А.Л. Гельгор1, Д.А. Пузько2, Ю.М. Скородумов3, Е.В. Лукоянов4, А.Е. Панарин5, И.В. Пашкевич6

1,2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

3-6 АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (Санкт-Петербург, Россия)

1 agelgor@spbstu.ru;2 danilapuzko@mail.ru; 3 skorum@mail.ru; 4 lukoyanov.egor@mail.ru;
5 alex32757@gmail.com; 6 iv@bk.ru

Постановка проблемы. В настоящее время в гидроакустике для высокоскоростной связи на короткие расстояния и в условиях относительно высоких значений отношения сигнал/шум (ОСШ) активно применяются сигналы с ортогональным мультиплексированием с частотным разделением (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM). Это обусловлено высокой эффективностью этих сигналов в многолучевых каналах и относительно низкой вычислительной сложностью их обработки. В тоже время традиционно в гидроакустической связи используются сигналы с множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiple Access, CDMA). На сегодняшний день актуальной задачей является реализация передачи гидроакустических OFDM-сигналов незаметно и/или на большие расстояния, т.е. в условиях, когда уровень сигнала ниже уровня шумов. Это позволит создавать универсальные гидроакустические модемы на основе OFDM-сигналов.

Цель. Провести разработку и апробацию для гидроакустического канала методики формирования и обработки сигнально-кодовых конструкций на основе OFDM-сигналов, обеспечивающих передачу информации в условиях значений ОСШ меньше 0 дБ с возможностью адаптации к помеховой обстановке.

Результаты. Предложена методика формирования и обработки сигнально-кодовых конструкций, базирующихся на OFDM-сигналах, для эффективной передачи информации в условиях значений ОСШ ниже 0 дБ. В разработанной методике предложено: 1) выполнять когерентное накопление сигнала на ресурсном блоке, т.е. на нескольких соседних поднесущих и нескольких соседних OFDM-символах; 2) применять дифференциальной модуляцию, что позволяет отказаться от необходимости оценки канала и эквалайзинга; 3) использовать каскадное соединение внешнего сверточного кода и внутреннего кода повторениями; 4) для обеспечения возможности обнаружения сигнала и оценки коэффициента Доплера использовать два последовательных импульса гиперболической частотной модуляции с противоположными законами изменения частоты от времени; 5) компенсацию эффекта Доплера осуществлять с помощью chirp-z-преобразования. Приведены результаты реальных испытаний разработанных сигнально-кодовых конструкций в акватории Ладожского озера, которые продемонстрировали безошибочную передачу данных при ОСШ, равном -18,6 дБ.

Практическая значимость. Представленные результаты подтверждают целесообразность использования OFDM-сигналов для передачи информации по гидроакустическому каналу в условиях низких значений ОСШ. При этом выбор параметров сигнально-кодовой конструкции позволяет адаптироваться к помеховой обстановке.

Гельгор А.Л., Пузько Д.А., Скородумов Ю.М., Лукоянов Е.В., Панарин А.Е., Пашкевич И.В. Применение OFDM-сигналов для гидроакустической подводной связи в условиях приема сигнала ниже уровня шумов // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 3.
С. 48−62. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202403-06

1. Stojanovic M., Beaujean P.P.  Acoustic Communication // in Springer Handbook of Ocean Engineering. M.R. Dhanak and N.I. Xiros Eds. Part B: Autonomous Ocean Vehicles and Control. T. Curtin Ed. Springer. 2016.
2. Stojanovic M., Preisig J. Underwater acoustic communication channels: Propagation models and statistical characterization // in IEEE Communications Magazine. January 2009. V. 47. № 1. Р. 84-89. DOI: 10.1109/MCOM.2009.4752682.
3. Moety F., Lahoud S., Cousin B., Khawam K. Joint power-delay minimization in 4G wireless networks // in Proc. IFIP Wireless Days (WD). Nov. 2014. Р. 1–8.
4. Berger C.R., Zhou S., Preisig J.C., Willett P. Sparse Channel Estimation for Multicarrier Underwater Acoustic Communication: From Subspace Methods to Compressed Sensing // IEEE Transactions on Signal Processing. Мarch 2010. V. 58. № 3. P. 1708-1721. DOI: 10.1109/TSP.2009.2038424.
5. Socheleau C.L.F-X., Stojanovic M., Passerieux J.-M. Information theoretic analysis of underwater acoustic OFDM systems in highly dispersive channels // Journal of Electrical and Computer Engineering. V. 2012.
6. Aval Y.M., Stojanovic M. Differentially Coherent Multichannel Detection of Acoustic OFDM Signals // IEEE Journal of Oceanic Engineering. April 2015. V. 40. № 2. P. 251-268. DOI: 10.1109/JOE.2014.2328411.
7. Murad Mohsin, Tasadduq, Imran Otero, Pablo. Ciphered BCH Codes for PAPR Reduction in the OFDM in Underwater Acoustic Channels. Journal of Marine Science and Engineering. 2022. 10. 91. 10.3390/jmse10010091.
8. Stojanovic M. MIMO OFDM over underwater acoustic channels // 2009 Conference Record of the Forty-Third Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers. Pacific Grove. CA, USA. 2009. Р. 605-609. DOI: 10.1109/ACSSC.2009.5469907.
9. Chen P., Rong Y., Nordholm S., He Z., Duncan A. Joint channel estimation and impulsive noise mitigation in underwater acoustic OFDM communication systems // IEEE Trans. Wirel. Commun. 2017. № 16. Р. 6165–6178.
10. Гельгор А.Л., Горлов А.И., Иванов П.В., Попов Е.А., Архипкин А.В., Гельгор Т.Е. Повышение помехоустойчивости приема сигналов UPLINK LTE при использовании турбоэквалайзера // Радиотехника. 2015. Т.79. № 9. С. 39-50.
11. Kulhandjian H., Melodia T., Koutsonikolas D. CDMA-Based Analog Network Coding for Underwater Acoustic Sensor Networks // IEEE Transactions on Wireless Communications. Nov. 2015. V. 14. № 11. P. 6495-6507. DOI: 10.1109/TWC.2015.2456012.
12. Oyerinde O.O. An Overview of Channel Estimation Schemes based on Regularized Adaptive Algorithms for OFDM-IDMA Systems // Digital Signal Processing Journal. Apr. 2018. V. 75. P. 168-183.
13. Amar A., Avrashi G., Stojanovic M. Low Complexity Residual Doppler Shift Estimation for Underwater Acoustic Multicarrier Communication // IEEE Transactions on Signal Processing. 2017. 15 April. V. 65. № 8. P. 2063-2076. DOI: 10.1109/TSP.2016.2630039.
14. Chilingarov A., Vylegzhanin E., Khuc B., Puzko D., Batov Y., Gelgor A. Comparison of Channel Estimation Methods for Underwater Acoustic Channel”. International Youth Conference on Electronics // Telecommunications and Information Technologies. Springer. Cham. Proceedings in Physics. 2021. V. 255.
15. Vylegzhanin E., Chilingarov A., Khuc B., Puzko D., Batov Y., Gelgor A. Comparison of PAPR Reduction Techniques for OFDM Transmission Over Underwater Acoustic Channel // International Youth Conference on Electronics, Telecommunications and Information Technologies. Springer, Cham. Springer Proceedings in Physics. V. 255.
16. Chilingarov A., Gelgor A. Doppler Effect Compensation with Chirp-z Transform for Underwater Acoustic Communications with OFDM Signaling // 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), St. Petersburg, Russian Federation. 2022. Р. 87-90. DOI: 10.1109/EExPolytech56308.2022.9950810.
17. Khuc B., Vylegzhanin E., Chilingarov A., Puzko D., Batov Y., Gelgor A. Preamble Signals for Detection Timing and Doppler Synchronization in Underwater Acoustic Communications // Telecommunications and Information Technologies. Springer, Cham. Proceedings in Physics. 2021. V. 255.
18. Wang K., Chen S., Liu C., Liu Y., Xu Y. Doppler estimation and timing synchronization of underwater acoustic communication based on hyperbolic frequency modulation signal // 2015 IEEE 12th International Conference on Networking, Sensing and Control. Taipei, Taiwan. 2015. Р. 75-80. DOI: 10.1109/ICNSC.2015.7116013.
19. Wang K., Chen S., Liu C., Liu Y., Xu Y. Doppler estimation and timing synchronization of underwater acoustic communication based on hyperbolic frequency modulation signal // 2015 IEEE 12th International Conference on Networking, Sensing and Control. Taipei, Taiwan. 2015. Р. 75-80. DOI: 10.1109/ICNSC.2015.7116013.
20. Ling Z., Xie L., Chen H. Joint Doppler Scale Estimation and Timing Synchronization in Underwater Acoustic Communications // 2019 IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC). Dalian, China. 2019. Р. 1-6. DOI: 10.1109/ICSPCC46631.2019.8960868.
21. Zhou S., Wang Z. OFDM for underwater acoustic communications. Wiley & Sons. 2014.