[论文解读] Transmission of Video Image in Underwater Acoustic Communication

Han Zhang, Jun Yang|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2019

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 38被引用 6

一句话总结

本文提出了一种实时水下声学通信系统，通过使用拓扑荷从+1到+8的复用轨道角动量（OAM）声波束，并采用开关键控（OOK）调制，实现视频图像的传输。该系统实现了8 (bit/s)/Hz的频谱效率，证明了OAM复用在克服带宽限制方面具有显著提升水下通信容量的潜力。

ABSTRACT

Acoustic communication is currently considered as the best way to transmit information over long distances under water, since acoustic waves have lower attenuation in water than the other information transmission media. However, current information transmission rates of the underwater acoustic communication is usually limited by low-frequency bandwidth due to the large attenuation which characterized in high-frequency sound waves in water. Spiral acoustic beams with helical wavefront dislocations carrying orbital angular momentum have been applied to acoustic levitation and capture. Recently, harnessing the orthogonality and the infinite dimension of Hilbert space in underwater acoustic communication has been considered promising. Here, we construct a real-time underwater acoustic communication system to transmit video image. The system multiplexes eight orbital angular momentum topology charges ranging from +1 to +8 and encoded with on-off keying modulation format, achieving a spectral efficiency of 8 (bit/s)/Hz. This demonstration suggests that multiplexed information-carrying orbital angular momentum acoustic beams presents tremendous potential for increasing the capacity of underwater communication systems.

研究动机与目标

• 为解决由于带宽狭窄和高频衰减导致的水下声学通信数据率受限问题。
• 探索声波中轨道角动量（OAM）在提升频谱效率方面的应用。
• 设计并实现一种能够使用OAM复用传输视频图像的实时系统。
• 验证在水下环境中使用正交OAM态进行高容量通信的可行性。
• 在受控水下环境中，演示使用OOK调制的OAM波束实现实际视频传输。

提出的方法

• 系统采用八种不同的OAM模式，其拓扑荷范围为+1至+8，用于复用数据流。
• 每个OAM模式通过开关键控（OOK）进行调制，以编码数字信息。
• 声波前被整形以携带轨道角动量，形成螺旋形波前奇点。
• 系统利用希尔伯特空间中OAM态的正交性，在接收端分离复用信号。
• 实现了实时信号处理链，用于生成、传输和解码OAM调制信号。
• 在受控水下环境中建立通信链路，以测试视频传输性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 水下声学通信中OAM复用能否显著提升频谱效率？
• RQ2 在水下环境中，使用OAM调制声波束能否实现实时视频传输？
• RQ3 OAM态的正交性在真实水下信道条件下表现如何？
• RQ4 在使用多个OAM模式并采用OOK调制时，可实现的数据速率和频谱效率是多少？
• RQ5 尽管存在多径和噪声等声学信道损伤，该系统能否保持可靠的视频传输？

主要发现

• 该系统成功实现了通过水下声学信道实时传输视频图像。
• 通过复用拓扑荷从+1到+8的八个OAM模式，实现了8 (bit/s)/Hz的频谱效率。
• OAM波束的使用使得在希尔伯特空间中通过正交模式实现数据流的空间复用成为可能。
• OOK调制格式在每个OAM模式上均被有效实现并成功解码。
• 结果证实了利用OAM复用可克服水下声学通信中带宽限制的可行性。
• 该演示表明，与传统窄带水下声学系统相比，数据容量实现了显著提升。