1. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΕΝΗΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΓΙΑ ΥΠΟΒΡΥΧΙΕΣ
ΑΚΟΥΣΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ
ΓΕΩΡΓΙΟΣ Τ. ΚΟΚΚΙΝΟΣ
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ :
ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΜΠΕΡΜΠΕΡΙΔΗΣ
ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΥΠ

2. Δομή Παρουσίασης
1. Εισαγωγή
2. Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
3. Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
4. Προσομοιώσεις

3. 1.Εισαγωγή
3
Οι Υποβρύχιες Ακουστικές Επικοινωνίες
 Οι Υποβρύχιες Ακουστικές Επικοινωνίες (Underwater
Acoustic Communications – UAC) αφορούν τις τεχνικές
αποστολής και λήψης μηνυμάτων και δεδομένων κάτω
από το νερό
 Υπάρχει μεγάλη δυσκολία στην υποβρύχια μετάδοση της
πληροφορίας λόγω της διάδοσης μέσω πολλαπλών
διαδρομών, των χρονικών εναλλαγών του καναλιού, του
μικρού διαθέσιμου εύρους ζώνης και της ισχυρής
εξασθένισης του σήματος
 Οι UAC χρησιμοποιούν ακουστικά κύματα αντί των
ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που χρησιμοποιούν οι Επίγειες Ασύρματες Επικοινωνίες
 Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την εκπομπή και λήψη των ηχητικών μηνυμάτων κάτω
από το νερό, ονομάζονται υδρόφωνα
 Ο κλάδος στον οποίο ανήκουν οι Υποβρύχιες Ακουστικές Επικοινωνίες ονομάζεται
Υδροακουστική ή Υποβρύχια Ακουστική (Underwater Acoustics)

4. 1.Εισαγωγή
4
Ιστορική Εξέλιξη της Υδροακουστικής (1/2)
 Το 1490 ο μεγάλος επιστήμονας και εφευρέτης Leonardo da Vinci είπε την εξής φράση : «Αν
σταματήσετε το σκάφος σας σε ένα σημείο της θάλασσας και τοποθετήσετε την κεφαλή ενός μακρύ
σωλήνα στο νερό και το εξωτερικό του άκρο στο αυτί σας, τότε θα ακούσετε άλλα πλοία σε μεγάλη
απόσταση από εσάς». Αυτή η φράση αποτέλεσε την αρχή της επιστήμης της Υδροακουστικής
 Το 1687 ο φυσικός Isaac Newton έγραψε το έργο «Μαθηματικές Αρχές για τη Φυσική
Φιλοσοφία», το οποίο περιελάμβανε την πρώτη μαθηματική επεξεργασία του ήχου
 Το 1826 έγινε η πρώτη αξιόπιστη μέτρηση του ήχου κάτω από το νερό, μέσω ενός πειράματος
που πραγματοποιήθηκε στη λίμνη τη Γενεύης από τους Daniel Colladon και Charles Sturm.
Η τιμή της ταχύτητας που μετρήθηκε ήταν ίση με 1435 m/sec και άνηκε στο μόλις 2% των τότε
αποδεκτών τιμών
 Το 1877 καθιερώθηκε η μοντέρνα ακουστική θεωρία από το έργο «Θεωρία του Ήχου» του
λόρδου Rayleigh
 To 1912 το ναυάγιο του Τιτανικού και η έναρξη του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου έδωσε την
ώθηση για την ανάπτυξη των πρώτων υποβρύχιων ηχοεντοπιστικών συστημάτων και των
πρώτων υποβρύχιων πολεμικών σκαφών

5. 1.Εισαγωγή
5
Ιστορική Εξέλιξη της Υδροακουστικής (2/2)
 Σημαντική εφεύρεση αποτέλεσε το σύστημα “echo–ranger” που κατασκευάστηκε το 1914 από
τον εφευρέτη Reginald Aubrey Fessenden
 Το 1919 δημοσιεύτηκε η πρώτη επιστημονική εργασία για την υποβρύχια ακουστική και οι θέσεις
που παρουσίαζε ήταν πειραματικά επικυρωμένες
 Κατά τις δεκαετίες του 1920 και 1930 αναπτύχθηκαν σημαντικές συσκευές όπως το βυθόμετρο,
τα συστήματα Sonar καθώς και τα υδρόφωνα
 Κατά την περίοδο του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου τα συστήματα που είχαν αναπτυχθεί
χρησιμοποιήθηκαν με καλά αποτελέσματα και από τα υποβρύχια σκάφη και από τα σκάφη –
όπλα εναντίων των υποβρυχίων (anti–submarine vessels)
 Το 1946 δημοσιεύτηκε το έργο «Φυσική του Ήχου στη Θάλασσα» το οποίο περιείχε σημαντικές
εξελίξεις στη θαλάσσια ακουστική
 Κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, η μεγάλη χρήση και ανάπτυξη των συστημάτων Sonar
έδωσε νέες εξελίξεις στη θεωρητική και πρακτική κατανόηση της υποβρύχιας ακουστικής, με τη
βοήθεια υπολογιστικών τεχνικών που βασίζονται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή.

6. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
6
Τα Χαρακτηριστικά του Καναλιού (1/2)
Το υποβρύχιο ακουστικό κανάλι εξαρτάται από τους εξής παράγοντες :
 Η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη (transmission distance)
 Η μετάδοση μέσω πολλαπλών μονοπατιών
(multipath propagation)
 Οι ανακλάσεις του κάθε μονοπατιού είτε στην
επιφάνεια είτε στον βυθό της θάλασσας (surface
and bottom reflections)
 Η μικρή χωρητικότητα σε εύρος ζώνης
(bandwidth)
 Η μεγάλη εξασθένηση του σήματος (attenuation)
 Η απορροφητικότητα του μέσου διάδοσης (absorption)
 Η χαμηλή ταχύτητα του ήχου στο νερό (c ≈ 1500 m/sec)
 Οι συνεχείς χρονικές μεταβολές

7. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
7
Τα Χαρακτηριστικά του Καναλιού (2/2)
Η εξασθένηση του σήματος σε συνδυασμό με την
απορροφητικότητα του μέσου διάδοσης προκαλεί την
απώλεια ισχύος σε κάθε μονοπάτι (path loss) :
 το μήκος του μονοπατιού
 η συχνότητα μετάδοσης
 η απόσταση πομπού – δέκτη
 η απώλεια λόγω διάδοσης (spreading loss)
 ο συντελεστής απορροφητικότητας του μέσου
διάδοσης που υπολογίζεται εμπειρικά με τη
φόρμουλα του Thorp

8. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
8
Η Απόκριση Συχνότητας του Καναλιού (1/2)
Η σχέση που περιγράφει την απόκριση συχνότητας του
καναλιού :
 το μήκος του κάθε μονοπατιού υπ’ αριθμόν
 η συχνότητα μετάδοσης
 ο αριθμός των μονοπατιών
 o συντελεστής ανάκλασης για κάθε μονοπάτι
υπ’ αριθμόν (στην επιφάνεια είναι -1)
 το path loss για κάθε μονοπάτι υπ’ αριθμόν
 η καθυστέρηση (delay) για κάθε μονοπάτι υπ’ αριθμόν ( = / )

9. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
9
Η Απόκριση Συχνότητας του Καναλιού (2/2)

10. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
10
Η Κρουστική Απόκριση Καναλιού

11. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
11
Το φαινόμενο της Σκέδασης – Διασκορπισμού (1/2)
 Το φαινόμενο της Σκέδασης (Scattering), ή Διασκορπισμού, αφορά την εξασθένηση που
προκαλείται σε ένα κύμα, καθώς αυτό προσπίπτει σε αντικείμενα ή επιφάνειες με διαστάσεις της
τάξης του μήκους κύματός του
 Το κανάλι στο οποίο μοντελοποιείται η Σκέδαση είναι κανάλι επίπεδης εξασθένησης
 Στις υποβρύχιες επικοινωνίες, η σκέδαση υφίσταται συνήθως στην επιφάνεια της θάλασσας,
όπου ο κυματισμός των μορίων του νερού μετακινεί το σημείο ανάκλασης
 Στις ασύρματες επικοινωνίες η σκέδαση μοντελοποιείται με τις κατανομές Rayleigh και Rice και
το μοντέλο Jakes, αλλά στις υποβρύχιες η πιο αποδεκτή κατανομή είναι η κατανομή με την
συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας :
 οι παράμετροι της κατανομής
 η συνάρτηση Γάμμα
 η δεύτερου είδους τροποποιημένη συνάρτηση Bessel τάξης

12. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
12
Το φαινόμενο της Σκέδασης – Διασκορπισμού (2/2)
 Η τυχαία μεταβλητή που ακολουθεί την
κατανομή Κ αποδίδεται στον συντελεστή
σκέδασης που πολλαπλασιάζεται στη
συνολική απόκριση του καναλιού
 Ο συντελεστής σκέδασης είναι ο
παράγοντας που ανεξαρτητοποιεί τα
κανάλια στην περίπτωση των MIMO
συστημάτων προκαλώντας την «ιδέα» των
κατανεμημένων MIMO συστημάτων
(Distributed MIMO)

13. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
13
Τα Χαρακτηριστικά του Θορύβου
 Ο θόρυβος του υποβρύχιου ακουστικού περιβάλλοντος
αποτελείται από δύο ξεχωριστά είδη θορύβων :
 Τον ειδικό θόρυβο ορισμένων τοποθεσιών (Site–
specific Noise) και
 Το θόρυβο περιβάλλοντος (Ambient Noise)
 Ο ειδικός θόρυβος ορισμένων τοποθεσιών (Site–
specific Noise), υφίσταται μόνο σε συγκεκριμένα μέρη
των ωκεανών και αποτελείται από :
 το «σπάσιμο» των πάγων στις πολικές περιοχές,
 τη διακοπτόμενη γεωλογική δραστηριότητα όπως
οι μεγάλοι σεισμοί και η δραστηριότητα των
υποβρύχιων ηφαιστείων
 τη βιολογική δραστηριότητα ορισμένων θαλάσσιων οργανισμών
 Ο ειδικός θόρυβος ορισμένων τοποθεσιών περιέχει συχνά σημαντικά στοιχεία που δεν μπορούν
να χαρακτηριστούν ως Gaussian

14. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
14
Ο θόρυβος περιβάλλοντος (1/3)
 Ο θόρυβος περιβάλλοντος (Ambient Noise), υφίσταται σε κάθε περίπτωση υποβρύχιου χώρου
σε κάθε σημείο του ωκεανού και αποτελείται από :
 αναταραχές των υποβρύχιων ρευμάτων
(turbulence) / μικροσεισμοί (microseisms)
 ναυτιλιακή δραστηριότητα και η κυκλοφορία των
πλοίων (distant shipping activity)
 κύματα που διαδίδονται στην επιφάνεια λόγω της
ταχύτητας του ανέμου (breaking waves – wind
speed)
 θερμικό θόρυβο των μορίων του νερού (thermal
noise)
 Ο θόρυβος περιβάλλοντος αν και μπορεί να χαρακτηριστεί από Gaussian χαρακτηριστικά, δεν
είναι λευκός και περιγράφεται από ένα συνεχές φάσμα ισχύος

15. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
15
Ο θόρυβος περιβάλλοντος (2/3)
 Οι περιοχές των συχνοτήτων που
επηρεάζονται από το θόρυβο
περιβάλλοντος :





16. 2.Το Κανάλι και ο Θόρυβος του Υποβρύχιου Ακουστικού Περιβάλλοντος
16
Ο θόρυβος περιβάλλοντος (3/3)

17. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
17
Η σημασία της χρήσης της Τεχνικής
 Η Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
είναι μια τεχνική Διαμόρφωσης (Modulation) κατά την οποία η ακολουθία των δεδομένων προς
μετάδοση χωρίζεται σε υποακουλουθίες, όπου καθεμιά από αυτές μεταδίδεται με διαφορετική
φέρουσα
 Η τεχνική OFDM είναι πολύ ανθεκτική απέναντι στη διασυμβολική παρεμβολή (InterSymbol
Interference – ISI) που προκαλείται από τα συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια
 Η εφαρμογή της τεχνικής OFDM είναι πολύ σημαντική για την υποβρύχια επικοινωνία, καθώς
το υποβρύχιο ακουστικό κανάλι είναι ένα από τα πιο «δύσκολα» συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια
 Ο τρόπος λειτουργίας της τεχνικής μετατρέπει τα συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια σε κανάλια
επίπεδης εξασθένησης με αποτέλεσμα να «ελευθερώνεται» η χρήση των τεχνικών
ποικιλομορφίας και των τεχνικών προσανατολισμένης εκπομπής

18. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
18
Ο τρόπος λειτουργίας της τεχνικής (1/4)
Διαμορφωτής OFDM :
 Τα σύμβολα εισόδου μετασχηματίζονται με τον
αντίστροφο διακριτό μετασχηματισμό Fourier
 Τα σύμβολα που προκύπτουν αυξάνονται κατά το
μήκος του κυκλικού προθέματος (cyclic prefix)
 Τα σύμβολα στέλνονται τελικά προς μετάδοση
Απόδιαμορφωτής OFDM :
 Τα σύμβολα εισόδου που λαμβάνονται μειώνονται
κατά το μήκος του κυκλικού προθέματος
 Τα σύμβολα μετασχηματίζονται με τον ευθύ διακριτό
μετασχηματισμό Fourier
 Τα σύμβολα που προκύπτουν είναι τα τελικά
σύμβολα που λαμβάνει ο δέκτης

19. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
19
Ο τρόπος λειτουργίας της τεχνικής (2/4)
Η διαδικασία Διαμόρφωσης – Αποδιαμόρφωσης OFDM αναλύεται ως εξής :
 Έστω το μητρώο του μετασχηματισμού Fourier :
 Ισχύει ότι το μητρώο είναι ορθομοναδιαίο :
 Στον Διαμορφωτή OFDM προκύπτει :
 Έστω η κρουστική απόκριση του συχνοτικά επιλεκτικού καναλιού
 Κατά τη μετάδοση της ακολουθίας η χρήση του κυκλικού προθέματος μετασχηματίζει τη
πράξη της γραμμικής συνέλιξης σε κυκλική συνέλιξη

20. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
20
Ο τρόπος λειτουργίας της τεχνικής (3/4)
 Επομένως η ακολουθία που προκύπτει κατά τη μετάδοση είναι η εξής :
 Ασφαλώς είναι η ακολουθία των δειγμάτων του θορύβου του συστήματος μετάδοσης
 Το μητρώο που πολλαπλασιάζεται με την ακολουθία είναι κυκλικό
 Στον Απόδιαμορφωτή OFDM προκύπτει :
 Αναλυτικά λοιπόν ισχύει :

21. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
21
Ο τρόπος λειτουργίας της τεχνικής (4/4)
 Αφού όμως το μητρώο είναι κυκλικό και το μητρώο είναι ορθομοναδιαίο, ισχύει πάντοτε η
διάσπαση ιδιοτιμών EVD (EigenValue Decomposition) :
 Το μητρώο είναι διαγώνιο και τα στοιχεία του ισούνται με :
 Επομένως το τελικό αποτέλεσμα της μετάδοσης είναι το εξής :
 Ο πολλαπλασιασμός μεταξύ του μητρώου και της ακολουθίας εισόδου είναι στην ουσία μια
διαδικασίας επίδρασης ενός καναλιού επίπεδης εξασθένησης
 Επομένως το συχνοτικά επιλεκτικό κανάλι μετατρέπεται σε κανάλι επίπεδης εξασθένησης

22. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
22
Η SISO OFDM μετάδοση
 Λειτουργία του Ισοσταθμιστή :
 Έστω η έξοδος του OFDM αποδιαμορφωτή
 Έστω η κρουστική απόκριση του καναλιού
 Τότε η έξοδος του ισοσταθμιστή :
 Προϋποθέτει γνώση του καναλιού στον δέκτη

23. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
23
Η MIMO OFDM μετάδοση (1/4)
 Μέθοδος προσανατολισμένης εκπομπής (Beamforming) :
 προ-κωδικοποίηση μετάδοσης (transmit precoding) και
 μορφοποίηση δέκτη (receiver shaping)
 Προϋποθέτει γνώση του καναλιού σε πομπό και δέκτη
 Τεχνική Ποικιλομορφίας Συνδυασμού Μεγίστου Λόγου (Maximal Ratio Combining Diversity –
MRC)

24. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
24
Η MIMO OFDM μετάδοση (2/4)
 Τα κανάλια του MIMO συστήματος :
 Το διάνυσμα αποτελεί τα δείγματα του
προσθετικού θορύβου του συστήματος
 Τα κανάλια είναι κανάλια επίπεδης
εξασθένησης που προκύπτουν από την
OFDM διαμόρφωση – αποδιαμόρφωση
 Οι αποστάσεις μεταξύ των υδροφώνων της κάθε συστοιχίας είναι μεγαλύτερες από ώστε να
μην επηρεάζονται μεταξύ τους

25. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
25
Η MIMO OFDM μετάδοση (3/4)
 Μέθοδος προσανατολισμένης εκπομπής
(Beamformong) : Διάσπαση Ιδιαζουσών
Τιμών (Singular Value Decomposition –
SVD) :
 ορθομοναδιαία μητρώα της
διάσπασης
 διαγώνιο μητρώο ιδιαζουσών τιμών
του μητρώου
 Η συνολική διαδικασία της μετάδοσης :
 Με την εφαρμογή της διάσπασης :

26. 3.Η τεχνική Διαμόρφωσης – Πολυπλεξίας OFDM για SISO – MIMO μεταδόσεις
26
Η MIMO OFDM μετάδοση (4/4)
 Τεχνική Ποικιλομορφίας Συνδυασμού Μεγίστου Λόγου (Maximal Ratio Combining Diversity –
MRC) :
 Έστω ότι τα υδρόφωνα λήψης
λαμβάνουν :
 Τότε στην τελική έξοδο προκύπτει :
 Η τεχνική Ποικιλομορφίας Συνδυασμού
Μεγίστου Λόγου, από στατιστικής απόψεως, αποτελεί την καλύτερη από τις γραμμικές τεχνικές
χωρικής ποικιλομορφίας
 Είναι πολύ απαιτητική σε κόστος και πολυπλοκότητα

27. 4.Προσομοιώσεις
27
Προσομοίωση με κανάλι Προσθετικού Χρωματισμένου Θορύβου
 Η προσομοίωση αποδίδεται στις
σχέσεις : και
 Οι δυο καμπύλες ταυτίζονται διότι η
ισχύς της κρουστικής απόκρισης που
χρωματίζει τα δείγματα του λευκού
θορύβου είναι ίση με τη μονάδα
 Επομένως

28. 4.Προσομοιώσεις
28
Προσομοίωση με SISO OFDM κανάλι
 Σημειώνεται ότι η απόσταση πομπού δέκτη ισούται με 5 km και ο αριθμός των μονοπατιών
ισούται με 50

29. 4.Προσομοιώσεις
29
Προσομοίωση με MIMO OFDM κανάλι
 Σημειώνεται ότι η απόσταση πομπού δέκτη ισούται με 20 km και ο αριθμός των μονοπατιών
ισούται με 50

30. ΤΕΛΟΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ
Ευχαριστώ!