Designing Acoustic Reconfigurable Intelligent Surface for Underwater Communications

水声通信 波束赋形 水下 计算机科学 多输入多输出 带宽(计算) 多物理 水声学 声学 通信系统 宽带 电子工程 电信 工程类 有限元法 海洋学 物理 结构工程 地质学
作者
Haoyu Wang,Zhi Yuan Sun,Hongzhi Guo,Pu Wang,Ian Fuat Akyildiz
出处
期刊:IEEE Transactions on Wireless Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:22 (12): 8934-8948 被引量:31
标识
DOI:10.1109/twc.2023.3267169
摘要

The UnderWater Acoustic (UWA) communication is the foundation for oceanic information applications. However, existing UWA systems suffer from low data rate problem. Although the Multiple Input Multiple Output (MIMO) scheme is proved to be able to increase channel capacity in many terrestrial scenarios, the high cost and complexity of acoustic MIMO significantly limit its usage. Recently, the acoustic reconfigurable intelligent surfaces (acoustic RIS) concept has been proposed to address the aforementioned problem. In this paper, with the real-world constraints taken into consideration, three key components of the acoustic RIS are designed to realize the underwater RIS concept, including the new acoustic RIS hardware, the ultra-wideband (UWB) beamforming, and practical operation protocol. Specifically, a completely new hardware design of acoustic RIS is first provided, since existing electromagnetic RIS designed for terrestrial environments do not work for underwater acoustic waves. Then, the UWB beamforming solution is developed, since underwater acoustic RIS need to control the acoustic signals, whose bandwidth is comparable to its carrier frequency. Finally, the practical operation protocol is developed to realize the acoustic RIS functionalities in complex underwater environment. The acoustic RIS design is validated through both COMSOL multiphysics simulations and end-to-end Bellhop-based simulations.
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