Medium access control, error control and routing in underwater acoustic networks: a discussion on protocol design and implementation

Il viaggio delle comunicazioni acustiche sottomarine che cominciò nell’era di Leonardo, è durato quattro secoli e mezzo prima di vedere messe in pratica le prime applicazioni per la Seconda GuerraMondiale. Comunque, nelle ultime tre decadi le comunicazioni sottomarine sono state protagoniste di un massiccio avanzamento a causa dell’avanzamento della tecnologia costruttiva dei modem, delle periferiche e dei protocolli soprastanti. Inoltre, si sono aperte le porte a una grande varietà di applicazioni che possono utilizzare le comunicazioni sottomarine, come per esempio l’oceanografia, il monitoraggio dell’inquinamento, sorveglianza delle coste, assistenza alla navigazione, esplorazione al largo e prevenzioni di disastri che possono provenire dal mare. Diverse applicazioni potrebbero avere differenti richieste e caratteristiche, quindi la struttura di rete richiesta potrebbe differire tra le varie applicazioni. Per esempio, i protocolli di routing per reti multi-hop non connesse non sono adatti a reti Delay-Tolerant. Inoltre, le reti single-hop non necessitano di un protocollo di routing. Per questi motivi, prima di progettare un protocollo, bisogna studiare l’architettura di rete e progettare i relativi protocolli concordemente. Ci sono numerosi altri fattori che dovrebbero essere presi in considerazione nell’architettura di rete nella progettazione di un protocollo di rete, come lunghi tempi di propagazione, banda limitata, durata limitata della batteria dei modem, alto Bit Error Rate nel canale e molte altre propriet´ a avverse del canale come multipath fading e un elevato grado di rifrazione. Inoltre, l’ambiente ha un impatto sulle performance dei protocolli progettati per le reti underwater. Per esempio, anche la variazione della temperatura in un singolo giorno ha un impatto sulle prestazioni dei protocolli. Un buon protocollo dovrebbe tenere conto di queste caratteristiche per raggiungere buone prestazioni. In questa tesi, innanzitutto discutiamo l’impatto dell’ambiente sulle prestazioni di pro tocolli MAC e routing. Dalle nostre sperimentazioni, abbiamo scoperto che anche i cambiamenti di temperatura in un giorno provocano la variazione dell’SSP, quindi il canale varia e anche le prestazioni dei protocolli. Successivamente, abbiamo discusso numerosi protocolli progettati per varie applicazioni di comunicazione sottomarina con varie architetture di rete. Underwater Selective Repeat (USR) è un protocollo per il controllo d’errore progettato per assicurare trasmissioni affidabili di dati a livello MAC. Si potrebbe pensare che adottare un protocollo per il controllo d’errore su un canale già affetto da grandi ritardi di propagazione provochi un carico eccessivo di traffico. Tuttavia, USR utilizza costruttivamente i grandi tempi di propagazione per trasmettere più pacchetti in un Round Trip Time utilizzando una tecnica ad interlacciamento, quindi, diminuendo il carico di dati. Dopo USR, un protocollo di routing per reti di sorveglianza dove alcuni nodi sono piazzati nel fondale e alcuni sono fuori dall’acqua è stato discusso. Se un sensore intercetta una attività a nel suo raggio di copertura, annuncia la presenza di un intruso attraverso un messaggio al SINK. Potrebbe succedere che l’intruso sia una nave nemica o un sottomarino nemico che creano disturbi alla rete acustica sottomarina. Quindi, nelle reti di sorveglianza è importante che i protocolli di rete abbiano una resistenza ai disturbi. Inoltre, siccome la rete supporta una modalità multisink con simile indirizzo anycast proponiamo un protocollo di routing multicast resistente al jamming, Multi-Sink Routing Protocol (MSRP), che utilizza tecniche di source-routing. Tuttavia, uno dei maggiori problemi delle tecniche di routing basate su source-routing, è un grande over-head di dati (ogni pacchetto include tutti i dati del percorso) e,inoltre,il problema dell’ ”unidirectional link”. Quindi, un altro protocollo basato sulla tecnica Distance-Vector chiamato L-CROP (Multi-path Routing with Limited Cross-Path Interference) è stato proposto, che impiega un algoritmo neighbour-aware per instaurare un percorso multi-path a bassa interferenza tra mittente e destinatario del messaggio. A seguire un altro protocollo di routing è stato discusso per le reti di sorveglianza e di pattugliamento costiero di prossima generazione, chiamato UDTN (Undertwater Delay-Tolerant Networks), dove alcuni AUV svolgono il lavoro di pattugliamento e riportano i dati a un centro di controllo sulla costa. Siccome l’area da pattugliare è vasta, l’ AUV avrà connessione intermittente con la base. Nel protocollo progettato, i nodi preposti a contattare la base calcolano e dividono la durata delle loro connessioni in maniera equa, cosicché ogni nodo abbia la stessa durata di connessione per scambiare dati. Inoltre viene impiegata, una tecnica ”probabilistic spray” per restringere il numero di trasmissioni. Per quanto riguarda la correzione d’errore, una versione modificata di USR è stata adottata. Nell’appendice, abbiamo presentato un simulatore che abbiamo progettato per realizzare la maggior parte delle simulazioni presenti in questa tesi, chiamato DESERT (DEsign, Simulate, Emulate and Realize Test-beds for Underwater Networks). E' una estensione del simulatore NS-Miracle progettato per supportare simulazioni di protocolli per reti acustiche sottomarine. Questo simulatore assite il ricercatore nell’utilizzo di hardware e nel test dei protocolli in uno scenario reale.