2.1. Optically Important Ocean Constituents

Substances contained in the aquatic medium are classified as either dissolved (with particle diameters < 0.4 µm) or particulate matter. The main optical components are [1]:

•    Sea Water: comprises pure water and inorganic dissolved materials, which are not surprisingly mostly salts.

•    Particulate Organic Material: includes many organisms, of which phytoplankton are the most optically important.

•    Dissolved Organic Material: consists of decaying marine matter and broken-down plant tissue.

•    Inorganic Particles: clays, sands, rocks that have been blown or washed from land into the ocean, as well as metal oxides and minerals.

The properties of different water bodies vary with the concentration of dissolved substances and geographical location. There are four different water types considered in UOWC:

•    Pure seawater: Absorption is the main restriction; it is the sum of that in pure water without suspended particles and that by salts in pure saltwater.

•    Clear ocean: This has a higher concentration of dissolved particles; there is classification into Jerlov water types [2], depending on geography and suspended particle concentration.

•    Coastal water: The effect of scattering and absorption increases as there is a higher concentration of dissolved particles and hence increased turbidity.

•    Turbid harbour water: Optical propagation is limited by high absorption and scattering from the high concentration of suspended and dissolved particles.

The physical properties of the ocean also vary with depth but that is not considered here – refer to Apel [2] for details.

2.2. Attenuation

The two major factors that determine underwater light attenuation are absorption and scattering.      Their impact can cause three undesirable effects to UOWC system design.  Firstly, the total light           propagation energy will diminish continuously due to absorption which will reduce the UOWC link       distance. Secondly, scattering will result in a reduction of the number of photons collected by the        detector, which degrades the system signal to noise ratio given the finite size of the receiver optical    aperture. Thirdly, scattering may cause photons to arrive at the detector plane in different time slots, leading to dispersion. The overall absorption and scattering coefficients of sea water, respectively         () and (), are found from the sum of the various optical components multiplied by each of their concentrations [2]. These are then combined to form the overall beam attenuation coefficient, (),  (with units of m- 1) thus:

() = () + ()                                                                            (1)

2.3. Power Loss

As discussed above, both absorption and scattering prevent a photon from reaching a receiver after  passing through an underwater channel. These two processes are basically responsible for the decay of the transmitted power as the photon beam propagates through water. The most basic modelling scheme of IOPs encapsulates this power loss and it is combined with the Beer-Lambert (BL) law to    give an expression for the received power in terms of the power at the source (0) after a specified  distance () [3]:

 = 0 exp[−()]                                                                                (2)

This does neglect any scattered photons that eventually reach the receiver and is only valid for line- of-sight links [4].

3.   Assignment Tasks

You are to investigate a UOWC line-of-sight link using MATLAB (and Excel if you wish for some  plots, although it can all be done in MATLAB). This will be a simplified version of a full analysis   and you will also need to think about the implications of including other factors in your design.

(a)   You are provided with the function “fwaterT(lambda,WaterType).m” that takes as its

arguments the wavelength in nm (lambda) and the type of water (WaterType). This           returns the value of () from (1), which can then be used in (2) to work out                        approximately how much power arrives at the receiver. Thermal noise dominates the        performance because background light does not propagate very far in the water. Obtain   the OOK BER curve of pure water (set “WaterType” to 0) as a function of distance over a   suitable length range (try around 400 m to 1500 m initially) at a bit rate of 100 kbps using an input power of 40 dBm and a wavelength of 532 nm. Assume a photodiode with            responsivity 1 A W- 1; take the receiver noise equivalent bandwidth to be half the bit rate; assume an ideal receiver amplifier with an effective resistance of 1 kΩ; set the                     temperature of operation to 280K. Then, estimate the distance over which a BER of 10-6     can be achieved.

(b)   Change the wavelength of operation to one determined by running the function

“fstudentwl(ID).m” that is provided and replacing “ID” with your student number. Then  repeat part (a), plotting the two BER curves on the same graph and again estimating the  distance over which a BER of 10-6 can be achieved. Note that you can adjust the distance of transmission to obtain satisfactory plots in this and subsequent parts.

(c)   Increase the bit rate to 1 Mbps and estimate the distance over which a BER of 10-6 can now be achieved for both the wavelengths above.

(d)   Choose another water type (you can see what they are by typing “help fwaterT” once you have the function in your MATLAB path). Plot suitable BER curves over appropriate             distances at 100 kbps and 1 Mbps then estimate the distances over which a BER of 10-6        can be achieved for both the wavelengths previously used.

(e)   Provide a short (approximately half-page) discussion and summary of your conclusions to

include aspects that could affect the model and are neglected.

(f)    Produce a brief review of underwater optical wireless communications; this can focus on

one or more aspects and be around 1-page long.

4.   References

1.  C. D. Mobley, Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters, San Diego: Academic Press, 2008.

2. J. R. Apel, Principles of Ocean Physics, London: Academic Press, 1987.

3.  N. G. Jerlov, Marine Optics, Amsterdam: Elsevier, 1976.

4.  B. M. Cochenour, L. J. Mullen and A. E. Laux, "Spatial and temporal dispersion in high bandwidth underwater  laser  communication  links,"  MILCOM  2008  -  2008  IEEE  Military  Communications Conference, San Diego, CA, 2008, pp. 1-7.

Submission Guidance

Maximum length:  4 pages, including figures and tables.

Format: 12-point Calibri font and with 1.5 line spacings.                                                                              References should be included as needed and your MATLAB code should be added as an appendix.

Submit this assignment on Tabula in pdf format by 12:00 noon on 3 March 2022 (Week 22).                   When submitting your pdf assign to the document the filename identifier of ES4C4-student id–2022, where ‘student id’ is for your university student number.                                                                                 There cannot be a hard copy submission.                                                                                                              A late submission (without a legitimate mitigating reason) will be subject to the normal School of Engineering late submission penalties.                                                                                                                   Your assignment will  be checked for  plagiarism  using the Turnitin software  and should there  be evidence of direct copying from another source you will be liable to a reduction in your mark which could result in a mark of zero.                                                                                                                                  Assessment Criteria

This assignment is to be marked out of 100.