high speed underwater accoustic communication

7/22/2019 High Speed Underwater Accoustic Communication

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2 0 0 5I E E EI n t e m n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM i c r o w a v e ,A n t e n n a ,P r o p a g a t i o na n dE M CTe c h n o l o g i e sf o rWi r e l e s sC o m m u n i c a t i o n sP r o c e e d i n g s

H i g h - S p e e dU n d e r w a t e rA c o u s t i cC o m m u n i c a t i o nB a s e do n OFDMJ i a n g u oH u a n g ,J i n gS u n ,C h e n g b i n gH e ,X i a o h o n gS h e na n dQ u n f e iZ h a n g

C o l l e g eo fM a r i n eE n g i n e e r i n g ,N o r t h w e s t e mP o l y t e c h i i c a lU r i v e r s i t y ;X i ' a n7 1 0 0 7 2 ,C h i n aE m a i l :j g h u a n g @ n w p u e d u . c n

A b s t r a c t : Due t o m u l t i p a t hp r o p a g a t i o na n d f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ,t h e r ea r e m a n yo b s t a c l e sf o rr e l i a b l ea n d h i g hd a t ar a t eu n d e r w a t e ra c o u s t i c( U WA )c o m m u n i c a t i o n .OFDM i s a n a t t r a c t i v et e c h n i q u eb e g i n n i n gu s e d i n UWA c o m m u n i c a t i o nw i t h t h r e eo b v i o u sa d v a n t a g e s :g o o dp e r f o r m a n c ea g a i n s tm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ,a b i l i t yt o c o m b a tt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n d t h eh i g hf r e q u e n c yb a n de f f i c i e n c y.R e Q e n t l y ,t h er e s e a r c h e so f R e f s .1 ,2 ,3 ,4 ,5 f o c u so n s h o r t - r a n g eUWAc o m m u n i c a t i o n .I nt h i sp a p e r ,we p a y a t t e n t i o nt om e d i u m - r a n g e( 1 0 km) UWA c o m m u n i c a t i o nb a s e do n OFD M. AnOFDM

s y s t e mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d .S e v e r a li m p o r t a n tp r o b l e m sa r ed e s c r i b e di nw h i c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fUWAc h a n n e li sa n a l y z e d ,D o p p l e rf r e q u e n c ys h i f ti se s t i m a t e db y u s i n gc y c l i cp r e f i xa n dc o m p e n s a t e db yr e s a m p l i n gt h er e c e i v e ds i g n a l .E x p e r i m e n t si na l a k ew e r ec o n d u c t e da n d i t sp e r f o r m a n c ei s i n v e s t i g a t e d .E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t ar a t er e a c h 9 k b p sa n d 2 . 8 k b p sa t a d i s t a n c eo f 5kma n d 1 0 k mr e s p e c t i v e l yw i t ht h eb i te r r o rr a t e( B E R )b e l o w10K e y w o r d s :OFDM,U n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ,D o p p l e rc o m p e n s a t i o n ,L a k ee x p e r i m e n t s

1 . I n t r o d u c t i o na n OFDM s y s t e m f o r b r o a d b a n dUWA

O r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gc o m m u n i c a t i o n sw e r ep r e s e n t e d ,s u c ha sd e s i g n( O F D ) , o n ek i n do f m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n ,c r i t e r i a ,a n a l y s i sp r o c e d u r e sa n d s i m u l a t i o na s o n e c h a r m i n gt e c h n i q u ef o rf u t u r ew i r e l e s sr e s u l t s[ 3 ] . Ap r e l i m i n a r ya n a l y s i so fd a t af r o ma p p l i c a t i o n ,h a sh i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c ya n d a s e at r a i ls h o w e dt h a tt h ed a t ar a t ew a s4 4 0 0 b p st h ea d v a n t a g e so f c o m b a t i n gt h ef r e q u e n c ya t a r a n g eo f 1 . 2 k mb y u s i n gO F D M[ 4 ] .s e l e c tf a d i n g .I n O F D Ms y s t e m ,i n t e r s y m b o lH o w e v e r ,t h e s es y s t e m sw e r ed e s i g n e df o rUWAi n t e r f e r e n c e( I S I ) i n t r o d u c e db y m u l t i p a t hc o m m u n i c a t i o na ta d i s t a n c eo f a b o u tl k m . I np r o p a g a t i o n ,w h i c h i s v e r yp o p u l a ri n o r d e rt o e x t e n tt h eO F D Mt o m e d i u m - r a n g eu n d e r w a t e ra c o u s t i c(UWA)c h a n n e l ,c a n b e UWA c o m m u n i c a t i o n ,we d e s i g na n O F D Mr e m o v e db yu s i n gg u a r dt i m e .F o rt h e s er e a s o n s ,s y s t e mf o r 1 0k mr a n g eUWA c o m m u n i c a t i o nO F D Mh a sb e e n u s e d i n h i g h - s p e e dUWA a n d i n v e s t i g a t i o ni t s p e r f o r m a n c e .W e a l s oc o m m u n i c a t i o nr e c e n t l y[ 1 - 4 ] .T h e f i r s t c o n d u c t a n e x p e r i m e n ti n a l a k e .T h ea p p l i c a t i o ns y s t e m [ 1 ] ,w h i c h a p p l i e dD FT e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t ar a t eb a s e d f i l t e rb a n k s ,w a s u s e d i n 1 . 9k m, a r e a c h9 k b p sa n d 2 . 8 k b p sa t a d i s t a n c eo f 5 k ms h o r t - r a n g ec h a n n e l ;h o w e v e r ,t h ee f f e c t i v ed a t a a n d 1 0 k m ,r e s p e c t i v e l y ,w i t ht h eb i te r r o rr a t er a t ei s o n l y2 5 0b p s .A n e wc o h e r e n tCOFDM ( B E R )b e l o w1 0 4 .s y s t e mi sp r o p o s e dw h i c hu s e sa s p e c i a lf o r mo fp s e u d o - r a n d o mp h a s em o d u l a t e dOFDM s i g n a l 2 . T h ec h a r a c t e r i s t i c so f u n d e r w a t e ra c o u s t i c

[ 2 ] .I no r d e rt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h e c h a n n e ls y s t e m ,a f r e q u e n c yd o m a i nc o d e d d e c i s i o n2 . 1B a n d w i d t hf e e d b a c ke q u a l i z e rw a s i n t r o d u c e d ;a n d o n l ys i m u l a t i o nr e s u l t sw e r eg i v e n .T h ep a r a m e t e r so f T h e f r e q u e n c yb a n d w i d t ho f a n UWA

O - 7 8 0 3 - 9 1 2 8 - 4 / 0 5 / $ 2 0 . 0 0 O2 0 0 5I E E E . 1 1 3 5

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c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s d e t e n n i n e db y t h eUWA c h a n n e l .C o m m o n l y,i n a h o r i z o n t a lf r e q u e n c yd e p e n d e n tt r a n s m i s s i o nl o s s ,a m b i e n tm e d i u m - r a n g eUWAc h a n n e l ,t y p i c a lm u l t i p a t hn o i s ea n dr a n g e .U s u a l l y ,t h eb a n d w i d t ho f t h i s s p r e a d sa r ea b o u tl O m s .s y s t e mr a n g i n ga b o u t1 0k mi so n l yf e wk l l z .

2 . 3D o p p l e r2 . 2M u l t i p a t h

T h e r ea r et w o a s p e c t st oc a u s e t h eD o p p l e r .W i t h i nt h el i m i t e db a n d w i d t h ,t h es i g n a li s T h ef i r s to n e i s t h em o t i o no f s e as u r f a c e sa n d

s u b j e c tt o m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n t h r o u g hc u r r e n t s .T h u s ,t h eUWA c h a n n e li s a d o u b l eu n d e r w a t e rc h a n n e l .M u l t i p a t hp r o p a g a t i o n s p r e a dc h a n n e l .T h es e c o n do n e i s t h er e l a t i v ec a u s e sI S Iw h i c hr e s t r i c t st h ed a t at h r o u g h p u t sm o t i o n b e t w e e n t r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r .a n d d e g r a d e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e .Fo r t h i s N o r m a l l y ,D o p p l e rs h i f ti s m u c hl a g e rt h a nr e a s o n ,t h eUWA c h a n n e li m p u l s er e s p o n s ei s D o p p l e rs p r e a da n dh a st ob ec o m p e n s a t e di nt h er e p r e s e n t e db y r e c e i v e r ,e s p e c i a l l yf o rOFDMs y s t e m ,w h i c hi s

h ( v ;i )= a ,( 1 ) 3 [- ( i ) ] v e r ys e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e t( 1 )

h t a n d ( t ) c a n b e e x p r e s s e d3 . OFDM s y s t e mf o r m e d i u m - r a n g eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n

a sr a n d o mp r o c e s s e sd u e t o t i m ev a r a b i l i t yo f 3 . 1s y s t e mc o n f i u g r a t i o n

n p u tD a t a

( a )T r a n s m i t t e r

R e c e i v e d H y d r o p h o n eA I D D o p p l e r S / P R e m o v e F E T C h a n n e l/ S DemodulationS i g n a l C o m p e n s a t e C P e q u a l i z a t i o n

( b )R e c e i v e rF i g .1 .B l o c kd i a g r a m so fUWAO F D Ms y s t e m

F i g .1 s h o w ss i m p l i f i e db l o c kd i a g r a m so f c o m p e n s a t e de f f e c t i v e l yb y r e s a m p l i n g( u s i n gaUWAO F D Ms y s t e m . s a m p l i n gr a t e( 1 +A) / Ti nt h er e c e i v e rd i f f e r e n t

I n t h et r a n s m i t t e r ,t h ei n p u td a t ai s a s e r i a l f r o mt h er a t e1 F Ti nt h et r a n s m i t t e r )t h er e c e i v e db i t - s t r e a mt h a ti s t ob e m a p p e d .A f t e rt h a t ,t h e s i g n a l .I t i s f o l l o w e db y S / Pa n d F F T. T h ed a t as t r e a m sa r e c o n v e r t e df r o m s e r i a lt o c h a n n e li s e s t i m a t e db y u s i n gt h ep i l o ts i g n a l ,N - p a r a l l e dd a t as t r e a m sa n dt h e na p i l o ts i g n a li s a n dt h ep h a s ev a r i e t ym u s tb e t r a c k e di nO F D Mi n s e r t e d .T h em o d u l a t i o no fOFDM i sc o n d u c t e ds y s t e m .E q u a l i z a t i o ni s t h e ni m p l e m e n t e di nb yu s i n gI F F 1 .T h ec y c l i cp r e f i xs i g n a li su s e dt o t i m ed o m a i n .r e d u c et h e e f f e c to f 1 S Ia n de n s u r et h eo r t h o g o n a l i t yo fs u bc a r r i e r s .I t i s f o l l o w e db y 3 . 2S y s t e mp a r a m e t e r sP / Sa n dD/Ac o n v e r s i o n .

I nt h er e c e i v e r ,a c c o r d i n gt o[ 5 ] ,D o p p l e rs h i f t , Fo r a n y UWA c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ,t h ee s p e c i a l l yt h e D o p p l e rs h i f t i n d e xA \ i s m o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ri s t oc h o o s ea c a r r i e re s t i m a t e db y u s i n gc y c l i c p r e f i xa n d i s f r e q u e n c y,w h i c hi sm ai nl y d e pe nd en to n r a n g e

1 1 3 6 -



3/4

a n da m b i e n tn o i s e .B a s e do n s o n a re q u a t i o n ,t h e ms .o p t i m a lf r e q u e n c yc a nb e d e t e r m i n e db y M _ a r yd i g i t a lm o d u l a t i o nc a ni n c r e a s et h e

\ 1 1 2 d a t ar a t e ,m e a n w h i l e ,t h ed i s t r i b u t i o no fp o i n t sf o= 7- FM ) i n t h ec o n s t e l l a t i o nw i l la f f e c tt h e s y s t e m

p e r f o r m a n c e .F i g . 3s h o w st h ec o m p a r i s o no fi nw h i c h ,FMi sd e f i n e da s : d i f f e r e n tO F D Ms y s t e m su s i n gB P S K ,4QAM

FM = S L- ( N L- D I+ DT) a n d8 Q A Mm o d u l a t i o n .F r o mF i g . 3i t c a nb e( 3 ) s e e n t h a tt h i ss y s t e m i s s u i t a b l ef o r UWA

c o m m u n i c a t i o nd u et ot h el o wB E R s .

~ 2P SK

9 ~~

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ l l_l_l_l_l

8 _ | __ __ j___I___I __ ___ 10 _ _ _ - E - - - : - - - - I - _ _ _ _ _ _ - - _ - 1-~~~~~~~~~

LL _ X _ _ j _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ 10

I I~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~I2 5 3 0 3 5 4 0 ZI

i~~0~4~ 1 0 4 _ _ -e _ - -t - - _ _| - A _--===F===|====|====|=4=q===5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 i 4 0 - -- _-- ---- ;;-

Ru0m) _- ____l _ _--- - g.0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5

F i g .2 .R e l a t i o nb e t w e e nr a n g ea n df r e q u e n c y ' 6 OF i g . 3 .BERP e r f o r m a n c eo f t h r e ek i n d so f

Fo r 1 0k m UWA c o m m u n i c a t i o n ,t h eo p t i m a l m o d u l a t i o nc a r r i e rf r e q u e n c yi sa b o u t6 k H [ z . I a n

- 8 1 -u c o c o d e dT h e t r a d e - o f fa m o n go t h e rp a r a m e t e r so f -o d l e d

O F D Ms y s t e mi s m a d eb a s e do n b a n d w i d t h ,o --E-

- _ _ ' _d a t ar a t ea n d s o o n .U s u a l l y ,g u a r d i n t e r v a ls h o u l db e 2 - 4 t i m e st h er o o tm e a ns q u a r e _ _ _ = _ E _ E = = _m a x i m u mt i m ed e l a y.T a b l e ls h o w s t h e - - L _ _ - -p a r a m e t e r so ft h i ss y s t e m . - - - _ E _ _ _---_-

1 0 4- 5 0 5 10 1 5 2 0 2 5

TABLE1 OFDMUWAp a r a r n e t e r s S N R ( 4 0 )F i g . 4 .I m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c ea f t e rT u r b o

G u a r d F E T / I F F T S y m b o ld u r a t i o n codingi n t e r v a l I

o . 0 5 s 0 . 2 s 0 . 2 5 s C o m p a r e dt o2 P S Ka n d4QAM,u s i n g8 Q A M ,t h e d a t ar a t er i s e sa tt h ep r i c eo f i n c r e a s i n go fB a n d w i d t hB a n d w i d t hN u m b e ro fs u b B E R .By u s i n ge r r o r c o n t r o lc o d i n g ,t h es y s t e m

e f f i c i e n c y c a m e r p e r f o r m a n c ec a nb e i m p r o v e d .3 k H z 1 . 6 6 0 0

F i g . 4s h o w s t h e i m p r o v e m e n to f s y s t e m4 .S i m u l a t i o n sa n dE x p e r i m e n t s p e r f o r m a n c eb yu s i n g1 / 2r a t et u r b oe r r o r c o n t r o l

c o d i n g .T h ee f f e c to f D o p p l e rs h i f ti ss h o w ni nT h e p a r a m e t e r so fO F D Ms y s t e mu s e df o r F i g . 5 IT h eD o p p l e rs h i f ti n d e xi sa s s u m e dt ob e

p e r f o r m a n c es i m u l a t i o na r es h o w e di nT a b l e1 . 0 . 0 0 1 .Fo r m u l t i - c a r r i e rs y s t e m ,t h es h i f to fA l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o ns i g n a li su s e df o r c a r r i e rf r e q u e n c yw i l ll e a dt o i n t e rc h a n n e ls y n c h r o n i z a t i o n .T h e UWA c h a n n e li s b a s e d i n t e r f e r e n c e( I C I ) ,a n dw i l lb e m o r es e r i o u sf o i ro n t h er a ym o d e l ,i n c l u d i n ge i g h tp r o p a g a t i o nO F D Ms y s t e m .I t i sa d i s a d v a n t a g et h a tO F D Mp a t h sa n d t h i em a x i m u mt i m ed e l a yi sb e l o w5 0 s y s t e mi s v e r y s e n s i t i v et o f r e q u e n c ys h i f t .I f

1 1 3 7



4/4

t h e r ei s n o c o m p e n s a t i o nf o rf r e q u e n c ys h i f t , o f e x p e r i m e n t si n l a k e ,i t i ss h o w nt h a tt h i sc o r r e c td e c o d i n gw i l ln o tb em o r ee f f i c i e n tA l s o , O F D Ms y s t e mi s m o r ee f f i c i e n tf o rh i g hr a t eF i g . 5s h o w s t h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea f t e r UWA c o m m u n i c a t i o nn o to n l ya t s h o r tr a n g e ,D o p p l e rc o m p e n s a t i o n .T h e e f f e c to f Do pp l e r b u ta l s oa tm e d i u mr a n g e .

c a nb e r e m o v e db yt h i sm e t h o d .10--Reeec- z z _ t d o p p l e r c o m p e n s a t i o n Reference

. } --- -- w i t h o u t c o m p e n s t i o n

l~~~ T - -< t - - - - l - - - - t - - - t - - - -l - - - - [ 1 ] S . C o a t e l a n ,A . G l a v i e u xD e s i g na n dT e s to f A-~~~~~ 7- C o d i n gO F D MS y s t e mo n t h e S h a l l o wWa t e r

A c o u s t i cC h a n n e l .OCEANS' 9 5 ,M T S / I E E E, 1 9 9 5 ,3 : 2 0 6 5 - 2 0 7 0 .

. _ _ l _ _ _ _ L - - _ _ L _ I [ 2 ] L a m ,W. K . ,O r m o n d r o y d ,R . F.A n o v e lb r o a d b a n dCOFDM m o d u l a t i o n s c h e m e f o r r o b u s t

5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 c o m m u n i c a t i o no v e rt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a m n e l.S N R ( d B )MILCOM9 8 P r o c e e d i n g sI E E E 1 9 9 8 1 2 8 - 1 3 3F i g . 5 .E f f e c to fD o p p l e rs h i f t v o l . ' 1 .v Q l . l .

I n o r d e rt o e v a l u a t et h ep er f o r ma n c e o ft h en o F d M rs y s t o e m , v a nt h e x p e r i m e n t a n co f UWA [ 3 ] B y u n g - C h u lK i m , I - Ta iL u P a r a m e t e rS t u d yo fO F D Ms y s t e m ,a n e x p e r i m e n to f UWA O F D M Unde rwa te r C o m m u n u i c a t i o n sS y s t e m .c o m m u n i c a t i o ni n a l a k ew a s c o n d u c t e d .T h eOCEANS 2 0 0 0 M T S & I E E EC o n f e r e n c ea n d

e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ta t t h eE x h i i b i t i o n ,2 0 0 0 .p p 1 2 5 1 . - l 2 5 5v o l . 2 .

d i s t a n c eo f5 k ma n d 1 0 k m ,t h ed a t ar a t ec a nr e a c h 9 k p sa n d 2 . 8 k p sr e s p e c t i v e l yw i t h BER [ 4 ] E r l a n dS a n g f e l t ,N i t e n O l o f s s o n ,B e r n t N i l s s o n ,l e s st h a n 1 0 - 4 . To n m yO b e r g .A c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n

i n

s h a l l o ww a t e r .I n P r o c e e d i n g so f U nd er w at erD e f e r e n c e

5 . C o n c l u s ' i o n T e c h n o l o g y ,UDT 2 0 0 3 ,F r a n c e ,J u n2 0 0 4 .[ 5 ] S h a n i fB ,N e a s h a mJ , H i n t o n0 R ,A d a m sA E .A

O F D Mh a sb e e ns u c c e e d e di nt h ea p p l i c a t i o n c o m p u t a t i o n a l l ye f f i c i e n tD o p p l e rc o m p e n s a t i o ni nD ABa n dx D S L .R e c e n t l y ,i th a sb e e nu s e di n s y s t e m

f o r u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i oI E E E J o u r n a lo f O c e a n i i cE n g i n e e r i n g ,2 0 0 0 ,

UWAc o m m u n i c a t i o n .I n t h i sp a p e r ,a n O F D Ms y s t e mf o r a1 0 k mr a n g eUWAc o m m u n i c a t i o n2 5 ( l ) : 5 2 - 6 0i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d .T h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mi sa n a l y z e d .B a s e do n t h er e s u l t s

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