A State of Art Concept in Contriving of Underwater Networks

the underwater ocean environment is widely considered as one of the most difficult communications channels. Underwater acoustic networks have recently emerged as a new area of research in wireless networking. Underwater networks are generally formed by acoustically connected ocean - bottom sensors, underwater gateways and a surfa ce station, which provides a link to an on - shore control center. In recent years, there has been substantial work on protocol design for these networks with most efforts focusing on MAC and network layer protocols. Low communication bandwidth, large propag ation delay, floating node mobility, and high error probability are the challenges of building mobile underwater wireless sensor networks (WSN) for aquatic applications. Underwater sensor networks (WSNs) are the enabling technology for wide range of appl ications like monitoring the strong influences and impact of climate regulation, nutrient production, oil retrieval and transportation, man y scientific, environmental, commercial, safety, and military applications. This paper first introduces the concept o f UWSN, operation, applications and then reviews some recent developments within this research area and proposes an adaptive push system for dissemination of data in underwater wireless sensor networks. The goal of this paper is to survey the existing net w ork technology and its applicability to underwater acoustic channels. In this paper we provide an overview of recent medium acces s control, routing, transport, and cross - layer networking protocols. It examines the main approaches and challenges in the desi gn and implementation of underwater wireless sensor networks. Finally, some suggestions and promising solutions are given for th ese issues

Interference cancellation and network coding for underwater communication systems

It is widely believed that wider access to the aquatic environment will enhance human knowledge and understanding of the world's oceans which constitute the major part of our planet. Hence, the current development of underwater sensing and communication systems will produce scientific, economic and social benefits. New applications will be enabled, such as deeper ocean observation, environmental monitoring, surveying or search and rescue missions. Underwater communications differ from terrestrial communications due to the unpredictable and complex ocean conditions, relying on acoustic waves which are affected by many factors like large propagation losses, long latency, limited bandwidth capacity and channel stability, posing great challenges for reliable data transport in this kind of networks. The aim of this project is to design a future underwater acoustic communication system for dense traffic situations investigating the possibility of Medium Access with Interference Cancellation and Network Coding. The main efforts focus on reliability, low energy consumption, storage capacity, throughput and scalabilit

Short-Range Underwater Acoustic Communication Networks

This chapter discusses the development of a short range acoustic communication channel model and its properties for the design and evaluation of MAC (Medium Access Control) and routing protocols, to support network enabled Autonomous Underwater Vehicles (AUV). The growth of underwater operations has required data communication between various heterogeneous underwater and surface based communication nodes. AUVs are one such node, however, in the future, AUV’s will be expected to be deployed in a swarm fashion operating as an ad-hoc sensor network. In this case, the swarm network itself will be developed with homogeneous nodes, that is each being identical, as shown in Figure 1, with the swarm network then interfacing with other fixed underwater communication nodes. The focus of this chapter is on the reliable data communication between AUVs that is essential to exploit the collective behaviour of a swarm network

Analysis of MAC Strategies for Underwater Acoustic Networks

En esta tesis presentamos los protocolos MAC diseñados para redes acústicas subacuáticas, clasificándolos en amplias categorías, proporcionando técnicas de medición de rendimiento y análisis comparativo para seleccionar el mejor algoritmo MAC para aplicaciones específicas. Floor Acquisition Multiple Access (FAMA) es un protocolo MAC que se propuso para redes acústicas submarinas como medio para resolver los problemas de terminales ocultos y expuestos. Una versión modificada, Slotted FAMA, tenía como objetivo proporcionar ahorros de energía mediante el uso de ranuras de tiempo, eliminando así la necesidad de paquetes de control excesivamente largos en FAMA. Sin embargo, se ha observado que, debido al alto retraso de propagación en estas redes, el coste de perder un ACK es muy alto y tiene un impacto significativo en el rendimiento. Los mecanismos MultiACK y EarlyACK han sido analizados para el protocolo MACA, para mejorar su eficiencia. El mecanismo MultiACK aumenta la probabilidad de recibir al menos un paquete ACK al responder con un tren de paquetes ACK, mientras que el mecanismo EarlyACK evita la repetición de todo el ciclo de contención y transmisión de datos RTS / CTS enviando un ACK temprano. En esta investigación se presenta un análisis matemático de las dos variantes, los mecanismos MultiACK y EarlyACK, en Slotted FAMA. La investigación incluye las expresiones analíticas modificadas así como los resultados numéricos. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando ns-3. Los resultados han sido probados y validados utilizando Excel y MATLAB. La evaluación del rendimiento de S-FAMA con dos variantes mostró un factor de mejora del 65,05% en la probabilidad de recibir un ACK correctamente utilizando el mecanismo MultiACK y del 60,58% en la prevención de la repetición del ciclo completo, con EarlyACK. El impacto de este factor de mejora en el retardo, el tamaño del paquete de datos y el rendimiento también se analiza. La energía de transmisión desperdiciada y consumida en los mecanismos MultiACK y EarlyACK se analizan y comparan con S-FAMA. El rendimiento se ha evaluado, alcanzando una mejora en ambos casos, en comparación con S-FAMA. Estos mecanismos tendrán una utilidad práctica en caso de pérdida de ACK, al ahorrar energía y tiempo en períodos críticos. Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 28 septiembre 2018.Esta tesis presenta una investigación sobre los protocolos MAC utilizados en la comunicación subacuática para explorar el mundo submarino. Los protocolos MAC ayudan en el acceso al medio compartido y la recopilación de datos de los océanos, para monitorizar el clima y la contaminación, la prevención de catástrofes, la navegación asistida, la vigilancia estratégica y la exploración de los recursos minerales. Esta investigación beneficiará a sectores como las industrias militares, de petróleo y gas, pesquerías, compañías de instrumentación subacuática, organismos de investigación, etc. El protocolo MAC afecta la vida útil de las redes inalámbricas de sensores. La eficiencia energética de las redes acústicas submarinas se ve gravemente afectada por las propiedades típicas de la propagación de las ondas acústicas. Los largos retrasos de propagación y las colisiones de paquetes de datos dificultan la transmisión de los paquetes de datos, que contienen información útil para que los usuarios realicen tareas de supervisión colectivas. El objetivo de este estudio es proponer nuevos mecanismos para protocolos MAC diseñados para funcionar en redes acústicas submarinas, con el propósito de mejorar su rendimiento. Para alcanzar ese objetivo es necesario realizar un análisis comparativo de los protocolos existentes. Lo que además sienta un procedimiento metodológicamente correcto para realizar esa comparación. Como la comunicación subacuática depende de ondas acústicas, en el diseño de los protocolos de MAC submarinos surgen varios desafíos como latencia prolongada, ancho de banda limitado, largas demoras en la propagación, grandes tasas de error de bit, pérdidas momentáneas en las conexiones, severo efecto multicamino y desvanecimientos. Los protocolos MAC terrestres, si se implementan directamente, funcionarán de manera ineficiente

Contribution to Research on Underwater Sensor Networks Architectures by Means of Simulation

El concepto de entorno inteligente concibe un mundo donde los diferentes tipos de dispositivos inteligentes colaboran para conseguir un objetivo común. En este concepto, inteligencia hace referencia a la habilidad de adquirir conocimiento y aplicarlo de forma autónoma para conseguir el objetivo común, mientras que entorno hace referencia al mundo físico que nos rodea. Por tanto, un entorno inteligente se puede definir como aquel que adquiere conocimiento de su entorno y aplicándolo permite mejorar la experiencia de sus habitantes. La computación ubicua o generalizada permitirá que este concepto de entorno inteligente se haga realidad. Normalmente, el término de computación ubicua hace referencia al uso de dispositivos distribuidos por el mundo físico, pequeños y de bajo precio, que pueden comunicarse entre ellos y resolver un problema de forma colaborativa. Cuando esta comunicación se lleva a cabo de forma inalámbrica, estos dispositivos forman una red de sensores inalámbrica o en inglés, Wireless Sensor Network (WSN). Estas redes están atrayendo cada vez más atención debido al amplio espectro de aplicaciones que tienen, des de soluciones para el ámbito militar hasta aplicaciones para el gran consumo. Esta tesis se centra en las redes de sensores inalámbricas y subacuáticas o en inglés, Underwater Wireless Sensor Networks (UWSN). Estas redes, a pesar de compartir los mismos principios que las WSN, tienen un medio de transmisión diferente que cambia su forma de comunicación de ondas de radio a ondas acústicas. Este cambio hace que ambas redes sean diferentes en muchos aspectos como el retardo de propagación, el ancho de banda disponible, el consumo de energía, etc. De hecho, las señales acústicas tienen una velocidad de propagación cinco órdenes de magnitud menor que las señales de radio. Por tanto, muchos algoritmos y protocolos necesitan adaptarse o incluso rediseñarse. Como el despliegue de este tipo de redes puede ser bastante complicado y caro, se debe planificar de forma precisa el hardware y los algoritmos que se necesitan. Con esta finalidad, las simulaciones pueden resultar una forma muy conveniente de probar todas las variables necesarias antes del despliegue de la aplicación. A pesar de eso, un nivel de precisión adecuado que permita extraer resultados y conclusiones confiables, solamente se puede conseguir utilizando modelos precisos y parámetros reales. Esta tesis propone un ecosistema para UWSN basado en herramientas libres y de código abierto. Este ecosistema se compone de un modelo de recolección de energía y unmodelo de unmódemde bajo coste y bajo consumo con un sistema de activación remota que, junto con otros modelos ya implementados en las herramientas, permite la realización de simulaciones precisas con datos ambientales del tiempo y de las condiciones marinas del lugar donde la aplicación objeto de estudio va a desplegarse. Seguidamente, este ecosistema se utiliza con éxito en el estudio y evaluación de diferentes protocolos de transmisión aplicados a una aplicación real de monitorización de una piscifactoría en la costa del mar Mediterráneo, que es parte de un proyecto de investigación español (CICYT CTM2011-2961-C02-01). Finalmente, utilizando el modelo de recolección de energía, esta plataforma de simulación se utiliza para medir los requisitos de energía de la aplicación y extraer las necesidades de hardware mínimas.Climent Bayarri, JS. (2014). Contribution to Research on Underwater Sensor Networks Architectures by Means of Simulation [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3532

Reconfigurable Intelligent Surfaces in Challenging Environments: Underwater, Underground, Industrial and Disaster

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have been introduced to improve the signal propagation characteristics by focusing the signal power in the preferred direction, thus making the communication environment "smart". The typical use cases and applications for the "smart" environment include beyond 5G communication networks, smart cities, etc. The main advantage of employing RISs in such networks is a more efficient exploitation of spatial degrees of freedom. This advantage manifests in better interference mitigation as well as increased spectral and energy efficiency due to passive beam steering. Challenging environments comprise a range of scenarios, which share the fact that it is extremely difficult to establish a communication link using conventional technology due to many impairments typically associated with the propagation medium and increased signal scattering. Although the challenges for the design of communication networks, and specifically the Internet of Things (IoT), in such environments are known, there is no common enabler or solution for all these applications. Interestingly, the use of RISs in such scenarios can become such an enabler and a game changer technology. Surprisingly, the benefits of RIS for wireless networking in underwater and underground medium as well as in industrial and disaster environments have not been addressed yet. In this paper, we aim at filling this gap by discussing potential use cases, deployment strategies and design aspects for RIS devices in underwater IoT, underground IoT as well as Industry 4.0 and emergency networks. In addition, novel research challenges to be addressed in this context are described.Comment: 16 pages, 13 figures, submitted for publication in IEEE journa

Internet of Underwater Things and Big Marine Data Analytics -- A Comprehensive Survey

The Internet of Underwater Things (IoUT) is an emerging communication ecosystem developed for connecting underwater objects in maritime and underwater environments. The IoUT technology is intricately linked with intelligent boats and ships, smart shores and oceans, automatic marine transportations, positioning and navigation, underwater exploration, disaster prediction and prevention, as well as with intelligent monitoring and security. The IoUT has an influence at various scales ranging from a small scientific observatory, to a midsized harbor, and to covering global oceanic trade. The network architecture of IoUT is intrinsically heterogeneous and should be sufficiently resilient to operate in harsh environments. This creates major challenges in terms of underwater communications, whilst relying on limited energy resources. Additionally, the volume, velocity, and variety of data produced by sensors, hydrophones, and cameras in IoUT is enormous, giving rise to the concept of Big Marine Data (BMD), which has its own processing challenges. Hence, conventional data processing techniques will falter, and bespoke Machine Learning (ML) solutions have to be employed for automatically learning the specific BMD behavior and features facilitating knowledge extraction and decision support. The motivation of this paper is to comprehensively survey the IoUT, BMD, and their synthesis. It also aims for exploring the nexus of BMD with ML. We set out from underwater data collection and then discuss the family of IoUT data communication techniques with an emphasis on the state-of-the-art research challenges. We then review the suite of ML solutions suitable for BMD handling and analytics. We treat the subject deductively from an educational perspective, critically appraising the material surveyed.Comment: 54 pages, 11 figures, 19 tables, IEEE Communications Surveys & Tutorials, peer-reviewed academic journa