استفاده از رمزگذاری توربو برای بهبود عملکرد سامانه‌های مخابراتی زیرسطحی بر پایه مدولاسیون تطبیقی OFDM

اسحاقی کناری, محمد; نظری, فخرالدین; صمصامی خداداد, فرید; علیرضاپوری, محمد

استفاده از رمزگذاری توربو برای بهبود عملکرد سامانه‌های مخابراتی زیرسطحی بر پایه مدولاسیون تطبیقی OFDM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری دانشگاه تخصصی فناوری‌های نوین آمل، آمل، ایران

² دانشیاردانشکده مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه تخصصی فناوری‌های نوین آمل، آمل، ایران

³ استادیار دانشکده مهندسی فناوری های نوین، دانشگاه تخصصی فناوری های نوین آمل، آمل، ایران

⁴ استادیار دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

مهم‌ترین محدودیت برای سامانه‌های مخابراتی بی‌سیم زیر سطح آب، خاصیت چندمسیرگی، محوشدگی، تضعیف و تداخلات گسترده در کانال زیرسطحی است. در اینگونه کانال‌ها به‌دلیل نوسانات شدید در نسبت سیگنال به نویز، ارسال و دریافت در حالت مدولاسیون ثابت دارای عملکرد مطلوب نیست. به همین دلیل، در این مقاله برای اولین بار استفاده از رمزگذاری توربو برای رمزگذاری یک سامانه مدولاسیون تطبیقی مبتنی بر مالتی‌پلکس تقسیم فرکانس متعامد (OFDM) معرفی شده است که موجب کاهش خطای مخابره و همچنین دست‌یابی به‌کارآیی بالا می‌گردد. در مدل سامانه پیشنهادی، با انتخاب پارامترهای مناسب برای ارتباط در محیط صوتی زیر سطح آب و همچنین انتخاب حالت‌های مدولاسیون مناسب، یک سامانه بهینه حاصل گردید که نرخ خطای بیت را نسبت به سایر سامانه‌هایی که تاکنون برای ارتباطات صوتی زیر سطح آب معرفی شده است، به مقدار 16 درصد کاهش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26762935.1401.13.3.3.0

موضوعات

مخابرات- سیستم

عنوان مقاله [English]

Usage of Turbo Coding to Improve the Performance of Underwater Telecommunication Systems Based on Adaptive OFDM Modulation

نویسندگان [English]

mohammad eshaghi kenari ¹
Fakhroddin Nazari ²
Farid Samsami Khodadad ³
Mohammadali Alirezapouri ⁴

¹ ausmt

² Faculty of Engineering. Amol University of Special Modern Technologies, Amol, Iran

³ Faculty of Engineering Technology, Amol University of Special Modern Technologies, Amol, Iran.

⁴ mut

چکیده [English]

The most important limitations for wireless underwater telecommunication systems are multipath, fading, attenuation, and extensive interference in underwater channels. In these channels, due to wide changes in the signal-to-noise ratio, transmitting and receiving in fixed modulation mode does not have the desired performance. For this reason, in this paper, the use of turbo coding to encode an adaptive modulation system based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is introduced for the first time, which reduces the transmission error and also achieves high efficiency. In the proposed system model, the optimal system was achieved by selecting appropriate parameters for communication in the underwater acoustic environment and also choosing proper modulation modes, which decreases the bit error rate by 16% compared to other systems introduced so far for underwater acoustic communication.

کلیدواژه‌ها [English]

Adaptive Modulation
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDM
Multi-Carrier Modulation
Underwater Communication
Turbo Coding

مراجع

Fang, T.; Liu, S.; Ma, L.; Zhang, L.; Khan, I. U. “Subcarrier Modulation Identification of Underwater Acoustic OFDM Based on Block Expectation Maximization And Likelihood”; Appl. Acoust. 2021, 173, 107654-107661.
Kilfoyle, D. B.; Baggeroer, A. B. “The State of the Art in Underwater Acoustic Telemetry”; IEEE J. Ocean. Eng. 2000, 25(1), 4-27.‏
Baggeroer, A. B.; Koelsch, D. E.; Von Der Heydt, K.; Catipovic, J. “DATS - A Digital Acoustic Telemetry System for Underwater Communications”; IEEE Oceans 81, 1981, 55-60.‏
Mackelburg, G.; Watson, S.; Gordon, A. “Benthic 4800 BITS/S Acoustic Telemetry”; IEEE Oceans 1981, 81, 72-72.‏
Stojanovic, M.; Catipovic, J. A.; Proakis, J. G. “Phase-Coherent Digital Communications for Underwater Acoustic Channels”; IEEE J. Ocean. Eng. 1994, 19, 100-111.‏
Stojanovic, M. “OFDM for Underwater Acoustic Communications: Adaptive Synchronization and Sparse Channel Estimation”; IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2008, 5288-5291.
Ribas Oliva, J. “Underwater Wireless Video Transmission using Acoustic OFDM”; Graduation Thesis, 2009.
Shen, W.; Sun, H.; Cheng, E.; Zhang, Y. “Performance Analysis of DFT-Spread Based OFDM Transmission System Over Underwater Acoustic Channels”; J. Converg. Inf. Technol. 2011, 6, 79-86.‏
Gomathi, R.; Manickam, J. M. L. “PAPR Reduction Technique Using Combined DCT and LDPC Based OFDM System for Underwater Acoustic Communication”; J. Eng. Appl. Sci. 2016, 11, 4424-4430.‏
Radosevic, A.; Ahmed, R.; Duman, T. M.; Proakis, J. G.; Stojanovic, M. “Adaptive OFDM Modulation for Underwater Acoustic Communications: Design Considerations and Experimental Results”; IEEE J. Ocean. Eng. 2013, 39, 357-370.‏
Zhou, Y.; Tong, F. “Research and Development of a Highly Reconfigurable OFDM MODEM For Shallow Water Acoustic Communication”; IEEE Access. 2019, 7, 123569-123582.‏
Yang, Y.; Li, Y. “Research and Implementation of Turbo Coding Technology in High-Speed Underwater Acoustic OFDM Communication”; J. Robot. 2022, 2022.
Wan, L.; Zhu, J.; Cheng, E.; Xu, Z. “Joint CFO, Gridless Channel Estimation and Data Detection for Underwater Acoustic OFDM Systems”; IEEE J. Ocean. Eng. 2022, 1-16.
Zhou, S.; Wang, Z. “OFDM for Underwater Acoustic Communications”; John Wiley & Sons, 2014.‏
Danaee, M. M.; Nadri, H. “Channel Estimation in HF Encryptor Modem Based on OFDM”; Passive Defence Sci. & Technol. 2011, 2, 307-314 (In Persian).
Shi, X. L.; Yang, Y. X.; Yang, L. “An OFDM System for Long-Range Underwater Acoustic Communications”; Appl. Mech. Mater. 2013, 321, 1274-1277.
“IEEE 802.11a-1999 - IEEE Standard for Telecommunications and Information Exchange between Systems - LAN/MAN Specific Requirements - Part 11: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: High Speed Physical Layer in the 5GHz Band”; Available on https://standards.ieee.org/standard/802_11a-1999.html.
Stojanovic, M.; Preisig, J. “Underwater Acoustic Communication Channels: Propagation Models and Statistical Characterization”; IEEE Commun. Mag. 2009, 47, 84-89.‏
‏Li, B.; Zhou, S.; Stojanovic, M.; Freitag, L.; Willett, P. “Multicarrier Communication over Underwater Acoustic Channels with Nonuniform Doppler Shifts”; IEEE. J. Ocean. Eng. 2008, 33, 198-209.‏
Shannon, C. E. “A Mathematical Theory of Communication”; AT&T Tech. J. 1948, 27, 379-423.‏
Berrou, C.; Glavieux, A.; Thitimajshima, P. “Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding: Turbo-Codes. 1”; IEEE Int. Conf. Commun. 1993, 2, 1064-1070.
De Gaudenzi, R.; Fabregas, A. G.; Martinez, A. “Performance Analysis of Turbo-Coded APSK Modulations over Nonlinear Satellite Channels”; IEEE Trans. Wirel. Commun. 2006, 5, 2396-2407.
Wan, L.; Zhou, H.; Xu, X.; Huang, Y.; Zhou, S.; Shi, Z.; Cui, J. H. “Adaptive Modulation and Coding for Underwater Acoustic OFDM”; IEEE J. Ocean. Eng. 2014, 40, 327-336.‏
Faezah, J.; Sabira, K. “Adaptive Modulation for OFDM Systems”; Int. J. Commun. Netw. Inf. Secur. 2009, 1, 1-8.
Chaves, R. S.; Martins, W. A.; Diniz, P. S. “Modeling and Simulation of Underwater Acoustic Communication Systems”; XXXV Brazilian Communications and Signal Processing Symposium, 2017, 607-611.