Information theoretical performance analysis and optimization of underwater acoustic communication systems

Abstract

Underwater wireless communication is a rapidly growing field of research and engineering as its applications, which were once exclusively military, are extending into commercial fields. The need for underwater wireless communications exists in a wide range of applications including offshore oil field exploration/monitoring, oceanographic data collection, maritime archaeology, seismic observation, environmental monitoring, disaster preventing, port and border security among many others. Although capacity calculations for terrestrial radio-frequency channels have been extensively studied, the literature on the capacity of underwater acoustic (UWA) channels is sporadic with many remaining open questions. Aiming to fill research gaps in this growing field, this thesis makes several contributions to the information theoretical performance analysis of point-to-point and relay-assisted UWA systems. A single-carrier communication architecture and sparse Rician frequency-selective UWA channel with intersymbol interference (ISI) is considered in our work. We assume non-white Gaussian distribution to model the ambient noise and consider Francois-Garrison path loss formula to take into account the effects of environmental parameters such as temperature, salinity, pressure as well as system parameters such as distance and frequency. We develop an equivalent channel model for UWA channel with ISI under consideration and show that the capacity of the equivalent channel converges to that of the operating channel in the limit of infinite block length. Using these results, we first obtain a capacity expression for the UWA channel and demonstrate the dependency on channel parameters such as the number and location of significant taps and power delay profile, and environmental parameters such as temperature, salinity, and pressure. Then, we use this expression to determine the optimal carrier frequency, input signaling, and bandwidth. A closed-form formula for the optimum carrier frequency is further obtained. In the second part of the thesis, we extend our results to cooperative UWA systems and obtain achievable rates of single-carrier cooperative UWA systems with orthogonal decode-and-forward (DF) relaying. We take into account the effect of relay geometry in the derivations of achievable rates, and use the derived expressions to optimize the location of the relay.

Kablosuz sualtı haberleşme alanındaki araştırma ve mühendislik faaliyetleri hızla gelişmektedir. Bir zamanlar sadece askeri uygulamalar söz konusu iken, günümüzde sivil amaçlı uygulamaları da ortaya çıkmaktadır. Sualtı kablosuz haberleşmenin kullanıldığı uygulamalara örnek olarak petrol arama/izleme, oşinografik bilgi toplama, deniz arkeolojisi, sismik gözlem, çevresel gözlem, afet önleme, liman ve sınır güvenliği sayılabilir. Karasal radyo kanal kapasitesi üzerine kapsamlı hesaplama çalışmaları bulunmasına rağmen, sualtı akustik kanal kapasitesi üzerindeki çalışmaların sayısı azdır; dolayısıyla bu alanda açık birçok araştırma problemi bulunmaktadır. Bu tezde, gelişmekte olan bu alandaki mevcut araştırma boşluğunu doldurmak amacıyla, noktadan noktaya ve röle destekli sualtı akustik haberleşme sistemlerinin bilgi kuramı perspektifinden başarım analizleri yapılmıştır. Çalışmada tek taşıyıcılı bir system mimarisi ele alınmış ve seyrek Rician sönümleme ile simgelerarası girişime maruz kaldığı varsayılmıştır. Kanaldaki gürültüyü modellemek için ise, beyaz olmayan Gaussian dağılımı kullanılmış; sıcaklık, tuzluluk oranı, basınç, mesafe ve frekans gibi çevresel parametreleri de kanal modeline dahil etmek adına, Francois-Garrison yol kaybı formülü kullanılmıştır. Tezin ilk kısmında, sualtı akustik kanal için eşdeğer bir kanal modeli geliştirilmiş ve bilgi çerceve genişliği sonsuza gittiğinde kanal kapasitesi ifadesi elde edilmiştir. Bu ifadenin ışığında, kanal kademe yer ve sayısı, güç gecikme profili gibi kanal parametreleri ile sıcaklık, tuzluluk oranı ve basınç gibi çevresel etkenlerin kanal kapasitesine etkisi ortaya konmuştur. Ardından, kanal kapasitesini eniyileyecek şekilde optimum taşıyıcı frekansı, giriş sinyali ve bant genişliği tesbit edilmiştir. Optimum taşıyıcı frekansı için analitik bir ifade çıkarımı da yapılmıştır. Tezin ikinci kısmında ise, tek taşıyıcılı işbirlikli sualtı haberleşme sistemlerinde çöz-ve-ilet röleleme varsayımı altında erişilebilir veri hızı çıkartılmıştır. Hesaplamalarımızda röle noktalarının yerleri de göz önünde bulundurulmuş ve başarımı eniyileyecek şekilde röle yerleri tesbit edilmiştir.