Underwater acoustic communication under doppler effects

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2020-03-31T02:55:42Z No. of bitstreams: 1 888712.pdf: 2492906 bytes, checksum: 1544b11898074b81e98979c7229948a3 (MD5)Made available in DSpace on 2020-03-31T02:55:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 888712.pdf: 2492906 bytes, checksum: 1544b11898074b81e98979c7229948a3 (MD5) Previous issue date: 2018-03Nesta tese foi realizada uma pesquisa extensa sobre as tecnologias existentes para comunicação sem fio subaquática. Foram analisadas as principais características das comunicações acústicas, RF e ótica. O estudo foi aprofundado na comunicação acústica, e foi realizada uma análise da resposta em frequência do canal de Arraial do Cabo com dados adquiridos no local. O efeito Doppler, um fenômeno inerente aos canais subaquáticos acústicos, foi investigado de forma minuciosa. Dentre as técnicas estudas para compensação deste efeito, foi escolhido um algoritmo adaptativo, o qual foi re-analisado com uma nova abordagem. Uma versão simplificada deste algoritmo foi proposta para reduzir a quantidade de símbolos pilotos. Foi também desenvolvida uma estratégia para determinar a frequência de treinamento deste novo algoritmo. A principal contribuição da tese é a proposta de uma nova estrutura de receptor para compensar o efeito Doppler. Nesta estrutura, é proposta a adaptação de forma iterativa do filtro correlator. A adaptação do suporte temporal deste filtro reduz a interferência inter-simbólica. Além desta ideia, foi demonstrado que a componente de fase do sinal recebido, que é dependente do tempo, deve ser removida em um estágio anterior ao usual. Ou seja, foi proposta uma modificação na sequência do processamento do sinal recebido para melhorar a sua estimativa. Para testar esta nova estrutura do receptor, foi implementado um sistema de comunicação. Foram realizadas simulações numéricas com sistemas de uma única e de múltiplas portadoras. Os resultados das simulações mostram que a nova estrutura pode reduzir a quantidade de erros de bits para altos valores de razão sinal-ruído. A melhora do desempenho pode ser observada em todas as velocidades relativas testadas, e também para constelações densas.In this thesis we perform a research survey of the three available technologies for wireless underwater communications. We discuss the main features and drawbacks inherent to acoustic, RF, and optical communications. We focus our research on underwater acoustic communications, and we analyze and evaluate the channel frequency response of Arraial do Cabo using data acquired in situ. We further investigate the Doppler effect, a phenomenon that is inherent to underwater acoustic channels. We analyze and justify a compensation algorithm to mitigate the Doppler effects. We propose a simplified algorithm version for minimizing the required number of pilot symbols. We also develop a simple strategy to determine how often our proposed compensation method should be retrained. Our main contribution is the proposal of a new receiver design to deal with Doppler effects. We present the idea of iteratively adapt the correlator filter placed at the receiver side. We show that the adaptation of this filter’s support reduces the inter-symbol interference of the estimated symbols. Besides this idea, we demonstrate that the time-dependent phase-shift component of the received signal should be removed beforehand. That is, we propose a modification in the signal processing sequence blocks for improving the symbol estimation. For testing and comparing this new receiver design, we implement a communication model encompassing physical layer aspects. We perform several numerical simulations for single-carrier and multicarrier systems. Simulation results show that our proposal might provide a reduction in the bit error rate for high signal-to-noise ratios. This performance improvement can be observed for all tested relative movement, and even with dense digital signal constellation