Space-frequency coded OFDM for underwater acoustic communications

Abstract

[ANGLÈS] In recent years, the growing number of oceanographic applications that rely on underwater communications has motivated extensive research in the field. These scientific projects usually require data acquisition from sensor networks or the use of unmanned underwater vehicles. One method to establish communication with such underwater systems is through the use of wired links. However, cables are hard to install or repair at certain depths, and can dramatically limit the mobility of both communication ends. Underwater wireless communications do not have such constraints and therefore present a much more attractive approach for underwater data transfer. Electromagnetic waves typically provide higher throughputs than any other wireless communication method. However, they suffer from tremendous attenuation in water mediums. Consequently, underwater radio communications are only applicable to very short range high-speed links. For general purpose communications, acoustic waves are the preferred method. The fact that the wave propagation speed is five orders of magnitude smaller causes serious issues, such as long end-to-end delays and extreme Doppler distortion produced by the relative motion between transmitter and receiver. The underwater channel also suffers from multipath propagation produced by wave refraction, as well as reflections from the surface and the sea bed. The aforementioned issues complicate the design of an underwater acoustic system, which is able to offer both reliability and a reasonable communication speed at the same time. The aim of this work is to increase the robustness of the state-of-the-art underwater communication schemes. We achieve this goal using multiple transmitting and receiving elements, where each transmitter-receiver combination counts as an additional communication channel. The increased number of parallel channels drastically reduces the the error probability of the link, i.e. the probability that all channels are experiencing simultaneous fading. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is considered for frequency-selective underwater acoustic (UWA) channels as it offers low complexity of fast Fourier transform-based (FFT) signal processing, and ease of reconfiguration for use with different bandwidths. In addition, by virtue of having a narrowband signal on each carrier, OFDM is easily conducive to multi-input multi-output (MIMO) system configurations. MIMO systems have been considered for UWA channels both for increasing the system throughput via spatial multiplexing and for improving the systems performance via spatial diversity. The focus of our present work is on transmit diversity, which we pursue through the use of Alamouti coding applied across the carriers of an OFDM signal. Space-frequency block coding (SFBC) is chosen over traditional space-time block coding (STBC) as better suited for use with acoustic OFDM signals. Namely, while the Alamouti coherence assumption may be challenged between two adjacent OFDM blocks on a time-varying acoustic channel, it is expected to hold between two adjacent OFDM carriers: frequency coherence assumption coincides with the basic OFDM design principle which calls for carriers to be spaced closely enough that the channel transfer function can be considered flat over each sub-band. Previous studies in radio communications have also revealed situations in which SFBC outperforms STBC. Two types of approaches have been considered for MIMO OFDM acoustic systems: nonadaptive, where each block is processed independently using pilot-assisted channel estimation, and adaptive, where coherence between adjacent blocks is exploited to enable decision-directed operation and reduce the pilot overhead. Both approaches require front-end synchronization for initial Doppler compensation through signal resampling. Front-end processing remains unchanged for multiple transmitters if they are co-located and experience the same gross Doppler effect. Otherwise, multiple resampling branches may be needed to compensate for transmitter-specific Doppler shifting. Leveraging on the adaptive MIMO-OFDM design, we develop a receiver algorithm for the SFBC scenario. Specifically, we decouple the channel distortion into a slowly-varying gain and a faster-varying phase, which enables us to track these parameters at different speeds. For estimating the channel, we use either the orthogonal matching pursuit (OMP) algorithm or a newly developed algorithm based on least squares with adaptive thresholding (LS-AT). This algorithm computes the full-size LS solution to the impulse response (IR) domain channel representation, then truncates it to keep only the significant IR coefficients. However, unlike the typical truncated LS solutions which use a fixed truncation threshold, the threshold is determined adaptively so as to provide a proper level of sparseness. LS-AT is found to perform close to OMP, at a lower computational cost. Once an initial channel estimate is formed, its tracking continues via time-smoothing. Simultaneously, an estimate of the residual Doppler scale is made for each of the two transmitters, and this estimate is used to predict and update the carrier phases in each new OFDM block. The advantages of Alamouti SFBC are contingent upon frequency coherence, which increases as more carriers are packed within a given bandwidth (the bandwidth efficiency simultaneously increases). However, there is a fine line after which inter-carrier interference (ICI) will be generated, and this line should not be crossed if simplicity of Alamouti detection is to be maintained. We assess this trade-off through simulation and experimental data processing, showing the existence of an optimal number of carriers and an accompanying transmit diversity gain.

[CASTELLÀ] En los últimos años, el volumen de investigación en el campo de las comunicaciones subacuáticas ha aumentado de forma considerable. La nueva variedad de aplicaciones científicas como, por ejemplo, el control de la polución y las especies marinas autóctonas, la monitorización de movimientos sísmicos del suelo marino o la exploración subacuática del hielo del Ártico, entre otras, han motivado su investigación más allá de las aplicaciones militares. Estas aplicaciones requieren, en la mayoría de casos, el uso de redes de sensores o de vehículos subacuáticos no tripulados, que habitualmente se comunican mediante redes inalámbricas a fin de evitar las restricciones de movilidad y la complejidad que supone la instalación de cableado submarino. La fuerte atenuación que sufren las ondas electromagnéticas en el medio acuático restringe su uso exclusivamente a enlaces de alta capacidad pero corto alcance del orden de centímetros. Las comunicaciones de propósito general se establecen mediante ondas acústicas. En estos casos, la velocidad de propagación de onda es cinco órdenes de magnitud inferior y juega un rol muy importante, debido a que los retrasos de propagación en enlaces de pocos kilómetros son del orden del segundo. Además, el movimiento relativo entre transmisor y receptor genera una severa distorsión por efecto Doppler que requiere procesado de señal adicional en el receptor. El canal subacuático también se caracteriza por la propagación multicamino, provocada por refracción y las reflexiones de la onda con la superficie y el fondo marino. Las dificultades mencionadas complican el diseño de un sistema que sea a la vez fiable y tenga una capacidad de transmisión razonable. El objetivo de este proyecto es diseñar un sistema que transmite códigos espacio-frecuencia, con la finalidad de obtener diversidad en transmisión y mejorar de forma notable la calidad del enlace de comunicaciones. La motivación para investigar los códigos espacio-frecuencia se basa en el hecho que recientemente se han obtenido resultados esperanzadores con el uso de códigos espacio-tiempo. No obstante, la variación de canal limita de forma considerable el rendimiento de los códigos espacio-tiempo, ya que el código se extiende a más de un bloque temporal. El objetivo es evitar este efecto cambiando la dimensión temporal por frecuencia aún manteniendo la estructura y beneficios del código original. Así, las diferentes partes del código son multiplexadas de forma simultánea en diferentes frecuencias y la transmisión completa del código se consigue con un solo uso de canal. En este proyecto se utiliza como modulación el multiplexado en división de frecuencia ortogonal (OFDM), principalmente porqué ofrece un método muy sencillo para ecualizar canales selectivos. La modulación OFDM también ofrece una versatilidad muy interesante para reconfigurar el ancho de banda y el espaciado entre frecuencias portadoras. Además, el uso combinado de OFDM y los sistemas multiple-input multiple-output (MIMO) simplifica notablemente el procesado de señal, ya que cada portadora puede ser tratada como un canal no selectivo. Los sistemas MIMO se usan en canales acústicos subacuáticos tanto para incrementar la velocidad de transmisión como para mejorar el rendimiento de los sistemas aprovechando la diversidad espacial. En nuestro caso, se usa un sistema MIMO con el objetivo de obtener diversidad en transmisión a partir del uso de códigos Alamouti transformados al dominio frecuencial. Los códigos bloque espacio-frecuencia (SFBC) son más adecuados para la modulación OFDM que los códigos espacio-tiempo (STBC). Esto se debe a que los bloques OFDM suelen tener una duración considerable que puede comprometer la condición de coherencia, la cual exige un canal constante durante todos los bloques que conforman el código. Cuando se usan códigos SFBC, la coherencia de canal debe ser respetada de la misma manera pero durante dos portadoras adyacentes. Afortunadamente este requisito coincide con la condición de diseño de la modulación OFDM, en la cual las portadoras adyacentes deben ser suficientemente cercanas como para que el canal pueda considerarse constante. En la literatura encontramos resultados recientes para comunicaciones radioeléctricas que demuestran situaciones en las que los códigos SFBC tienen un rendimiento superior a los códigos STBC. Existen principalmente dos tipos de receptores MIMO-OFDM para comunicaciones subacuáticas: no adaptativos, en los que cada bloque se procesa independientemente de los demás y el canal se estima usando símbolos piloto, y adaptativos, en los que se aprovecha la coherencia del canal entre bloques consecutivos para hacer predicciones del canal futuro y reducir el número total de símbolos piloto. En ambos casos se requiere una etapa de sincronización y corrección de la distorsión Doppler, que se aplica de la misma manera en todos los receptores si estos se encuentran co-localizados. En caso contrario la compensación se realiza con un algoritmo de compensación paralela. El diseño del algoritmo de recepción para códigos SFBC está basado en el receptor MIMO-OFDM adaptativo. El receptor separa el canal en dos factores: la amplitud del canal, que tiene una variación lenta, y una fase de variación rápida. La esencia del receptor es la posibilidad de estimar estos parámetros de forma paralela a diferentes velocidades. Para la estimación de canal se utilizan alternativamente el método OMP, o bien un nuevo algoritmo presentado en este proyecto basado en estimación por mínimos cuadrados con un umbral de truncamiento adaptativo. El nuevo método, que se denomina least squares with adaptive thresholding (LS-AT), trunca la respuesta impulsional del canal con la finalidad de mantener solamente los coeficientes relevantes. En este caso, a diferencia de los métodos habituales de truncamiento con umbral fijo, el umbral se determina de forma adaptativa para ofrecer la mejor separación posible entre canal y ruido. El algoritmo LS-AT ofrece un rendimiento muy cercano al del algoritmo OMP pero requiere una carga computacional considerablemente menor. Los beneficios del uso de códigos espacio-frecuencia se evalúan mediante simulación matemática y también con transmisiones experimentales realizadas en el océano Atlántico. Los beneficios obtenidos están estrechamente ligados a la condición de coherencia en el dominio frecuencial, de modo que la ganancia es mayor cuando se disminuye el espaciado entre portadoras. A la vez que se reduce el espaciado frecuencial, la longitud temporal del bloque OFDM aumenta y se observa la aparición de interferencia inter-portadora (ICI), la cual degrada notablemente el rendimiento. En los resultados se observa que el efecto de este compromiso lleva a la existencia de un número óptimo de portadoras.

[CATALÀ] En els últims anys el volum d'investigació en el camp de les comunicacions subaquàtiques ha augmentat considerablement. L'increment en el nombre d'aplicacions científiques, com per exemple el control de la pol·lució i les espècies marines autòctones, la monitorització de moviments sísmics del sòl marí o l'exploració subaquàtica del gel de l'Àrtic, entre d'altres, ha motivat la recerca més enllà del camp militar. Aquestes aplicacions requereixen, en la majoria de casos, l'ús de xarxes de sensors o de vehicles subaquàtics no tripulats, que habitualment es comuniquen utilitzant xarxes sense fils a fi d'evitar les restriccions de mobilitat i la complexitat que suposa la instal·lació de cablejat submarí. La forta atenuació que pateixen les ones electromagnètiques en el medi aquàtic fa que el seu ús es restringeixi només a enllaços d'alta capacitat però curt abast, de l'ordre de centímetres. Les comunicacions de propòsit general s'estableixen mitjançant ones acústiques. En aquests casos, la velocitat de propagació d'ona és cinc ordres de magnitud inferior i juga un paper molt important, a causa que els retards de propagació en enllaços de pocs quilòmetres són de l'ordre de segons. A més, el moviment relatiu entre transmissor i receptor genera una severa distorsió per efecte Doppler que requereix processament de senyal addicional en l'etapa de recepció. El canal subaquàtic també es caracteritza per la propagació multicamí, provocada per les reflexions de l'ona amb la superfície i el fons marí, així com la refracció produïda pel medi. Les dificultats esmentades compliquen molt el disseny d'un sistema que sigui alhora fiable i amb una capacitat de transmissió raonable. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny d'un sistema que transmet codis espai-freqüència, amb la finalitat d'obtenir diversitat en transmissió i millorar de forma notable la qualitat de l'enllaç de comunicacions. La motivació per a investigar els codis espai-freqüència recau en el fet que recentment s'han obtingut resultats esperançadors amb l'ús de codis espai-temps. No obstant això, també s'ha comprovat que la variació del canal limita molt el seu rendiment, ja que un sol codi s'estén a més d'un bloc temporal. L'objectiu és evitar aquest efecte canviant la dimensió temporal per la freqüencial però mantenint l'estructura i els beneficis del codi espai-temps. D'aquesta manera, les diferents parts del codi es poden multiplexar simultàniament en diferents freqüències i la transmissió completa s'assoleix en un sol bloc, i.e. un sol ús del canal. En aquest projecte s'utilitza com a modulació la multiplexació en divisió de freqüència ortogonal (OFDM per les seves sigles en anglès), principalment perquè ofereix un mètode molt senzill per equalitzar els canals selectius. La modulació OFDM també ofereix una versatilitat molt interessant pel que fa a la reconfiguració de l'ample de banda i l'espaiat de portadores. A més, l'ús combinat de l'OFDM i els sistemes multiantena (MIMO) simplifica molt el processament de senyal, ja que cada portadora pot ser tractada com un canal no selectiu. Els sistemes MIMO s'utilitzen en canals acústics subaquàtics tant per incrementar la velocitat de transmissió (multiplexatge en espai), com per millorar el rendiment dels sistemes aprofitant la diversitat espacial. En el nostre cas, el sistema MIMO s'utilitza per aconseguir diversitat en transmissió a partir de l'ús del codi d'Alamouti emprat en domini freqüencial. Els codis de bloc en espai-freqüència (SFBC) són més adequats per a la modulació OFDM que els codis espai-temps (STBC). Això és degut a que els blocs OFDM solen tenir una durada considerable que pot comprometre la condició de coherència, la qual requereix que el canal es mantingui constant durant tots els blocs temporals que ocupa el codi. Pel que fa als codis SFBC, aquesta coherència del canal s'ha de respectar per dues freqüències portadores consecutives. Afortunadament, aquest requisit coincideix amb la condició de disseny de la modulació OFDM, en la qual les portadores adjacents han de ser prou properes com perquè el canal es pugui considerar constant entre l'una i l'altra. A la literatura hi trobem resultats recents per comunicacions radioelèctriques que proven que hi ha situacions en les quals els codis SFBC tenen millor rendiment que els STBC. Existeixen principalment dos tipus de receptors MIMO-OFDM en comunicacions subaquàtiques: no adaptatius, en els quals cada bloc rebut és processat independentment dels altres i el canal s'estima mitjançant símbols pilot, i adaptatius, els quals aprofiten la coherència del canal entre blocs consecutius per fer prediccions de la futura funció de transferència i així reduir el nombre de símbols pilot. En tots dos casos cal una primera etapa de sincronització i correcció de la distorsió Doppler, la qual es fa de la mateixa manera en tots els receptors si aquests es troben co-localitzats. En cas contrari, cal un algorisme de compensació paral·lela. El disseny de l'algorisme de recepció per codis SFBC està basat en el receptor MIMO-OFDM adaptatiu. Més concretament, el receptor separa el canal en dos factors: el guany del canal, que té una variació lenta, i una fase que varia ràpidament. L'essència del receptor és que pot estimar aquests dos paràmetres a diferents velocitats. Per a estimar el canal s'utilitza tant el mètode OMP com un nou algorisme que es presenta en aquest treball, el qual està basat en una estimació per mínims quadrats amb un llindar de truncament adaptatiu. Aquest últim, anomenat least squares with adaptive thresholding (LS-AT), pren la resposta impulsional del canal i la trunca a partir d'un llindar amb la finalitat de mantenir només els coeficients rellevants. En aquest cas, a diferència dels mètodes habituals de truncament amb llindar fix, el llindar es determina de forma adaptativa per oferir la millor separació possible entre coeficients significants i soroll. L'algorisme LS-AT ofereix un rendiment molt semblant a l'OMP amb una càrrega computacional molt més baixa. Un cop el receptor obté una primera estimació del canal, fa un seguiment de la variació del guany per millorar l'estimació dels blocs futurs. Al mateix temps, també mesura el factor Doppler de cada un dels transmissors per fer una predicció de la fase per al proper bloc OFDM. Els beneficis de l'ús de codis espai-freqüència s'avaluen en aquest projecte mitjançant simulació matemàtica i transmissions experimentals realitzades a l'oceà Atlàntic. El guany observat es troba estretament lligat amb la condició de coherència en el domini freqüencial, de manera que el guany és major quan es disminueix l'espaiat entre portadores. Paral·lelament, per espaiats freqüencials menors, la longitud del bloc OFDM augmenta i es comença a observar l'aparició d'interferència inter-portadora (ICI), que degrada notablement el rendiment. En els resultats s'observa l'efecte d'aquest compromís entre coherència temporal i freqüencial, el qual porta a l'existència d'un nombre òptim de portadores.