Doppler compensation algorithms for DSP-based implementation of OFDM underwater acoustic communication systems

In recent years, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has gained considerable attention in the development of underwater communication (UWC) systems for civilian and military applications. However, the wideband nature of the communication links necessitate robust algorithms to combat the consequences of severe channel conditions such as frequency selectivity, ambient noise, severe multipath and Doppler Effect due to velocity change between the transmitter and receiver. This velocity perturbation comprises two scenarios; the first induces constant time scale expansion/compression or zero acceleration during the transmitted packet time, and the second is time varying Doppler-shift. The latter is an increasingly important area in autonomous underwater vehicle (AUV) applications. The aim of this thesis is to design a low complexity OFDM-based receiver structure for underwater communication that tackles the inherent Doppler effect and is applicable for developing real-time systems on a digital signal processor (DSP). The proposed structure presents a paradigm in modem design from previous generations of single carrier receivers employing computationally expensive equalizers. The thesis demonstrates the issues related to designing a practical OFDM system, such as channel coding and peak-to-average power ratio (PAPR). In channel coding, the proposed algorithms employ convolutional bit-interleaved coded modulation with iterative decoding (BICM-ID) to obtain a higher degree of protection against power fading caused by the channel. A novel receiver structure that combines an adaptive Doppler-shift correction and BICM-ID for multi-carrier systems is presented. In addition, the selective mapping (SLM) technique has been utilized for PAPR. Due to their time varying and frequency selective channel nature, the proposed systems are investigated via both laboratory simulations and experiments conducted in the North Sea off the UK’s North East coast. The results of the study show that the proposed systems outperform block-based Doppler-shift compensation and are capable of tracking the Doppler-shift at acceleration up to 1m /s2.EThOS - Electronic Theses Online ServiceIraqi Government's Ministry of Higher Education and Scientific ResearchGBUnited Kingdo

Low probability of detection underwater acoustic communications

Low probability of detection (LPD) underwater acoustic communications are an essential requirement for command and control of autonomous underwater vehicles (AUV) or submarines performing covert missions, avoiding their detection while communicating. Based on low power signals, these covert communications may also extend the autonomy of battery-operated AUVs, and contribute to reducing the impacts of the environmental noise level on marine life. The present thesis aims to develop LPD communications based on modeled and real data from three shallow water experiments. Thus, a superimposed training method has been proposed. A bitstream is created superimposing a long probe to the message before transmission. Computationally simple, the algorithm explores temporal diversity to increase the processing gain and uses a Wiener filter for equalization. Experimental results presented bit-error rates (BER) < 10−2 for signal-tonoise ratios (SNR) < −8 dB. To understand the effects of coastal upwelling phenomena over low SNR communications, a study compares the acoustic propagation for different sound speed profiles using a propagation model and analyzes data from the BioCom’19 experiment, performed off Cabo Frio Island (Brazil). Temporal and spatial coherence of low power signals propagating in this harsh environment are estimated, and both a criterion for multichannel combining and a double Wiener filter to improve equalization are presented. Passive time-reversal (pTR) techniques have been widely employed for communications. To address the pTR channel mismatch due to the environmental variability between the probe and the data transmissions, this work proposes a superimposed training pTR (STpTR) approach for single and multichannel systems. Despite the high noise levels, varying from -5 to +6 dB, the STpTR combined with a Wiener filter achieved BER < 10−2, for bit rates up to 220 bps. To improve covert communications for AUVs, this work also presents a study about vector sensor multichannel combining. Using the STpTR approach, results from an experiment on the coast of Algarve/Portugal indicate that combining the pressure and particle velocity channels of a vector sensor may provide an average SNR and mean squared-error gain of up to 9.4 and 3.1 dB, respectively, compared to the pressure channel. Therefore, a better understanding of the environment combined with the superimposed training pTR using a vector sensor may improve the LPD communication system’s performance and robustness while keeping covertness.No ´últimos anos, os trabalhos de investigação sobre comunicações acústicas submarinas com baixa probabilidade de deteção (BPD) tem sido incentivados pela indústria, pelos governos, e pela própria academia em razão de suas m´múltiplas aplicações. Na ´área militar, as comunicações BPD permitem que submarinos e veículos autónomos possam se comunicar sem serem detectados. Na ´área civil, permitem a economia de energia de sensores alimentados por baterias, aumentando o tempo de funcionamento, bem como contribui para reduzir os impactos sobre a vida marinha causados pelos altos n´ıveis de ru´ıdo submarino, entre outras aplica¸c˜oes. Neste contexto, esta tese pretende desenvolver comunica¸c˜oes BPD utilizando um modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica e dados obtidos a partir de trˆes experimentos em ´aguas rasas. Este trabalho apresenta um m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes submarinas em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, e demonstra sua aplica¸c˜ao para comunica¸c˜oes BPD. Computacionalmente simples, o m´etodo foi desenvolvido para funcionar com um ´único projetor acústico, transmitindo com baixa potência, e um hidrofone, sem o ganho de um arranjo de sensores distribuídos no espaço. Antes da transmissão, uma longa sequência de comprimento m´máximo ´e somada `a mensagem para efeitos de equalização e sincronismo. Os dois sinais são binários, modulados em fase e possuem 2047 bits. Porém, possuem amplitudes diferentes. Na realidade, a amplitude do sinal de treinamento ´e ligeiramente superior `a da mensagem. Em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, um sinal de treinamento mais forte permite ocultar a mensagem a ser transmitida, bem como melhorar o ganho para a estima¸c˜ao da resposta impulsiva e para a sincroniza¸c˜ao do sistema. A mensagem ´e composta por 3 bits nulos e 4 sequˆencias de 511 bits. Delimitados por uma curta sequˆencia de comprimento m´aximo de 31 bits, para dupla sincroniza¸c˜ao, os pacotes de dados possuem 480 bits e transportam o seguinte pangrama: (The Quick Brown Fox Jumps Over the Lazy Dog 0123456789!@#$). O m´etodo explora a diversidade temporal do canal, transmitindo a mesma sequˆencia diversas vezes para aumentar o ganho de processamento do sinal e implementar a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos sinais. A resposta impulsiva do canal ´e estimada pela transformada r´apida de Hadamard, e a equaliza¸c˜ao do sinal ´e feita por um filtro de Wiener. A remo¸c˜ao da interferˆencia causada pelo sinal de treinamento ´e realizada pelo m´etodo “hyperslice cancellation by coordinate zeroing (HCC0)”, e a seguir a mensagem ´e decodificada. Resultados obtidos a partir de um experimento em ´aguas rasas, utilizando uma fonte e um ´único hidrofone, apresentaram taxas de erro de bit menores que 10−2, para relações sinal/ruído inferiores a −8 dB. A ressurgência costeira ´e um fenómeno oceanográfico dinâmico que modifica, profundamente, a estratificação de temperatura do oceano, influenciando diretamente na propagação acústica. Por outro lado, os crescentes n´níveis de ruído antropogénico não apenas reduzem o desempenho dos sistema de comunicação, corrompendo a informação transmitida, mas tamb´em afetam a vida marinha. Para compreender os efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, um estudo analisa os dados do experimento BioCom’19, realizado nas proximidades da Ilha do Cabo Frio, Rio de Janeiro (Brasil). As respostas impulsivas do canal e a propaga¸c˜ao ac´ustica, para diferentes perfis de velocidade do som, foram estimadas usando o modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica “Monterey-Miami Parabolic Equation model (MMPE)”. Al´em disso, o desempenho do sistema de comunica¸c˜oes foi correlacionado com os perfis de temperatura durante o experimento. Os resultados obtidos indicam uma significativa redu¸c˜ao da energia ac´ustica nos receptores durante a ressurgˆencia, degradando o desempenho do sistema. A coerˆencia temporal e espacial dos sinais de baixa potˆencia transmitidos no experimento BioCom’19 foi estimada, e um crit´erio para combina¸c˜ao dos sinais, provenientes dos m´ultiplos hidrofones, foi proposto. Utilizando dados de um arranjo piramidal e um arranjo vertical linear, de 4 hidrofones cada, a coerˆencia foi estimada antes e depois do filtro de Wiener para mostrar o impacto do multicaminhamento sobre a taxa de erro de bit. Os resultados mostram que a coˆerencia temporal pode ser utilizada como crit´erio para combinar sinais consecutivos em um mesmo canal, enquanto a diversidade espacial permite a combina¸c˜ao de m´ultiplos canais do arranjo de sensores. Sequˆencias cuja coerˆencia temporal esteja acima de um limite pr´e-definido s˜ao somadas. A coerˆencia espacial entre canais foi estimada e comparada em termos da taxa de erro de bit. Para diferentes taxas de transmiss˜ao, as taxas de erro de bit est˜ao em concordˆancia com a evoluc˜ao da coerˆencia espacial. Quanto mais elevada a coerˆencia, melhor o desempenho e menor a taxa de erro de bit. Um duplo filtro de Wiener para melhorar a equaliza¸c˜ao dos sinais de baixa potˆencia, durante a ressurgˆencia, tambem foi proposto. Utilizando dados dos 4 hidrofones de um arranjo piramidal, as respostas impulsivas foram estimadas para observar a variabilidade das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao. Em uma condi¸c˜ao de perfil de temperatura isot´ermico, as respostas impulsivas apresentaram multicaminhamento curto, com chegadas mais fortes nos receptores. `A medida que a ressurgˆencia ocorria, foram observadas quedas abruptas de temperatura superiores a 10◦C, na posi¸c˜ao dos hidrofones, acarretando uma forte refra¸c˜ao da onda sonora para o fundo marinho. Em consequˆencia, sinais mais fracos foram observados nos hidrofones. Os resultados obtidos com dados do BioCom’19 mostram que, para uma rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo variando entre −3.9 e 7.3 dB, o duplo filtro de Wiener forneceu um ganho do erro m´edio quadr´atico de at´e 2.8 dB, comparado com o filtro de Wiener simples. As t´ecnicas de tempo reverso passivo (TRP) tem sido amplamente empregadas nas comunica¸c˜oes submarinas. Por´em, as r´apidas altera¸c˜oes das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao em canais submarinos variantes no tempo, durante as transmiss˜oes da sequˆencia de treinamento e da mensagem, degradam o desempenho das t´ecnicas TRP de equaliza¸c˜ao. Assim, esse trabalho prop˜oe um m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto, para sistemas com um ou m´ultiplos sensores. O m´etodo proposto utiliza uma sequˆencia de treinamento, com o efeito Doppler corrigido, para estimar o canal e realizar o TRP. O m´etodo compara 3 differentes estrat´egias para melhorar a performance do sistema de comunica¸c˜ao: a diversidade temporal devido aos sinais idˆenticos transmitidos continuamente, a diversidade espacial devido aos 2 arranjos de hidrofones, piramidal e linear, com 4 hidrofones cada um, al´em da combina¸c˜ao dos 2 arranjos (8 hidrofones). Neste m´etodo, a t´ecnica de TRP com treinamento superposto minimiza o multicaminhamento e realiza a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos diferentes canais. A interferˆencia intersimb´olica residual ´e removida pelo filtro de Wiener. Resultados obtidos com dados do experimento BioCom’19 mostram que o m´etodo proposto pode fornecer um ganho do erro médio quadrático de até 1.62 dB para canais independentes, e 3.13 dB, para canais combinados, comparativamente ao m´etodo sem o TRP, usando apenas o filtro de Wiener. Neste contexto, o m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto alcan¸cou taxas de erro de bit < 10−2 para uma rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, na banda de transmiss˜ao, variando entre −5 a +6 dB. Focado em comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao para pequenos ve´ıculos submarinos, este trabalho tamb´em apresenta um estudo sobre a combina¸c˜ao dos canais de press˜ao e velocidade de part´ıcula dos sensores vetoriais. Os sensores vetoriais possuem pequenas dimens˜oes, adequadas `a utilizac˜ao em ve´ıculos autˆonomos, e permitem obter um ganho de diversidade para as comunica¸c˜oes BPD. Para testar o m´etodo de treinamento superposto com o tempo reverso passivo utilizando sensores vetoriais, um experimento foi realizado, em ´aguas rasas, na costa do Algarve/Portugal. Para reduzir a rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo para uma faixa de 0 a −10 dB, foi adicionado ru´ıdo gravado no experimento. Os resultados experimentais indicam que a combina¸c˜ao dos canais podem fornecer um ganho da rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo e do erro m´edio quadr´atico de at´e 9.4 e 3.1 dB, respectivamente, comparados com os resultados do sensor de press˜ao. Portanto, as principais contribui¸c˜oes dessa tese s˜ao (i) a proposta do m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao, (ii) a compreens ˜ao dos efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes, e seus impactos sobre a coerˆencia temporal e espacial, (iii) o m´etodo de treinamento superposto em conjunto com o tempo reverso passivo para lidar com a varia¸c˜ao do canal entre o tempo de recep¸c˜ao do sinal de treinamento e da mensagem, e (iv) a combina¸c˜ao dos m´ultiplos canais dos sensores vetoriais para comunica¸c˜oes BPD. Dessa forma, uma melhor compreens˜ao do canal submarino e a utiliza¸c˜ao dos m´etodos propostos combinados com sensores do estado da arte, como os sensores vetoriais, se configura como um avan¸co neste campo do conhecimento, permitindo aumentar a robustez do sistema BPD, bem como reduzir a probabilidade de detec¸c˜ao, mantendo a ocultação das comunicações.I am also grateful for the sponsorship provided by the Brazilian Navy through the Postgraduate Study Abroad Program, Grant No. Port.227/MB/2019

Energy Efficiency in Communications and Networks

The topic of "Energy Efficiency in Communications and Networks" attracts growing attention due to economical and environmental reasons. The amount of power consumed by information and communication technologies (ICT) is rapidly increasing, as well as the energy bill of service providers. According to a number of studies, ICT alone is responsible for a percentage which varies from 2% to 10% of the world power consumption. Thus, driving rising cost and sustainability concerns about the energy footprint of the IT infrastructure. Energy-efficiency is an aspect that until recently was only considered for battery driven devices. Today we see energy-efficiency becoming a pervasive issue that will need to be considered in all technology areas from device technology to systems management. This book is seeking to provide a compilation of novel research contributions on hardware design, architectures, protocols and algorithms that will improve the energy efficiency of communication devices and networks and lead to a more energy proportional technology infrastructure

Development of an acoustic communication link for micro underwater vehicles

PhD ThesisIn recent years there has been an increasing trend towards the use of Micro Remotely Operated Vehicles (μROVs), such as the Videoray and Seabotix LBV products, for a range of subsea applications, including environmental monitoring, harbour security, military surveillance and offshore inspection. A major operational limitation is the umbilical cable, which is traditionally used to supply power and communications to the vehicle. This tether has often been found to significantly restrict the agility of the vehicle or in extreme cases, result in entanglement with subsea structures. This thesis addresses the challenges associated with developing a reliable full-duplex wireless communications link aimed at tetherless operation of a μROV. Previous research has demonstrated the ability to support highly compressed video transmissions over several kilometres through shallow water channels with large range-depth ratios. However, the physical constraints of these platforms paired with the system cost requirements pose significant additional challenges. Firstly, the physical size/weight of transducers for the LF (8-16kHz) and MF (16-32kHz) bands would significantly affect the dynamics of the vehicle measuring less than 0.5m long. Therefore, this thesis explores the challenges associated with moving the operating frequency up to around 50kHz centre, along with the opportunities for increased data rate and tracking due to higher bandwidth. The typical operating radius of μROVs is less than 200m, in water < 100m deep, which gives rise to multipath channels characterised by long timespread and relatively sparse arrivals. Hence, the system must be optimised for performance in these conditions. The hardware costs of large multi-element receiver arrays are prohibitive when compared to the cost of the μROV platform. Additionally, the physical size of such arrays complicates deployment from small surface vessels. Although some recent developments in iterative equalisation and decoding structures have enhanced the performance of single element receivers, they are not found to be adequate in such channels. This work explores the optimum cost/performance trade-off in a combination of a micro beamforming array using a Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding (BICM-ID) receiver structure. The highly dynamic nature of μROVs, with rapid acceleration/deceleration and complex thruster/wake effects, are also a significant challenge to reliable continuous communications. The thesis also explores how these effects can best be mitigated via advanced Doppler correction techniques, and adaptive coding and modulation via a simultaneous frequency multiplexed down link. In order to fully explore continuous adaptation of the transmitted signals, a real-time full-duplex communication system was constructed in hardware, utilising low cost components and a highly optimised PC based receiver structure. Rigorous testing, both in laboratory conditions and through extensive field trials, have enabled the author to explore the performance of the communication link on a vehicle carrying out typical operations and presenting a wide range of channel, noise, Doppler and transmission latency conditions. This has led to a comprehensive set of design recommendations for a reliable and cost effective link capable of continuous throughputs of >30 kbits/s

Journal of Telecommunications and Information Technology

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