Sualtı akustiği için veri temelli kanal kestirimi ve modellenmesi
Data based channel estimation and modeling for underwater acoustic
Yazar: MEHMET ALİ ÇAVUŞLU
Danışman: DOÇ. DR. SUHAP ŞAHİN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Sualtı ortamına yönelik haberleşme ve algılayıcı teknolojilerinde meydana gelen gelişmelerle ile birlikte noktadan noktaya haberleşmenin sağlanabilmesine yönelik yeni teknikler ortaya çıkmıştır. Kaotik yapısından dolayı sualtı ortamında oluşan kanallar içerisinde haberleşme link kalitesini ve performansını etkileyen birçok olumsuz faktör barındırmaktadır. Bu olumsuz faktörler kaynakla alıcı arasında veri aktarımını doğrudan etkilemektedir. Örneğin su altı akustik haberleşme kanalında, akustik enerjinin ısıya aktarılması nedeniyle oluşan emilim kaybı, iletilen işaretin frekansına bağlıdır. Emilim kaybı frekansa ek olarak derinlik, sıcaklık, tuzluluk, pH ve ses hızına bağlı olarak değişmektedir ve, sistem tarafından kullanılacak bant genişliğini ve iletişim için gerekli mesafeyi doğrudan etkilemektedir. Bu tez çalışmasında, Türkiye'nin Balıkesir ili Erdek ilçesinin sualtı ortamında oluşan kanalların sıcaklık, tuzluluk, derinlik ve ses hızı değişimlerinin kanal bant genişliği, kanal kapasitesi ve iletim gücü üzerindeki etkisi irdelenmiştir. Tez kapsamında, Erdek bölgesinde saha testlerinde kayıt altına alınan derinliğe bağlı sıcaklık, tuzluluk ve ses hızı verileri kullanılarak bant genişliği, kapasite ve iletim gücü model parametrelerinin kestirimleri gerçekleştirilmiştir. Yayılım kaybı hesaplamalarında silindirik, küresel ve pratik yayılım modelleri kullanılmıştır. Emilim kaybı hesaplarında literatürde gerçekleştirilen çalışmaların aksine sadece frekansa bağlı yaklaşım kullanmak yerine, ölçüm verileri kullanılarak sualtı ortamında meydana gelen değişimlerin etkisi de kanal kestirim hesaplarına dâhil edilerek gerçekçi modeller oluşturulmuştur. Emilim kaybı hesapları için basitleştirilmiş emilim kaybı parametreleri tez kapsamında önerilmiştir. Ölçüm verileri kullanılarak kestirilen kanal model parametreleri, farklı SNR değerleri referans alınarak oluşturulmuştur. Tez kapsamında kestirimi yapılan kanal modellerin, analizler sonucunda elde edilen çıktılar ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Due to the developments in communications and sensor technologies for underwater environment, new techniques have emerged to ensure point-to-point communication. Due to their chaotic nature, underwater communication channels contain many adverse factors affecting the communication link quality and its performance. These adverse factors directly affect the data transfer between the source and the receiver. For example, for the underwater acoustic communication channel, the absorption loss which occurs due to conversion of acoustic energy into heat is dependent on the frequency of the transmitted signal. Absorption loss variation depends on depth, temperature, salinity, pH and speed of sound, as well as frequency, and it directly affects the bandwidth used by the system and the distance required for reliable communication. In this thesis, the effects of variation of temperature, salinity, depth and sound velocity on the channel bandwidth, channel capacity and transmission power of the channels formed in the underwater environment in the Erdek region of the Balıkesir province of Turkey, were examined. Within the scope of the thesis, the estimations of bandwidth, capacity and transmission power model parameters were made by using temperature, salinity and sound velocity data relative to depth recorded. Cylindrical, spherical and practical propagation models are used to compute the propagation loss. In contrast to the studies performed in the literature regarding absorption loss calculations, instead of using only the frequency-dependent approach, realistic models have been created by including the effect of changes in the underwater environment in the channel estimation calculations using measurement data. Simplified absorption loss parameters for absorption loss calculations are proposed in the thesis. The channel model parameters estimated using the measurement data were created at different SNR values as reference. It has been observed that the channel models estimated within the scope of the thesis are compatible with the outputs obtained from the analysis.