I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   8 ,   No .   4 A u g u s t   201 8 ,   p p .   2 5 7 1 ~ 2 5 7 7   I SS N:  2088 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 8 i 4 . p p 2 5 7 1 - 2577           2571       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   Sca tt ering   Reg i mes  f o r Un derw a ter  O p tical Wi reles Co m m uni ca tions   u sing  Mo nte  Ca rl o  Si m ula tion       F.   J a s m a n 1 A. M .   Z a it o n 2 Z.   Ah m a d 3 Z .   Ri ha w i 4   1 F a c u lt y   o f   En g in e e rin g   a n d   Co m p u ti n g ,   F irst  C it y   Un iv e rsit y   Co ll e g e ,   S e lan g o r,   M a lay sia   2 F a c u lt y   o f   El e c tro n ic &   Co m p u ter E n g in e e rin g ,   Un iv e rsiti   T e k n ik a M a lay sia   M e lak a ,   M a la y sia     3 F a c u lt y   o f   En g in e e rin g ,   En v iro n m e n a n d   C o m p u ti n g ,   C o v e n try   U n iv e rsity ,   UK   4 W a r w ic k   M a n u f a c tu rin g   G ro u p   ( W M G ),   Un iv e rsit y   o f   W a r w ic k ,   UK       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   3 0 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   A p r   2 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   A p r   9 ,   2 0 1 8       Op ti c a w irel e ss   c o m m u n ica ti o n h a sh o w n   tre m e n d o u p o t e n ti a f o r   u n d e rw a ter  a p p li c a ti o n a it   c a n   p ro v id e   h ig h e b a n d w id th   a n d   b e tt e r   se c u rit y   c o m p a re d   to   a c o u stic t e c h n o lo g ies .   In   th is  p a p e r,     a n   in v e stig a ti o n   o n   sc a tt e rin g   re g i m e s   f o u n d e rw a ter  li n k s   u sin g   M o n te  Ca rlo   sim u latio n   h a b e e n   p re se n ted . W h il e   th e   f o c u o f   th is  p a p e is  o n   d if f u se   li n k s,  th e   sim u latio n   re su lt o f   c o ll im a te d   li n k is  a lso   p ro v id e d   f o c o m p a riso n   p u r p o se .   T h re e   t y p e o f   w a t e n a m e l y   c le a r,   c o a s tal  a n d   tu rb i d   w a t e a re   b e in g   us e d   in   th e   sim u latio n .   It  i sh o w n   th a th e   e ff e c t   o sc a tt e r in g   o n   th e   p a th   lo ss   c a n n o b e   a c c u ra tel y   m o d e led   b y   th e   e x isti n g   c h a n n e m o d e l;   ie.  Be e rs - L a m b e rt  (BL la w .     It  h a b e e n   sh o w n   t h a   t h e   d istan c e   a w h ich   th e   u n sc a tt e re d   li g h d r o p t o   z e ro   c a n   b e   u se d   t o   e stim a t e   th e   tran siti o n   p o in f o th e   sc a tt e rin g   re g i m e in   c a s e   o f   d if f u se   li n k s.  T h e   tran siti o n   p o in t   f o d iff u se   li n k in   c o a sta w a ter   a n d   tu rb i d   w a t e c a n   b e   e sti m a ted   to   b e   a ro u n d   2 2   m   a n d   4   m   re sp e c ti v e l y .   F u rth e a n a l y sis  o n   th e   sc a tt e ri n g   o r d e p ro b a b il it y   a d if fe re n sc a tt e rin g   re g i m e il lu stra tes   h o w   sc a tt e rin g   is  a ffe c ted   b y   b e a m   siz e ,   w a ter   tu rb id i ty   a n d   d istan c e .   F ro m   th e   f re q u e n c y   re sp o n se   p lo t,   it   is   e sti m a ted   th a t h e   b a n d w id th   o f   se v e ra o rd e o f   G Hz   c a n   b e   a c h iev e d   w h e n   th e   l i n k a re   o p e ra ti n g   in   th e   m i n im a s c a tt e rin g   r e g io n   a n d   w il l   re d u c e   to   se v e r a h u n d re d o f   M Hz   w h e n   th e   li n k   is  o p e ra ti n g   in   m u lt ip le   sc a tt e rin g   re g io n .   K ey w o r d :   C h a n n el  b an d w id th   Mo n te  C ar lo   Scatter in g   r eg i m e s   T r an s itio n   p o in t   Un d er w a ter   o p tical  w ir eles s   Co p y rig h ©   2 0 1 8   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Faez ah   J as m a n   Facu lt y   o f   E n g i n ee r i n g   a n d   C o m p u ti n g ,   First C i t y   U n i v er s it y   C o lle g e ,   P er s iar an   B an d ar   Uta m a,   4 7 8 0 0   p etalin g   J a y a Sela n g o r ,   Ma l a y s ia .   E m ail:  f ae za h . j as m an @ f ir s tci t y . ed u . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   Op tical  w ir eles s   co m m u n icati o n s   ( OW C )   w h ich   o f f er   h ig h   b an d w id t h   ( ~GHz ) ,   b u o n l y   o v er   s h o r r an g e s   ( < 2 0 0   m )   is   s ee n   a s   co m p le m e n tar y   tec h n o lo g y   to   t h ac o u s tic  tec h n o lo g y   f o r   u n d er w a ter   ap p licatio n s .   His to r icall y ,   r es ea r ch   o n   u s i n g   laser s   f o r   u n d er s ea   co m m u n icatio n s   h as   s ta r ted   as  ea r l y   as   th e   1 9 7 0 s   [ 1 ] .   Sp ec if icall y ,   w a v el en g t h s   i n   t h b l u e/ g r ee n   r e g i o n   h a v b ee n   u s ed   a s   t h e y   ex h ib it  t h m i n i m u m   atten u atio n   u n d er w ater .   R ec e n tl y ,   d ata  r ate  o f   u p   to   5 . 5   Gb p s   h as  b ee n   d e m o n s tr ated   o v er   th r an g o f   2 6   m   [ 2 ] .   Desp ite  th h i g h   d ata  r ate   ac h iev ed   b y   la s er   b ased   lin k s ,   t h e y   f ac co n s id er ab le  ch alle n g to   m ai n tai n   ac cu r ate  p o in ti n g   a n d   tr ac k i n g   s i n ce   laser   b ea m s   ar h i g h l y   co lli m ated .   T h u s ,   s ev er al  in v esti g atio n s   t o   d ev elo p   d if f u s s y s te m   b as ed   o n   L E to   ea s th s tr ict  p o in tin g   r eq u ir e m e n t s   h a v b ee n   co n d u cted .   An   ex p er i m e n t u s i n g   a n   o m n id ir e ctio n al  tr an s m itter   at  4 0   Mb p s   o v er   1 0   m   h a s   b ee n   r ep o r ted   i n   [ 3 ] .     On o f   th m ain   c h alle n g e s   t o   im p le m e n an   u n d er w a ter   OW C   ( UOW C )   is   th ef f ec o f   s ca tter in g   th at  ca u s es  te m p o r al  d is p er s io n s   w h ic h   ev e n t u all y   li m it  t h e   b an d w id t h   o f   t h li n k s .   Ma n y   w o r k s   h a v b ee n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   4 A u g u s t   201 8   :   2 5 7 1     2 5 7 7   2572   don to   u n d er s tan d   an d   ch ar a cter is th ef f ec o f   s ca tter in g .   I n   [ 4 ] ,   ca teg o r is atio n   o f   th en er g y   tr a n s p o r t   r eg io n   f o r   t h b l u e - g r ee n   p u l s ed   laser   t h r o u g h   f o g   in   th e   at m o s p h er h as  b ee n   p r o p o s ed .   I n   [ 5 ] [ 6 ] ,   an   eq u atio n   i s   u s ed   to   esti m ate  t h tr an s itio n   p o in f r o m   a n   u n s ca tter ed   r eg io n   to   m u ltip l s ca tter in g   r e g io n s ,   w h ic h   is   b e n ef icial  to   p r ed ict  th d is ta n ce   w h er th b an d w i d th   w ill b li m ited .   I t is p r ed ic ted   th at  t h ch a n n el   b an d w id t h   o f   s ev er al  o r d er   o f   GHz   ca n   b s u p p o r ted   w h e n   th lin k   is   o p er atin g   i n   m i n i m al  s ca tter in g   r eg io n   w h er u n s ca tter ed   li g h t   d o m i n ates.  An   e x p er i m en tal   w o r k   co n d u cted   i n   [ 6 ]   h a s   s h o w n   th at   th e   tr an s itio n   p o in o b tain ed   f o r   co lli m ated   b ea m   m a tch ed   t h w o r k   i n   [ 4 ] .   Sev er al  p ap er s   also   h i g h l ig h ted   t h i m p o r ta n ce   o f   id en ti f y in g   t h o p er atin g   r eg io n   o f   u n d er w ater   li n k s   [ 7 ] [ 8 ] .   Fo r   ex a m p le,   in   t h d esi g n   o f   r ela y   as s is ted   co m m u n icatio n   o r   m u lti - h o p   c o o p er ativ co m m u n icatio n ,   it  is   cr u cial  to   d eter m in e   th p la ce m en o f   t h r ela y   n o d es  i n   o r d er   to   o p ti m ize  t h o v er all   en d - to - e n d   li n k s .   T h u s ,   t h is   p ap er   w il f o cu s   o n   t h s i m u la tio n   o f   d if f u s e   li n k s   to   in v e s ti g ate  t h s ca tter in g   b eh av io r   in   t h r ee   t y p es   o f   w ater   a s   n o n o f   th e   p r ev io u s   w o r k   in v e s ti g ates   th s ca tter i n g   r eg i m f o r   th d i f f u s li n k s .   T h r e m ain d er   o f   th i s   p ap er   is   o r g an i s e d   as  f o llo w s :   S u b s ec tio n   1 . 1   an d   1 . 2   p r ese n b r ief   i n tr o d u ctio n   to   u n d er w ater   o p tical  p r o p er ties   a n d   ch a n n el  m o d el.   Sectio n   2   d escr ib es   th e   p r o p o s ed   s y s te m   b ased   o n   Mo n te   C ar lo   ( MC)  s i m u la tio n .   Af t er w ar d s ,   n u m er ica l   r esu lt s   an d   k e y   f in d i n g s   ar d is cu s s ed   in   Sec tio n   4 .   Fin a ll y ,   Sectio n   5   co n clu d e s   th w o r k .     1 . 1 .   O ptic a p r o pert ies     T h t w o   m aj o r   o p tical  p r o p er t ies   t h at  a tten u ate   w ater   ar ab s o r p tio n   an d   s ca tter i n g .   A b s o r p tio n   is   a   p r o ce s s   w h e n   t h p h o to n   e n er g y   i s   lo s t   d u to   t h e   tr a n s f er   o f   e n er g y   d u r in g   t h i n t er ac tio n   w it h   w ater   m o lecu le s   a n d   p ar ticles.  Scatt er in g   i s   p r o ce s s   w h er p h o to n s   p ath   i s   d ef lecte d   d u to   t h i n ter ac tio n   w i th   p ar ticu late  m atter   in   w ater   [ 9 ] . T h is   p r o ce s s   ca u s es  s p atial   d is p er s io n   th at  r ed u ce s   t h s i g n al - to - n o i s r atio   ( SNR )   d u e   to   t h l ig h f r o m   t h s o u r ce   s p r ea d s   o u i n   s p ac e   an d   ca u s e s   r ed u ctio n   o f   th e   n u m b er   o f   p h o to n s   co llected   at  th r ec eiv er .   A d d i tio n all y ,   s ca tter i n g   al s o   ca u s e s   te m p o r al  d is p er s io n   w h ic h   r esu lt s   f r o m   d i f f er en t   ti m o f   ar r iv al  o f   p h o to n s   at  th r ec eiv er .   T h is   w ill  li m i th e   ch an n el  b an d w id th   a v ailab le  f o r   co m m u n icatio n   d u to   t h i n tr o d u ctio n   o f   i n te r - s y m b o l - i n ter f er e n ce   [ 1 0 ] .   B o th   o f   t h ese  e f f ec ts   ar w a v ele n g t h   d ep en d en a n d   ar g en er all y   r ep r esen ted   b y   t h atte n u at io n   co ef f ic ien c   wh ich   is   t h s u m m atio n   o f   ab s o r p tio n   co ef f ic ien a an d   s ca tter in g   co ef f icie n b .   C o ef f icie n t   v alu e s   f o r   d if f er en w ater   h a v b ee n   estab li s h ed   i n   th liter at u r an d   ar s h o w n   i n   T ab le  1   [ 1 1 ] [ 1 2 ] .       T ab le  1 .   Op tical  P r o p er ties   of   t h r ee   T y p es  o f   Wa ter   W a t e r   t y p e   (m - 1 )   (m - 1 )   (m - 1 )   C l e a n   w a t e r   0 . 1 1 4   0 . 0 3 7   0 . 1 5 1   C o a st a l   w a t e r   0 . 1 7 9   0 . 2 1 9   0 . 3 9 8   T u r b i d   w a t e r   0 . 3 6 6   1 . 8 2 4   2 . 1 9       1 . 2 .   Cha nn el  m o del     On o f   t h ch al len g es  i n   u n d er w ater   en v ir o n m en is   to   estab lis h   u n iv er s al  an al y tica m o d el  to   p r ed ict  th p er f o r m a n ce   o f   U OW C   lin k s .   W h ile  t h w o r k   o n   th i s   asp ec t   co n ti n u es ,   s e v e r al  r esear ch er s   h a v u tili s e d   B ee r - L a m b er t   ( B L )   la w   d u to   its   s i m p lici t y .   B y   u s i n g   B L   la w ,   th e   r ec eiv ed   p o w e r   ca n   b ca lcu la ted   as [ 9 ] .     e x p ( ( ) ) o P P c z                ( 1)         W h er P O   is   th tr an s m itted   p o w er ,   z   is   t h p ath   le n g th   a n d   c( )   i s   th b ea m   a tten u atio n   c o ef f icie n t.  T h b ea m   atte n u at io n   co ef f ici en t,  c( )   is   ca lc u lated   u s in g     ) ( ) ( ) ( b a c                   ( 2 )     W h er a( )   is   th ab s o r p tio n   co ef f icie n a n d   b( )   is   t h s c atter in g   co ef f icien t.  I ca n   b s ee n   f r o m   E q u atio n s   ( 1 )   an d   ( 2 )   t h at  t h e   B L   l a w   o n l y   co n s id er s   th e   att en u at io n   d u to   th e   ab s o r p tio n   a n d   t h s ca tter i n g   an d   d o es  n o co n s id er   an y   re - s ca t ter ed   lig h t   th a co n t r ib u ted   to   th e   r ec eiv ed   p o wer .   As  r es u lt,   it   u n d er esti m ate s   th e   p o w er   r ec e iv ed   i n   t h e   h i g h   s ca tter in g   en v ir o n m e n as   s o m e   o f   th e   re - s c atter ed   lig h w ill   b co llected   b y   t h r ec ei v er .   F u r th e r m o r e ,   B L   l a w   o n l y   ap p lies   to   co lli m ated   b ea m s   in   L OS  li n k s .   An o t h er   alter n ati v in   m o d eli n g   t h u n d er w ater   ch a n n el  is   b y   u s in g   MC  n u m er ical  m et h o d s   w h ich   is   r eg ar d ed   as  p o w er f u to o d u to   its   f lex ib ilit y   an d   ac cu r ac y .     Sev er a w o r k s   u s i n g   MC  s i m u latio n   in   m o d eli n g   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       S ca tter in g   R eg imes fo r   Un d erw a ter O p tica W ir e less   C o mm u n ica tio n s   u s in g   ...  ( F .   Ja s ma n )   2573   ch ar ac ter izatio n   o f   t h UO W C   h a v b ee n   r ep o r ted .   A n   in v esti g atio n   o n   th e   p ath   l o s s   an d   th c h a n n e l   b an d w id t h   p er f o r m a n ce   o f   co lli m ated   l in k s   h a s   b ee n   r ep o r ted   in   [ 5 ] ,   [ 1 3 ]   an d   [ 1 4 ] .   I is   s h o w n   t h at  M C   s i m u lat io n   ca n   p r ed ict  t h p er f o r m a n ce   a n d   ca p ac it y   m o r a cc u r atel y .   Si m ilar l y ,   s e v er al  w o r k s   o n   m o d elli n g   d if f u s e   li n k s   h a v b ee n   r ep o r ted .   Fo r   ex a m p le   i n   [ 1 5 ]   an d   [ 1 6 ] ,   MC  s i m u latio n   h a s   b ee n   u tili s ed   to   m o d el  t h i m p u l s r esp o n s w h ic h   w as  u s ed   to   v er if y   th a n al y tical  eq u atio n   o f   th i m p u ls r esp o n s e   p r o p o s ed .       2.   RE S E ARCH   M E T H O D     2 . 1 .   Si m ula t io s et u p     I n   th is   p ap er ,   MC  s i m u latio n   i s   u s ed   to   m o d el  t h d if f u s l i n k s   w h er th e   lig h b ea m   i s   m o d elled   as   th co n tin u o u s   p r o p ag atio n   o f   lar g g r o u p   o f   p h o to n s .   s et  o f   p r o b ab ilit y   r u le s   a n d   r an d o m   v ar iab les  ar e   u s ed   to   m o d el  th e   i n itial  b ea m   d is tr ib u tio n s ,   p ath   len g t h   a n d   s ca tter i n g   an g le.   Fo r   d etailed   d escr ip tio n   o f   Mo n te  C ar lo   s i m u la tio n ,   r ea d er s   ca n   r ef er   to   [ 5 ]   an d   [ 1 7 ] .   T h r ee   ty p es  o f   w ater   h a v b ee n   co n s id er ed   in   t h i s   s i m u lat io n c le ar   w ater ,   co asta w ater   a n d   tu r b id   w ater .   T h d is tan ce   b et w ee n   th e   s o u r ce   a n d   t h r ec eiv er   w a s   v ar ied   b et w ee n   1   m   to   5 0   m .   T w o   s izes  o f   b ea m   d i v er g e n ce   f o r   d if f u s s o u r ce s   ar u s ed   n a m el y   1 5   an d   3 0 Oth er   s i m u latio n   p ar a m eter s   w er s et  a s   lis ted   i n   T ab le   2 .   T o   s i m p li f y   t h s i m u latio n ,   th ef f ec t o f   t u r b u le n ce ,   b ac k g r o u n d   r ad iatio n ,   n o is es a n d   s u r f ac w av e s   h a s   b ee n   n e g lecte d .       T ab le  2 .   Sim u latio n   P ar am e ter s                     3.   RE SU L T A ND  AN AL Y SI S     3 . 1 .   P a t h lo s s   perf o r m a nce     Fig u r 1 ( a)   s h o w s   t h p at h   l o s s   p er f o r m a n ce   f o r   c o lli m a t ed   an d   d if f u s ed   li n k s   i n   c lear   w a ter   an d   co astal  w ater   a s   t h d is t an ce   i s   v ar ied   f r o m   5   m   to   5 0 m .   Fo r   tu r b id   w ater ,   s ep ar ate  p lo h as  b ee n   p r ese n ted     as  th m a x i m u m   d is tan ce   s t u d ied   is   u p   to   2 0   m   o n l y .   Fir s tl y ,   it  ca n   b s ee n   t h at,   b o th   in   clea r   w ater   an d   co astal  w ater ,   t h p ath   lo s s   p er f o r m an ce   f o r   d if f u s li n k s   d id   n o m atch   B L   la w   d u to   th h u g p o w er   lo s s   ca u s ed   b y   t h s p r ea d in g   an d   g eo m e tr ic  lo s s .   A   to tall y   d if f er en b eh a v io u r   is   o b s er v ed   f o r   tu r b id   w ater ,   w h er e   th p ath   lo s s   p er f o r m an ce   is   b etter   th a n   w h at  is   p r ed icted   b y   B L   la w   f o r   d is tan ce   g r ea ter   th an   5   m   a s   s h o w n   in   F ig u r 1 ( b ) .   T h is   is   b ec au s e ,   in   M C   s i m u lat io n s ,   b o t h   u n s ca tter ed   an d   r e - s ca tter ed   lig h ar e   co llected   at  th e   r ec eiv er   w h ic h   r esu lts   i n   lar g e r   r ec eiv ed   p o w er .         Fig u r 1 .   P ath   lo s s   p er f o r m an ce   o f   v ar io u s   b ea m   s ize s   in   ( a)   clea r   an d   co astal  w ater   an d   ( b )   tu r b id   w ater       3 . 2 .   P er ce nta g o f   un s ca t t er ed  lig ht   Fig u r 2   s h o w s   t h p er ce n tag o f   th u n s ca tter ed   li g h th a co n tr ib u ted   to   th to tal  p o w er   r ec ep tio n   as  th d is tan ce   is   v ar ied .   I is   ap p ar en th at  th u n s ca tter ed   lig h d o m in ate s   in   all  t y p es  o f   lin k s   in   clea r   w ater   w it h   co lli m a ted   li n k   s h o w i n g   al m o s t   1 0 0 % c o n tr ib u tio n s .   H o w e v er ,   s ca tter i n g   h as  s h o w n   s i g n i f ica n t   i m p ac t   w h e n   d i f f u s e   li n k s   ar e   u s ed   i n   b o th   co astal   a n d   t u r b id   w a ter   as  t h p er ce n ta g o f   u n s ca tter ed   lig h is   less   t h an   P a r a me t e r   V a l u e   W a v e l e n g t h   5 1 4   n m   B e a m w i d t h   3   mm   C o l l i mat e d   so u r c e   b e a d i v e r g e n c e   ( f u l l - a n g l e )   1 . 5   mr a d   D i f f u se   so u r c e   b e a m   d i v e r g e n c e   ( f u l l - a n g l e )   15 ,   3 0   R e c e i v e r   a p e r t u r e   d i a me t e r   1 0   c m   R e c e i v e r   f i e l d - of - v i e w   ( F O V )   1 8 0   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   4 A u g u s t   201 8   :   2 5 7 1     2 5 7 7   2574   5 0 ev en   f o r   s h o r d is tan ce   ( 1 0   m ) .   I n   co n tr ast,  co lli m ated   lin k   s ti ll  s h o w s   h i g h   co n tr ib u t io n s   o f   u n s ca tter ed   lig h t in   co as tal  w ater   u p   to   5 0   m .     Fro m   th is   p lo t,  th e   d is ta n ce   at  w h ic h   t h u n s ca tter ed   lig h t d r o p s   to   ap p r o x i m atel y   ze r o   is   p r o p o s ed   to   b u s ed   as  th tr a n s itio n   p o in b et w ee n   t h m in i m al l y   s ca tter in g   an d   t h m u ltip le   s ca tter in g   r eg io n .   A p p ar en tl y ,   in   clea r   w ater ,   al th r ee   b ea m s   s h o w   h ig h   p e r ce n tag o f   u n s ca tter ed   li g h u p   to   d is tan ce   o f     5 0   m .   T h u s ,   th tr a n s i tio n   p o i n f o r   clea r   w ater   ca n n o b d eter m i n ed   as  th s t u d y   i s   li m i ted   to   5 0   m .   Mo r s i m u lat io n s   ca n   b d o n at  lo n g er   d is ta n ce   to   in v est ig ate  t h is   i n   t h f u t u r e.   A lter n ate l y ,   i n   co astal  a n d   tu r b id   w ater ,   it  ca n   b s ee n   t h at  th e   tr an s itio n   p o in f o r   b o th   th d if f u s li n k s   ar esti m ated   to   b 2 2   m   an d   4   m   r esp ec tiv el y .   T h is   i s   s li g h tl y   s h o r ter   th an   t h tr an s itio n   p o in t   f o r   th co lli m a ted   lin k   w h ich   is   f o u n d   to   b 5 0   m   an d   7   m   f o r   co astal  w ater   an d   tu r b id   w ater   r esp ec ti v el y .         Fig u r 2 .   T h p er ce n tag o f   th u n s ca tter ed   lig h t t h at  co n tr ib u tes to   t h to tal  p o w er   r ec ep tio n       3 . 3 .   Sca t t er ing   o rder   pro ba bil it y     I n   t h p r ev io u s   s ec tio n ,   it  h as   b ee n   ill u s tr ated   th at   t h s ca t t er in g   is   m o r s ig n i f ica n i n   c o astal  an d   tu r b id   w ater   as   s h o w n   b y   t h e   r ed u ctio n   o f   t h p er ce n tag e   o f   t h u n s ca tter ed   li g h t.  T h u s ,   it  is   i n ter esti n g   to   in v e s ti g ate  t h n at u r o f   t h s ca tter in g   b eh av io u r   o f   t h lig h th a is   co llected   at  th r ec e iv er   b y   f i n d i n g   t h e   s ca tter in g   o r d er   w h ic h   is   d ef i n ed   as  th n u m b er   o f   ti m es  t h r ec eiv ed   lig h h a s   b ee n   s c atter ed   alo n g   th eir   p r o p ag atio n   p ath .   Un s ca tter e d   lig h w ill  h av s ca tter in g   o r d er   o f   0   in d icatin g   t h at  t h e y   ar n o s ca tter ed .   T h r ee   d is tan ce s   ar ch o s en   t o   r ep r esen th m i n i m al  s ca t ter in g   r e g io n ,   th tr a n s i tio n   p o in t,  an d   m u ltip le   s ca tter in g   r eg io n   f o r   b o th   d if f u s lin k s   as  s u m m ar ized   in   T a b le  3 .   A lt h o u g h   w ca n n o d em o n s tr ate  th e   s ca tter in g   b e h av i o u r   f o r   t h e   th r ee   r e g io n s   i n   c lear   w ate r ,   w e   in c lu d ed   t h p lo to   s h o w   t h s ca tter i n g   b eh av io u r   o f   v ar io u s   lin k s   as  d is tan ce   is   i n cr ea s ed   as s h o w n   in   Fi g u r 3 .       Fig u r 4   an d   Fig u r e   5   illu s tr a te  th s ca tter in g   o r d er   h is to g r a m   f o r   d if f er e n s ca tter i n g   r e g i m es  f o r   co astal  w ater   a n d   tu r b id   w ate r   r esp ec tiv el y .   T h r elatio n   b et w ee n   s ca tter i n g   o r d er   w it h   t h b ea m   d iv er g en ce   s izes,  d is tan ce   a n d   t y p es  o f   w ater   ca n   b f o u n d   in   th f ig u r e.   Firstl y ,   it  ca n   b s ee n   t h at  th p r o b a b ilit y   o f   h ig h er   s ca t ter in g   o r d er   in cr ea s es  at  lo n g er   d is ta n ce ,   p ar ticu lar l y   i f   d if f u s li n k s   ar u s ed .   T h is   in d icate s   t h at   th s ca t ter in g   i s   s i g n if ican t l y   af f ec ted   b y   t h s ize  o f   t h b ea m   d iv er g en ce .   I i s   al s o   ill u s tr ated   t h at  i n   t h e   m i n i m al  s ca tter i n g   r eg io n   i n   b o th   co astal  an d   tu r b id   w ater ,   h ig h er   o r d er   o f   m u ltip le  s ca tter in g   ex i s ts   i n   d if f u s e   lin k s   co m p ar ed   to   co lli m ated   li n k .   A t h tr a n s it io n   p o in t,  b o th   d if f u s li n k s   ar d o m in ated   b y   lo w er   o r d er   s ca tter in g   ( n <5 )   w h ile  i n   m u lt ip le  s ca tter i n g   r e g io n ,   m o s o f   th l ig h h as  b ee n   s ca tter ed   b y   m o r th a n     5   ti m e s .   Fro m   t h p lo i i s   al s o   ap p ar en t h at  t h tu r b id   wate r   s h o w s   m o r s ca tter i n g   e f f ec e v e n   w h e n   t h e   lin k s   ar o p er atin g   i n   m in i m al   s ca tter in g   r eg io n .       T ab le  3 Su m m ar y   o s e lect  d is ta n ce   i n   C o as tal  a n d   T u r b id   W ater   W a t e r   Ty p e s   M i n i m a l   sc a t t e r e d   r e g i o n   T r a n si t i o n   p o i n t   M u l t i p l e   sc a t t e r e d   r e g i o n   C o a st a l   w a t e r   1 5   m   2 2   m   5 0   m   T u r b i d   w a t e r   1   m   3   m   7   m         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       S ca tter in g   R eg imes fo r   Un d erw a ter O p tica W ir e less   C o mm u n ica tio n s   u s in g   ...  ( F .   Ja s ma n )   2575       Fig u r 3 .   Scatter in g   o r d er   h is t o g r a m   i n   clea r   w ater   f o r   v ar io u s   b ea m   s izes a ( a)   1 5   m ,   ( b )   3 0   m   an d     ( c)   5 0   m         Fig u r 4 .   Scatter in g   o r d er   h is t o g r a m   i n   co astal  w ater   f o r   v ar io u s   b ea m   s izes a t   ( a)   1 5   m ,   ( b )   3 0   m   an d     ( c)   5 0   m         Fig u r 5 .   Scatter in g   o r d er   h is t o g r a m   i n   tu r b id   w a ter   f o r   v ar i o u s   b ea m   s izes a t ( a)   1   m ,   ( b )   4   m   a n d   ( c)   7   m       3 . 4 .   F re qu ency   re s po n s e     I n   o r d er   to   in v es tig a te  t h te m p o r al  d is p er s io n   o f   t h li n k s   i n   v ar io u s   s ca tter in g   r e g i m es,   t h c h an n el   b an d w id t h   h a s   b ee n   esti m ate d   u s in g   f r eq u e n c y   r esp o n s p lo ( i.e .   d r o p s   b y   3   d B ) .   I n   th is   p lo t,  o n l y   co lli m ated   li n k   a n d   d if f u s e   lin k   u t ilizi n g   t h f u ll  d iv er g e n ce   an g le  o f   1 5   ar s h o w n   t o   s i m p li f y   t h p lo t.  Fig u r 6 ( a) ,   Fig u r 6 ( b ) ,   an d   Fig u r 6 ( c)   s h o w   th f r eq u e n c y   r esp o n s es  o f   b o th   li n k s   i n   clea r ,   co astal  an d   tu r b id   w ater   r esp ec ti v el y .   I n   cl ea r   w ater ,   t h b a n d w id th   s u p p o r ted   b y   t h l in k s   ca n n o t b ca lcu lated   d u e   to   t h e   f ac th at  t h lig h is   d o m i n ate d   b y   th u n s ca tter ed   lig h in d icatin g   th at  b an d w id th   in   t h o r d e r   o f   GHz   is   p o s s ib le.   Fo r   b o th   co as tal  w a t er   an d   t u r b id   w ater ,   it   is   s h o wn   t h at   th e   b an d w id t h   r ed u ce s   f r o m   GHz   r a n g e   to   s ev er al  h u n d r ed s   o f   MH w h e n   t h e   o p er atin g   r eg i m c h a n g es  f r o m   m in i m a s ca tter i n g   to   m u ltip le  s ca tter in g   r eg io n s .   I s h o u ld   b n o ted   t h at  at   th e   tr an s itio n   p o in t,  s e v er al  o r d er   o f   GHz   ca n   s til l   b s u p p o r ted   if   co n s id er ab le   a m o u n t o f   u n s ca t ter ed   an d   s in g le  s ca tter ed   lig h t   ar p r esen t.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  8 ,   No .   4 A u g u s t   201 8   :   2 5 7 1     2 5 7 7   2576     Fig u r 6 .   Fre q u en c y   r e s p o n s es   o f   v ar io u s   b ea m   s ize s   in   ( a)   cl ea r   w ater ,   ( b )   co astal  w ater   an d     ( c)   tu r b id   w a ter       4.   CO NCLU SI O N     I n   th is   p ap er ,   MC b ased   s i m u l atio n   h as b ee n   u tili s ed   to   in v e s tig a te  t h n atu r o f   s ca tter in g   b eh av io u r   o f   d if f u s e   lin k   i n   v ar io u s   t y p es o f   w a ter .   Firstl y ,   m o r ac cu r ate  p ath   lo s s   m o d el  ca n   b o b tain ed   b y   u s i n g   a   MC  s i m u latio n   co m p ar ed   to   th s i m p li f ied   B L   la w .   T h i s   is   b ec au s MC  s i m u latio n   co n s i d er s   th r e - s ca tter ed   lig h t i n   th e   ca lc u latio n   o f   t h r ec eiv ed   p o w er .   T h p er ce n tag o f   u n s ca tter ed   l ig h t   co llecte d   at  t h r ec ei v er   n o t   o n l y   s h o w   h o w   s ca t ter in g   p l a y s   a n   i m p o r tan r o le  in   tr an s m i s s io n   lin k   b u also   p r o v id es  an   i m p o r tan t   in f o r m atio n   i n   t h p r ed ictio n   o f   th tr an s itio n   p o in b et wee n   m i n i m al  s ca tter in g   a n d   m u ltip le  s ca tter i n g   r eg io n .   I ca n   b s aid   th a d i f f u s li n k   ca n   o p er ate  in   m i n i m al  s ca tter i n g   r e g i m es   u p   to   d is tan ce   o f   2 2   m   i n   co astal   w ater   a n d   4   m   in   tu r b i d   w ater .   T o   u n d er s ta n d   t h is   f u r th er ,   th s ca tter i n g   o r d er   b eh av io u r   o f   t h li n k s   h as  b ee n   e v alu a ted   at  t h r ee   r eg io n s   i n   o r d er   to   d e m o n s tr ate  h o w   s ca t ter in g   is   a f f ec ted   b y   b ea m   s ize s ,   d is ta n ce   an d   w ater   t y p e s .   Fi n all y ,   th ch an n el  b a n d w id th   t h at  c an   b s u p p o r ted   in   d if f er en t   r eg io n s   h a s   b ee n   in v e s ti g ated .   I n   m in i m al  s ca tt er in g   r eg io n ,   b an d w id t h   u p   t o   s ev er al  GHz   ca n   b s u p p o r ted     an d   r ed u ce s   to   s ev er al  h u n d r ed   o f   MH in   m u ltip le  s ca tter i n g   r eg io n .   I ca n   b s ee n   th at  b y   cla s s i f y i n g   t h o p er atin g   r eg io n   b ased   o n   s ca tter in g   o r d er ,   b etter   m et h o d   in   p r ed ictin g   th p er f o r m a n ce   o f   OW C   li n k s   h a s   b ee n     o b tain ed .   I t   is   also   b eliev ed   t h at  th tr a n s itio n   p o in p r o p o s ed   in   th is   p ap er   ca n   b u s ef u i n   th c h a r ac ter is atio n   o f   t h e   an al y tical  m o d el  r ep o r ted   in   [ 7 ] ,   w h er th ex ac d is ta n ce   a w h ich   t h m o d el  is   v al id   is   u n k n o w n .   T h u s ,   t h r esu lt s   p r esen ted   h er w ill p r o v id s o m i n s i g h ts   i n to   t h is   i s s u e.       RE F E R E NC E S     [1 ]   S .   Ka rp ,   " Op ti c a Co m m u n ica ti o n Be tw e e n   Un d e rw a ter  a n d   A b o v e   S u rf a c e   (S a telli te)  T e r m in a ls, "   IEE E   T ra n sa c ti o n o n   Co mm u n ica t io n s , "   v o l.   2 4 ,   n o .   1 ,   p p .   6 6 - 8 1 ,   1 9 7 6 .   [2 ]   Y.   Ch e n ,   e a l .,   " 2 6   m /5 . 5   G b p s   a ir - wa ter  o p ti c a w irele ss   c o m m u n ica ti o n   b a se d   o n   a n   OFDM - m o d u late d   5 2 0 - n m   l a se d io d e , "   Op t .   Exp re ss ,   v o l.   2 5 ,   n o .   1 3 ,   p p .   1 4 7 6 0 - 1 4 7 6 5 ,   2 0 1 7 .   [3 ]   G .   Ba id e n ,   e a l. ,   " P a v in g   th e   w a y   f o a   f u tu re   u n d e rw a ter  o m n i - d irec ti o n a w irele ss   o p ti c a c o m m u n ica ti o n   sy ste m s , "   Oc e a n   En g i n e e rin g v o l.   3 6 ,   n o 9 ,   p p .   6 3 3 - 6 4 0 ,   2 0 0 9 .   [4 ]   G .   C.   M o o ra d ian ,   e a l. ,   " Blu e - g re e n   p u lse d   p ro p a g a ti o n   t h ro u g h   f o g , "   Ap p li e d   Op ti c s ,   v o l.   1 8 ,   n o .   4 ,     p p .   4 2 9 - 4 4 1 ,   1 9 7 9 .   [5 ]   W .   C.   Co x   Jr,   " S i m u latio n ,   M o d e li n g ,   a n d   De sig n   o f   Un d e rw a ter   Op ti c a Co m m u n ica ti o n   S y ste m s , "   P h T h e sis,   De p t.   El e c t.   a n d   C o m p .   En g ,   No rt h   Ca ro li n a   S tate   Un iv ,   2 0 1 2 .   [6 ]   B. Co c h e n o u r,   e a l .,  " T e m p o ra re sp o n se   o f   th e   u n d e rw a ter  o p ti c a c h a n n e f o h ig h - b a n d w id t h   w irele ss   la se c o m m u n ica ti o n s, "   IEE J o u rn a o Oc e a n ic E n g in e e rin g ,   v o l.   3 8 ,   no.   4,   p p . 7 3 0 - 7 4 2 ,   2 0 1 3 .   [7 ]   S .   T a n g ,   e a l. " I m p u lse   Re sp o n se   M o d e li n g   f o Un d e r w a ter  W irele ss   Op ti c a Co m m u n ica ti o n   L in k s, "   IEE T ra n sa c ti o n o n   Co mm u n ica t io n s ,   v o l.   6 2 ,   n o .   1 ,   p p .   2 2 6 - 2 3 4 ,   2 0 1 4 .   [8 ]   Z.   Zen g ,   e a l. " A   su rv e y   o f   u n d e rw a ter  o p ti c a w irele ss   c o m m u n ica ti o n s, "   IEE Co mm u n ica ti o n S u rv e y &   T u to ri a ls ,   v o l.   1 9 ,   n o .   1 ,   p p .   2 0 4 - 2 3 8 ,   2 0 1 7 .   [9 ]   S .   A rn o n ,   e a l . ,   " A d v a n c e d   o p ti c a w irele s s co m m u n ica ti o n   sy ste m s ,   " Ca m b rid g e   Un iv e rsit y   P re ss ,   2 0 1 2 ,   p p .   2 0 3 .   [1 0 ]   B.   Co c h e n o u r   a n d   L .   M u l len ,   " Ch a n n e re sp o n se   m e a su re m e n ts  f o d if f u se   n o n - li n e - of - sig h (NL OS)  o p ti c a l   c o m m u n ica ti o n   li n k u n d e rw a ter, "   in   OCEANS ,   1 9 - 2 2   S e p 2 0 1 1 ,   p p .   1 - 5.   [1 1 ]   C.   D.  M o b ley   a n d   C.   D.  M o b ley ,   " Op ti c a P r o p e rti e o f   W a ter, "   in   L i g h t   a n d   w a ter Ra d i a ti v e   tra n sfe in   n a t u ra l   wa ter s ,   v o l.   5 9 2 A c a d e m ic P re ss ,   S a n   Die g o ,   CA ,   1 9 9 4 ,   p p . 1 0 9 .   [1 2 ]   T .   J.  P e tzo ld ,   " V o l u m e   sc a tt e rin g   f u n c ti o n f o se lec ted   o c e a n   w a t e rs, "   S c rip p In stit u te  o f   Oc e o n o g ra p h y ,   S a n   Die g o ,   CA ,   Tec h .   Re p .   Oc 1 9 7 2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       S ca tter in g   R eg imes fo r   Un d erw a ter O p tica W ir e less   C o mm u n ica tio n s   u s in g   ...  ( F .   Ja s ma n )   2577   [1 3 ]   J.  L i,   e a l. ,   " M o n te  Ca rlo   st u d y   o n   p u lse   re sp o n se   o f   u n d e rw a ter   o p ti c a c h a n n e l , "   Op ti c a En g i n e e rin g ,   v o l.   5 1 ,     no .   6 ,   p p .   0 6 6 0 0 1 - 1 ,   2 0 1 2 .   [1 4 ]   W .   Co x   a n d   J.  M u th ,   " S im u latin g   c h a n n e lo ss e in   a n   u n d e rw a t e o p ti c a c o m m u n ica ti o n   sy ste m , "   J o u rn a o t h e   Op ti c a S o c iety   o Ame ric a   A ,   v o l .   3 1 ,   no .   5 ,   p p .   9 2 0 - 9 3 4 ,   2 0 1 4 .   [1 5 ]   C.   G a b riel,   e a l. ,   " M o n te - Ca rlo - b a se d   c h a n n e c h a ra c teriz a ti o n   f o u n d e rw a ter  o p ti c a l   c o m m u n ica ti o n   sy st e m s, "   IEE E/ OS J o u r n a o O p ti c a l   Co mm u n ica ti o n a n d   Ne two rk i n g ,   v o l.   5 ,   n o .   1 ,   p p .   1 - 1 2 ,   2 0 1 3 .   [1 6 ]   Y.  Do n g ,   e a l.   " On   i m p u lse   re s p o n se   m o d e li n g   f o u n d e rw a t e r   w irele ss   o p ti c a M IM li n k s, "   i n   IEE E/ CIC  In t .   Co n f.   o n   Co mm u n ica ti o n s ( ICCC) ,   S h a n g h a i,   Ch i n a ,   1 3 - 1 5   Oc t,   2 0 1 4 ,   p p .   1 5 1 - 1 5 5 .     [1 7 ]   R. A .   L e a th e rs,  e a l. ,   " M o n te  Ca rlo   Ra d iativ e   T ra n sf e S im u latio n f o Oc e a n   Op ti c s:  A   P ra c ti c a G u id e , "   Na v a l   Re se a rc h   Lab . ,   W a sh in g to n ,   DC,  T e c h . M e m o .   NRL /M R/5 6 6 0 04 - 8 8 1 9 ,   S e p 1 ,   2 0 0 4 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS        Fa e z a h   J a s m a n   re c e i v e d   th e   B. En g   (Ho n s)   d e g re e   in   e lec tro n ic s   e n g in e e rin g   f ro m   M u lt im e d ia  Un iv e rsit y ,   in   2 0 0 0 ,   th e   M . S c .   d e g re e   in   c o m m u n ica ti o n   a n d   n e tw o rk   e n g in e e rin g   f ro m   Un iv e r siti   P u tra  M a lay si a ,   in   2 0 0 9 ,   a n d   t h e   P h . D .   d e g re e   in   c o m m u n ica ti o n   e n g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsit y   o W a r w ic k ,   UK ,   in   2 0 1 6 .   S h e   is  c u rre n tl y   w o rk in g   a a   L e c tu re a t   th e   F a c u lt y   o f   En g in e e rin g   a n d   Co m p u ti n g ,   F irst  Cit y   Un iv e rsity   Co ll e g e ,   S e lan g o r He re se a rc h   in tere sts  in c lu d e   u n d e rw a ter  o p ti c a l   w irele ss   c o m m u n ica ti o n s as   w e ll   a s v isib le l ig h c o m m u n ica ti o n s.         Za ito n   A b d u M u ta li p   r e c e i v e d   th e   B. E n g   (Ho n s)   d e g re e   in   e lec tro n ic s   a n d   tele c o m m u n ica ti o n   e n g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsiti   M a la y sia   S a ra wa k ,   in   2 0 0 0 ,   th e   M . S c .   d e g re e   in   o p ti c a c o m m u n ica ti o n   s y ste m a n d   n e tw o rk   f ro m   Un iv e rsit y   o f   He rt f o rd sh ire ,   i n   2 0 0 8 ,   a n d   th e   P h . D. d e g re e   in   co m m u n ica ti o n   e n g in e e rin g   f ro m   Un iv e rsit y   o f   War w ick ,   UK ,   in   2 0 1 6 .   A p re se n s h e   is  a   se n io r   lec tu re a th e   F a c u lt y   o f   El e c tro n ic  &   Co m p u ter  En g in e e rin g   a U n iv e rsiti   T e k n ik a M a la y sia   M e la k a .   He m a in   re se a rc h   in tere sts  a re   in   th e   f ield   o f   o p ti c a w irele s c o m m u n ica ti o n s,  in - v e h icle   n e tw o rk s   a s   w e ll   a s p h o to n ics .             Z a h ir   A h m a d   is  a   L e c tu re o El e c tri c a l/ El e c tro n ic  En g in e e rin g   a Co v e n tr y   Un iv e rsit y ,   UK .   He   re c e iv e d   h is  P h in   Op ti c a W irele ss   Co m m u n ica ti o n a th e   Un iv e rsit y   o W a r w ic k ,   w h e re   h e   d e v e lo p e d   a n   u n d e rw a ter  v isib le l ig h c o m m u n ica ti o n   sy ste m   f o se n so a p p li c a ti o n s.  P re v io u sly ,   Zah ir   h a d   p a rti c i p a ted   in   t h e   d e v e lo p m e n o f   IT U - T   G . 8 0 3 2   p r o t o c o ls.   Zah ir  h a p u b li s h e d   p a p e rs  re late d   to   th e   c o m m u n ica ti o n   f ield   a n d   h is  c u rre n re se a rc h   f o c u is  f re e   sp a c e   o p ti c a w irele ss   c o m m u n ica ti o n s,   V 2 V   v isi b le l ig h c o m m u n ica ti o n ,   u n d e rw a ter v isib le l ig h c o m m u n ica ti o n s etc .     Z e i n a   Rih a w i   w a b o rn   in   S y ria.  S h e   re c e iv e d   th e   B. S c .   d e g re e   in   El e c tro n ic  En g in e e rin g     Co m m u n ica ti o n   De p a rtm e n f ro m   El e c tri c   a n d   El e c tri c a En g in e e rin g   F a c u lt y ,   A lep p o   Un iv e rsi ty ,   A lep p o ,   S y ria,  in   2 0 0 7 ,   t h e   M . S c .   d e g re e   in   El e c tro n ic  S y ste m w it h   Co m m u n ica ti o n w it h   d isti n c ti o n   f ro m   Un iv e rsit y   o War w ick ,   UK ,   in   2 0 1 0 ,   a n d   th e   P h . d e g re e   a th e   S c h o o o f   En g in e e r in g ,   Un iv e rsit y   o f   W a r w ic k ,   UK   in   2 0 1 6 .   S h e   w o rk e d   a tea c h in g   a ss ist a n f o th re e   se m e ste rs  (2 0 0 8 - 2 0 0 9 in   Co m m u n ica ti o n   De p a rtm e n t,   El e c tri c   a n d   El e c tri c a E n g in e e rin g   F a c u lt y ,   Un iv e rsit y   o f   A lep p o ,   S y ria.  Af t e f in ish in g   P h D,  sh e   w o rk e d   a En g in e e rin g   tu to in   Co v e n try   Un iv e rsit y   Co ll e g e   f o o n e   y e a r.   Cu rre n tl y ,   sh e   is  w o rk in g   a S e n io T e a c h in g   F e ll o w   a W a r w ic k   M a n u f a c tu rin g   G ro u p ,   W a r w ic k   Un iv e rsit y .   He m a in   re se a rc h   in tere sts  a re   in   th e   f ield   o f   o p ti c a w irele ss   c o m m u n ica ti o n s,   in - v e h icle   n e tw o rk s an d   m u lt im e d ia co m m u n ica ti o n s.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.