А.О. Чилингаров1, А.Л. Гельгор2

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

1 АО «Концерн «Океанприбор» (Санкт-Петербург, Россия)

1 chilingarov.ao@gmail.com; 2 agelgor@spbstu.ru

Постановка проблемы. Актуальность данной работы обусловлена необходимостью обеспечения заданной помехоустойчивости в системах широкополосной гидроакустической связи с мобильными подводными роботизированными средствами. Реализация процедуры уточнения подстройки частоты в таких системах требуется для нивелирования эффекта снижения помехоустойчивости, возникающего из-за интерференции между поднесущими при недостаточной точности грубой синхронизации по частоте для широкополосных систем. Кроме того, для модемов, установленных на мобильных и дрейфующих носителях, компенсация остаточного смещения частоты в процессе приема нужна для отслеживания медленных флуктуаций значений взаимной скорости абонентов.

Цель. Рассмотреть возможность повышения помехоустойчивости системы гидроакустической связи с OFDM, работающей с подвижными корреспондентами, за счет компенсации остаточного сдвига частоты сигнала, вызванного неточностью синхронизации по лидирующему синхросигналу.

Результаты. Представлен алгоритм уточнения частотной синхронизации с использованием пилотных поднесущих частот. Проведено имитационное моделирование данного алгоритма и продемонстрировано повышение помехоустойчивости системы в условиях подвижных корреспондентов. В условиях натурного эксперимента показано, что использование алгоритма компенсации остаточного частотного смещения дает незначительное улучшение помехоустойчивости даже для стационарных корреспондентов. Установлено, что выбор параметров накопления оценки остаточного частотного смещения требует дополнительных исследований из-за сложности учета быстрых замираний гидроакустического канала.

Практическая значимость. Алгоритмы компенсации остаточного частотного смещения и уточнения позиции временной синхронизации сигнала позволяют существенно снизить влияние неточности оценки этих параметров по синхросигналу и повысить помехоустойчивость системы передачи данных по гидроакустическому каналу в условиях взаимного движения корреспондентов, многолучевого распространения и аддитивных помех. Полученный в результате имитационного моделирования задел может быть использован для дальнейшего повышения спектральной эффективности систем гидроакустической связи, использующих OFDM-сигналы. Оценка повышения помехоустойчивости связи между подвижными корреспондентами должна быть подтверждена в ходе дальнейших натурных испытаний.

Чилингаров А.О., Гельгор А.Л. Алгоритм частотной синхронизации для систем гидроакустической связи, использующих сигналы с OFDM // Радиотехника. 2025. Т. 89. № 3. С. 109−120. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202503-10

1. Jaafar A.N., Ja’afar H., Pasya I., Abdullah R., Yamada Y. Overview of underwater communication technology // Proceedings of the 12th National Technical Seminar on Unmanned System Technology. 2020. V. 770. P. 93-104.
2. Jimenez E., Quintana G. Investigation on radio wave propagation in shallow seawater: Simulations and measurements // IEEE third underwater communications and networking conference (UComms). 2016. P. 1–5.
3. Jensen F.B., Kuperman W.A., Porter M.B., Schmidt H. Fundamentals of ocean acoustics // Computational Ocean Acoustics. Modern Acoustics and Signal Processing. 2011. P. 1-64.
4. Chitre M., Shahabudeen S., Freitag L., Stojanovic M. Recent advances in underwater acoustic communications & networking // Proceedings of the IEEE OCEANS. 2008. P. 1-10.
5. Zhou S., Wang Z. OFDM for underwater acoustic communications. New York: Wiley. 2014. 410 c.
6. El-Mahallawy M., TagEldien A.S., Elagooz S.S. Performance Enhancement of Underwater Acoustic OFDM Communication Systems // Wireless Pers. Commun. 2019. V. 108. P. 2047-2057.
7. Aziz B., Elbahhar F. Impact of frequency synchronization errors on BER performance of MB-OFDM UWB in Nakagami channels // 2015 IEEE International Conference on Communications (ICC). 2015. P. 2698-2703.
8. Abdelkareem A.E., Sharif B.S., Tsimenidis C.C., Neasham J.A., Hinton O.R. Low-complexity Doppler compensation for OFDM-based underwater acoustic communication systems // OCEANS 2011 IEEE Spain. Santander. Spain. 2011. Р. 1-6.
9. Lee H.-G., Kim J., Joung J., Choi J. Frequency-varying Doppler shift effect on wideband orthogonal time-frequency space systems // International Conference on Electronics, Information, and Communication (ICEIC). 2023. P. 1-4.
10. Wang Y., Tao J., Ma L., Jiang M., Chen W. Joint timing and frequency synchronization for OFDM underwater acoustic communications // IEEE/CIC International Conference on Communications in China. 2021. P. 272-277.
11. 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.
12. Ali Mohamad Bassam, Mae L. Seto. Doppler tracking and compensation for underwater acoustic channels using shift-orthogonal pilot sequences // Proc. Mtgs. Acoust. 11 December 2020. V. 42. № 1.
13. Чилингаров А.О., Гельгор А.Л. Влияние ошибки оценки коэффициента доплеровского смещения частоты на помехоустойчивость широкополосной системы гидроакустической связи при использовании сигналов с OFDM // Материалы всеросс. конф. «Неделя науки ИЭиТ». СПб: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС. 2024. С. 18-21.
14. Khorov E., Kiryanov A., Lyakhov A., Bianchi G. A Tutorial on IEEE 802.11ax High Efficiency WLANs // IEEE Communications Surveys & Tutorials. Firstquarter. 2019. V. 21. № 1. Р. 197-216.
15. Zakharov Y., Morozov A., Preisig J. Doppler effect compensation for cyclic-prefix-free OFDM signals in fast-varying underwater acoustic channel // Proc. Mtgs. Acoust. 2 July 2012. V. 17. № 1.
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.
17. Кранц В.З. Гидроакустические коммуникационные системы (основы разработки). СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2024.
18. Yerramalli S., Mitra U. Optimal resampling of OFDM signals for multiscale–multilag underwater acoustic channels // IEEE Journal of Oceanic Engineering. Jan. 2011. V. 36. № 1. Р. 126-138.
19. Qarabaqi P., Stojanovic M. Statistical characterization and computationally efficient modeling of a class of underwater acoustic communication channels // IEEE Journal of Oceanic Engineering. Oct. 2013. V. 38. № 4. Р. 701-717.
20. Волков А.Н., Рыжков А.Е., Сиверс М.А. UMTS. Стандарт сотовой связи третьего поколения. СПб: Изд-во «Линк». 2008. 224 с.
21. Khuc B., Vylegzhanin E., Chilingarov A., Puzko D., Batov Y. Preamble signals for detection timing and Doppler synchronization in underwater acoustic communications / Velichko E., Vinnichenko M., Kapralova V., Koucheryavy Y. (Eds) // International Youth Conference on Electronics, Telecommunications and Information Technologies. Springer Proceedings in Physics. 2021. V. 255.
22. Murad Mohsin, Tasadduq Imran, Otero Pablo. Pilot-assisted OFDM for underwater acoustic communication // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. № 9. 1382 p.
23. Holthuijsen L.H. Waves in oceanic and coastal waters. Cambridge University Press. 2007. 404 p.