Channel-Aware Adaptive Modem for Underwater Acoustic Communications

Date: 2026.06.11 16:45 Author: Joffrey LC

---

A Channel-Aware Adaptive Modem for Underwater Acoustic Communications. Stefano Mangione et.al. IEEE Access, 2021 (pdf) (Citations 26)

Quick Overview

• Two typical categories:

  • very robust, low rate modems: hundreds of bits/s
  • high speed modems for short/medium distance connections: hundreds kbits/s

• JANUS:

  • hopping from one carrier frequency to another, for leaving signal reflections in a sub-band different from the current used one and avoiding ISI.

• Adapt the number of sub-carriers and the length of CP.

• Re-encoding and channel correction, iterative decoding.

• JANUS+Coding+CRC

• OFDM can NOT be implemented in NCS channels

• Different roll-off factors have a small impacts on the performance.

• At sea experiments achieved 20 kbits/s with QPSK modulation.

---

OFDM for underwater communication (Compared with Wi-Fi/LTE OFDM)

调整角度	要怎么改	目的
1. CP 长度	CP 要按水下 delay spread 设计，至少覆盖主要多径能量，比如覆盖 90%/95% 的 delay spread	抑制 ISI。paper 给出的原则是 NCP ≥ Delay spread / Ts。
2. 子载波数 N / 子载波间隔 Δf	不要盲目加大 N。水下 Doppler 大，N 太大会导致 OFDM 符号太长、子载波间隔太小，更容易 ICI	在频率选择性和 Doppler 鲁棒性之间折中。paper 明确把最大 N + NCP 和 Doppler spread 关联起来。
3. OFDM symbol 时长	水下应该倾向于 更短的 OFDM symbol，也就是更少子载波/更大子载波间隔	让一个 OFDM symbol 内信道近似不变，减少 Doppler 导致的正交性破坏
4. Preamble / sounding 序列	帧头要更强，最好用 chirp 或长训练序列估计时延扩展、Doppler、初始信道	paper 用重复 chirp 来估计 delay spread 和 Doppler spread。即使不自适应，你也可以用它做离线/开机标定。
5. Pilot 设计	增加 comb-type pilots，最好每个 OFDM symbol 都有 pilots	水下信道变化快，不能只依赖 packet 开头的一次信道估计。paper 在每个数据 symbol 里放 4 个固定 pilot 做相位修正。
6. 帧长 / packet 内 OFDM symbol 数	packet 不要太长，先用短帧，比如 4、8、16 个 OFDM symbols	避免一个 packet 内信道变化过大。paper 实验里测试了 4/8/16/32 symbols，长包更容易受信道变化和错误传播影响。
7. 调制阶数和编码	先用 QPSK + 强 FEC，不要一开始上 16QAM/64QAM	水下信道严重频选、Doppler、SNR 波动大，低阶调制更稳。paper 的 OFDM 实验主要用 QPSK + 1/2 卷积码。
8. 脉冲成形 / roll-off	关注 raised-cosine filter 的 roll-off 和长度	roll-off 小频谱效率高，但滤波延迟和实现要求更高；paper 把 roll-off αp 和滤波器长度 Lp 也作为可调 OFDM 参数。