Applications numériques

Nous avons appliqué les résultats théoriques précédents sur des canaux ASM ex-périmentaux sondés en mer en considérant des systèmes OFDM standards avec une forme d’onde de type rectangulaire telle que

g(t) =  _√1 T si 0 < t ≤ T, 0 sinon ^{and γ(t) =} ( √ 1 T −Tg si T_g < t ≤ T, 0 sinon, (1.42)

où Tg = T − 1/∆f dénote l’intervalle de garde entre les symboles OFDM.

Le tableau 1.1 résume les principales caractéristiques des deux canaux utilisés pour illustrer les résultats précédents. Ces canaux résultent d’essais conduits par Thales Un-derwater Systems en mer Méditerranée au large de La Ciotat (France) en octobre 2004.

Pour estimer les espérances présentes dans l’expression de la borne CL1, un nombre

important de réalisation des canaux a été généré en utilisant la méthode de rejeu sto-chastique que nous avons proposée dans [Socheleau11c]. Les paramètres T et ∆f de la grille temps-fréquence OFDM sont choisis à l’aide de la règle de « grid-matching »,

à savoir [Durisi12] : T/∆f = τmax/ν_max où τmax et νmax désignent, respectivement,

l’étalement temporel et fréquentiel maximal du canal considéré. Dans le tableau 1.1, κ désigne le facteur de Rice du canal.

Table 1.1 — Résumé des propriétés des canaux.

Canal (a) Canal (b)

Fréquence centrale (kHz) 6 6 Bande (kHz) 1 1 Distance (m) 2500 5000 Hauteur d’eau (m) 60-120 60-120 τ_max (ms) 35 47 ν_max (Hz) 2.7 3.2 κ (dB) 4.9 1.6

Au travers de l’évolution du débit atteignable (1.37) en fonction du produit T ×∆f, la figure 1.9 montre les compromis possibles entre la minimisation de l’interférence et la perte de ressources pour transmettre de l’information utile. A mesure que T × ∆f croît, la durée de l’intervalle de garde augmente, ce qui diminue l’interférence perçue à la réception. Cependant, pour un T ×∆f grand, la perte de débit due à l’utilisation d’un intervalle de garde devient prédominante par rapport à la diminution de l’interférence. La figure 1.9 indique également que le sur-dimensionnement de l’intervalle de garde

28 CHAPITRE 1. CANAL DE TRANSMISSION ASM 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 T F C L 1(b^it s/ s/ Hz ) Channel (a) Channel (b)

Figure 1.9 — Borne inférieure C^L1 en fonction deT F , ρ = 15 dB. Figure extraite de [Socheleau12a]. −10⁰ −5 0 5 10 15 20 25 30 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 SNR (dB) C L 1(b^it s/ s/ Hz ) Channel (a) Channel (b)

Figure 1.10 — Borne inférieure C^L1en fonction du SNRρ. Canal (a) : T × ∆f = 1.15, Canal (b) : T × ∆f = 1.4. Figure extraite de [Socheleau12a].

(i.e., choix de T × ∆f grand) en comparaison à l’étalement du canal n’est pas trop préjudiciable au débit, alors qu’un T × ∆f trop petit peu affecter significativement celui-ci, en particulier dans des canaux fortement dispersifs tel que le canal (b).

La figure 1.10 montre le débit atteignable CL1en fonction du SNR ρ. Celle-ci suggère qu’une amélioration significative du débit est possible comparativement à l’état de l’art. Par exemple, des transmissions OFDM de 2 à 3 bits/sec/Hz seraient atteignables pour des SNR de 10 to 15 dB, alors que dans ces mêmes gammes de SNR, les modems SISO OFDM opèrent souvent avec une efficacité spectrale autour de 1 bits/sec/Hz [Berger10; Li08; Frassati05]. Ceci corrobore des résultats généraux sur la capacité du canal ASM (hors cadre OFDM) obtenus lors de mon doctorat [Socheleau11a, Sec. 4].

Chapitre

2

Systèmes de

communications ASM

auto-reconfigurables et

adaptatifs à

l’environnement

2.1 Contexte et contributions

À ce jour, les systèmes de communications ASM reposent sur des protocoles de communication statiques pour des transmissions point-à-point et/ou évoluent au sein d’un unique réseau homogène [Otnes12]. La considération de protocoles statiques et de systèmes homogènes n’est pas optimale au regard du contexte décrit précédemment où (i) l’environnement marin est dynamique et les conditions du canal varient à différentes échelles de temps et d’espace et où (ii) l’accès anarchique au canal ASM peut induire un masquage mutuel de signaux (cf. figure 2.1) de sorte qu’il est parfois impossible d’établir des liens de communication fiables [Wang12; McGee14]. Afin de rendre les systèmes de communications ASM plus robustes, l’objectif de cette thématique de recherche est de proposer des solutions permettant à ces systèmes d’auto-configurer leurs paramètres de transmission de façon intelligente, autonome et décentralisée à partir d’interactions répétées avec leur environnement acoustique. Les capacités fonctionnelles à mettre en œuvre pour atteindre de tels objectifs sont proches de celles étudiées dans des domaines de recherche tels que la radio cognitive dans le monde des télécommunications terrestres [Wang11]. Les émetteurs doivent en effet être capables, étant donné l’état du canal ASM, d’identifier et de mettre en œuvre la meilleure stratégie de transmission au sens d’un certain critère : maximisation du débit, du rapport signal à bruit, minimisation de la probabilité d’erreur ou de la puissance transmise sous contrainte de débit, etc. Cependant, les spécificités de l’environnement marin, les sources d’interférences de différentes natures et l’absence de protocole de communications et d’infrastructures réseau standardisés posent de nouvelles difficultés.

30

CHAPITRE 2. SYSTÈMES DE COMMUNICATIONS ASM AUTO-RECONFIGURABLES ET ADAPTATIFS À L’ENVIRONNEMENT

Figure 2.1 — Exemples de spectrogrammes montrant des systèmes de communi-cations perturbés par des sources interférentes. Gauche : résultat d’expérimentations menées par la DGA où un système de positionnement (GAPS) interfère avec un sys-tème de communication (TRIDENT). Droite : Signal de communication perturbé par

un bruit de bateau (source : [Dol17]).

Les avantages des modulations adaptatives pour les communications ASM mono-utilisateur point-à-point ont été montrés sur quelques cas simulés dans des travaux récents. On peut citer notamment :

— l’optimisation conjointe de l’ordre de modulation et de la puissance de sous-porteuses OFDM sous contrainte de taux d’erreur binaire [Radosevic14],

— l’adaptation de puissance de transmission en fonction des évanouissements à grande échelle du canal dans le but de maintenir un rapport signal sur bruit constant côté récepteur [Qarabaqi11],

— l’adaptation de l’ordre de constellation basée sur un vecteur de caractéristiques définissant l’état du canal [Pelekanakis16].

Des progrès ont également été réalisés dans l’élaboration de protocoles de contrôle d’ac-cès au canal pour les communications ASM multi-utilisateurs. L’objectif de ce contrôle d’accès est d’éviter les interférences entre signaux acoustiques en attribuant différents codes, intervalles de temps ou bandes de fréquences aux utilisateurs du réseau. Un bon aperçu de ces techniques peut être trouvé dans [Otnes12; Stojanovic08]. Cependant, à notre connaissance, la plupart des efforts de recherche sur l’allocation de ressources pour les communications multi-utilisateurs en ASM se sont focalisés sur des systèmes homogènes évoluant au sein d’un même réseau. L’hétérogénéité des systèmes ASM (cf. figure 1) et leur inter-opérabilité limitée, voire inexistante, imposent un cadre stric-tement non-coopératif pour résoudre le problème d’accès au canal lorsque les sources acoustiques n’évoluent pas au sein d’un même réseau. Par « non-coopératifs », on ex-prime l’idée que les différents systèmes simultanément en activité dans le canal ASM n’ont pas la possibilité d’échanger des messages afin de s’accorder sur un schéma équi-table de partage de la ressource. Cela peut même s’étendre à l’idée qu’ils ne sont pas conscients du fait qu’ils entrent en compétition pour l’utilisation de cette ressource. De plus, en l’absence d’infrastructures de réseau standardisées, le choix de la méthode