On the Design of Noncoherent Acoustic Underwater Communication

QC 231003

Abstract

Undervattensdomänen är ogästvänlig miljö för människor på grund av det hydrostatiska trycket som snabbt ökar med vattendjupet, vilket har lett till att undervattensrobotik blivit ett växande teknologiområde med tillämpningar inom näringsliv, miljö, och säkerhet. En stor utmaning för kabellösa autonoma undervattensfarkoster är att kommunikationen mellan antingen två drönare, eller mellan drönare och operatör på ytan, i de flesta fallen måste ske akustiskt. Samtidigt är undervattenskanalen allmänt känd som en av naturens svåraste kommunikationsmedium, på grund av begränsat frekvensområdet, kompicerad ljudpropageringsfysik, lång och tidsvarierande flervägsutbredning, samt i vissa situationer, icke-Gaussiskt bakgrundsbrus. Den stora variationen hos undervattenskanaler som observerats på olika platser, och på samma plats men vid olika tidpunkter, är dessutom en utmaning för forskningsmetodologin eftersom sjöförsök i sin natur är svåra att återupprepa. Simuleringar i inspelade kanaler med hjälp av det allmänt tillgängliga verktyget Watermark möjliggör en jämförelse mellan olika publikationer och har därför använts genomgående i denna avhandling, komplementerat med sjöförsök för att validera den interna validiteten hos simuleringsresultaten.

Ingen länklösning passar perfekt till alla kanaler, och en verktygslåda av metoder med olika informationshastighet och robusthet behövs för att ett adaptivt nätverk ska kunna utnyttja den observerade undervattenkanalens fulla potential. En länk kallas kanaloberoende om dess robusthet inte beror på kanalens egenskaper, utan enbart begränsas av förhållandet mellan signal- och bruseffekt. Den påvisade informationshastigheten för sådana länkmetoder är relativt låg; detta, tillsammans med framsteg inom andra områden såsom felrättande koder och sammanflätad synkronisering och avkodning, motiverar den fokus som tillägnas ickekoherenta metoder i avhandlingen. Det andra fokuseringsområdet är länkadaption, samt de mekanismer som krävs för dess implementation i adaptiva undervattensnätverk.

Avhandlingen ger en bakgrundsbeskrivning av olika angreppssätt inom akustisk signalering, både koherenta och ickekoherenta, samt andra nyckelkomponenter i en ickekoherent undervattenslänk, såsom symbolalfabet, datamodell hos motagaren, felrättande koder, samt synkronisering av tid och Doppler. Den bidrar också med diskussioner kring länkadaption i akustiska undervattensnätverk och forskningsmetodologi inom undervattenskommunikation. De inkluderade artiklarna tillhandahåller ett antal länkmetoder vars spektraleffektivitet är mellan 0.02-0.22 (bit/s/Hz), med olika krav på signal-brusförållande och längd på kommunikationsramen, som möjliggörs tack vare de presenterade framstegen inom ickekoherenta länkmetoder. Robustheten hos en mjuk avkodare som använder en Rice-fädande modell förbättras markant genom att begränsa signal-brusförhållandet hos modellens parametrisering; detta resultat är applicerbart på alla metoder som använder digital frekvensmodulation (FSK). Ett nytt ickekoherent symbolalfabet med upp till 1 (bit/s/Hz) spektraleffektivitet presenteras, vars dimensionalitet $M$ ökar prestandan hos en mjuk avkodare, och som är ekvivalent med så kallad on-off keying (OOK) för M=1. Ett ramverk för sammanflätad synkronisering och avkodning föreslås, som påvisats i en svår horisontell kanal med platformar vars relativa hastighet uppgick till +/- 4 (m/s). Dessutom presenteras ett ramverk för effektiv utvärdering av länkadaptionsalgoritmer, samt ett ad-hoc länkadapterande undervattensnätverk som använder implicit återkoppling med låg fördröjning, som också påvisats genom sjöförsök.

Forskningen som presenteras här har utförts som en del av Swedish Maritime Robotics Centre (SMaRC), ett nationellt tvärvetenskapligt forskningscenter finansierat av Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF). 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-337374