Tesis doctoral
| Título | Experimental Channel Modeling and performance analysis of underwater optical wireless communication systems |
| Estado | Finalizado |
| Autor | Pedro Salcedo Serrano |
| Director/es | José María Garrido Balsells , Rubén Boluda Ruiz |
| Universidad | Universidad de Málaga |
| Centro | Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación |
| Departamento | Ingeniería de Comunicaciones |
| Fecha lectura | 24-03-2025 |
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En los últimos años, el desarrollo de actividades relacionadas con la exploración oceánica,
la acuicultura, o la obtención de fuentes de energía en entornos marinos ha impulsado el
interés en los sistemas de comunicación inalámbricos submarinos. Los actuales sistemas de
comunicación inalámbricos submarinos basados en la tecnología acústica presentan limita-
ciones en aplicaciones como la transmisión de video en tiempo real para vehículos autónomos
submarinos y vehículos operados de forma remota por su baja tasa de transmisión de datos y
alta latencia. Por ello, los sistemas de comunicación óptica inalámbrica submarina (UOWC,
Underwater Optical Wireless Communication) representan una alternativa muy interesante,
ya que permiten velocidades de transmisión de hasta Gbps con muy baja latencia y un menor
consumo energético. Sin embargo, los sistemas UOWC se ven afectados por los efectos inher-
entes de absorción y dispersión del medio submarino, los cuales limitan la distancia máxima
de enlace en torno a las decenas de metros. Estos efectos se intensifican en entornos turbios,
como las aguas costeras, donde la dispersión aumenta y provoca un esparcimiento temporal
y espacial del haz transmitido. Además, otros efectos derivados del entorno submarino como
las burbujas de aire y las turbulencias oceánicas pueden deteriorar considerablemente las
prestaciones de estos sistemas. En esta tesis se investiga el canal óptico submarino a través
de mediciones experimentales en diversas condiciones de turbidez. El objetivo principal de
este trabajo es desarrollar modelos estadísticos y expresiones matemáticas para caracteri-
zar el comportamiento estocástico de la luz tras su propagación en un medio submarino y
su impacto en las prestaciones de un sistema UOWC, proporcionando información sobre la
interacción de los efectos de absorción y dispersión con el resto de efectos del canal oceánico.
Por un lado, se desarrolla un marco estadístico para describir los fenómenos relacionados
con la dispersión y su interacción con otros efectos submarinos, como burbujas de aire y
corrientes oceáqnicas, basado en mediciones experimentales. Para ello, se diseña y construye
una plataforma experimental para emular diversos entornos submarinos en condiciones con-
troladas de laboratorio. Dicha plataforma permite el estudio de un amplio espectro de
escenarios submarinos en referencia a su nivel turbidez, así como por la presencia de bur-
bujas de aire de diferentes diámetros, analizando de manera experimental la propagación
de un haz de luz en escenarios submarinos que no han sido explorados previamente en la
literatura. La fluctuación aleatoria de la potencia óptica recibida derivada de los efectos
del canal controlados a través del banco de pruebas se caracteriza mediante una función
de densidad de probabilidad (PDF, Probability Density Function) empírica, junto con otros
parámetros relacionados con el comportamiento estocástico de la señal, basados en medi-
ciones del canal para burbujas de aire pequeñas y grandes y diferente niveles de turbidez.
Además, se analiza el impacto de la dispersión y el resto de efectos emulados en el banco de
pruebas mediante en análisis teórico del rendimiento de un sistema UOWC en términos de
la tasa de error de bit (BER, Bit Error Rate) y probabilidad de outage en base al modelo
de canal empírico, proporcionando expresiones novedosas en forma cerrada y asintótica.
Por otro lado, se presentan dos técnicas de transmisión de sistemas MISO (Multiple-
Input/Single-Output) con el objetivo de mitigar el impacto de la turbulencia oceánica, así
como la absorción y la dispersión en el rendimiento de un sistema UOWC en entornos
submarinos prácticos y realistas. El primer modelo de sistema MISO emplea un esquema
de codificación por repetición espacial (SRC, Spatial Repetition Coding) permite considerar
una restricci ó de potencia máxima por fuente o emisor, maximizando la potencia óptica de
cada diodo láser, así como una restricciónn de potencia máxima por transmisor, optimizando
las limitaciones energéticas de los sistemas alimentados por batería. El segundo modelo de
sistema MISO se basa en un esquema generalizado de selección de láser transmisor (GTLS,
Generalized Transmit Laser Selection), que considera la casuística de que el transmisor
posea una información de estado del canal imperfecta. Se derivan expresiones analíticas
y asintóticas para evaluar el rendimiento en términos de BER bajo diferentes escenarios
prácticos de turbulencia oceánica y diversos tipos de agua, comparando la capacidad de
mitigación de los efectos del canal submarino de ambas técnicas MISO.
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