Experimental Channel Modeling and Performance Analysis of Underwater Optical Wireless Communication Systems.

Abstract

Los sistemas de comunicación óptica inalámbrica submarina (UOWC, Underwater Optical Wireless Communication) surgen como alternativa a los sistemas acústicos, ofreciendo altas tasas de transmisión con baja latencia y menor consumo energético. Sin embargo, su rendimiento se ve afectado por la alta absorción y dispersión del medio, limitando las distancias de enlace. Además, factores como las burbujas de aire y turbulencias oceánicas pueden inducir fluctuaciones aleatorias en la potencia recibida, degradando las prestaciones de los sistemas UOWC. Con el objetivo de optimizar el diseño de sistemas UOWC al canal submarino, se desarrolla un modelo empírico de canal mediante un banco de pruebas experimental que permite analizar la propagación de la luz para distintos niveles de turbidez y en presencia de burbujas de aire de diferentes tamaños. Se caracteriza el comportamiento de las fluctuaciones de potencia óptica recibida a través de la función de densidad de probabilidad y otros parámetros relacionados con el comportamiento estocástico de la señal. A partir de estos datos, se evalúa el rendimiento del sistema en términos de tasa de error de bit (BER, Bit Error Rate) y probabilidad de outage, proporcionando expresiones en forma cerrada y asintótica que describen el impacto de la dispersión sobre las prestaciones de un sistema UOWC. Además, se proponen dos técnicas de transmisión MISO (Multiple-Input/Single-Output) para mitigar los efectos adversos de la turbulencia oceánica, la absorción y la dispersión. Se propone un esquema de codificación por repetición espacial capaz de maximizar la potencia óptica transmitida. La segunda técnica basada en la selección del láser con mejor canal contempla escenarios donde el transmisor tiene información imperfecta del estado del canal.Se derivan expresiones analíticas y asintóticas para evaluar la BER de ambos esquemas para diferentes turbulencia ocánicas y tipos de agua, proporcionando información para el diseño de sistemas UOWC-MISO adaptados al canal submarino.