Towards higher data rates in underwater acoustic communication using MIMO

Det er økt aktivitet i subsea-domenet, som krever tilgang til robust høyhastighets kommunikasjon. Applikasjoner spenner fra live videostreaming innen marin robotikk til fiske-telemetri i havbruk. Eksisterende undervannskommunikasjon løsninger er ofte ikke i stand til å møte nye og kommende krav. Nye løsninger er påkrevd. Denne arbeide tar sikte på å forbedre datahastighetene i undervannskommunikasjon, ved hjelp av akustisk kommunikasjon i very high frequency (VHF) båndet. Akustisk kommunikasjon i VHF båndet er relativt uutforsket terreng men bruket forventes å øke i takt med krav til større båndbredde og høyere datahastighet. Kunnskap om VHF kanaler er en forutsetning for å oppnå høy data overføring. Vi har i dette arbeidet undersøkt gruntvannskanaler i VHF-båndet rundt 250 kHz. Målingene ble utført med 64 hydrofoner anordnet i en linjearray. Flerveis spredning på hundrevis av symboler kjennetegner de målte kanalene, og Doppler-spredning på titalls hertz. Lange og raskt svingende kanaler danner grunnlaget for behandlingsintensive algoritmer. En standard mottakerstruktur er flerkanal decision feedback equalization (DFE), oppdatert med recursive least square (RLS) algoritmen. Då antall utjevningskanaler vokser blir kompleksiteten til RLS blir problematisk. Vi har eksperimentelt vist at oppdatering basert på LMS-algoritmen, som har lav kompleksitet, kan ha samme ytelse som RLS når antall hydrofoner kanaler er mange. Basert på dette har en flerkanals mottaker basert på en lineær utjevner, oppdatert med LMS-algoritmen, blitt utviklet for en field-programmable gate array (FPGA). Kombinert med en 64 hydrofon linjearray, har vi demonstrert sanntidsinformasjonshastigheter på 465 kbps over 100 m, og 155 kbps over 1000 m i VHF-båndet. Alternativet til å øke datamengden er å bruke den tilgjengelige båndbredden å støtte flere brukere; potensielle bruksområder er innen oppdrettsfisk telemetri. Basert på data registrert i et lakseoppdrett har vi målt VHF kanalegenskaper og demonstrert pålitelig 78 kbps kommunikasjon over 18 m, med potensialet at supportere hundrevis av usynkroniserte brukere.

Bruk av akustisk VHF kanal, FPGA og flerkanal utjevning for sanntids høyhastighets kommunikasjon. Potensielt forbedret fisktelemetri for oppdrettsfisk.

Underwater communication systems on the market today are reliable system able to communicate over several kilometers. But the data rates are far from the rates we have been used to in terrestrial communication. Instead of Gbps (Gigabit per second) we measure, in the best case, data rates in kbps (kilobit per second), imposed by the underwater channel characteristics such as long multipath delay spreads, limited bandwidth and large Doppler shifts. However with emerging of underwater factories, more advanced environmental monitoring platforms and AUV's (Autonomous underwater vehicles), we believe current data rates will not be sufficient and a demand for higher data rates will follow. One popular method to increase data rates in reverberant terrestrial environments, is MIMO (Multiple Input Multiple Output). In MIMO several transmitting and receiving antennas are used to cope with multipath propagation, transmitting several uncorrelated data streams in parallel. In this project we want to make a first step towards the use of MIMO in underwater communication by examining spatial diversity for acoustic transducer arrays, and different diversity coding schemes.