TS-MUWSN: Time synchronization for mobile underwater sensor networks

Time synchronization is an important, yet challenging, problem in underwater sensor networks (UWSNs). This challenge can be attributed to: 1) messaging timestamping; 2) node mobility; and 3) Doppler scale effect. To mitigate these problems, we present an acoustic-based time-synchronization algorithm for UWSN, where we compare several message time-stamping algorithms in addition to different Doppler scale estimators. A synchronization system is based on a bidirectional message exchange between a reference node and a slave one, which has to be synchronized. Therefore, we take as reference the DA-Sync-like protocol (Liu et al., 2014), which takes into account node's movement by using first-order kinematic equations, which refine Doppler scale factor estimation accuracy, and result in better synchronization performance. In our study, we propose to modify both time-stamping and Doppler scale estimation procedures. Besides simulation, we also perform real tests in controlled underwater communication in a water test tank and a shallow-water test in the Mediterranean Sea.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Clock synchronization of a broadband seismometer through

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Range-only underwater target localization : error characterization

Locating a target from range measurements using only one mobile transducer has been increased over the last years. This method allows us to reduce the high costs of deployment and maintenance of traditional fixed systems on the seafloor such as Long Baseline. The range-only single-beacon is one of the new architectures developed using the new capabilities of modern acoustic underwater modems, which can be time synchronization, time stamp, and range measurements. This document presents a method to estimate the sources of error in this type of architecture so as to obtain a mathematical model which allows us to develop simulations and study the best localization algorithms. Different simulations and real field tests have been carried out in order to verify a good performance of the model proposed.Postprint (published version

Sistema de test de motores electrónicos doga para ensayos en cabinas húmedas y cámara climática

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Low cost OFDM based transmitter for underwater acoustic communications

On this work a low cost OFDM transmitter for underwater sensor networks is presented. The transmitter is based on a low power microcontroller that governs a DDS in order to generate the output data -OFDM symbols- avoiding the IFFT computations. This solution represents a new design perspective for the current UWSN -mainly based on FPGAs or DSPs, allowing to reduce the cost, the power consumption and the size of the current transmitters.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Time synchronization of a commercial seismometer through IEEE-1588

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Hybrid time synchronization for Underwater Sensor Networks

Time synchronization is a critical part of distributed applications over a sensor network. In this work we investigate time synchronization problems over UWSN deployed in shallow water, taking into account all main communication challenges of the water channel and observing its behavior in simulation and real tests.  A hybrid frame was proposed based on time synchronization using both LFM and OFDM communication with channel impulse response equalization. Simulation results show how Hybrid synchronization outperforms existing synchronization protocols and how these results are affected in real underwater tests.Peer ReviewedPostprint (published version

Preliminary OFDM based acoustic communication for underwater sensor networks synchronization

This work presents a first approach to wireless underwater sensor networks UWSN time synchronization, using OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) acoustic communication and time reference served by a synchronization protocol. This synchronization and type of modulation allows getting a low drift clock on each sensor, on a high efficiency underwater communication network.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Time synchronization in underwater acoustic sensor networks

This thesis deals with the development of a time synchronization algorithm for underwater sensor networks. The ease of deployment and maintenance of wireless networks leaded this research to the use of an acoustic communication sensor network to share a common base time between all nodes. Acoustic signals are well adapted to the underwater medium but experience very challenging impairments such as Doppler, extensive multi-paths and low transmission speed that can nevertheless be corrected at the reception side. Several acoustic waveforms can be invoked to transmit digital data through the underwater medium, without loss of generality, in this study is considered Orthogonal Frequency- Division Multiplexing (OFDM) communication scheme to exchange data between wireless underwater nodes containing sensor time references. This communication link will be used among others to carry time stamp message required for network synchronization. Time synchronization is a critical piece of infrastructure of any distributed system. UWSN make extensive use of synchronized time for many services provided by a distributed network. In UWSN, Global Positioning System (GPS) signals are not available and synchronization systems are mostly based on acoustic communication. Owing to high latency of the underwater acoustic transmission channel with respect to cabled or radio network makes the use of conventional synchronization protocols even more challenging underwater. Many time synchronization algorithms for underwater wireless sensor networks (UWSN) can be found in literature, such as TSHL, D-SYNC, DA-Sync. but only a few of them take into account all the water channel challenges, such as low available bandwidth, long propagation delays and sensor node mobility. To solve this problem, in this research a further development of the existing time synchronization protocols found in literature is driven. To perform time synchronization we apply Precision Time Protocol (PTP) std. IEEE 1588, which is capable to synchronize two clocks with a precision below hundreds of nanoseconds in a point to point cabled Ethernet Network, and DA-Sync protocol, which is a bidirectional message exchange based method between a master clock and an slave one, and refines its time synchronization parameters by using medium kinematic models. In cabled synchronization systems, such as PTP, time stamps are acquired in physical layer (PHY) in order to achieve maximum precision, avoiding indeterministic time like Operating System (OS) time slots or medium access protocols. Analogously, it happens in acoustic communication, time stamps are extracted from a large acquisition window, and the improvement of these time stamps is treated in this thesis. Contrary to cable networks, the low celerity of wave sound makes underwater acoustic communications system very sensitive to Doppler effect, yielding to non-uniform frequency scaling represented by compression or dilatation of the time axis. This frequency scaling can be induced by two factors: motion (sensor mobility, channel variation, etc...) and clock skew receiver between transmitter and receiver. Actually, in order to address this problem, some systems uses expensive inertial sensors for compensating Doppler scaling due to motion and temperature compensated low drift clocks. So in this thesis is evaluated the Doppler scaling caused by motion and skew in order to correct it. Finally, several tests in the laboratory, test tank, and at sea are performed in order to check the performance of acoustic communication and time synchronization. Results show a correct behavior of hardware and software, and also validate the performance of the time synchronization applied to acoustic UWSN.La sincronización temporal es una pieza clave de cualquier sistema distribuido. Las redes de sensores submarinas hacen uso de los sistemas de sincronización entre nodos para diversos servicios disponibles en cualquier red distribuida. Cabe mencionar que en las redes submarinas, las señales GPS (Global Positioning System) no están disponibles para la referencia temporal, y los sistemas de sincronización se tienen que basar principalmente en comunicaciones acústicas. Además, debido a la alta latencia de dichas redes, la portabilidad de protocolos de sincronización cableados o terrestres, es prácticamente imposible debido a las grandes diferencias de velocidades de propagación de las ondas electromagnéticas frente a las acústicas en el medio marino. Las señales acústicas se adecúan bien al medio submarino, pero presentan una serie de inconvenientes como el efecto Doppler, largas trayectorias multi-camino, además de una velocidad de transmisión baja, que han de ser corregidos en el equipo receptor. Se ha elegido el uso de "Orhtogonal Frequency-Division Multiplexing" (OFDM) como esquema de comunicaciones para el intercambio de datos entre nodos inalámbricos que tienen las bases temporales de cada uno de sus sensores. Este link de comunicaciones será usado, entre otros, para propagar los marcajes de tiempos entre mensajes necesarios para la sincronización de la red. En la literatura se pueden encontrar varios sistemas de sincronización para redes de sensores submarinas basadas en comunicación acústica como TSHL, D-SYNC, DA-Sync, pero sólo unos pocos tienen en cuenta toda la problemática del medio marino, como el bajo ancho de banda, los largos tiempos de propagación, o la movilidad de los sensores. Para resolver esta problemática de la sincronización temporal se ha empleado como referencia "Precision Time Protocol" (PTP) std. IEEE 1588, el cual es capaz de sincronizar dos relojes en una red cableada punto a punto con una precisión por debajo de los centenares de nanosegundos. Además se han empleado sistemas de mejora de la precisión temporal basados en ecuaciones cinemáticas de los nodos, tal y como se presenta en el estudio DA-Sync. En el protocolo PTP, los marcajes de tiempo se realizan en la capa física con el propósito de lograr la mayor precisión posible, ya que de este modo se evitan incertidumbres debidas a las temporizaciones de los sistemas operativos, o los algoritmos de acceso al medio. Análogamente, en esta tesis se presenta un sistema de marcaje de tiempos que extrae mediante hardware el marcaje temporal del inicio de la adquisición de datos. Difiriendo de las redes cableadas, la baja velocidad de propagación de las ondas acústicas en el medio marino hace que la comunicación sea altamente sensible al efecto Doppler, resultando en escalados frecuenciales no uniformes, que afectan a la base temporal dilatándola o comprimiéndola. Este escalado de frecuencia puede deberse a dos factores: movimiento (movimiento de sensores, variaciones del canal, etc.) o derivas del reloj de un nodo frente a otro nodo. Actualmente, para resolver este problema, algunos sistemas utilizan sistemas inerciales muy costosos para estimar el movimiento del sensor y relojes compensados por temperatura. En esta tesis se ha utilizado la información del canal respecto al escalado Doppler, además de las ecuaciones cinemáticas de primer orden, para estimar la movilidad y la deriva de los relojes. Finalmente, varios tests en laboratorio, tanque de agua, y experimentación en el mar son presentados para verificar el correcto funcionamiento de ambos sistemas de comunicación y sincronización. Los resultados validan el funcionamiento de todos los algoritmos software y del hardware, además de verificar el funcionamiento del sistema de sincronización aplicado a redes de sensores submarinas con comunicación acústica.Postprint (published version

Sincronització temporal de GPS a través del protocol IEEE-1588

Projecte realitzat mitjançant programa de mobilitat. České vysoké učení technické v Praze[ANGLÈS] Clock synchronization of seismometers is a key point to find the exact location of the earthquake. When seismometers are installed at seafloor observatories, data is collected through a marine cable and by using the Ethernet protocol. In IEEE-1588 protocol, instruments are synchronized through an Ethernet connection. They exchange timing data with a master clock through Ethernet in order to synchronize the clocks with an error below a microsecond. Therefore, instruments MUST be able to receive timing data from an external master clock. We have developed a Stelaris Luminary LM3S9B96 to be able to implement the clock synchronization through IEEE-1588. Furthermore this board is able to get synchronized through PTPd protocol also will supply different outputs, to implement data time stamping for the different types of GPS. The principal framing type of frame generated is TSIP (TSIP: Trimble Standard Interface Protocol) and trigger (PPS) from an external clock, due to it would be tested in a real seismometer, Taurus from Nanometrics. In a normal Taurus, GPS receiver inside Taurus provides this information. But on the seafloor it's impossible to get signal for a GPS so on this system must be used for getting the correct time stamping for data acquirement. It has also been improved to be able to work with other GPS receivers, just for making it interoperable with other systems such as NMEA GPS systems and IRIG-B.[CASTELLÀ] La sincronización temporal de sismómetros es un punto clave a la hora de localizar la posición exacata de dónde ha sucedido un terremoto. Cuando un sismógrafo es instalado en un observatorio en el fondo marino, la información de éste se extrae mediante un cable marino usando el protocolo de Ethernet. En el protocolo IEEE-1588, los instumentos son sincronizados a través de una conexión Ethernet. Estos intercambian información temporal con un reloj principal llamado "master" para pode sincronizar cada "slave" con una precisión de unos microsegundos. Por lo cual se tiene que proporcionar de alguna manera la capacidad de comunicar cada instrumento o sismógrafo en nuestro caso, con un "master clock". Se ha desarrollado una placa de evaluación de la casa de Luminary, DK-LM3S9B96 para proveer de sincronización temporal a través del protocolo IEEE-1588 a cualquier instrumento o sismógrafo. Además, dicha placa a parte de trabaar con el protocolo PTPd (Precision Time Protocol daemon) nos proporcionará las distintas salidas con las tramas de GPS necesarias para proporcionar las bases temporales y el trigger que en éste caso es un PPS (Pulse Per Second). El primer tipo de trama implementada es el TSIP ( Trimble Standard Interface Protocol) ya que éste podrá ser testeado con un sismómetro real, Taurus de la empresa Nanometrics. En un Taurus normal el receptor GPS ca incorporado en el sismógrafo y provee dicha información temporal necesaria para captar los datos. Pero en el fondo marino es imposible sincronizar un GPS con los relojes atómicos de los satélites, es por este motivo que se utilizará el protocolo IEEE-1588 con la placa mencionada previamente. También se ha implementado sobre la placa los protocolos NMEA e IRIG-B, que son protocolos de comunicación GPS y que hace que el sistema sea interconectable con cualquier sistema que sea sincronizado mediante GPS.[CATALÀ] La sincronització temporal de sismòmetres es un punt clau per tal de poder localitzar la posició exacta on ha succeït un terratrèmol. Quan un sismòmetre és instal·lat en un observatori del fons marí, la informació que aquest extreu es recull mitjançant un cable marí utilitzant el protocol d'Ethernet. En el protocol IEEE-1588, els instruments són sincronitzats a través d'una connexió Ethernet. Aquests intercanvien informació temporal amb un rellotge principal anomenat "master" per tal de poder sincronitzar-se cada instrument amb una precisió d'uns pocs micro segons. Per tant s'ha de proporcionar d'alguna forma la capacitat de comunicar-se amb un "master clock" al sismòmetre que es vol sincronitzar. Ha estat desenvolupada una placa d'avaluació de Luminary, l'Stellaris DK-LM3S9B96 per ser capaços de proveir sincronització temporal a través del protocol IEEE-1588 a qualsevol instrument, com en podria ser un sismògraf. A més a més aquesta placa a part de treballar amb el protocol PTPd (Precision Time Protocol daemon) ens proporcionarà les diferents sortides amb les trames de GPS per proporcionar les bases temporals i el trigger que en aquest cas és un PPS (Pulse Per Second). El primer tipus de trama implementat es el TSIP (TSIP: Trimble Standard Interface Protocol) ja que aquest podrà ser testat amb un sismòmetre real, Taurus de l'empresa Nanometrics. En un Taurus normal el receptor GPS va incorporat en el sismògraf i proveeix aquesta informació temporal necessària per captar les dades. Però al fons marí es impossible sincronitzar un GPS amb els rellotges atòmics dels satèl·lits, i per aquest motiu s'utilitzarà el protocol IEEE-1588 amb la placa esmentada. També s'ha implementat sobre la placa els protocols NMEA i IRIG-B, que son protocols de comunicació de GPS i que fan que el sistema sigui interoperable amb qualsevol sistema que se sincronitzi mitjançant GPS