Étude des effets aléatoires du canal de transmission pour les liaisons de communication optique sous-marine sans-fil

In underwater environments, there is an essential need for efficient wireless communication tech- niques in several applications, including installation monitoring, underwater robotics, port secu- rity, etc. Underwater wireless optical communications (UWOC) offer low implementation cost, low latency, high data rate, and energy efficiency, compared with traditional acoustic communi- cations. Among the main challenges in the realization of UWOC links is to deal with link misalign- ments, which are particularly problematic in underwater applications where precise localization and tracking of mobile units is very challenging. In addition to these pointing errors (PEs), oceanic turbulence can further degrade the performance of UWOC links by causing random fluctuation of the received optical signal intensity.This thesis focuses on the effect of pointing errors (PEs) and oceanic turbulence on the perfor- mance of UWOC links. More specifically, accurate mathematical and statistical channel modeling are developed, in particular, for the case of a vertical transmission link, e.g., between a buoy of a surface vessel and an underwater node or an autonomous underwater vehicle. There, PEs are modelled by taking into consideration the wind at the sea surface and Rx angular misalignments, in particular. Based on the proposed models, the impact of PEs and turbulence on the link per- formance are studied under various channel conditions. In addition, we consider the appropriate selection of the transmitter/receiver parameters in order to optimize the link performance based on the criteria of the average bit error rate and outage probability.In this study, we consider a highly sensitive photodetector, i.e., a Silicon photo-multiplier, at the receiver in order to increase the operational range. Lastly, some preliminary experimental works have been carried out to assess the practical issues of establishing an UWOC link using a dedicated laboratory testbed. The presented work fosters the UWOC system design and research towards practical considerations of link deployment ensuring reliable communications.De nos jours, il y a un besoin grandissant pour établir des liaisons de communication sans-fil haut- débit dans diverses applications sous-marines, telles que la surveillance de l’environnement, la maintenance et la vérification des installations, la sécurité portuaire, etc. Les communications optiques sous-marines sans-fil (UWOC pour Underwater Wireless Optical Communications) of- frent un débit de transmission élevé, une faible latence, une bonne efficacité énergétique et un faible coût de mise en œuvre, comparées aux communications acoustiques. L’un des principaux défis dans la réalisation des liaisons UWOC est de traiter les erreurs de pointage, qui sont partic- ulièrement problématiques dans les applications sous-marines où la localisation et le suivi précis des unités mobiles sont très difficiles. De plus, les turbulences océaniques peuvent dégrader da- vantage les performances de ces liaisons en causant des fluctuations aléatoires de l’intensité du signal optique reçu.Cette thèse s’intéresse aux effets des erreurs de pointage et des turbulences océaniques sur les performances des liens UWOC. Plus précisément, nous développons une modélisation mathéma- tique et statistique précise du canal, en particulier, pour le cas d’un lien de transmission vertical. Ce dernier peut être établi entre une bouée ou un navire de surface d’une part et un capteur sous- marin ou encore un véhicule sous-marin autonome d’autre part. Les erreurs de pointage sont ainsi modélisées en prenant en compte l’effet du vent à la surface de la mer et les désalignements angulaires du récepteur, notamment. En utilisant les modèles proposés, nous étudions ensuite l’impact de ces effets aléatoires du canal sur les performances de la liaison. En outre, nous con- sidérons la sélection appropriée des paramètres de l’émetteur et/ou du récepteur afin d’optimiser les performances de la liaison en termes du taux d’erreur binaire et de la probabilité de coupure (outage).Dans cette étude, nous considérons un photo-détecteur ultra-sensible, qui consiste à un photo-multiplicateur en silicium (SiPM pour Silicon Photo-Multiplier), au niveau du récepteur afin d’augmenter la portée. Enfin, nous avons mené des travaux expérimentaux prélimi- naires à l’aide d’un banc d’essai de laboratoire pour appréhender les problèmes pratiques de l’établissement d’une liaison UWOC. Les résultats présentés dans cette thèse apportent de l’éclairage sur les considérations pratiques de déploiement des liaisons UWOC, qui peuvent être particulièrement profitables dans la conception de tels systèmes