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

Abstract

The journey of underwater communication which began from Leonardo’s era took four and a half centuries to find practical applications for military purposes during World War II. However, over the last three decades, underwater acoustic communications witnessed a massive development due to the advancements in the design of underwater communicating peripherals and their supporting protocols. Successively, doors are opened for a wide range of applications to employ in the underwater environment, such as oceanography, pollution monitoring, offshore exploration, disaster prevention, navigation assistance, monitoring, coastal patrol and surveillance. Different applications may have different characteristics and hence, may require different network architectures. For instance, routing protocols designed for unpartitioned multi-hop networks are not suitable for Delay-Tolerant Networks. Furthermore, single-hop networks do not need routing protocols at all. Therefore, before developing a protocol one must study the network architecture properly and design it accordingly. There are several other factors which should also be considered with the network architecture while designing an efficient protocol for underwater networks, such as long propagation delay, limited bandwidth, limited battery power, high bit error rate of the channel and several other adverse properties of the channel, such as, multi-path, fading and refractive behaviors. Moreover, the environment also has an impact on the performance of the protocols designed for underwater networks. Even temperature changes in a single day have an impact on the performance of the protocols. A good protocol designed for any network should consider some or all of these characteristics to achieve better performance. In this thesis, we first discuss the impact of the environment on the performance of MAC and routing protocols. From our investigation, we discover that even temperature changes within a day may affect the sound speed profile and hence, the channel changes and the protocol performance vary. After that we discuss several protocols which are specifically designed for underwater acoustic networks to serve different purposes and for different network architectures. Underwater Selective Repeat (USR) is an error control protocol designed to assure reliable data transmission in the MAC layer. One may suspect that employing an error control technique over a channel which already suffers from long propagation delays is a burden. However, USR utilizes long propagation by transmitting multiple packets in a single RTT using an interlacing technique. After USR, a routing protocol for surveillance networks is discussed where some sensors are laid down at the bottom of the sea and some sinks are placed outside the area. If a sensor detects an asset within its detection range, it announces the presence of intruders by transmitting packets to the sinks. It may happen that the discovered asset is an enemy ship or an enemy submarine which creates noise to jam the network. Therefore, in surveillance networks, it is necessary that the protocols have jamming resistance capabilities. Moreover, since the network supports multiple sinks with similar anycast address, we propose a Jamming Resistance multi-path Multi-Sink Routing Protocol (MSRP) using a source routing technique. However, the problem of source routing is that it suffers from large overhead (every packet includes the whole path information) with respect to other routing techniques, and also suffers from the unidirectional link problem. Therefore, another routing protocol based on a distance vector technique, called Multi-path Routing with Limited Cross-Path Interference (L-CROP) protocol is proposed, which employs a neighbor-aware multi-path discovery algorithm to support low interference multiple paths between each source-destination pair. Following that, another routing protocol is discussed for next generation coastal patrol and surveillance network, called Underwater Delay-Tolerant Network (UDTN) routing where some AUVs carry out the patrolling work of a given area and report to a shore based control-center. Since the area to be patrolled is large, AUVs experience intermittent connectivity. In our proposed protocol, two nodes that understand to be in contact with each other calculate and divide their contact duration equally so that every node gets a fair share of the contact duration to exchange data. Moreover, a probabilistic spray technique is employed to restrict the number of packet transmissions and for error correction a modified version of USR is employed. In the appendix, we discuss a framework which was designed by our research group to realize underwater communication through simulation which is used in most of the simulations in this thesis, called DESERT Underwater (short for DEsign, Simulate, Emulate and Realize Test-beds for Underwater network protocols). It is an underwater extension of the NS-Miracle simulator to support the design and implementation of underwater network protocols. Its creation assists the researchers in to utilizing the same codes designed for the simulator to employ in actual hardware devices and test in the real underwater scenario.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