Through-Ice Acoustic Source Tracking Using Vision Transformers with Ordinal Classification

Ice environments pose challenges for conventional underwater acoustic localization techniques due to theirmultipath and non-linear nature. In this paper, we compare different deep learning networks, such as Transformers, Convolutional Neural Networks (CNNs), Long Short-Term Memory (LSTM) networks, and Vision Transformers (ViTs), for passive localization and tracking of single moving, on-ice acoustic sources using two underwater acoustic vector sensors. We incorporate ordinal classification as a localization approach and compare the results with other standard methods. We conduct experiments passively recording the acoustic signature of an anthropogenic source on the ice and analyze these data. The results demonstrate that Vision Transformers are a strong contender for tracking moving acoustic sources on ice. Additionally, we show that classification as a localization technique can outperform regression for networks more suited for classification, such as the CNN and ViTs

Underwater communication via particle velocity channels : principles, channel models, and system design

A vector sensor is capable of measuring important non-scalar components of the acoustic field such as the particle velocity, which cannot be obtained by a single scalar pressure sensor. In the past few decades, extensive research has been conducted on the theory and design of vector sensors. On the other hand, underwater acoustic communication systems have been relying on scalar sensors only, which measure the pressure of the acoustic field. By taking advantage of the vector components of the acoustic field, such as the particle velocity, the vector sensor can be used for detecting the transmitted data. In this dissertation, the concept of data detection and equalization in underwater particle velocity channels using acoustic vector sensors was developed. System equations for such a receiver were derived and channel equalization using these sensors was formulated. A multiuser system using vector sensors and space time block codes was also developed, which does not use spreading codes and bandwidth expansion. This is particularly important in bandlimited underwater channels. With regard to channel models for particle velocity channels, characterization of particle velocity channels and their impact on vector sensor communication systems performance were therefore of interest. In multipath channels such as shallow waters, a vector sensor receives the signal through several paths and each path has a different delay (travel time). Motion of the transmitter or receiver in a multipath channel introduces different Doppler shifts as well. Those introduce different levels of correlation in an array of vector sensors. Therefore, in this dissertation, a statistical framework for mathematical characterization of different types of correlations in acoustic vector sensor arrays was developed. Exact and closed-form approximation correlation expressions were derived which related signal correlations to some key channel parameters such as mean angle of arrivals and angle spreads. Using these expressions, the correlations between the pressure and velocity channels of the sensors could be calculated, in terms of element spacing, frequency and time separation. The derived closed-form parametric expressions for the signal correlations can serve as useful tools to estimate some important physical parameters as well. Knowledge of the delay and Doppler spreads in acoustic particle velocity channel is also important for efficient design of underwater vector sensor communication system. In this dissertation, these channel spreads were characterized using the zero crossing rates of channel responses in frequency and time domain. Useful expressions for delay and Doppler spreads were derived in terms of the key channel parameters, mean angle of arrivals and angle spreads. These results are needed for design and performance predication of communication systems in time-varying and frequency-selective underwater particle velocity channels

Analysis of MAC Strategies for Underwater Acoustic Networks

En esta tesis presentamos los protocolos MAC diseñados para redes acústicas subacuáticas, clasificándolos en amplias categorías, proporcionando técnicas de medición de rendimiento y análisis comparativo para seleccionar el mejor algoritmo MAC para aplicaciones específicas. Floor Acquisition Multiple Access (FAMA) es un protocolo MAC que se propuso para redes acústicas submarinas como medio para resolver los problemas de terminales ocultos y expuestos. Una versión modificada, Slotted FAMA, tenía como objetivo proporcionar ahorros de energía mediante el uso de ranuras de tiempo, eliminando así la necesidad de paquetes de control excesivamente largos en FAMA. Sin embargo, se ha observado que, debido al alto retraso de propagación en estas redes, el coste de perder un ACK es muy alto y tiene un impacto significativo en el rendimiento. Los mecanismos MultiACK y EarlyACK han sido analizados para el protocolo MACA, para mejorar su eficiencia. El mecanismo MultiACK aumenta la probabilidad de recibir al menos un paquete ACK al responder con un tren de paquetes ACK, mientras que el mecanismo EarlyACK evita la repetición de todo el ciclo de contención y transmisión de datos RTS / CTS enviando un ACK temprano. En esta investigación se presenta un análisis matemático de las dos variantes, los mecanismos MultiACK y EarlyACK, en Slotted FAMA. La investigación incluye las expresiones analíticas modificadas así como los resultados numéricos. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando ns-3. Los resultados han sido probados y validados utilizando Excel y MATLAB. La evaluación del rendimiento de S-FAMA con dos variantes mostró un factor de mejora del 65,05% en la probabilidad de recibir un ACK correctamente utilizando el mecanismo MultiACK y del 60,58% en la prevención de la repetición del ciclo completo, con EarlyACK. El impacto de este factor de mejora en el retardo, el tamaño del paquete de datos y el rendimiento también se analiza. La energía de transmisión desperdiciada y consumida en los mecanismos MultiACK y EarlyACK se analizan y comparan con S-FAMA. El rendimiento se ha evaluado, alcanzando una mejora en ambos casos, en comparación con S-FAMA. Estos mecanismos tendrán una utilidad práctica en caso de pérdida de ACK, al ahorrar energía y tiempo en períodos críticos. Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 28 septiembre 2018.Esta tesis presenta una investigación sobre los protocolos MAC utilizados en la comunicación subacuática para explorar el mundo submarino. Los protocolos MAC ayudan en el acceso al medio compartido y la recopilación de datos de los océanos, para monitorizar el clima y la contaminación, la prevención de catástrofes, la navegación asistida, la vigilancia estratégica y la exploración de los recursos minerales. Esta investigación beneficiará a sectores como las industrias militares, de petróleo y gas, pesquerías, compañías de instrumentación subacuática, organismos de investigación, etc. El protocolo MAC afecta la vida útil de las redes inalámbricas de sensores. La eficiencia energética de las redes acústicas submarinas se ve gravemente afectada por las propiedades típicas de la propagación de las ondas acústicas. Los largos retrasos de propagación y las colisiones de paquetes de datos dificultan la transmisión de los paquetes de datos, que contienen información útil para que los usuarios realicen tareas de supervisión colectivas. El objetivo de este estudio es proponer nuevos mecanismos para protocolos MAC diseñados para funcionar en redes acústicas submarinas, con el propósito de mejorar su rendimiento. Para alcanzar ese objetivo es necesario realizar un análisis comparativo de los protocolos existentes. Lo que además sienta un procedimiento metodológicamente correcto para realizar esa comparación. Como la comunicación subacuática depende de ondas acústicas, en el diseño de los protocolos de MAC submarinos surgen varios desafíos como latencia prolongada, ancho de banda limitado, largas demoras en la propagación, grandes tasas de error de bit, pérdidas momentáneas en las conexiones, severo efecto multicamino y desvanecimientos. Los protocolos MAC terrestres, si se implementan directamente, funcionarán de manera ineficiente