Adaptive OFDM-based acoustic underwater transmission: system design and experimental verification

Abstract

In this study, we design and implement an adaptive Underwater Acoustic (UWA) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system employing adaptive modulation and transmit power. Recently, UWA communications gain more attractions as there has been a growing interest in exploring the communications possibilities for underwater applications such as oil field monitoring, oceanographic data collection, maritime archaeology and disaster prevention. However, the harsh characteristic of underwater environments imposes various difficulties for communication in this medium. Thus, proposing a reliable UWA communication system which has a high data rate can improve these applications performance significantly. Since UWA communications suffer from low data rates, we propose an adaptive OFDM communication system to support higher data rates over UWA channel. OFDM is an attractive technique for underwater channels due to the fact that inter-symbol-interference resulted from frequency selective channels can be removed completely. Additionally, adaptive communications achieve significant improvements in transmission data rate. For the sake of implementation, we take advantages of LabVIEW software to generate OFDM blocks. The generated data is transmitted to the receiver side with the aid of Software defined radios (USRPs) and acoustic front-ends. The received data at the acoustic hydrophones are transferred to the USRPs and then processed in LabVIEW for information detection. We conduct our experiments at the pool to investigate the performance of the proposed system over a real UWA channel.

Bu çalışmada, adaptif kipleme ve verici gücü kullanan bir adaptif Sualtı Akustik (Underwater Acoustic - UWA) dik frekans bölmeli çoğullama (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) sistemi tasarladık ve gerçekledik. Son zamanlarda, petrol yatağı görüntüleme, oşinografik veri toplama, deniz arkeolojisi, ve afet önleme gibi uygulamalar için haberleşme imkanları keşvetmeye yönelik artan bir ilgi olduğundan, UWA haberleşmesi daha fazla cazibe toplamaktadır. Ancak, sualtı ortamlarının sert karakteristikleri, bu ortamda haberleşme yapmanın önüne çeşitli zorluklar çıkarmaktadır. Dolayısıyla, yüksek veri hızına sahip güvenilir bir UWA haberleşme sistemi ortaya çıkarmak, bu uygulamaların performansını önemli ölçüde arttırabilir. UWA haberleşmesi, düşük veri hızlarından müzdarip olduğundan, UWA kanalında yüksek hızları desteklemek için adaptif bir OFDM haberleşme sistemi öne sürüyoruz. OFDM, frekans seçici kanallardan kaynaklı simgelerarası girişiminden tamamen kurtulmayı sağlaması sebebiyle, sualtı kanalları için çekici bir tekniktir. Ek olarak, adaptif haberleşme, veri iletim hızında önemli iyileştirmeler sağlayabilmektedir. Gerçekleme adına, OFDM bloklarını üretmek için LabVIEW yazılımını kullandık. Üretilen veri, alıcı tarafına Yazılım Tabanlı Radyo (USRP) yardımıyla ve akustik ön uçlar ile iletildi. Akustik hidrofonlarda alınan veri, USRP'lere iletildi ve bilgiyi elde etmek üzere LabVIEW ile işlendi. Öne sürdüğümüz sistemin performansını gerçek bir UWA kanalında test etmek için deneylerimizi bir havuzda gerçekleştirdik.