Amélioration des performances du traitement des interférences dans le domaine fréquentiel pour les communications acoustiques sous marines

Performence Improvement of Interferences Processing in the Frequency-domain for Underwater Acoustic Communications

• Auteur / Autrice : Abdelhakim Youcef
• Direction : Christophe Laot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Télécom Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transmission numérique

Acoustique sous-marine

Résumé

Les communications acoustiques sous-marines permettent la transmission sans fils de l'information entre la surface et le fond via l'onde acoustique. Le lien acoustique sans fils réduit l'infrastructure matérielle nécessaire par rapport aux communications sous-marines câblées, permettant ainsi un déploiement à coût limité. Néanmoins, le canal acoustique sous-marin impose de sévères limitations de par ses caractéristiques de propagation qui diffèrent largement de celles du canal hertzien. La propagation multitrajets provoquée par les réflexions multiples sur le fond et la surface, engendre de l'interférence entre symboles qui doit être compensée à la réception. De plus, le mouvement des plateformes d'émission et de réception engendre un effet Doppler qui agit sur le signal comme un phénomène de compression/dilatation temporel de la durée symbole associé à un décalage fréquentiel du spectre. L'objectif de cette thèse est de proposer des techniques d'émission/réception de faible complexité calculatoire permettant de supprimer les interférences et de réduire le taux d'erreurs binaires sous la contrainte d'une efficacité énergétique de la transmission acoustique sous-marine. La réduction en complexité est assurée par le traitement d'interférences dans le domaine fréquentiel lequel permet de minimiser la consommation énergétique du système de transmission. Dans un premier temps, nous proposons des techniques d'égalisation fréquentielle adaptative en mode piloté par décision afin de compenser et de suivre la variation temporelle du canal acoustique sous-marin. Dans un second temps, nous proposons un schéma de transmission SC-FDMA mono-utilisateur en mode distribué uniforme en insérant des intervalles de garde fréquentiels afin d'améliorer la robustesse du lien de transmission contre l'effet Doppler du canal acoustique sous-marin. Enfin, nous proposons un turbo-égaliseur fréquentiel adaptatif basé sur un traitement itératif en réception et permettant de réduire le taux d'erreurs binaires au fil des itérations. Notons qu'un traitement multi-voies est considéré à la réception afin d'améliorer le rapport signal sur bruit et que l'égalisation est optimisée conjointement avec la synchronisation de phase pour compenser d'éventuels décalages fréquentiels résiduels. Les solutions proposées dans cette thèse sont validées expérimentalement sur des signaux réels issus d'enregistrements de transmission en milieu marin.

Underwater acoustic (UWA) communications allow wireless transmission between the surface and the bottom of a subsea environment based on acoustic waves. The wireless acoustic link reduces the physical infrastructure cost compared to the cable-based underwater communications. However, underwater acoustic channel imposes severe degradations on the transmitted signal. Its propagation characteristics are widely different from those of the radio channel. The multipath propagation caused by multiple reflections on the bottom and the surface, causes intersymbol interference (ISI) which must be compensated at the receiver. Furthermore, by the movement of the transmitting and receiving platforms, the UWA channel is time-variant yielding Doppler spread which induces a compression/expansion phenomenon of the symbol duration, associated to a frequency shift of the signal spectrum. The objective of this thesis is to propose low-complexity communication techniques in the UWA channel, in order to remove interferences while ensuring energy-efficient transmission link. The reduction in complexity is achieved by treating interferences in the frequency-domain which minimizes the energy consumption of the transmission system. We first propose adaptive frequency-domain equalization techniques in a decision directed mode, in order to remove ISI and track the time-variation in the UWA channel. Then, we propose a single-user SC-FDMA transmission scheme with a uniform distributed subcarrier allocation and using frequency-domain interval guards, in order to improve the robustness of the receiver against the Doppler effect in the UWA channel. Finally, we propose an adaptive frequency-domain turbo equalizer using iterative receiver, which allows to significantly reduce the bit error rate over iterations. Note that multiple-input receiver is considered in order to benefit from the diversity combining gain to achieve a higher signal to noise ratio (SNR). Furthermore, equalization is optimized jointly with phase synchronization to compensate residual frequency offsets at the equalizer output. The performance of the proposed solutions are measured over real time-variant underwater acoustic channel in the Atlantic Ocean.