Towards an intelligent reliable connectivity for underwater wireless communication

Romdhane, Imene (2026). Towards an intelligent reliable connectivity for underwater wireless communication. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Nowadays, the underwater environment is receiving increasing attention for deploying communications in different fields. Thus, finding a robust mean of underwater communication against the harsh underwater environment conditions is becoming crucial. Acoustic and radio frequency (RF) communications were initially deployed for underwater communications. However, acoustic communications suffer from high latency and limited beamwidth, and RF communications suffer from high energy consumption and severe attenuation underwater. Consequently, underwater optical wireless communications (UOWC) were lately proposed as a promising candidate. Thanks to the remarkable advantages of optical waves, such as the high speed of light, high data rates, and low power consumption, it became a center of interest for many researches. Yet, UOWC suffer from limitations that can degrade the communication quality, such as short communication ranges and pointing errors (PEs).

The main objective of this thesis is to construct an autonomous self-organized network (SON) for UOWC that is robust against the harsh underwater environment. The first goal is to maintain the connectivity between the nodes by solving the beam’s alignment problem. The second goal is to extend the network’s lifetime by optimizing the nodes’ power consumption. The third goal is to solve the fairness problem in UOWC networks.

In this vein, we first propose reinforcement learning (RL)-based beam adaptation solutions for UOWC point-to-point (P2P) communication. These solutions optimize the light beamwidth, beam orientation, or both. These solutions improve the optical link’s success rate and guarantee better link quality in terms of signal to-noise ratio (SNR) for four different underwater environments, including pure seawater, clean ocean, coastal ocean, and turbid harbor.

Then, we analyse the outage probability for UOWC over oceanic turbulence with PEs. A combined UOWC system including a maximum ratio combining (MRC)-based direct link and an optical intelligent reflecting surface (OIRS)-assisted indirect link is considered. The exponential-generalized gamma (EGG) distribution is adopted to model the oceanic turbulence. The proposed system proves to enhance the connectivity in high-speed UOWC under different underwater channel conditions.

Furthermore, we consider a direct air-to-underwater P2P communication where a terrestrial unmanned aerial vehicle (UAV) is communicating with an underwater node directly with no relay on the water surface. Specifically, we present a deep deterministic policy gradient (DDPG)- based link adaptation technique, considering the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique under noisy channel state information (CSI) conditions. This technique optimizes the beamwidth, beam orientation, and transmitting power levels from the UAV, treating these parameters as continuous variables to account for the inherent randomness in real-world scenarios. The proposed method proves to maintain high success rates, while reducing the energy consumption compared to Q-learning based approach.

Finally, we introduce dynamic DDPG-based beamforming optimization solutions for multi-beam UOWC networks. Non-orthogonal multiple access (NOMA) is adopted within each beam to support multi user communications. This technique optimizes the beam orientation and power allocation among different receiving nodes, considering node’s quasi-stationarity due to underwater dynamicity. Both a single-agent and a sequential multi-agent DDPG-based solutions are proposed in this chapter, in the aim of maximizing the system’s energy efficiency (EE) while guaranteeing the max-min fairness.

Titre traduit

Vers une connectivité intelligente et fiable pour la communication sans fil sous-marine

Résumé traduit

De nos jours, l’environnement sous-marin reçoit une attention croissante pour le déploiement des communications dans différents domaines. Ainsi, trouver un moyen robuste de communication sous-marine face aux conditions difficiles de l’environnement sous-marin devient crucial. Les communications acoustiques et par radiofréquence (RF) ont été initialement déployées pour les communications sous-marines. Cependant, les communications acoustiques souffrent d’une latence élevée et d’une largeur de faisceau limitée, tandis que les communications RF souffrent d’une consommation énergétique élevée et d’une atténuation sévère sous l’eau. En conséquence, les communications optiques sans fil sous-marines (UOWC) ont récemment été proposées comme un candidat prometteur. Grâce aux avantages remarquables des ondes optiques, tels que la haute vitesse de la lumière, les débits de données élevés et la faible consommation d’énergie, elles sont devenues un centre d’intérêt pour de nombreuses recherches. Pourtant, les UOWC souffrent de limitations qui peuvent dégrader la qualité de la communication, telles que des portées de communication courtes et des problèmes d’erreurs de pointage (PE).

L’objectif principal de cette thèse est de construire un réseau autonome auto-organisé (SON) pour les communications optiques sans fil sous-marines (UOWC) qui soit robuste contre les conditions sévères de l’environnement sous-marin. Le premier objectif est de maintenir la connectivité entre les nœuds en résolvant le problème de l’alignement des faisceaux. Le deuxième objectif est d’étendre la durée de vie du réseau en optimisant la consommation d’énergie des nœuds. Le troisième objectif est de résoudre le problème de l’équité dans les réseaux UOWC.

Dans ce cadre, nous proposons des solutions d’adaptation des faisceaux basées sur l’apprentissage par renforcement (RL) pour les communications optiques sous-marines point-à-point (P2P). Ces solutions optimisent la largeur du faisceau lumineux, l’orientation du faisceau, ou les deux. Ces solutions améliorent le taux de succès du lien optique et garantissent une meilleure qualité de lien en termes de rapport signal-bruit (SNR) pour quatre environnements sous-marins différents, y compris l’eau de mer pure, l’océan propre, l’océan côtier et le port trouble.

En plus, nous analysons la probabilité de défaillance pour les UOWC sur les turbulences océaniques avec des PEs. Un système UOWC combiné incluant un lien direct basé sur une combinaison à ratio maximal (MRC) et un lien indirect assisté par une surface réfléchissante optique intelligente (OIRS) est considéré. La distribution gamma exponentielle généralisée (EGG) est adoptée pour modéliser les turbulences océaniques. Le système proposé améliore la connectivité dans les UOWC à grande vitesse sous différentes conditions de canal sous-marin.

En outre, nous étudions une communication directe air-sous-marin P2P où un véhicule aérien terrestre sans pilote (UAV) communique directement avec un nœud sous-marin sans relais à la surface de l’eau. Plus précisément, nous présentons une technique d’adaptation de lien basée sur le gradient de politique déterministe profond (DDPG), en considérant la technique de multiplexage par division de fréquence orthogonale (OFDM) dans des conditions de l’informations sur l’état du canal (CSI) bruyantes. Cette technique optimise la largeur du faisceau, l’orientation du faisceau et les niveaux de puissance de transmission de l’UAV, en traitant ces paramètres comme des variables continues pour tenir compte du caractère aléatoire inhérent aux scénarios réels. La méthode proposée prouve qu’elle maintient des taux de succès élevés tout en réduisant la consommation d’énergie par rapport à l’approche basée sur l’apprentissage Q.

Enfin, nous introduisons des solutions d’optimisation du faisceau basées sur DDPG dynamique pour les réseaux UOWC multi-faisceaux. L’accès multiple non orthogonal (NOMA) est adopté au sein de chaque faisceau pour soutenir les communications multi-utilisateurs. Cette technique optimise l’orientation du faisceau et l’allocation de puissance entre différents nœuds récepteurs, en tenant compte de la quasi-stationnarité des nœuds due à la dynamique sous-marine. Des solutions DDPG à agent unique et multi-agents séquentiels sont proposées dans ce chapitre, dans le but de maximiser l’efficacité énergétique (EE) du système tout en garantissant l’équité max-min.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 145-158).
Mots-clés libres:	communication optique sans fil sous-marine, communications directes air-sous-marine, apprentissage par renforcement, adaptation de liaison, qualité de liaison, allocation de puissance, efficacité énergétique, formation de faisceaux
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Kaddoum, Georges
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 juill. 2026 14:04
Dernière modification:	24 juill. 2026 14:04
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4005

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