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 |
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.
Volver