62184 (Анализ гидроакустических сетей)

Задание

Исходные данные к проекту:

Тип сети – гидроакустическая широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания.

Количество узлов коммутации – несколько десятков.

Скорость передачи информации в гидроакустической сети - ?

Структура сети – не иерархическа.

Метод формирования таблиц маршрутизации – вероятностный, диффузный.

Метод формирования плана распределения информации – логически-игровой.

Виды служб – интерактивные.

Соединение – точка-точка.

Перечень графического материала:

Классификация методов маршрутизации.

Описание логически-игрового метода

Структураня схема маршрутизатора с использованием логически-игрового метода формирования плана распределения информации.

Аннотация

Данный дипломный проект посвящен разработке структурной схемы маршрутизатора, использующего логически-игровой метод фоормирования плана расрпеделения информации на гидроакустической широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания.

В разработке представлены общие сведения о гидроакустических сетях: топология сети, методы множественного доступа, маршрутизация в гидроакустических сетях и так далее.

Представлены общие принципы технологии АТМ. Описана общая структура маршрутизации и общая классификация методов маршрутизации, где описываются методы формирования плана распределения информации и выбор исходящей линии связи.

Предлагается алгоритм работы маршрутизатора и его структурная схема.

Представлено технико-экономическое обоснование проекта, и рассмотрены вопросы охраны труда и безопасности жизнедеятельности.

Содержание

Введение 5

1 Определения 7

1.1 Классификация существующих гидролокационных устройств 7

1.2 Шумы в гидроакустике 10

1.3 Воздействие природных явлений в гидроакустике 12

2 Подводные акустические сети 15

2.1 Гидроакустическая связь 17

2.3 Сетевая топология 18

2.4 Методы множественного доступа 19

2.5 Алгоритмы маршрутизации 20

2.6 Протоколы управления доступом 21

2.7 Методы запроса авто-повторений 23

2.8 Пример разработки: сеть SeaWeb 24

2.9 Цели эксперимента и подход 24

2.10 Инициализация и маршрутизация 26

2.11 Протокол доступа 27

3 Принципы технологии АТМ 28

4 Быстрая коммутация пакетов 35

5 Маршрутизация. Основные определения 39

5.1 Общая классификация методов маршрутизации 39

5.2 Формирование плана распределения информации 43

5.3 Выбор исходящей линии связи 52

6 Структурная схема маршрутизатора с использованием логически-игрового метода формирования плана распределения информации 54

6.1 Алгоритм работы маршрутизатора 54

7 Безопасность жизнедеятельности 59

7.1 Общий обзор вредных факторов 59

7.2 Требования к монитору 61

7.3 Правильная организация рабочего места 62

7.4 Рабочая среда 64

8 Расчет экономических показателей схемы маршрутизатора 71

8.1 Расчет себестоимости и цены схемы маршрутизатора 71

8.2 Оценка эффекта использования схемы маршрутизатора в ГА сетях связи 75

Приложение А 78

Приложение Б 79

Список используемой литературы 81

Введение

Явление гидроакустики (ГА) уже достаточно давно широко используется в различных областях жизнедеятельности человека. С помощью гидроакустики производится поиск движущихся подводных объектов, осуществляется управление движением судов, прогнозирование стихийных бедствий, извержений вулкана, цунами и многое другое.

Но, несмотря на востребованность данного явления, использовать его в большем масштабе было невозможно по многим причинам. Скорость распространения звуковой волны очень низка: например, скорость распространения звуковой волны в породах земной мантии 8 километров в секунду, в коре Земли – 3-4 километра в секунду, а в слоях осадочных пород, выстилающих дно океана всего 2 километра в секунду, то есть гораздо ниже скорости распространения звука в радиоканале [3]. Ранее использовался некогерентный прием ДЧМ, так как эти системы более эффективны для гидроакустики, но они делали невозможным достижение более высокой скорости передачи данных.

Развитие техники и технологии привело к появлению систем передачи данных узконаправленного действия с высокой скоростью передачи на дальние расстояния.

Стало возможным не только передавать информацию на дальние расстояния, но и разворачивать целые сети для передачи информации под водой с обеспечением связи с внешними сетями.

При использовании данных сетей связи, как и любых других, необходимо cоблюдение нескольких условий:

передача информации между узлами должна осуществляться без потерь;

необходимо обеспечить минимальную задержку при передаче данных;

оптимальное использование ресурсов сети.

Для гидроакустической сети связи очень важным параметром является также потребление энергии, так как иногда уменьшение энергетических затрат достигается путем более длительной передачи информации.

Одной из проблем, возникающих при передаче информации в гидроакустических сетях, является проблема маршрутизации.

Маршрутизация позволяет определить оптимальный по заданным параметрам маршрут (например, количество транзитных узлов коммутации (УК), время задержки в элементах сети связи при передаче информации между пользователями, надежность элементов сети и так далее) на сети связи между абонентскими пунктами (АП) пользователей либо узлами коммутации.[9].

Целью данного дипломного проектирования является разработка структурной схемы для гидроакустической сети связи с использованием наиболее подходящего из нижеописанных метода формирования плана распределения информации (ПРИ) и исходящей линии связи (ЛС).

1 Определения

1.1 Классификация существующих гидролокационных устройств

Гидролокация – это обнаружение, определение местоположения и установление физической природы объектов в море с использованием отражения, переизлучения или собственного отражения акустических волн, распространяющихся в водной среде [7]. Акустическая волна в данном случае – это полезный сигнал, с помощью которого передаются данные в гидроакустическом канале. Скорость передачи акустической волны на пять порядков ниже, чем скорость распространения радиоволн. При условии хорошего распространения звуковой волны дальность связи обеспечивается до 10 километров и более. Существуют приборы – лучеграфы, которые по значениям скорости звука на нескольких глубинах автоматически вычерчивают траекторию звуковых лучей, направленных под различными углами к горизонту.

Важным фактором распространения звуковой волны является гидростатическое давление – глубина, на которой распространяется звук. Звуковой канал залегает в океане на глубине нескольких сотен метров. Возможны приповерхностные и поверхностные каналы, а также каналы в осадочных породах, застилающих дно [3]. Существуют пассивные слои-фантомы морского дна – скопление морских организмов, обуславливающих появление звукорассеивающих полей.

Гидролокационным наблюдением называется обнаружение объектов, определение их местоположения и измерение параметров движения гидроакустическими методами. Устройства, выполняющие эти функции – гидролокационные системы (ГЛС).

В зависимости от того, как отражается гидроакустический полезный сигнал, различают следующие виды гидролокационного наблюдения.

Гидролокационные системы наблюдения, основанные на отражении от объектов звуковых сигналов, излучаемых генератором гидролокационной системы. Отраженный гидроакустический сигнал несет информацию о координатах, параметрах движения объекта и о его физических особенностях. Такие гидролокационные системы называются активными. Они позволяют обнаруживать объекты, не являющиеся источниками активных излучений.

Гидролокационные системы наблюдения, основанные на приеме сигналов собственного акустического излучения объектов. Это пассивные гидролокационные системы. К полезным сигналам пассивных систем можно отнести шумы механизмов и машин, гидродинамические шумы, излучения генераторов гидролокационных систем.

Гидролокационные системы наблюдения, основанные на ретрансляции – переизлучении сигналов генераторов активных гидролокационных систем специальными ретрансляторами, что широко используется в навигации [7].

Схема гидролокатора такова: мощный электрический генератор создает звуковые или ультразвуковые импульсы-посылки. После излучения импульса излучатель переключается на режим приема колебаний и с этого момента начинает принимать эхо, отраженное любыми подводными препятствиями. Звуковая мощность гидролокатора очень велика.

Шумопеленгатор (пассивный гидролокатор) для надводного корабля – это подводные “уши”, а для подводной лодки и “глаза”, так как на больших глубинах гидроакустическое ухо слышит дальше, чем видит телевизионный подводный глаз.

В качестве приемников шумопеленгаторов применяют пъезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи. В первом случае под воздействием звукового давления получаются электрические заряды, которые подаются на вход усилителя, а он в свою очередь увеличивает электрическое напряжение до необходимого значения. А в магнитострикционном приемнике происходит преобразование звуковой энергии в энергию электро-магнитного поля.

Эхолот от гидролокатора отличается направлением звукового луча, отсутствием устройств, указывающих пеленг на отражающий объект. Для больших глубин рабочая частота уменьшается, чтобы затухание звука не ослабилось до уровня помех. Эхолот используется в качестве поводыря на судне указывающего когда можно двигаться полным ходом, когда следует замедлить ход или остановиться.

С помощью ГЛС производится обнаружение рыбных косяков, ведется картографирование морского дна и поиск полезных ископаемых в прибрежных районах морей, решаются задачи навигации и гидроакустической океанографии, проводится сейсмографическое прогнозирование, подводное управление транспортными средствами. Например, управление движением судов производится при помощи цепочки звукопроводящих маяков, располагающихся на якорях на дне моря по средней линии обслуживаемой трассы движения судов.

В рыболовном промысле рыболокаторы могут определить местонахождение рыбных скоплений в горизонтальном, вертикальном или обоих направлениях.

В основу ГЛС положено постоянство скоростей распространения звуковых волн в воде и прямолинейность их распространения в однородной среде, что позволяет определять расстояние до объекта прямым или косвенным измерением времени прохождения волн от ГЛС до объекта и обратно.

Существует множество типов подводных звукоприемников – волоконно-оптические, конденсаторные (с применением некоторых диэлектриков – меняющих свои свойства под воздействием колебаний) и другие.

Чтобы получить более сильные сигналы используют не один приемник, а группы подводных приемников.

Данные от гидролокационного устройства поступают на донные станции, датчики гидроакустической сети связи. Сеть состоит из большого числа датчиков, которые могут быть неподвижными, или медленно передвигающихся. Суммарная информация гидроакустической сети состоит из океанических параметров: например солености воды, температуры, подводных потоков. На поверхности располагаются станции, которые служат как шлюзы, обеспечивающие радиосвязь с береговыми станциями. Пользователями таких сетей могут быть метеорологические станции, военные центры, добывающая и промысловая промышленность и другие. Осуществляется и обратная задача, например субмарина может обратиться к внешним системам и осуществить передачу сигнала подводной сети.

Подводные лодки получают современное гидроакустическое оборудование обнаружения и связи, приборы для обнаружения работы гидролокационных станций противника, приборы для прогнозирования погоды.

Также для военной и добывающей промышленности используется гидроакустический канал для приведения в действие различных подрывных устройств.

Особенностью таких сетей является низкая пропускная способность и высокое время ожидания из-за медленного распространения звука и высокого уровня шумов [12].

1.2 Шумы в гидроакустике

В качестве обязательного параметра любой гидролокационной системы вводится минимальное (пороговое) отношение сигнал/помеха, при котором обеспечиваются заданные количественные характеристики эффективности этой системы. Мешающие гидролокационному наблюдению сигналы обусловлены тепловыми шумами, кавитационными шумами, шумами моря, шумами судоходства, реверберационными шумами [3].

Тепловые шумы вызываются движением молекул воды. Получить информацию о начальном положении и скорости каждой молекулы невозможно, к тому же очень сложная система уравнений, описывающих движение молекул. Поэтому законы по описанию тепловых шумов рассматриваются как случайные пространственные процессы. Уровень тепловых шумов мал по сравнению с шумами другого происхождения и определяют минимальный уровень шумов моря.

Кавитационные шумы появляются при возникновении в воде областей пространства, в котором давление отлично от статического. Внутри крошечных полостей, возникающих в воде при кавитации, образуется разрежение. Внезапное уменьшение давления в этих полостях настолько велико, что в них немедленно проникает воздух, растворенный в воде, и водяной пар. В результате образуется воздушный пузырек, который через некоторое время захлопывается, это сопровождается выделением акустической энергии. Кавитационные шумы описываются методами математической статистики. Возникающие при движении судов или гидрофонов в воде, они характеризуются очень большой интенсивностью.

Шумы моря возникают при движении масс воды вследствие деятельности человека и при движении морских организмов в воде. Источники шума моря не поддаются детерминированному описанию. Интенсивность шумов моря меняется в зависимости от места, времени и гидрологических условий. Она сильно возрастает в мелководных, прибрежных районах и при волнениях, сопровождается обрушением волн.

Шумы судоходства – это возмущения, создаваемые при движении судов вообще. Интенсивность этих шумов мало меняется при изменении точки наблюдения, а статические характеристики сходны с характеристиками шумов моря.

Реверберационные шумы возникают при отражении части энергии излучаемого (зондирующего) сигнала активной гидролокационной системы от поверхности моря, морского дна, биологических объектов в воде, от неоднородностей морской среды. Характеристики отражений взволнованной пространственно-временной границы раздела вода-воздух, шероховатой, в общем случае, пространственной границы вода-дно моря и биологических объектов в воде заранее неизвестны и меняются случайно. Поэтому реверберационные шумы описываются методами математической статистики.

1.3 Воздействие природных явлений в гидроакустике