Как можно передать передачу по беспроводной сети со дна океана Европы на Землю?

Коммуникации и доступные скорости передачи данных сводятся к отношению сигнал-шум (SNR): мощность сигнала в пределах полосы пропускания приемника, деленная на мощность шума, которую приемник видит в этой полосе пропускания. Это верно независимо от того, является ли приемник электромагнитным (радио, лазерная связь и т. д.) или акустическим. Как только вы получите SNR выше порогового значения для установления соединения, чем выше SNR, тем выше скорость передачи данных, которую вы можете поддерживать.

Передача данных в канал связи осуществляется посредством модуляции , которая изменяет некоторые характеристики волны (амплитуда, частота, фаза и т. д.), которые может различить приемник. Различные схемы модуляции и схемы кодирования данных имеют разные пороги связи. Если вы пытаетесь общаться в среде, которая создает серьезные проблемы для SNR, вы, вероятно, будете использовать схему с низким порогом.

Хорошо, что бросает вызов SNR? В космической связи SNR обычно определяется как отношение Eb/No, где Eb — это общая энергия, поступающая в приемник на бит передаваемых данных, а No — это энергия шума, которую приемник видит во время приема этого бита. Оба из них могут иметь серьезные проблемы.

Если бы No было равно нулю, то связь была бы легкой при очень низкой мощности сигнала. Но Нет никогда не равно нулю; даже сам приемник и его антенна (акустическая система назвала бы ее преобразователем или «микрофоном») создают некоторый шум. В электромагнитных системах этот собственный шум обычно характеризуется температурой шума системы ." и в акустических системах есть эквиваленты. Конечно, окружающая среда тоже может генерировать шум. На Юпитере различные механизмы генерируют большое количество электромагнитных сигналов: молнии в атмосфере Юпитера, синхротронное излучение мощных радиационных поясов и т. д. Но все эти находятся на довольно высоких частотах по сравнению с низкими частотами, которые вы использовали бы для проникновения в соленую воду или сильно трещиноватый лед.Для таких систем электромагнитной связи шумовая среда на Европе, вероятно, неплохая.

Для акустических систем шумовая среда может быть очень плохой. Сильное приливное изгибание (также здесь) ледяного панциря может сделать окружающую среду чем-то вроде попытки слушать мягкие части «Грёз» Дебюсси, в то время как кто-то в той же комнате измельчает лёд в блендере! Трескающийся, подвижный лед может создать огромный шум. Но это в некоторой степени зависит от сейсмического стиля Европы: хрустит ли она и трещит почти непрерывно при относительно небольших, локальных событиях, или же она дает волю только изредка при крупных событиях? Мы не знаем. Первую очень сложно спроектировать, и она обычно приводит систему к высокой мощности, о которой я расскажу подробнее позже. Со вторым можно справиться, зная, что во время большого события связь будет прервана, а данные, отправленные во время такого события, могут быть повторно переданы после завершения события. Но поскольку мы не знаем сейсмического стиля Европы, мы не

Мощность принимаемого сигнала является другим важным фактором. Для акустических систем вода, независимо от того, соленая она или нет, является отличным проводником с малыми потерями. Взвешенные твердые частицы могут вызывать незначительное повышенное поглощение, но в океане Европы ожидается небольшое количество взвешенных веществ. Сплошной лед также является хорошим проводником. Сильно трещиноватый лед не так хорош, но для длинных волн это не является серьезной проблемой. Потери сигнала (поглощение или рассеяние энергии сигнала, поэтому интенсивность сигнала уменьшается) не должны быть плохими для акустических систем на Европе.

Для электромагнитных систем соленая вода представляет собой огромную проблему. Его электропроводность вызывает значительное поглощение электромагнитных волн, проходящих через него, больше для более высоких частот, чем для низких частот. Вот почему системы связи ВМФ для подводных лодок используют волны сверхнизкой частоты (ELF), которые обязательно обеспечивают очень низкую скорость передачи данных. И чем соленее вода, тем хуже поглощение сигнала. Поглощение характеризуется потерями в логарифмических единицах (таких как децибелы (дБ) для инженеров, оптическая глубина для ученых) на расстояние. Например, потеря в 3 дБ (коэффициент ~1/2) на км означает, что если сигнал, переданный от источника, полученный на расстоянии 1 км безлюбое поглощение имеет интенсивность х в приемнике, тогда при поглощении интенсивность будет х/2, т. е. в два раза меньше. Еще один км расстояния уменьшил бы интенсивность примерно до 1/4 (еще один коэффициент ~ 1/2) от значения без потерь и так далее. Если расстояние связи составляет много километров, то интенсивность сигнала снижается до крошечной доли значения без потерь. Вот почему различные типы систем связи используют ретрансляторы , станции, которые принимают сигнал от источника, а затем ретранслируют его с большей мощностью, чем полученный, на следующий ретранслятор или конечный приемник. Акустические «шайбы» будут использовать тот же подход.

При использовании ретрансляторов возникают проблемы с питанием. Система, использующая несколько повторителей, не может позволить себе иметь повторители массой 100 кг, большинство из которых представляют собой дорогие батареи (поскольку батареи должны работать при очень низких температурах), если они работают на высоких уровнях мощности. Ретрансляторы должны работать с низким энергопотреблением, чтобы поддерживать низкую массу своих батарей, а это означает, что расстояние от одного ретранслятора до другого должно быть относительно коротким, а это означает, что ретрансляторов должно быть много, так что мы по-прежнему сталкиваемся с массовым штрафом. . Кабель был бы намного легче, но смотрите ниже!

Треснувший лед также может быть препятствием для радиосигналов, но, как и в случае с акустическими сигналами, более низкие частоты уменьшают затухание сигнала. Учитывая, что на поверхности Европы есть неледяные компоненты (интерпретируемые как соли и, возможно, другие вещества), подповерхностный лед, вероятно, также содержит их, и они могут вызывать радиопоглощение.

Итак, что касается Eb/No, у акустики нет внутренней проблемы с Eb (из-за хороших характеристик проводимости акустических волн), но, вероятно, есть проблемы с большим No — хотя мы не уверены, потому что не знаем, каков сейсмический стиль Европы. У радио нет проблем с No, но есть серьезные проблемы с Eb из-за сильного поглощения сигнала в соленой воде и, возможно, в нечистом льду, ни один из которых не известен с достаточной точностью.

Кстати, с кабелем тоже есть свои проблемы: если лед очень подвижный (много активных разломов и трещин), то он легко может разорвать трос.

Эта дискуссия — используем ли мы радио, акустику или кабель? — продолжается в сообществе планетарных миссий без каких-либо убедительных выводов, что понятно, учитывая отсутствие данных о соответствующих условиях окружающей среды.

Недавно я был в команде, предлагающей эксперименты на Европе, и некоторые из членов команды решительно поддерживали акустический подход, с обоснованием, основанным на моделях того, что может сделать ледяная оболочка Европы. На мой взгляд, пока у нас нет фактических данных, аргументы, основанные на моделях поведения ледяных оболочек при температурах, далеких от нашего опыта с земными ледяными панцирями, могут также пытаться обосновать свои выводы словами: «Потому что футбольные мячи не отскакивают прямо». Лично я считаю, что нам нужно начать с простого посадочного модуля для измерения сейсмического стиля и ледовых условий, а затем отправить более сложный посадочный модуль с системой проникновения через лед для исследования недр.