Physical modelling of acoustic shallow-water communication channels

Akustiska kanaler för undervattenskommunikation är flervägskanaler där ljudet reflekteras från havets yta och botten och bryts vid ljudhastighetsförändringar. I grunt vatten är impulssvaret långt jämfört med symbolernas tidslängd i ett utskickat meddelande. Detta orsakar intersymbolinterferens, vilket gör det svårt att återskapa meddelandet. Denna avhandling behandlar fysikalisk modellering av kommunikationskanalen. Sådan modellering kan öka insikten om de svårigheter som finns vid design av kommunikationssystem och kan vara till hjälp vid utveckling av lämpliga modulationstekniker och avkodningsalgoritmer. Ljudutbredningen simuleras med en strålgångsmetod med reflektionskoefficienter beräknade för plana vågor. I artikel 4 och 5 utvidgas modellen till en algoritm för gaussisk strålsummation. De viktigaste vetenskapliga bidragen är följande. Artikel 1: Aktuell kunskap om impulssvaret hos kommunikationskanalen gör det betydligt lättare att tolka det mottagna meddelandet. I denna artikel studeras tidsvariabiliteten hos impulssvaret i termer av bitfelssannolikhet när ett gammalt impulssvar används för kanalutjämning. Tidsvariabiliteten visar sig variera avsevärt med mottagarpositionen, inte bara när det gäller avståndet till sändaren, utan även när det gäller placeringen i djupled. Artikel 2: En hybridmetod presenteras, där strålgång i ett avståndsberoende medium kombineras med lokal fullfältsmodellering av interaktionen med havsbottnen. Metoden används för simuleringar av akustisk kommunikation i grunt vatten. Artikel 3: För att kunna göra tillförlitliga simuleringar av ljudutbredning behöver man god kunskap om mediets ljudhastighetsprofil --- information som inte alltid är tillgänglig. I denna artikel används den hybrida strålgångsmetoden från artikel 2 för att skatta ljudhastighetsprofilen från kommunikationsdata. Miljöparametrarna som beräknats genom inversionen minskar avvikelsen mellan simulerade och observerade skattningar av impulssvaret jämfört med avvikelsen då en uppmätt, två dagar gammal ljudhastighetsprofil används vid simuleringen. Miljömodellen används också för en genomgång av alternativa käll- och mottagarpositioner. Artikel 4: Gaussisk strålsummation är en vågutbredningsmodell som liknar strålgång men kan ge korrekta resultat i strålgångens singulära områden, som skuggzoner och kaustikor. I denna artikel diskuteras hur några olika val av den komplexa strålparametern $\epsilon$ fungerar i grunda vågledare. Bäst resultat erhålls om man väljer $\epsilon$ så att strålen blir smal i punkten närmast mottagaren och får en plan vågfront där. Artikel 5: En adaptiv metod för gaussisk strålsummation i grunda vågledare presenteras. Algoritmen ger en noggrannhet som är bättre än eller minst lika bra som strålgångens, även i grunda vågledare med en starkt djupberoende ljudhastighet.Acoustic underwater communication channels are multipath channels where sound is reflected from the surface and the bottom of the sea and refracted by sound speed variations. In shallow water, the impulse response is typically long compared to the time length of the symbols in a transmitted message. This causes inter-symbol interference, which makes the message difficult to decode. This thesis deals with physical modelling of the communication channel. Such modelling can provide insight into the difficulties of communication system design and may serve as an aid in the development of appropriate modulation techniques and decoding algorithms. The sound propagation is simulated by a ray tracing method with plane-wave reflection coefficients, in papers 4 and 5 expanded to a Gaussian beam summation algorithm. The main scientific contributions are the following. Paper 1: Up-to-date knowledge of the impulse response of the communication channel considerably simplifies the extraction of information from a detected signal. In this paper the time variability of the impulse response is studied in terms of the bit-error rate, when an old impulse response is used for channel equalisation. The time variability is found to vary significantly with the receiver position, not only in range, but also in depth. Paper 2: A hybrid raytrace method is presented, combining ray tracing in a range-dependent water column with local full-field modelling of the seabed interaction. The method is applied to simulations of acoustic communication in shallow water. Paper 3: To be able to make reliable simulations of sound propagation, one needs to know, quite accurately, the sound speed profile of the medium --- information which is not always available. In this paper the hybrid raytrace method from paper 2 is used to estimate the sound speed profile from communication data. The environmental model obtained by the inversion reduces the mismatch between the modelled and the observed impulse response estimates, compared to the mismatch with a two-days-old sound speed profile. The model is also used to investigate alternative source-receiver configurations. Paper 4: Gaussian beam summation is a wave propagation model similar to ray tracing, which can yield correct results in singular regions like shadow zones and caustic points. In this paper some different choices of the complex beam parameter $\epsilon$ are discussed for shallow waveguides. Best results are observed when $\epsilon$ is chosen so that each beam is narrow at the point where it is closest to the receiver and has a plane wavefront there. Paper 5: An adaptive method for Gaussian beam summation in shallow waveguides is presented. The algorithm yields better or at least as good accuracy as ray tracing, even in shallow waveguides with a strongly depth-dependent sound speed profile.QC 2010081