Simulation avancée du canal optique sans fil en environnement complexe

Advanced simulation of optical wireless channel in complex environment

• Auteur / Autrice : Ruqin Xiao
• Direction : Lilian Aveneau, Pierre Combeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM (Brive, Limoges, Poitiers ; 2006-....) - XLIM / XLIM
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (1896-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Chassagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Julien-Vergonjanne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammad-Ali Khalighi, Yannis Le Guennec
• DOI : 10.70675/f68330f4z8b6ez41eezbb03z7a8f22ae26ec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Méthode de Monte-Carlo

Océanographie optique

Lumière -- Propagation

Méthodes de simulation

Mots clés libres

Canaux de communication

Systèmes de communication

Méthodes de Monte Carlo

Communication optique

Propagation optique

Propagation optique dans les milieux absorbants

Propagation optique dans les milieux dispersifs

Simulation

Communication sous-marine

Communication optique sous-marine

Propagation optique sous-marine

Localisation sous-marine

Communication channels

Communication systems

Monte Carlo methods

Optical communication

Optical propagation

Optical propagation in absorbing media

Optical propagation in dispersive media

Simulation

Underwater communication

Underwater optical communication

Underwater optical propagation

Underwater localization

Résumé

Les communications optiques sans fil (OWC) suscitent actuellement un grand intérêt dans différents environnements complexes, englobant des milieux participants tels que l’eau, le brouillard, les nuages, la fumée, les tissus biologiques, etc. La conception de systèmes OWC efficaces nécessite de tester les protocoles de communication sur différents scénarios via un grand nombre de simulations. Cette thèse vise à développer des outils de simulation rapides et précis, en se concentrant spécifiquement sur la communication optique sous-marine sans fil. Les algorithmes de simulation les plus utilisés sont basés sur la méthode de Prahl de 1989 pour la propagation de la lumière à travers les tissus humains, s’appuyant sur la simulation de Monte Carlo pour suivre le chemin d’un photon dans de tels milieux. Dans cette optique, nous proposons une formalisation mathématique de la propagation de la lumière dans l’eau ou d’autres milieux sous la forme d’une intégrale, en ne tenant compte que de la diffusion. Nous proposons ensuite deux nouveaux algorithmes, à savoir Xiao 1 et Xiao 2, dont les performances sont améliorées en termes de réduction de la variance. Le premier supprime l’échantillonnage d’importance sur la dernière distance de propagation. Sur cette base, le second échantillonne directement un angle solide entourant le récepteur avec importance. En considérant à la fois les diffusions et les réflexions, deux algorithmes étendus sont conçus en généralisant l’espace de chemin, à savoir Xiao 1-R et Xiao 2-R. Les résultats des simulations montrent que les 4 nouvelles solutions présentent de meilleures performances en termes de précision et d’efficacité, par rapport à l’algorithme de Prahl avec ou sans réflexions, en particulier pour Xiao 2 et Xiao 2-R. Elles offrent également une bonne précision dans l’application de la localisation sous-marine.

Optical Wireless Communication (OWC) are currently knowing a high interest in different complex environments, encompassing participating media like water, fog, cloud, smoke, and biological tissues etc. The design of efficient OWC systems needs to test the communication protocols on different scenarios via a lot of simulations. This thesis aims to develop fast and accurate simulation tools, focusing specifically on Underwater Wireless Optical Communication. The most used simulation algorithmsare based on Prahl’s 1989 method for light propagation through human tissue, relying on Monte Carlo simulation to track the path of a photon in such media. According to this, we propose a mathematical formalization of light propagation in water or other media in the formal of an integral, considering only scattering. We then propose 2 new algorithms, namely Xiao 1 and Xiao 2, with improved performance in terms of reduced variance. The former removes the importance sampling on the last propagating distance. On this basis, the latter directly samples a solid angle enclosing the receiver with importance. Considering both scatterings and reflections, two extended algorithms are devised by generalizing the path space, namely Xiao 1-R and Xiao 2-R. The simulations results shows that the 4 new solutions exhibit better performance in terms of accuracy and efficiency, as compared to Prahl’s algorithm with or without reflections, especially for Xiao 2 and Xiao 2-R. They also provide good accuracy in the application of underwater localization.