A simulation study of cooperative underwater acoustic communication

Abstract

Cooperative communication promises significant performance gains in terms of link reliability, spectral efficiency, system capacity, and transmission range. Due to its indisputable advantages for high-speed underwater applications with size and power limitations, cooperative transmission is a promising physical layer solution for next generation underwater acoustic (UWA) communication systems. Although a rich literature already exists on cooperative communication for terrestrial wireless radio frequency (RF) systems, there are only sporadic results reported for UWA applications. In this thesis, we consider cooperative UWA communication and investigate the performance of relay selection in underwater for multi-carrier and single-carrier systems with various selection criteria. In the first part, we consider a multi-carrier multi-relay cooperative UWA communication system based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and investigate both amplify-and-forward (AaF) and decode-and-forward (DaF) relaying in half-duplex mode. We adopt different relay selection criteria which rely either on the maximization of signal-to-noise ratio (SNR), the minimization of probability of error (PoE), or the maximization of capacity for relay selection. These are utilized in conjunction with diverse approaches such as per-subcarrier, all-subcarriers, or subcarrier grouping. We provide an extensive Monte Carlo simulation study to evaluate the error rate performance of relay selection schemes. In the second part of the research, in order to increase spectral efficiency, we consider OFDM-based multi-relay systems with two-way relaying and study the performance of relay selection in UWA channels. In the final part of the thesis, we consider single-carrier frequency-domain equalization (SC-FDE) and present the performance of relay assisted SC-FDE schemes providing comparisons with uncoded OFDM counterparts.İşbirlikli haberleşme, bağlantı güvenirliliği, spektral verimlilik, sistem kapasitesi ve iletim menzili açısından önemli kazanımlar vaat eder. Özelikle fiziksel boyut ve güç kısıtlamalı yüksek hızlı sualtı uygulamaları için tartışılmaz avantajlarından dolayı, işbirlikli haberleşme, gelecek nesil sualtı akustik haberleşme sistemleri için potansiyel vaat eden bir fiziksel katman çözümüdür. Karasal kablosuz radyo frekans sistemlerinde,işbirlikli haberleşme üzerine halihazırda zengin bir literatür olmasına karşın sualtı akustik uygulamaları için sadece tek tük sonuçlar vardır. Bu tezde, işbirlikli sualtı akustik haberleşmesi ele alınmış ve çeşitli seçim kriterleri ile çok taşıyıcılı ve tek taşıyıcılı sistemler için sualtı röle seçim başarımı incelenmiştir. Tezin ilk kısmında, dik frekans bölmeli çoğullama tabanlı çok taşıyıcılı ve çok röleli işbirlikli sualtı akustik haberleşme sistemleri ele alınmış ve yarı çift yönlü modda çalışan yükselt-ve-ilet ve çöz-ve-ilet röleleme teknikleri incelenmiştir. Röle seçimi için sinyal-gürültü oranını enbüyütme, hata olasılığını enküçültme veya kanal sığasını enbüyütmeye dayanan farklı seçim kriterleri kullanılmıştır. Bunlar alttaşıyıcı başına, tüm altaşıyıcılar ve alttaşıyıcı gruplandırılması gibi farklı yaklaşımlarla beraber ele alınmıştır. Röle seçim yapılarının hata başarımı, kapsamlı bir Monte Carlo benzetim çalışması aracılığıyla ortaya konulmuştur. Araştırmanın ikinci bölümündeyse, spektral verimliliği artırmak için, çift yönlü röleleme tekniğinin kullanıldığı dik frekans bölmeli çoğullama tabanlı ve çok röleli işbirlikli sualtı akustik haberleşme sistemi ele alınmış ve sualtı akustik kanallardaki röle seçim başarımı incelenmiştir. Tezin son kısmında ise tek taşıyıcılı frekans bölgesi denkleştirme sistemi ele alınmış ve sualtı akustik kanallarındaki hata başarımı, kodlamasız dik frekans bölmeli çoğullama sistemininkiyle kıyaslanarak ortaya konulmuştur.