Application of Incoherent Multi-Frequency Signals for Information Transmission in a Nonstationary Hydroacoustic Environment

A. Yu. Rodionov; Родионов А. Ю.; L. G. Statsenko; Стаценко Л. Г.; D. A. Kuzin; Кузин Д. А.; M. M. Smirnova; Смирнова М. М.

doi:10.31857/S0320791923600208

Application of Incoherent Multi-Frequency Signals for Information Transmission in a Nonstationary Hydroacoustic Environment

Authors: Rodionov A.Y.¹, Statsenko L.G.¹, Kuzin D.A.¹, Smirnova M.M.¹
Affiliations:
1. Far Eastern Federal University, 690922, Vladivostok, Russia
Issue: Vol 69, No 5 (2023)
Pages: 652-662
Section: ОБРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.
URL: https://journals.rcsi.science/0320-7919/article/view/134477
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791923600208
EDN: https://elibrary.ru/NEZIQH
ID: 134477

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

A class of digital incoherent methods of information transmission based on multi-frequency signals for mobile underwater complexes is presented, which does not require regular and accurate estimation of channel parameters and is a priori resistant to various types of interference in nonstationary hydroacoustic communication channels, and is oriented to solving communication and navigation problems for underwater robotic complexes. The limitation of spectral efficiency of such multi-frequency systems of information transmission by the value of 0.5 bits/s/Hz in various frequency ranges, nonstationary hydrological conditions, with achievement of the maximum range at acceptable levels of error probability during information decoding is shown. The operability of the proposed class of multi-frequency multiplexing methods was confirmed by numerical and in situ sea experiments on the shelf at distances from 2.5 to 7 km with the mutual drifting of ships and with sea waves of up to 3 points.

Keywords

multi-frequency signals, digital hydroacoustic communication, OFDM, nonstationary communication channels

References

Моргунов Ю.Н., Безответных В.В., Голов А.А., Буренин А.В., Лебедев М.С., Петров П.С. Экспериментальное и теоретическое исследование времен прихода и эффективных скоростей при дальнем распространении импульсных акустических сигналов вдоль кромки шельфа в мелком море // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 3. С. 291–297.
Петров П.С., Голов А.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Козицкий С.Б., Сорокин М.А., Моргунов Ю.Н. Экспериментальное исследование импульсной характеристики волновода Японского моря с использованием псевдослучайных последовательностей в приложении к навигации удаленных объектов // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 1. С. 20–33.
Автономные подводные роботы: системы и технологии: монография / Агеев М.Д. и др.; под общ. ред. Агеева М.Д. Рос. акад. наук, Дальневосточное отделение, Институт проблем морских технологий. М.: Наука, 2005. ISBN 5-02-033526-6. 398 с.
Андреев М.Я., Клюшин В.В., Охрименко С.Н., Рубанов И.Л., Яковлев В.А. Интегрированная система наблюдения для наводных кораблей // Морской сборник. 2006. № 8. С. 50–51.
Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Эффект Доплера в акустике неоднородной движущейся среды // Акуст. журн. 1988. Т. 34. № 4. С. 598–602.
Бурдинский И.Н., Карабанов И.В., Миронов А.С. Обработка фазоманипулированных шумоподобных сигналов гидроакустических систем с учетом эффекта Доплера // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2016. № 4(43). С. 13–22.
Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация. 2016. Т. 24. № 3. С. 115–130.
Корякин Ю.А., Лисс А.Р., Рыжиков А.В. Концепция создания систем обработки сигналов в гидроакустике на базе отечественной микроэлектроники // Морская радиоэлектроника. 2006. № 1(15). С. 30–33
van Walree P., Sangfelt E., Leus G. Multicarrier spread spectrum for covert acoustic communications // Oceans. 2008. V. 1–4. P. 264–271.
Proakis J.G., Stojanovic M., Catipovic J. Adaptive equalization algorithms for high rate underwater acoustic communications // Proc. IEEE Symp. Autonomous Underwater Vehicle Technology (AUV'94). 1994. P. 157–164.
Rodionov A.Y., Unru P.P., Kirianov A.V., Dubrovin F.S., Kulik S.Yu. Some algorithms for DSSS signal processing with time-shift keying for long-distance underwater communication // IEEE OES Int. Symp. Underwater Technology. 2017. P. 7890287. https://www.doi.org/10.1109/UT.2017.7890287
Preisig J. Acoustic propagation considerations for underwater acoustic communications network development // ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review. 2007. T. 11. № 4. C. 2–10.
van Walree P.A. Propagation and scattering effects in underwater acoustic communication channels // IEEE J. Ocean. Eng. 2013. V. 38. № 4. P. 614–631.
van Walree P., Otnes R., Jenserud T. Watermark: A realistic benchmark for underwater acoustic modems // IEEE Third Underwater Communications and Networking Conf. (UComms). 2016. P. 1–4.
van Walree P.A., Jenserud T., Smedsrud M. Adiscrete-time channel simulator driven by measured scattering functions // IEEE J. Sel. Areas Commun. 2008. V. 26. № 9. P. 1628–1637.
Otnes R., van Walree P.A., Jenserud T. Validation of replay-based underwater acoustic communication channel simulation // IEEE J. Ocean. Eng. 2013. V. 38. № 4. P. 689–700.
Socheleau F.-X., Laot C., Passerieux J.-M. Stochastic replay of non-WSSUS underwater acoustic communication channels recorded at sea // IEEE Trans. Sig. Proc. 2011. V. 59. № 10. P. 4838–4849.
Isukapalli Y., Song H.C., Hodgkiss W.S. Stochastic channel simulator based on local scattering function // JASA Express Lett. 2011. V. 130. № 4. P. EL200–EL205.
Socheleau F.-X., Laot C., Passerieux J.-P. Parametric replay-based simulation of underwater acoustic communication channels // IEEE J. Ocean. Eng. 2015. V. 40. № 4. P. 796–806.
Petrioli C., Petroccia R., Potter J.R., Spaccini D. The SUNSET framework for simulation, emulation and at-sea testing of underwater wireless sensor networks // Ad Hoc Networks. 2015. V. 34. P. 224–238.
van Walree P. Channel sounding for acoustic communications: Techniques and shallowwater examples // Forsvarets Forskningsinstitutt, FFI-rapport 2011/00007, 2011.
Hodgkiss W.S., Preisig J.C. Kauai Acomms MURI 2011 (KAM11) experiment // Proc. ECUA’12, Edinburgh, UK, July 2012. P. 993–1000.
Song H.C., Hodgkiss W.S. Efficient use of bandwidth for underwater acoustic communication (L) // J. Acoust. Soc. Am. 2013. V. 134. № 2. P. 905–908.
van Walree P.A., Otnes R. Ultrawideband underwater acoustic communication channels // IEEE J. Ocean. Eng. 2013. V. 38. № 4. P. 678–688. https://doi.org/10.1109/JOE.2013.2253391
Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. 2-е изд., испр. М.: Вильямс, 2004. 1104 с.
Kovylin A.A., Zlobin D.V., Rodionov A.Y. The analysis of RLE-blocks repetition frequency in the binary codes family with the best minmax criteria of autocorrelation function // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2013. T. 1. № 83. C. 99–103.
Berger C.R., Huang J., Moura J.M.F. Study of pilot overhead for iterative OFDM receivers on time-varying and sparse underwater acoustic channels // OCEANS'11 MTS/IEEE KONA. 2011. C. 1–8.
Bezotvetnykh V.V., Burenin A.V., Morgunov Y.N., Strobykin D.S. Specificities of applying pseudorandom sound signals to measuring impulse responses on the shelf of the Sea of Japan // Acoust. Phys. 2012. V. 58. № 1. P. 125–128.