Joint vector sensor beam steering and passive time reversal for underwater acoustic communications

This paper investigates how to advantageously combine acoustic vector sensor field components for underwater communications. The joint vector sensor beam steering and passive time-reversal receiver structure is proposed and compared against beam steering and standard passive time-reversal separately. The beam steering method takes into account proper directions in order to benefit from highly correlated channels. On the other hand, passive time-reversal was weighted to avoid combinations of possible noisy channels. Performance of receiver structures are quantified using simulation and recorded data from a shallow-water field experiment. In this experiment, a four-element three-dimensional vector sensor array was tied to a drifting ship receiving coherent communication signals from a bottom-moored sound source. Analytical expressions and a numerical simulation based on the experimental acoustic scenario indicate a relationship between source-receiver ranges and the vector sensor channels correlation, providing an initial understanding of the suitability of each receiver structure. Then, using individual or combined vector sensors, such structures were tested with experimental data, where the range relationship hypothesis from the simulation was nearly confirmed. Error analysis shows that shorter ranges favor the beam steering, whereas channel diversity is mostly explored in longer ranges. Furthermore, the proposed joint method, designed for vector sensors, has achieved up to ten times less error than individual approaches, also showing the benefit of exploring beamforming and diversity together.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Vector sensors for underwater : acoustic communications

Acoustic vector sensors measure acoustic pressure and directional components separately. A claimed advantage of vector sensors over pressure-only arrays is the directional information in a collocated device, making it an attractive option for size-restricted applications. The employment of vector sensors as a receiver for underwater communications is relatively new, where the inherent directionality, usually related to particle velocity, is used for signal-to-noise gain and intersymbol interference mitigation. The fundamental question is how to use vector sensor directional components to bene t communications, which this work seeks to answer and to which it contributes by performing: analysis of acoustic pressure and particle velocity components; comparison of vector sensor receiver structures exploring beamforming and diversity; quanti cation of adapted receiver structures in distinct acoustic scenarios and using di erent types of vector sensors. Analytic expressions are shown for pressure and particle velocity channels, revealing extreme cases of correlation between vector sensors' components. Based on the correlation hypothesis, receiver structures are tested with simulated and experimental data. In a rst approach, called vector sensor passive time-reversal, we take advantage of the channel diversity provided by the inherent directivity of vector sensors' components. In a second approach named vector sensor beam steering, pressure and particle velocity components are combined, resulting in a steered beam for a speci c direction. At last, a joint beam steering and passive time-reversal is proposed, adapted for vector sensors. Tested with two distinct experimental datasets, where vector sensors are either positioned on the bottom or tied to a vessel, a broad performance comparison shows the potential of each receiver structure. Analysis of results suggests that the beam steering structure is preferable for shorter source-receiver ranges, whereas the passive time-reversal is preferable for longer ranges. Results show that the joint beam steering and passive time-reversal is the best option to reduce communication error with robustness along the range.Sensores vetoriais acústicos (em inglês, acoustic vector sensors) são dispositivos que medem, alem da pressão acústica, a velocidade de partícula. Esta ultima, é uma medida que se refere a um eixo, portando, esta associada a uma direção. Ao combinar pressão acústica com componentes de velocidade de partícula pode-se estimar a direção de uma fonte sonora utilizando apenas um sensor vetorial. Na realidade, \um" sensor vetorial é composto de um sensor de pressão (hidrofone) e um ou mais sensores que medem componentes da velocidade de partícula. Como podemos notar, o aspecto inovador está na medição da velocidade de partícula, dado que os hidrofones já são conhecidos.(...)This PhD thesis was supported by the Brazilian Navy Postgraduate Study Abroad Program Port. 227/MB-14/08/2019

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

Implementation Adaptive Decision Feedback Equalizer for Time-Reversal Communication in Shallow Water Environment

Underwater wireless communications are growing very fast along with human needs for applications such as defense, state security, underwater control and monitoring systems. Until now, an acoustic signal is a practical way to achieve long distance communication in the ocean. However, the underwater acoustic channel faces many challenges including limited available bandwidth, long delays, time-variability, and Doppler-spread. These challenges can reduce the reliability of the communication system and the achievement of high data-rate becomes a challenge. Adaptive decision feedback equalization is a method to compensate for the distortion of information signals on the underwater acoustic channel. On the other hand, time reversal is an effective method of overcoming intersymbol interference (ISI) problems which is the effect of multipath phenomena in underwater channels. Spatial focusing on time reversal can reduce the co-existing system disturbances and its temporal focusing makes the received power concentrated within a few taps so that the equalizer design work becomes much simpler. The temporal focusing can also increase the transmission rate. This paper shows that the combination of time reversal and adaptive DFE (TR-DFE) has superior performance than TR and DFE itself. By modifying the step-size parameters in the adaptive DFE, the TR-DFE level of convergence and performance can be improved. The geometry-based modeling which is used proves that distance and multipath variation greatly affect the quality of time reversal communication on the underwater acoustic channel

Experimental Assessment of Different Receiver Structures for Underwater Acoustic Communications over Multipath Channels

Underwater communication channels are often complicated, and in particular multipath propagation may cause intersymbol interference (ISI). This paper addresses how to remove ISI, and evaluates the performance of three different receiver structures and their implementations. Using real data collected in a high-frequency (10–14 kHz) field experiment, the receiver structures are evaluated by off-line data processing. The three structures are multichannel decision feedback equalizer (DFE), passive time reversal receiver (passive-phase conjugation (PPC) with a single channel DFE), and the joint PPC with multichannel DFE. In sparse channels, dominant arrivals represent the channel information, and the matching pursuit (MP) algorithm which exploits the channel sparseness has been investigated for PPC processing. In the assessment, it is found that: (1) it is advantageous to obtain spatial gain using the adaptive multichannel combining scheme; and (2) the MP algorithm improves the performance of communications using PPC processing

Multi-node processing for asymmetrical communications in underwater acoustic networks

Underwater acoustic communication networks have attracted attention for its applications in many areas such as mine warfare, rapid environmental assessment or search and rescue, where there is the need for conserted action of a group of observers/actuators. A common requirement in most of these applications is the need to make accessible to the global (terrestrial/aerial) user network large amounts of critical underwater collected data. This paper addresses this requirement by using multichannel nodes providing an asymmetrical point-topoint (P2P) connection where the upload link has a much higher data rate than the download link. The emphasis of this work is not so much on the final channel throughput but on establishing the optimal processing of spatially distributed multichannel nodes that serve as interface between the underwater nodes and the global/user network. The adopted strategy relies on passive time-reversal which can be viewed as a spatial pre-equalizer for each multichannel node. Then an intersymbol interference optimal combination of various nodes is divised for balancing poor communications of one or more nodes in the network. The method and techniques are theoretically derived and applied to real data acquired with a network of 2 surface buoys over an environmentally challenging area off the coast of Portugal in July 2007.FC