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Tesis doctoral 

Título Self-organizing Fast Routing Protocols for Underwater Acoustic Communications Networks
Estado Finalizado
Autor Waheeduddin Hyder  
Director/es Pablo Otero Roth ,   Miguel Ángel Luque Nieto
Universidad Universidad de Málaga
Centro Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación
Departamento Ingeniería de Comunicaciones
Fecha lectura 11-05-2020
Archivo   PDF

Las redes subacuáticas de sensores (UWSN) constituyen una tecnología emergente para

aplicaciones como la vigilancia submarina, la predicción de desastres naturales o la monitorización

medioambiental. En redes terrestres de sensores (WSN) se utilizan ondas electromagnéticas (EM)

como portadoras de las comunicaciones, Sin embargo, la propagación de ondas EM en el agua sufre

una intensa atenuación por lo que las distancias alcanzadas no son prácticas. Las ondas acústicas,

en cambio, se propagan con menos atenuación por lo que sus alcances prácticos son mucho mayores

y por ello son las que se usan generalmente en UWSNs. La velocidad de propagación acústica típica

en agua es de 1500 m/s, es decir, unas 200000 veces menor que la de la onda EM en el aire. En el

diseño de los protocolos comúnmente utilizados en WSNs es correcto asumir que los retardos de

propagación son mucho menores que otras demoras en la transmisión, lo que hace que los

protocolos reactivos de encaminamiento se consideren adecuados. El retardo de propagación en

comunicaciones acústicas es un fenómeno natural que no puede evitarse y, en muchas ocasiones,

mayores que otros retardos de transmisión, por lo que para reducir el retardo extremo-a-extremo

sólo cabe actuar sobre los protocolos de encaminamiento, que es una de sus principales causas. En

los protocolos reactivos de encaminamiento, cuando un paquete de datos es recibido por un nodo de

la red, el nodo necesita de cierta cantidad de tiempo para elegir el nodo al que se re-enviará el

paquete. Ese tiempo significa un retardo que aumenta el retardo extremo-a-extremo, que puede

llegar a exceder el máximo permitido en algunas aplicaciones. Una posible estrategia para reducir

ese retardo en aplicaciones donde es crítico consiste en utilizar protocolos proactivos de

encaminamiento.

Otros asuntos críticos relacionados con UWSNs son la determinación de las posiciones de los

nodos subacuáticos y la sincronización temporal de los relojes de los nodos. Conocer la posición

del resto de los nodos es imprescindible para decidir a qué nodo se re-envía un paquete. En redes

terrestres los nodos conocen su posición y se sincronizan con ayuda de receptores GNSS (Global

Navigation Satellite System). En redes subacuáticas no hay señal GNSS debido a la muy escasa

penetración en el agua de las ondas EM de las frecuencias utilizadas por esos sistemas. En cuanto a

la determinación de las distancias entre nodos, si bien en redes terrestres es posible utilizar marcas

temporales si existe sincronización entre nodos, en redes subacuáticas la velocidad de propagación

no es constante, lo que complica la determinación de distancias entre nodos y la sincronización.

Todas estas realidades hacen que no puedan utilizarse directamente los protocolos comunes en

WSNs en redes subacuáticas.

iv

Para superar estas dificultades en la literatura técnica se han presentado trabajos que recurren

a distintas estrategias (que se explican en el Capítulo 2 de esta memoria) que hacen uso de

informaciones obtenidas en los nodos de ciertos parámetros, como son el ángulo de llegada a un

nodo de la onda acústica portadora o la profundidad a la que se encuentra el nodo. La necesidad de

utilizar sensores adicionales para la medida de estas magnitudes disminuye la eficiencia energética

de los nodos, debido al consumo de esos sensores. En esta tesis se propone un mecanismo

cross-layer de inicialización de encaminamiento proactivo que no necesita de medidas adicionales

y que, al mismo tiempo, es eficiente en términos de energía. En este trabajo se presentan dos

protocolos de encaminamiento para distintas topologías de la red. El que hemos denominado

Self-Organized Fast Routing Protocol for Radial Underwater Networks (SOFRP) se utiliza para

redes de topología radial y el denominado Self-organized Proactive Routing Protocol for

Non-uniformly Deployed Underwater Networks (SPRINT) se ha pensado para redes en los que los

nodos están distribuidos aleatoriamente en un determinado volumen subacuático.

SOFRP está basado en un algoritmo que recrea una topología radial alrededor de un nodo de

enlace (“Gateway”, en adelante), de manera que los paquetes siempre usan el camino más corto

entre nodo fuente del paquete y el nodo Gateway, de manera que se minimiza la energía consumida

en la transmisión de los paquetes. Las previsibles colisiones entre paquetes debidas al uso del

medio compartido se evitan en la medida de lo posible en el proceso de inicialización. El algoritmo

es adecuado para regiones bi/tri-dimensionales (2D o 3D) y se adapta automáticamente a un número

variable de nodos, lo que permite el cambio de la dimensión de la red.

En SPRINT, la ruta entre el nodo fuente del paquete y el Gateway se construye sobre la base

de la menor distancia entre el nodo relevador y todos sus nodos vecinos. El nodo transmisor elige de

entre todos sus nodos vecinos aquel que se encuentra más cerca de él. Las distancias se estiman a

partir de las potencias recibidas en los nodos. El protocolo se ha diseñado para conseguir grandes

cantidades de datos transmitidos (“Throughput”, en adelante) con pequeños consumos de energía

en los nodos. Un objetivo de diseño es el compromiso de equilibrio entre el Throughput y el

consumo energético, porque la energía necesaria para la transmisión aumenta con el alcance

necesario y, por consiguiente, con la distancia del enlace entre dos nodos. Pero, por otro lado, la

elección de nodos más cercanos hará que sean necesarios más saltos o relevos para que un paquete

progrese de su nodo fuente al Gateway y esto provoca la disminución del Throughput porque

aumenta el retardo extremo-a-extremo. Es decir, la eficiencia energética prefiere la elección de

nodos cercanos mientras que el Throughput prefiere menos relevos. El protocolo presentado busca

encontrar el equilibrio entre ambos criterios.


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