Caractérisation du canal pour un système de transmission optique sous-marine et analyse des performances

Channel characterization and performance analysis for an underwater optical transmission system

• Auteur / Autrice : Chadi Gabriel
• Direction : Salah Bourennane, Mohammad-Ali Khalighi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, photonique, et traitement d'image
• Date : Soutenance le 24/05/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Fracasso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Julien-Vergonjanne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Télécommunications

Optique

Mots clés libres

Optique

Télécommunication

Traitement du signal

Optics

Telecommunication

Signal processing

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons à des liens de transmission optique sans-fil utilisés dans un réseau de capteurs sous-marin. Dans un premier temps, nous étudions les propriétés optiques de l'eau de mer dans le but de définir les équations qui régissent la propagation des ondes optiques dans l'eau. Nous proposons d'utiliser le modèle d'Henyey-Greenstein à deux termes pour modéliser la diffusion d'angle et montrons qu'il décrit mieux la propagation d'ondes, comparé au modèle classique d'Henyey-Greenstein. Ensuite, nous caractérisons le canal optique sous-marin en nous basant sur des simulations de Monte Carlo et présentons la réponse impulsionnelle du canal pour différents paramètres d'émetteur-récepteur et de canal. Nous démontrons que, sauf dans le cas des eaux turbides, la dispersion temporelle du canal est négligeable sur des distances de quelques dizaines de mètres et pour des débits allant jusqu'à1Gbps. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons aux problèmes liés à la mise en œuvre de tels liens. Nous commençons par étudier l'effet de désalignement entre l'émetteur et le récepteur, en particulier, en prenant en compte le champ de vue limité du récepteur. De plus, nous étudions le choix du photo-détecteur et aussi comparons les performances de différents schémas de modulation d'intensité en vue d'utilisation dans un système de communication optique sous-marin. Enfin, nous présentons une série des résultats que nous avons obtenus avec une maquette expérimentale dans une piscine pour valider une partie de nos résultats théoriques.

In this thesis, we consider optical wireless communication as a promising solution for high rate data transmission in power restricted underwater wireless sensor networks. A propagating light beam in seawater is subject to absorption and scattering due to the interaction with the particles within water. This practically limits the transmission range to a few tens of meters. In view of characterizing the underwater optical channel, we first study the inherent optical properties of the seawater and provide a model for underwater optical beam propagation. Concerning angle scattering, we propose to use the two-term Henyey-Greenstein model and show that it is more accurate than the commonly used Henyey-Greenstein model, especially in pure sea waters. Then, based on Monte Carlo simulations, we obtain the channel impulse response and quantify the channel time dispersion for different transmitter/receiver parameters and link distances. Through the numerical results that we present, we show that, except for highly turbid waters, the channel time dispersion can be neglected when working over moderate distances. Next, as a practical limitation, we focus on transmitter-receiver misalignment and evaluate its effect, in particular, by taking into account the limited receiver's field-of-view. Afterwards, we investigate the choice of the photo-detector, and furthermore contrast the performance of different intensity modulation techniques and discuss their suitability for use in the underwater optical communication system. Lastly, we provide a series of experimental measurement results that we have conducted inside a pool in order to validate a part of our theoretical studies.