The Underwater Acoustic Channel and its Impact on Adaptive Communications Schemes and Networking Protocols

I segnali acustici sottomarini sono stati studiati fin dalla fine del XIX secolo, quando venivano impiegati per ricercare e localizzare oggetti, tipicamente sottomarini. Oggi, i segnali acustici vengono usati anche per comunicare, ossia per trasmettere informazioni tra due punti a kilometri di distanza l'uno dall'altro senza fili. Tale tecnologia permette di condurre importanti ricerche scientifiche in svariati ambiti come biologia, oceanografia e meteorologia. Inoltre, assume un ruolo importante nella sorveglianza delle coste e nelle operazioni di bonifica in piattaforme petrolifere. Tuttavia, le prestazioni delle comunicazioni acustiche sottomarine, misurate finora, degradano quando si verificano alcune condizioni. In questa tesi, identifichiamo tali condizioni, ne quantifichiamo gli effetti sui sistemi di comunicazione e analizziamo le tecniche che possono migliorare le prestazioni delle comunicazioni e delle reti. A questo scopo, analizziamo dati acustici e ambientali che sono stati raccolti in diversi momenti e luoghi. Nello specifico, valutiamo le prestazioni delle comunicazioni e le caratteristiche di canale misurate durante diversi esperimenti e quantifichiamo le dinamiche delle prestazioni di comunicazione. Allo scopo di mitigare gli effetti delle condizioni tempo varianti osservate, proponiamo tecniche adattive, che valutiamo sia con l'analisi sia con simulazioni. Tale analisi si basa sulle catene di Markov, che vangono così validate come modelli statistici adatti a rappresentare le dinamiche della qualità del canale. Siccome le tecniche adattive proposte richiedono scambio di messaggi, esse danno luogo a ritardi più elevati, consumo maggiore di energia e aumentato overhead. Per questo motivo analizziamo la possibilità di predire la qualità del canale, così da ridurre la quantità di messaggi da scambiare. Come conseguenza dei questi studi, siamo ora capaci di identificare le direzioni future della ricerca in questo ambito. In particolare, possiamo identificare i problemi legati all'impiego di tecniche adattive e di protocolli di rete che richiedono scambi di messaggi tra la sorgente e la destinazione. In tal modo, vogliamo approfondire lo studio di soluzioni più adatte allo scenario sottomarino acustico, ossia che non richiedano molto scambio di messaggi. I risultati presentati in questa tesi, aiutano a identificare alcune linee guida per i prossimi esperimenti in mare, allo scopo di collezionare dati, in grado di sostenere lo sviluppo di tecniche di comunicazione e di protocolli di rete per lo scenario acustico sottomarino.