To Relay or not to Relay: Open Distance and Optimal Deployment for Linear Underwater Acoustic Networks
现有的工作已经广泛地研究了一些特殊中继分布下的中继辅助水声网络，例如，等距和矩形网格。在本文中，我们研究了两个基本问题，在什么条件下中继应该部署和部署它，如果必要的能量和延迟性能的线性水声网络。为了解决这两个问题，我们首先精确地近似复杂的有效带宽和发射功率在对数域制定一个能量最小化问题。通过分析公式，我们发现了一个临界传输距离，定义为开放距离，并明确表明，中继不应该部署，如果传输距离小于开放距离，否则应该。最重要的是，我们推导出一个封闭的形式和易于计算的表达式的开放的距离，也严格证明了最佳的放置位置是在中间点的链路时，中继应该被引入。此外，虽然本文认为线性两跳中继网络作为第一步，我们推导的结果可以应用于构建节能和延迟友好的多跳网络。仿真结果验证了我们的理论分析，并表明，适当地引入中继可以显着降低网络的能量消耗几乎没有增加端到端的延迟。
2018-01-11 cs.IT math.IT
A new robust adaptive algorithm for underwater acoustic channel equalization
Bilkent University（比尔肯特大学）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
我们介绍了一种新的家庭的自适应鲁棒均衡器具有高度挑战性的水声（UWA）信道均衡。由于水下环境是高度非平稳的，并受到脉冲噪声，我们使用自适应滤波技术的基础上的相对对数成本函数的启发，从在线学习文献的竞争方法。为了提高传统线性均衡方法的收敛性能，同时减轻稳定性问题，我们本质上结合了成本函数中的误差的不同范数，使用对数函数。因此，我们实现了可比的收敛性能最小均值四分之一（LMF）均衡器，同时显着提高在这样一个不利的通信介质中的稳定性能。我们证明了我们的算法的性能，通过高度逼真的实验进行精确模拟的水声信道。
2015-12-19 cs.IT cs.LG cs.SD
Capacity Scaling Laws for Underwater Networks
水声信道的特征在于路径损耗，其不仅取决于传输距离，而且取决于信号频率。在距离$l$上从一个用户传输到另一个用户的信号经受$l^{-α}{a(f)}^{-l}$的功率损耗。虽然陆地无线电信道可以类似地建模，但是水下声学信道具有不同的特性。与传播的几何形状相关的扩频因子$α$具有在$1 \leq α\leq 2$范围内的值。吸收系数$a(f)$是频率的快速增加函数：它在100 kHz时比在几Hz时大三个数量级。无线网络容量的现有结果对应于$a(f) = 1$或大于1的常数和$α\geq 2$的情况。这些结果不能应用于水声网络中的衰减变化的系统带宽。我们使用注水参数来评估最小传输功率和最佳传输带宽作为链路距离和期望数据率的函数，并研究在此模型下的容量缩放定律。
2009-03-25 cs.IT math.IT
Adaptive and Efficient Nonlinear Channel Equalization for Underwater Acoustic Communication
Bilkent University（比尔肯特大学）；Massachusetts Institute of Technology (MIT)（麻省理工学院）
我们研究了水声（UWA）信道均衡，并介绍了分层和自适应非线性信道均衡算法，是高效的，并提供显着改善的比特出错率（BER）的性能。针对非线性均衡器复杂度高，线性均衡器性能差的问题，采用分段线性均衡器对水声信道进行均衡。然而，为了达到最佳分段线性模型的性能，我们使用树结构来分层划分接收信号的空间。此外，均衡算法应该是完全自适应的，因为由于水下介质的高度非平稳性质，最佳MSE均衡器以及最佳分段线性均衡器随时间变化。为此，我们引入了一个自适应分段线性均衡算法，不仅适应在每个区域的线性均衡器，但也学习了完整的层次结构与一个计算复杂性只有多项式的节点数的树。此外，我们的算法被构造成直接最小化最终的平方误差，而不引入任何ad-hoc参数。我们证明了我们的算法的性能，通过高度逼真的实验进行精确模拟的水声信道。
2016-01-06 cs.IT cs.LG cs.SD
Maximal Ratio Combining Diversity Analysis of Underwater Acoustic Communications Subject to $κ-μ$ Shadowed Fading Channels
针对$κ-μ$阴影衰落模型，给出了一种新的平均出错率（ABER）和平均信道容量（ACC）的统一解析表达式。这种新的阴影衰落模型已被证明是适合于水下无线信道建模的测量由海军研究实验室进行，并没有那么好地覆盖在公共文献。针对最大比合并（MRC）接收机，给出了接收机输出信噪比概率密度函数的一种新的简单解析表达式。在此基础上，推导出了新的统一的ABER和ACC表达式。为了进一步推广出错率分析，假设加性白广义高斯噪声模型对不同的噪声环境进行建模。新的统一表达式是准确的，简单和通用的，并适用于MRC分析在这种广义阴影衰落和噪声环境。数值技术和发表的技术文献的结果证实了我们的分析在不同的测试方案下的通用性和准确性。
2017-03-11 cs.IT math.IT
On the Capacity of the Underwater Acoustic Channel with Dominant Noise Sources
本文给出了在噪声源占主导地位的广义衰落环境下水声信道容量的一个上限。以往的工作表明，水声信道噪声统计不一定是高斯分布，特别是在浅水环境中，这是由脉冲噪声源为主。在这种情况下，噪声最好由具有成形参数$β$的广义高斯（GG）噪声模型表示。另一方面，通常使用$α$ - $μ$分布来表示UWA信道中的衰落，该分布是广泛范围的公知衰落分布的概括。我们发现，加性白广义高斯噪声（AWGGN）的信道容量的上界的AWGN容量除了一个恒定的间隙的$\frac{1}{2} \log \left(\frac{β^{2} πe^{1-\frac{2}β} Γ(\frac{3}β)}{2(Γ(\frac{1}β))^{3}} \right)$位。当表征具有$α$ - $μ$衰落的AWGGN信道的遍历容量时，与衰落的AWGN信道容量相比，也存在相同的差距。我们证明我们的结果通过重新访问的球包装问题，这代表了几何interpertation的信道容量。此外，水下航行器信道保密率的特点和水下航行器信道保密的合法和窃听信道的成形参数的依赖性突出。
2014-04-27 cs.IT math.IT
Maximizing Secrecy Rate of an OFDM-based Multi-hop Underwater Acoustic Sensor Network
在本文中，我们考虑了窃听攻击的多跳，水下声传感器网络（UWESTERN），其中包括$M+1$水下传感器，报告他们的感知数据，通过正交频分复用（OFDM）计划的汇节点在水面上。此外，由于附近存在被动恶意节点，传感器节点和汇聚节点之间的多跳水下声（UWA）信道容易在每一跳上的窃听攻击。因此，当前的问题是以在每一跳处使保密率最大化的方式进行（辅助/中继）节点选择（用于将数据转发到下一跳）以及功率分配（跨OFDM子载波）。为此，这个问题的节点选择和功率分配（NSPA）制定为一个混合的二进制整数优化程序，然后通过分解方法，并利用对偶理论与Karush-Kuhn-Tucker条件最优解决。我们还提供了一个计算效率高，次优的解决方案的NSPA问题，在那里我们重新制定它作为一个混合整数线性规划，并通过分解和几何方法解决它。此外，当UWA信道是多路径（而不仅仅是视线），我们调查一个额外的，基于机器学习的方法来解决NSPA问题。最后，我们计算了所有三种方案（最优、次优和基于学习）的计算复杂性，并进行了大量的模拟，以比较它们的性能，并与基线方案（为所有子载波分配相等的功率，并进行基于深度的节点选择）进行比较。简而言之，这项工作提出了各种（最优和次优）的方法，通过资源分配在协议栈的物理层提供信息理论的安全性。
2020-07-19 cs.IT math.IT
OFDM demodulation using virtual time reversal processing in underwater acoustic communication
Harbin Engineering University（哈尔滨工程大学）；University of Washington（华盛顿大学）
超长的水下信道时延扩展会导致水声通信中严重的码间干扰。被动时间反转处理（PTRP）通过将接收到的数据包与时间反转的探测信号进行卷积，可以有效地降低信道的时间色散。然而，探测信号本身可能引入额外的噪声和干扰（探测信号的自相关）。本文提出了一种适用于单输入单输出（SISO）正交频分复用（OFDM）系统的虚拟时间反转处理（VTRP）。它将接收到的数据包与反向估计的信道进行卷积，而不是与探测信号进行卷积，以减少干扰。采用匹配追踪（MP）和基追踪去噪（BPDN）两种稀疏信道估计方法估计信道冲激响应（CIR）。通过MATLAB仿真和水池实验，我们比较了VTRP和PTRP以及没有任何时间反转处理的性能。结果表明，VTRP在时不变信道下具有优异的性能。
2016-03-04 cs.IT cs.SD math.IT
Impact of Inter-Channel Interference on Shallow Underwater Acoustic OFDM Systems
研究了信道间干扰（ICI）对浅海水声正交频分复用（OFDM）通信系统的影响。考虑到湍流的水面和底部的粗糙度，一个随机的基于几何的信道模型用于宽带传输的情况下，已被利用来推导仿真模型。由于系统带宽和子载波间隔在几kHz的范围内非常有限，因此水声系统的信道容量受到ICI效应的严重影响。为了进一步研究，我们在仿真模型的基础上构造了信号噪声干扰比（SINR），然后评估了信道容量。仿真结果表明，UWA-OFDM系统的子载波、带宽和OFDM符号等因素对不同多普勒频率下的信道容量有影响。这些观测结果为UWA-OFDM系统参数的选择提供了参考。
2021-01-06 cs.IT eess.SP math.IT
Underwater Optical Communication System Relayed by $α-μ$ Fading Channel: Outage, Capacity and Asymptotic Analysis
研究了水下光通信系统，该系统由单个解码转发（DF）中继器通过指数广义伽马分布（EGG）中继到最终目的地。具体地，某个终端设备通过水下无线光链路（UWO）将数据发送到附近的中继器中，该中继器利用所谓的蓝色激光技术将接收到的信号的解码（和调制）版本发送到远程目的地。假设RF链路遵循广义$α-μ$分布;其包括作为特殊情况的许多分布，例如，瑞利在另一方面，UWO链路被假定为遵循最先进的指数广义伽马分布（EGG），这是最近提出的水下光学湍流模型。在假设采用外差检测技术的情况下，推导了系统中断概率、平均出错率和遍历容量的闭式表达式。此外，渐近中断表达式获得更多的性能见解。结果表明，在水下湍流条件较弱的情况下，高速水下通信系统可以获得较高的可达速率。此外，在弱光湍流环境下，射频链路对中断性能起主导作用，而在强光湍流环境下，UWO链路对中断性能起主导作用。
2019-11-11 cs.IT eess.SP math.IT
Collision Tolerant Packet Scheduling for Underwater Acoustic Localization
研究了水声传感器网络中节点随机分布的分组调度和自定位联合问题。在数据包调度方面，我们的目标是最大限度地减少本地化时间，这样做，我们考虑两个数据包传输方案，即无冲突方案（CFS）和冲突容忍方案（CTS）。所需的本地化时间制定这些计划，并通过分析结果和数值例子，他们的性能被证明是一般可比的。然而，当分组持续时间短（如定位分组的情况）并且操作区域大（在至少一个维度上超过3 km）时，冲突容忍方案需要比无冲突方案更小的定位时间。在收集足够的测量数据后，每个传感器节点采用迭代高斯-牛顿算法进行自定位，并评估Cramer Rao下限作为基准。虽然CTS消耗更多的能量用于分组传输，但它提供了更好的定位精度。此外，在该方案中，锚节点彼此独立地工作，并且可以异步操作，这导致简化的实现。
2014-04-15 cs.IT cs.NI math.IT
UW-SVC: Scalable Video Coding Transmission for In-network Underwater Imagery Analysis
水下图像已经在各个领域实现了许多民用应用，从学术界到工业界，从工业监视和维护到环境保护和海洋生物行为研究。垃圾和塑料碎片在海底和河流底部的积累对水生生物极为有害。我们提出了一个解决这个问题的方法，使用一个团队的自主水下航行器（AUV）交换录制的视频，以重建感兴趣的海底区域。然而，水下视频传输在恶劣的环境中是一个挑战，在这种环境中，射频波在几十米以上的距离内被吸收，光波需要窄激光束并遭受散射和海洋波浪运动，而声波虽然距离很远，但提供了非常低的带宽和不可靠的通信信道。在我们的解决方案中，每个车辆的可伸缩编码的视频共享与选定的一组接收视频，伪组播，通过声学通道。所提出的评估，包括模拟和实验，确认所提出的解决方案的效率和灵活性，使用声学软件定义的调制解调器。
2019-10-19 cs.IT eess.SP math.IT
Wideband Ultrasonic Acoustic Underwater Channels: Measurements and Characterization
本研究在地中海开展了宽带超声水下声学信道测量活动，使用Zadoff-Chu序列设计的OFDM探测信号，精确估计了时变脉冲和频率响应等关键参数，填补了文献中该频段宽带测量的空白。
2024-11-18 cs.IT eess.SP math.IT
