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Underwater Wireless Sensor Networks: How Do Acoustic Propagation Models Impact the Performance of Higher-Level Protocols?
Several Medium Access Control (MAC) and routing protocols have been developed in the last years for Underwater Wireless Sensor Networks (UWSNs). One of the main difficulties to compare and validate the performance of different proposals is the lack of a common standard to model the acoustic propagation in the underwater environment. In this paper we analyze the evolution of underwater acoustic prediction models from a simple approach to more detailed and accurate models. Then, different high layer network protocols are tested with different acoustic propagation models in order to determine the influence of environmental parameters on the obtained results. After several experiments, we can conclude that higher-level protocols are sensitive to both: (a) physical layer parameters related to the network scenario and (b) the acoustic propagation model. Conditions like ocean surface activity, scenario location, bathymetry or floor sediment composition, may change the signal propagation behavior. So, when designing network architectures for UWSNs, the role of the physical layer should be seriously taken into account in order to assert that the obtained simulation results will be close to the ones obtained in real network scenarios
Underwater noise propagation models and its application in renewable energy parks: WaveRoller Case Study
In the light of global warming, large-scale transition to renewable power sources is a worldwide challenge, playing wind power a significant role. Sea wave energy is being increasingly regarded in many countries as a major and promising resource but, like all forms of energy conversion, it will inevitably have an impact on the marine environment.
WaveRoller, a Wave Energy Conversion Device, is installed in front of Almagreira beach, on the west coast of Portugal. The purpose of this thesis is to study and quantify the underwater radiated noise from this device using an underwater acoustic model in order to estimate potential effects it may have in the marine environment. The model used to run the data will be MIKE Zero – Underwater Acoustic Simulator by DHI .
In the study site only cetacean species are expected to occur. Results showed that behavioural responses might be expected for low and mid-frequency cetaceans if they swim close to the device. Also, the device shouldn’t be installed in an area in which a population of cetaceans exists in a 28m ray. For these individuals, injury can be assumed if SEL (Sound Exposure Level) is higher than 215 dB re 1μPa2.s, for non-pulse sounds. Results showed the calculated maximum SEL of the Waveroller sound is 150 dB re 1μPa2.s and therefore no injury is expected.
MIKE Zero – Underwater Acoustic Simulator is a powerful tool to test any device that produces underwater noise and offers the possibility to create Surface Sound maps of results by using MIKEXYZ Converter tool
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
Development and Applications of The Expanded Equivalent Fluid Method
Ocean acoustics is the study of sound in the oceans. Electromagnetic waves attenuate rapidly in the water medium. Sound is the best means to transmit information underwater. Computational numerical simulations play an important role in ocean acoustics. Simulations of acoustic propagation in the oceans are challenging due to the complexities involved in the ocean environment. Different methods have been developed to simulate underwater sound propagation. The Parabolic-Equation (PE) method is the best choice in several ocean acoustic problems. In shallow water acoustic experiments, sound loses some of its energy when it interacts with the bottom. An equivalent fluid technique was developed by Zhang and Tindle (ZT) to model sound propagation which is affected by shear in the sea bottom. The reflection coefficient of a soft solid seabed with a low shear speed can be well approximated by replacing the seafloor with a Complex-Density (CD) equivalent fluid of suitably chosen parameters. This is called an equivalent fluid approximation. The ZT method works well in cases where low grazing angles are relevant. This technique was expanded to also perform well in cases where higher grazing angle intervals are relevant. This method is called the Expanded Equivalent Fluid (EEF) method. The EEF method gives an effective CD, r0 = r0r +ir0 i , and an effective sound speed in the bottom, c0 p, when a set of bottom parameters (density r, sound speed in the bottom cp, and shear speed cs) are given as input. The performance of the EEF method has been investigated in several different ocean acoustic environments. Far-field simulations for an array of airgun sources were performed using the CD equivalent fluid parameters. Another application of the EEF method in the geoacoustic inversion process to find an estimate of the elastic bottom parameters of the seafloor was explored. PE broadband simulations were performed to model shear-affected, bottom-interacting sound
Research and experimental verification on low-frequency long-range sound propagation characteristics under ice-covered and range-dependent marine environment in the Arctic
At present, research on sound propagation under the Arctic ice mainly focuses
on modeling and experimental verification of sound propagation under sea ice
cover and unique sound velocity profiles. Among them, the main research object
of concern is sound transmission loss, and this article will delve into the
time-domain waveform and fine dispersion structure of low-frequency broadband
acoustic signals. Firstly, based on the theory of normal modes, this article
derives the horizontal wavenumber expression and warping transformation
operator for refractive normal modes in the Arctic deep-sea environment.
Subsequently, based on measured ocean environmental parameters and sound field
simulation calculations, this article studied the general laws of low-frequency
long-range sound propagation signals in the Arctic deep-sea environment, and
elucidated the impact mechanism of environmental factors such as seabed terrain
changes, horizontal changes in sound velocity profiles (SSPs), and sea ice
cover on low-frequency long-range sound propagation in the Arctic. This article
validates the above research viewpoint through a sound propagation experiment
conducted in the Arctic with a propagation distance exceeding 1000km. The
marine environment of this experiment has obvious horizontal variation
characteristics. At the same time, this article takes the lead in utilizing the
warping transformation of refractive normal waves in the Arctic waters to
achieve single hydrophone based separation of normal waves and extraction of
dispersion structures, which is conducive to future research on underwater
sound source localization and environmental parameter inversion based on
dispersion structures.Comment: 46 pages, 35 figure
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