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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
A novel uplink multiple access scheme based on TDS-FDMA
This contribution proposes a novel time-domain synchronous frequency division multiple access (TDS-FDMA) scheme to support multi-user uplink application. A unified frame structure for both single-carrier and multi-carrier transmissions and the corresponding low-complexity receiver design are derived. Compared with standard cyclic prefix based orthogonal frequency division multiple access systems, the proposed TDSFDMA scheme improves the spectral efficiency by about 5% to 10% as well as imposes a similarly low computational complexity, while obtaining a slightly better bit error rate performance over Rayleigh fading channels
Training Echo State Networks with Regularization through Dimensionality Reduction
In this paper we introduce a new framework to train an Echo State Network to
predict real valued time-series. The method consists in projecting the output
of the internal layer of the network on a space with lower dimensionality,
before training the output layer to learn the target task. Notably, we enforce
a regularization constraint that leads to better generalization capabilities.
We evaluate the performances of our approach on several benchmark tests, using
different techniques to train the readout of the network, achieving superior
predictive performance when using the proposed framework. Finally, we provide
an insight on the effectiveness of the implemented mechanics through a
visualization of the trajectory in the phase space and relying on the
methodologies of nonlinear time-series analysis. By applying our method on well
known chaotic systems, we provide evidence that the lower dimensional embedding
retains the dynamical properties of the underlying system better than the
full-dimensional internal states of the network
Channel Estimation for Two-Way Relay Networks in the Presence of Synchronization Errors
This paper investigates pilot-aided channel estimation for two-way relay
networks (TWRNs) in the presence of synchronization errors between the two
sources. The unpredictable synchronization error leads to time domain offset
and signal arriving order (SAO) ambiguity when two signals sent from two
sources are superimposed at the relay. A two-step channel estimation algorithm
is first proposed, in which the linear minimum mean-square-error (LMMSE)
estimator is used to obtain initial channel estimates based on pilot symbols
and a linear minimum error probability (LMEP) estimator is then developed to
update these estimates. Optimal training sequences and power allocation at the
relay are designed to further improve the performance for LMMSE based initial
channel estimation. To tackle the SAO ambiguity problem, the generalized
likelihood ratio testing (GLRT) method is applied and an upper bound on the SAO
detection error probability is derived. By using the SAO information, a scaled
LMEP estimation algorithm is proposed to compensate the performance degradation
caused by SAO detection error. Simulation results show that the proposed
estimation algorithms can effectively mitigate the negative effects caused by
asynchronous transmissions in TWRNs, thus significantly outperforming the
existing channel estimation algorithms.Comment: 14 pages, 9 figure
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