Evaluation of single carrier PSK modulation parameters for low power underwater communication and ranging

The underwater realm represents a challenging scenario for telecommunications: the strong path loss attenuation posed by water makes communication through radio frequencies nearly impossible, imposing use of acoustic signals. Nonetheless, high attenuation and noise force users to employ a particular set of modulation and coding techniques, which all differ in performance and are suitable for different channel contexts. In order to adapt to such varied environments, both transmitting and receiving nodes must be able to seamlessly switch between transmission schemes: this can be done using software-defined modems (SDM). These employ digital signal processing libraries like LiquidDSP to carry out all digital signal processing operations. This thesis investigates how modification of some of LiquidDSP's parameters (in particular the samples per symbol (SPS) value) may affect a SDM's performance considering communication and one-way travel time (OWTT) ranging capabilities in spite of some predefined development goals (e.g. power consumption, noise tolerance, communication latency, etc.) As a use-case analysis, the proof-of-concept developed as part of the MODA project is taken as a reference and used for effective, on-field functional tests. By computing simulated values first and measuring real values after, it was determined how a single SPS value cannot be optimal for all use cases: instead, it can be tweaked along other parameters to further narrow the modem's functional profile and maximise performance in different deployment scenarios.

L'ambiente subacqueo rappresenta un contesto complicato per le telecomunicazioni: la forte attenuazione subita dai segnali in radiofrequenza in acqua obbliga a spostarsi verso frequenze inferiori, nello spettro acustico. Alta attenuazione e intenso rumore obbligano all'uso di particolari modulazioni e codifiche, con performance differenti e adatte a diversi contesti trasmissivi. Per potersi adattare a questi diversi ambienti, ambo i nodi coinvolti devono poter passare agevolmente tra diversi schemi trasmissivi: questo vincolo obbliga all'impiego di software-defined modem (SDM). Questi impiegano librerie per l'elaborazione di segnali come LiquidDSP per eseguire operazioni sul segnale quasi esclusivamente a livello software. Questa tesi vuole far luce sulle implicazioni derivanti dalla modifica di alcuni dei parametri di modulazione di LiquidDSP (in particolare il valore samples-per-symbol (SPS) ) e su come possano influenzare le prestazioni di un software-defined modem negli ambiti di comunicazione e ranging via one-way travel time (OWTT) secondo alcuni obiettivi di sviluppo predefiniti (consumo energetico, resistenza al rumore, latenza di trasmissione, etc.) Per analisi su un caso d'uso reale, il proof-of-concept sviluppato come parte del progetto MODA è preso come riferimento e utilizzato per test reali sul campo. Analizzando prima valori simulati e successivamente misurazioni effettive, si è potuto determinare come un singolo valore SPS non possa essere ottimale per ogni scenario: al contrario, può essere regolato assieme ad altri parametri per adattare ulteriormente il profilo di funzionamento del modem e massimizzare la performance in contesti applicativi differenti.