقت الآني مثل نقل الفيديو تحت الماء (3).

يلخص الجدول التالي الفوائد والقيود الخاصة بخيارات التقنيات الثلاثة الشائعة لتحقيق الاتصال تحت الماء.

الجدول1: مقارنة بين تقنيات الاتصال تحت الماء (3).

المصادر: