Underwater Acoustic Communications over Strongly Dispersive Channels in Time and Frequency : An Information Theoretic Perspective
Communications acoustiques sous-marines sur canal fortement dispersif en temps et en fréquence : point de vue de la théorie de l'information
Résumé
The underwater acoustic channel (UAC) is known to be a difficult communication medium. It generates significant temporal dispersion due to the effects of reflection and refraction, its attenuation strongly increases with the frequency, which limits the available bandwidth, and its strong variability combined with the low speed of acoustic waves induces substantial frequency dispersion. Unlike research in the field of radio communications that relies primarily on well-established propagation models, research in underwater acoustic communications does not have such models and is mostly based on sea trials. The main objective of this thesis is to show that despite our limited knowledge on the physical reality of the channel, it is possible, using appropriate theoretical tools, to determine in laboratory relevant guidelines for the selection of modulations and the validation of corresponding modems, as well as for the prediction of achievable data rates. In this context, information theory proves to be a valuable tool to infer a maximum of conclusions on the channel and induce practical guidelines on the design of transmission schemes. We first develop an information theoretic viewpoint on doubly dispersive UAC modeling that relies on the principle of maximum entropy. In a more empirical inference framework, we then propose a channel model driven by real data that is based on the assumption that a channel impulse response measured at sea is a single observation of an underlying random process. Third, we derive new bounds on the capacity of underwater acoustic channels and consider more realistic assumptions than the state-of-the-art on that topic: the channel is assumed to be doubly dispersive, the average-power and the peak-power of the input signal are assumed to be finite, and neither the transmitter nor the receiver knows the current realization of the channel (non-coherent setting). Finally, we focus on the eigen structure of the channel and seek to optimize the signalling scheme in order to find a good compromise between the intertwined notions of reliability and data rate that characterize the performance of communication systems.
Le canal acoustique sous-marin (ASM) est réputé comme difficile. Il présente à la fois des effets de réflexion/réfraction générant de la dispersion temporelle importante, une atténuation fortement croissante avec la fréquence qui restreint la bande-passante disponible, ainsi qu'une forte variabilité du milieu, qui, combinée avec une faible célérité des ondes acoustiques, induit une dispersion fréquentielle conséquente. Contrairement à la recherche dans le domaine des radio-communications qui repose principalement sur des modèles de propagations bien établis, la recherche en communication ASM ne dispose pas de tels modèles et s'appuie majoritairement sur des expérimentations en mer. L'objectif principal de ce travail de thèse est de montrer que malgré notre connaissance limitée sur la réalité physique du canal, il est possible, en utilisant des outils théoriques adaptés, de déterminer en laboratoire des directives pertinentes aussi bien pour la sélection des modulations et la validation des modems correspondants que pour les prédictions de débit. Dans ce contexte, la théorie de l'information s'avère être un outil très précieux pour inférer un maximum de conclusions sur le canal et induire des directives pratiques sur les formats de modulation. Nous développons dans un premier temps un point de vue de théorie de l'information sur la modélisation de canaux acoustiques sous-marins doublement dispersifs en s'appuyant sur le principe d'entropie maximale. Dans un cadre d'inférence plus empirique, nous proposons ensuite un modèle de canal alimenté par des données réelles qui repose sur l'hypothèse selon laquelle une réponse impulsionnelle de canal mesurée en mer n'est qu'une observation d'un processus aléatoire sous-jacent. Nous dérivons dans un troisième temps de nouvelles bornes de capacité sur le canal ASM en considérant des hypothèses plus réalistes que l'état de l'art sur le sujet : le canal est ici supposé doublement dispersif, la puissance crête limitée et la réalisation courante du canal inconnue de l'émetteur et du récepteur (contexte non-cohérent). Enfin, nous nous intéressons à la structure "propre" du canal et cherchons à optimiser la forme d'onde de transmission pour trouver un bon compromis entre les notions très intriquées de robustesse et de débit qui caractérisent les performances des systèmes de communication.
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