Medida y caracterización del canal acústico submarino para la evaluación de comunicaciones OFDM

Abstract

El propósito de este TFG es medir y caracterizar el canal acústico submarino en aguas poco profundas y evaluar una posible comunicación acústica mediante OFDM. El TFG está integrado dentro del proyecto Herakles (Harnessing electromagnetic underwater communication networks by self-configurable deployments), donde además del IDeTIC – Universidad de Las Palmas De Gran Canaria, también participan la Universidad Politécnica de Madrid y la Plataforma Oceánica de Canarias. El contexto que justifica esta tarea viene de la necesidad de monitorizar las aguas costeras para mejorar su calidad, y como solución, se ha estudiado la posibilidad de implementar redes de sensores inalámbricos que necesitan comunicarse largas distancias mediante ondas acústicas. Dado que el canal acústico submarino en aguas poco profundas dispersivo en el tiempo y dispersivo en frecuencia, está considerado como uno de los canales que más desafíos presentan a la hora de diseñar un sistema de comunicaciones. Para estudiar el canal, fue necesario llevar a cabo campañas de medidas y el procesado y análisis de los datos adquiridos para obtener la caracterización del canal. Se realizaron dos campañas de medidas, una en un entorno controlado (una piscina de agua salada), donde fue probado el software de medida, y otra en el entorno real (en el puerto de Taliarte), donde fueron obtenidos los datos necesarios para la caracterización del canal. En las pruebas realizadas se midieron tanto la respuesta en frecuencia, como la respuesta al impulso del canal. Dado que la modulación OFDM es muy robusta frente a canales dispersivos, una de las pruebas realizadas fue probar la viabilidad de la comunicación entre dos módems OFDM desarrollados por el IDeTIC, cuya frecuencia central de ancho de banda máximo es de 25 kHz. Se realizaron medidas de la atenuación que presenta el canal a varias distancias y de la velocidad de propagación de las ondas acústicas en el medio submarino. De ambas medidas se obtuvieron resultados que se ajustaban a los modelos teóricos generalmente usados en el canal acústico submarino. Desde el punto de vista temporal, se obtuvo que el retardo máximo de las componentes multitrayecto depende en gran medida de la distancia entre transmisor y receptor. Además, debido al movimiento del agua del mar, el canal produjo una dispersión Doppler de unos 3 Hz en nuestras medidas, lo cual corresponde a un tiempo de coherencia del canal de 0.3 segundos. En el dominio frecuencial, se obtuvo una respuesta del canal en la cual las bajas frecuencias (0-25 kHz) presentaban una atenuación de 25 dB en comparación a frecuencias más altas (0- 100 kHz), debido a la respuesta en transmisión de los hidrófonos utilizados. Finalmente, la prueba con los módems OFDM se realizó a 2, 4 y 6 metros de distancia, siendo posible la comunicación solo a 2 y 4 metros. De aquí concluimos que para que sea posible una comunicación a mayores distancias, la frecuencia de los módems debería ser aumentada a 80 kHz, donde se obtiene la mejor respuesta de los hidrófonos. En líneas futuras del proyecto, se realizarán mas campañas de medidas en diferentes entornos submarinos con diferentes condiciones marinas, para obtener una idea del comportamiento del canal en diferentes condiciones y cómo afectaría a la comunicación

The purpose of this TFG is to measure and characterize the underwater acoustic channel in shallow waters and to evaluate a basic OFDM acoustic communication. The TFG is integrated in the project “Harnessing electromagnetic underwater communication networks by self-configurable deployments (Herakles)” where apart from the collaboration of IDeTIC-Universidad de Las Palmas de Gran Canaria the Universidad Politécnica de Madrid and Plataforma Oceánica de Canarias have also participated. The context which justifies these tasks can be found in the need of monitoring coastal surroundings to improve the quality of their waters, and as a solution, the possibility of installing underwater wireless sensor networks which need to communicate over long distances by means of acoustic waves. Since the subaquatic acoustic channel in shallow waters is time dispersive and frequency dispersive, it is considered as one of the most challenging when designing a communication system. To study the channel, it was necessary to develop measurement campaigns and to process and analyse the data acquired to obtain the characterization of the channel. Two different measurement campaigns have been carried out, one in a controlled environment (in a swimming pool filled with sea water), where the measurement software developed was tested, and another one in a real environment (in Taliarte’s harbour), where the necessary data to characterize the channel was acquired. There were conducted tests in which we measured the frequency response and the impulse response of the channel. Since OFDM modulation is very robust when transmitted in a dispersive channel, one of the tests carried out was to verify the feasibility of the communication between two OFDM modems developed by IDeTIC which maximum bandwidth central frequency is 25 kHz. We measured the attenuation of the channel in different distances and the propagation velocity of the acoustic waves in water, and both agreed with the theorical models generally used in the subaquatic acoustic channel. From the temporal point of view, we obtained that the maximum delay of the multipath rays depends highly on the distance between the transmitter and the receiver. Furthermore, caused by the motion of the seawater, the channel caused a 3 Hz Doppler spread in our measures, which makes the coherence time of the channel 0.3 secs. In the frequency domain, we obtained a channel response in which the low frequencies (0 – 25 kHz) presented an attenuation of 25 dB in comparison to the higher frequencies (60 - 100 kHz) due to the transmission characteristics of the used hydrophones. Finally, the modems test was conducted with 2, 4 and 6 meters of separation, the communication being only possible in 2 and 4 meters. We concluded that in order to have a correct communication in a longer range, the frequency of the modems should be upraised to 80 kHz, where we obtained the best response of the channel. In the future lines of the project, we shall carry out more measurement campaigns in different marine environments in different water conditions to obtain a view of the channel behaviour under different conditions and how it might affect the communications.