Estudio y simulación de la ecualización de comunicaciones acústicas submarinas

Córdoba González, Pedro (2020). Estudio y simulación de la ecualización de comunicaciones acústicas submarinas. Thesis (Master thesis), E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM).

Description

Title: Estudio y simulación de la ecualización de comunicaciones acústicas submarinas
Author/s:
  • Córdoba González, Pedro
Contributor/s:
  • López Navarro, Juan Manuel
  • Corregidor Luna, Daniel
Item Type: Thesis (Master thesis)
Masters title: Ingeniería Acústica
Date: October 2020
Subjects:
Freetext Keywords: Acústica submarina
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Telemática y Electrónica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En la actualidad las comunicaciones acústicas submarinas en aguas poco profundas (de 10 a 200 metros de profundidad) son un tema de investigación en pleno desarrollo ya que representan el 8% de los océanos y mares de la Tierra. Estas regiones son importantes porque están cerca de las poblaciones humanas y representan gran parte de las zonas económicas exclusivas de las naciones costeras, siendo una de las aplicaciones más estudiadas en la actualidad, el despliegue de redes de sensores con aplicaciones como el control de la contaminación o la predicción de desastres naturales. Este tipo de comunicaciones es una de las que más retos presenta, no siendo hasta hace unos años cuando de verdad se empieza a considerar el despliegue en este tipo de aguas de redes de comunicaciones submarinas. Uno de los elementos más importantes en la realización de comunicaciones en este tipo de canales y uno de los principales encargados de resolver muchas de estas dificultades que éstos producen en la señal es la ecualización. El objetivo de este trabajo es el estudio y simulación de un caso concreto de comunicación acústica submarina que se desarrolla en aguas poco profundas, este caso se trata de una comunicación vertical haciendo uso de salvas entre un transmisor (sensor) en el fondo marino y un receptor cerca de la superficie. En este documento nos centraremos en el estudio y el análisis del rendimiento obtenido por los diferentes tipos de ecualización propuestos, haciendo hincapié en las características que éstos presentan. Los ecualizadores que se han propuesto en este documento se dividen en dos tipos. En primer lugar, se han estudiado los que se basan en las estimación del canal como son el zero-forcing equalizer (ZFE) y el ecualizador mínimum mean-squared error (MMSE). Por otro lado, se ha estudiado la utilización solo para las modulaciones de portadora única de los ecualizadores adaptativos, donde se ha utilizado un ecualizador lineal y un ecualizador no lineal, el decisión feedback equalizer (DFE). Para la realización de las pruebas del rendimiento presentado por los ecualizadores propuestos se hacen simulaciones en dos tipos de canales uno con 200 metros y otro con 400 metros de profundidad. En dichos canales se simula el uso de diferentes tipos de modulación incluyendo modulaciones en fase de portadora única como BPSK y QPSK, y esquemas de modulación multiportadora, donde se ha hecho uso de la OFDM-QPSK. Para cada una de estas variantes se mide el rendimiento obtenido por los ecualizadores propuestos en función de la relación señal a ruido de las señales recibidas. Teniendo en cuenta lo estudiado se puede decir que se ha probado que la inclusión de ecualizadores adaptativos no lineales mejora significativamente el rendimiento obtenido de las comunicaciones acústicas en aguas poco profundas. Por otro lado, se ha observado que el uso del esquema de modulación OFDM en estos canales que se consideran selectivos en frecuencia, puede suponer una ventaja con respecto a las comunicaciones de portadora única. Abstract: Currently, underwater acoustic communications in shallow waters (from 10 to 200 meters deep) are a research topic in full development since they represent 8% of the Earth's oceans and seas. These regions are important because they are close to human populations and represent a large part of the exclusive economic zones of coastal nations. One of the most studied applications at present is the deployment of sensor networks with applications such as pollution control or natural disaster prediction. This type of communications is one of the most challenging, and it was not until a few years ago that the deployment of underwater communications networks was really being considered. The equalization is one of the most important elements in the realization of communications in this type of channel and one of the main ones in charge of solving many of these difficulties that this type of channel produce in the signal. The main goal of this work is the study and simulation of a specific case of underwater acoustic communication that takes place in shallow waters, this case is a vertical communication using bursts between a transmitter (sensor) on the bottom and a receiver near the surface. In this document we will focus on the study and analysis of the performance obtained by the different types of equalization proposed, emphasizing the characteristics that they present. The equalizers that have been proposed in this document are divided into two types. First, those based on channel estimates such as the zero-forcing equalizer (ZFE) and the minimum mean-squared error equalizer (MMSE) have been studied. On the other hand, the use of adaptive equalizers has been studied only for single-carrier modulations, where a linear equalizer and a non-linear equalizer have been used. The decision feedback equalizer (DFE) was used as the non-linear equalizer. To carry out the tests of the performance presented by the proposed equalizers simulations are made in two types of channels, one at 200 meters and another at 400 meters deep. In these channels, the use of different types of modulation is simulated, including single-carrier phase modulations such as BPSK and QPSK, and multi-carrier modulation schemes, where the OFDM-QPSK has been used. For each of these variants, the performance obtained by the proposed equalizers is measured as a function of the signal-to-noise ratio of the received signals. Taking into account what has been studied, it can be said that it has been proven that the inclusion of non-linear adaptive equalizers significantly improves the performance obtained of acoustic communications in shallow water. On the other hand, it has been observed that the use of the OFDM modulation scheme in these channels, which are considered to be frequency selective, can be an advantage over single-carrier communications.

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Item ID: 67257
DC Identifier: https://oa.upm.es/67257/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67257
Deposited by: Biblioteca Universitaria Campus Sur
Deposited on: 26 May 2021 13:58
Last Modified: 26 Jul 2021 22:30
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