Détection multi-utilisateurs pour un réseau de modems acoustiques sous-marins furtif

Multi-user Detection for an Underwater Acoustic Network Modems with Low Probability of Intercept

• Auteur / Autrice : Karim Ouertani
• Direction : Samir Saoudi
• 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

Accès multiple par différence de code

Acoustique sous-marine

Résumé

Pour certaines applications, le besoin de recourir à des communications furtives est essentiel, notamment pour des transmissions militaires. Le canal acoustique sous-marin est un milieu naturellement très bruité. Les transmissions de données par voie acoustique sous-marine posent un certain nombre de challenges. Le premier est celui d'un canal à trajets multiples sélectif en fréquences fortement bruité, dû aux nombres de réfractions et réverbérations de l'onde acoustique dans le milieu marin. D'où l'importance de l'estimation des paramètres du canal, qui permettent de remédier à ces phénomènes introduits sur les données transmises au cours de leur propagation et pour qu'ils n'affectent pas les performances des détecteurs multi-utilisateurs considérés. La condition de furtivité des communications impose le recours à des techniques d'étalement du spectre des signaux dans le but de dissimuler les transmissions dans le bruit ambiant du canal. Cette thèse se place dans le cadre d'une étude sur la transmission de données sur un canal acoustique sous-marin, pour un réseau de modems furtifs. Elle traite de la détection multi-utilisateurs pour des systèmes d'étalement de spectre par séquence directe et d'accès multiple à répartition par code (DS-CDMA) et de l'estimation de la réponse impulsionnelle du canal acoustique sous-marin multi-trajets à faible rapport signal à bruit (RSB). Elle fait suite à un contrat de collaboration entre Telecom Bretagne et ses partenaires industriels Sercel UAD et le Gesma. L'objectif est d'établir un système de communication multi-utilisateurs fiable à bas débit et à très faible RSB afin d'assurer des communications furtives pour un réseau de modems acoustique sous-marin furtif. Un dépouillement de données réelles suite à des essais en mer a permis de démontrer la robustesse et les performances du système proposé.

For some applications the need for stealth and covert communications is crucial, especially for military purposes. The underwater acoustic channel is very noisy environment. It is subjected to multiple noise sources, reflections and refractions of acoustic waves, which creates multipath. Considering the multipath nature of the underwater acoustic channel and the transmission of acoustic waveforms at very low signal to noise ratio (SNR) as the need for low probability of intercept (LPI) is essential for our application, we propose a transmission scheme based on direct sequence spreading spectrum and code division multiple access (DS-CDMA). We present the receivers structures for this transmission method and we evaluate their performance. We study the performance of the proposed receivers for Rayleigh fading multipath channels in presence of multiuser access interference. The receivers structures allow both the channel parameters estimation by using a bench of matching filters to the spread code sequences of each user and to exploit the spatial diversity of the underwater acoustic channel by the mean of a coherent recombination of the different paths energy contributions, after the channel estimation (MRC : maximum ratio combining). The channel parameters, paths time delays and channel coefficients, are estimated at the output of matched filters at symbol rate. We show that we can potentially improve the system performance by implementing a successive interference cancellation method. The results obtained establish that the proposed system achieves excellent and robust performance at very signal to noise ratio. The convergence of the successive interference cancellation structure is achieved with no more than three iterations. At last, we introduce channel coding that allows us to improve the overall system performance along with its robustness by using error-correcting codes. Some of the developed algorithms were implemented and tested on real data procured by a sea trials campaign conducted off the coast of Brittany at Rade de Brest and in the Mediterranean Sea.