Model-Driven Based Deep Unfolding Equalizer for Underwater Acoustic OFDM Communications

It is challenging to design an equalizer for the complex time-frequency doubly-selective channel. In this paper, we employ the deep unfolding approach to establish an equalizer for the underwater acoustic (UWA) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system, namely UDNet. Each layer of UDNet is designed according to the classical minimum mean square error (MMSE) equalizer. Moreover, we consider the QPSK equalization as a four-classification task and adopt minimum Kullback-Leibler (KL) to achieve a smaller symbol error rate (SER) with the one-hot coding instead of the MMSE criterion. In addition, we introduce a sliding structure based on the banded approximation of the channel matrix to reduce the network size and aid UDNet to perform well for different-length signals without changing the network structure. Furthermore, we apply the measured at-sea doubly-selective UWA channel and offshore background noise to evaluate the proposed equalizer. Experimental results show that the proposed UDNet performs better with low computational complexity. Concretely, the SER of UDNet is nearly an order of magnitude lower than that of MMSE

Coded-GFDM for Reliable Communication in Underwater Acoustic Channels

The performance of the coded generalized frequency division multiplexing (GFDM) transceiver has been evaluated in a shallow underwater acoustic channel (UAC). Acoustic transmission is the scheme of choice for communication in UAC since radio waves suffer from absorption and light waves scatter. Although orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has found its ground for multicarrier acoustic underwater communication, it suffers from high peak to average power ratio (PAPR) and out of band (OOB) emissions. We propose a coded-GFDM based multicarrier system since GFDM has a higher spectral efficiency compared to a traditional OFDM system. In doing so, we assess two block codes, namely Bose, Chaudari, and Hocquenghem (BCH) codes, Reed-Solomon (RS) codes, and several convolutional codes. We present the error performances of these codes when used with GFDM. Furthermore, we evaluate the performance of the proposed system using two equalizers: Matched Filter (MF) and Zero-Forcing (ZF). Simulation results show that among the various block coding schemes that we tested, BCH (31,6) and RS (15,3) give the best error performance. Among the convolutional codes that we tested, rate 1/4 convolutional codes give the best performance. However, the performance of BCH and RS codes is much better than the convolutional codes. Moreover, the performance of the ZF equalizer is marginally better than the MF equalizer. In conclusion, using the channel coding schemes with GFDM improves error performance manifolds thereby increasing the reliability of the GFDM system despite slightly higher complexity.This research was funded by a grant from the Spanish Ministry of Science and Innovation in the framework of the project “NAUTILUS: Swarms of underwater autonomous vehicles guided by artificial intelligence: its time has come” (PID2020-112502RB/AEI/10.13039/501100011033). The authors would like to thank the Deanship of Scientific Research at Umm Al-Qura University for supporting this work by Grant Code: (22UQU4300148DSR01). Partial funding for open access charge: Universidad de Málag

Low-complexity iterative receiver algorithms for multiple-input multiple-output underwater wireless communications

This dissertation proposes three low-complexity iterative receiver algorithms for multiple-input multiple-output (MIMO) underwater acoustic (UWA) communications. First is a bidirectional soft-decision feedback Turbo equalizer (Bi-SDFE) which harvests the time-reverse diversity in severe multipath MIMO channels. The Bi-SDFE outperforms the original soft-decision feedback Turbo equalizer (SDFE) while keeping its total computational complexity similar to that of the SDFE. Second, this dissertation proposes an efficient direct adaptation Turbo equalizer for MIMO UWA communications. Benefiting from the usage of soft-decision reference symbols for parameter adaptation as well as the iterative processing inside the adaptive equalizer, the proposed algorithm is efficient in four aspects: robust performance in tough channels, high spectral efficiency with short training overhead, time efficient with fast convergence and low complexity in hardware implementation. Third, a frequency-domain soft-decision block iterative equalizer combined with iterative channel estimation is proposed for the uncoded single carrier MIMO systems with high data efficiency. All the three new algorithms are evaluated by data recorded in real world ocean experiment or pool experiment. Finally, this dissertation also compares several Turbo equalizers in single-input single-output (SISO) UWA channels. Experimental results show that the channel estimation based Turbo equalizers are robust in SISO underwater transmission under harsh channel conditions --Abstract, page iv

Underwater Acoustic MIMO OFDM: An experimental analysis

Projecte fet en col.laboració amb Massachusetts Institute of TechnologyResearch e orts over the past several years have provided ample proof that orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) represents a viable alternative to single-carrier modulation which has traditionally been used for high rate communications over underwater acoustic channels. The main attraction of OFDM lies in its simplicity of implementation via FFT modulation/demodulation, which makes it a candidate for implementation in the next generation of acoustic modems

Underwater acoustic communication under doppler effects

In this thesis we perform a research survey of the three available technologies for wireless underwater communications. We discuss the main features and drawbacks inherent to acoustic, RF, and optical communications. We focus our research on underwater acoustic communications, and we analyze and evaluate the channel frequency response of Arraial do Cabo using data acquired in situ. We further investigate the Doppler effect, a phenomenon that is inherent to underwater acoustic channels. We analyze and justify a compensation algorithm to mitigate the Doppler effects. We propose a simplified algorithm version for minimizing the required number of pilot symbols. We also develop a simple strategy to determine how often our proposed compensation method should be retrained. Our main contribution is the proposal of a new receiver design to deal with Doppler effects. We present the idea of iteratively adapt the correlator filter placed at the receiver side. We show that the adaptation of this filter’s support reduces the inter-symbol interference of the estimated symbols. Besides this idea, we demonstrate that the time-dependent phase-shift component of the received signal should be removed beforehand. That is, we propose a modification in the signal processing sequence blocks for improving the symbol estimation. For testing and comparing this new receiver design, we implement a communication model encompassing physical layer aspects. We perform several numerical simulations for single-carrier and multicarrier systems. Simulation results show that our proposal might provide a reduction in the bit error rate for high signal-to-noise ratios. This performance improvement can be observed for all tested relative movement, and even with dense digital signal constellation.Nesta tese foi realizada uma pesquisa extensa sobre as tecnologias existentes para comunicação sem fio subaquática. Foram analisadas as principais características das comunicações acústicas, RF e ótica. O estudo foi aprofundado na comunicação acústica, e foi realizada uma análise da resposta em frequência do canal de Arraial do Cabo com dados adquiridos no local. O efeito Doppler, um fenômeno inerente aos canais subaquáticos acústicos, foi investigado de forma minuciosa. Dentre as técnicas estudas para compensação deste efeito, foi escolhido um algoritmo adaptativo, o qual foi re-analisado com uma nova abordagem. Uma versão simplificada deste algoritmo foi proposta para reduzir a quantidade de símbolos pilotos. Foi também desenvolvida uma estratégia para determinar a frequência de treinamento deste novo algoritmo. A principal contribuição da tese é a proposta de uma nova estrutura de receptor para compensar o efeito Doppler. Nesta estrutura, é proposta a adaptação de forma iterativa do filtro correlator. A adaptação do suporte temporal deste filtro reduz a interferência inter-simbólica. Além desta ideia, foi demonstrado que a componente de fase do sinal recebido, que é dependente do tempo, deve ser removida em um estágio anterior ao usual. Ou seja, foi proposta uma modificação na sequência do processamento do sinal recebido para melhorar a sua estimativa. Para testar esta nova estrutura do receptor, foi implementado um sistema de comunicação. Foram realizadas simulações numéricas com sistemas de uma única e de múltiplas portadoras. Os resultados das simulações mostram que a nova estrutura pode reduzir a quantidade de erros de bits para altos valores de razão sinal-ruído. A melhora do desempenho pode ser observada em todas as velocidades relativas testadas, e também para constelações densas

Time-domain equalization for underwater acoustic OFDM systems with insufficient cyclic prefix

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Physical layer network coding based communication systems in frequency selective channels

PhD ThesisThe demand for wireless communications is growing every day which requiresmore speed and bandwidth. In two way relay networks (TWRN), physical layer network coding (PLNC) was proposed to double the bandwidth. A TWRN is a system where two end users exchange data through a middle node called the relay. The two signals are allowed to be physically added before being broadcasted back to the end users. This system can work smoothly in flat fading channels, but can not be applied straightforward in frequency selective channels. In a multipath multi-tap FIR channel, the inter-symbol interference (ISI) spreads through several symbols. In this case, the symbols at the relay are not just an addition of the sent symbols but also some of the previous symbols from both sides. This not only causes a traditional PLNC to fail but also a simple one equalizer system will not solve the problem. Three main methods have been proposed by other researchers. The OFDM based PLNC is the simplest in terms of implementation and complexity but suffers from the disadvantages of the OFDMlike cyclic prefix overhead and frequency offset. The main disadvantage, however is the relatively low BER performance because it is restricted to linear equalizers in the PLNC system. Another approach is pre-filtering or pre-equalization. This method also has some disadvantages like complexity, sensitivity to channel variation and the need of a feedback channel for both end nodes. Finally, the maximum likelihood sequence detector was also proposed but is restricted to BPSK modulation and exponentially rising complexity are major drawbacks. The philosophy in this work is to avoid these disadvantages by using a time domain based system. The DFE is the equalizer of choice here because it provides a non-trivial BER performance improvement with very little increase in complexity. In this thesis, the problem of frequency selective channels in PLNC systems can be solved by properly adjusting the design of the system including the DFE. The other option is to redesign the equalizer to meet that goal. An AF DFE system is proposed in this work that provides very low complexity especially at the relay with little sensitivity to channel changes. A multi-antenna DNF DFE system is also proposed here with an improved performance. Finally, a new equalizer is designed for very low complexity and cost DNF approach with little sacrifice of BER performance. Matlab was used for the simulations with Monte Carlo method to verify the findings of this work through finding the BER performance of each system. This thesis opens the door for future improvement on the PLNC system. More research needs to be done like testing the proposed systems in real practical implementation and also the effect of adding channel coding to these systems.Iraqi Government, Ministry of Higher Educatio

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