Confronto di protocolli di routing DTN in reti acustiche sottomarine

tali scenari.
Il Capitolo 3 è dedicato alla descrizione dell'architettura DTN e dei suoi principi
di funzionamento, confrontati con quelli della rete Internet.
La problematica del routing nelle DTN viene affrontata nel Capitolo 4, all'interno
del quale vengono presentati i principali protocolli di routing DTN recentemente
sviluppati. Maggiore risalto viene dato a Spray And Wait, il protocollo di riferi-
mento scelto in questa tesi per l'applicazione in scenari sottomarini.
Nel Capitolo 5 viene presentato l'ambiente simulativo utilizzato (NS2-MIRACLE )
per testare le prestazioni dei protocolli di routing DTN implementati, dei quali
viene descritta la logica di funzionamento.
Infine, nel capitolo 6, vengono messe a confronto le prestazioni dei tre protocolli,
analizzandone pregi, difetti e la loro utilità in ambiente sottomarino.
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Capitolo 1
Generalità sulle reti di sensori
sottomarini
1.1 Introduzione
Una rete di sensori sottomarini (UW-ASN, UnderWater Acoustic Sensor Network)
consiste in un numero variabile di sensori e di nodi, posizionati in modo tale da
monitorare, collaborando, una data area. Una UW-ASN deve essere in grado di
raccogliere dati oceanografici, monitorare l'inquinamento, consentire esplorazioni
off-shore, prevenire i disastri, fornire assistenza alla navigazione e alle applicazioni
di sorveglianza. Per raggiungere tali obiettivi è indispensabile la presenza di una
tecnologia che permetta ai dispositivi sottomarini di comunicare in tempo reale
ed eseguire le operazioni nell'ambiente sottomarino. Tale tecnologia è la Wireless
Underwater Acoustic Networking, la quale si ritiene possa in futuro rimpiazzare il
tradizionale approccio che prevede il posizionamento della strumentazione in situ
e la raccolta dei dati memorizzati solo al termine della missione o dell'esperimento.
Tale approccio risulta svantaggioso per una serie di motivi:
Assenza di monitoraggio in tempo reale - i dati memorizzati sono accessi-
bili solo nel momento in cui vengono recuperati gli strumenti, solitamente
al termine di un esperimento la cui durata può anche superare i 30 giorni.
Tale aspetto è particolarmente critico nel caso di applicazioni che richie-
dono dati tempestivamente, come ad esempio il monitoraggio delle attività
sismiche;
Impossibilità di riconfigurare i sistemi - la stazione di controllo non è in
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1 GENERALITÀ SULLE RETI DI SENSORI SOTTOMARINI
grado di interagire con gli strumenti di monitoraggio. Non è possibile, per-
tanto, riconfigurare i sensori nè tantomeno condurre esperimenti adattivi.
Impossibilità di rilevare i guasti - eventuali guasti o errori di configurazione
possono essere rilevati solo al termine dell'esperimento, nel momento in cui
vengono recuperati gli strumenti;
Capacità di memoria limitata - ogni sensore può memorizzare solamente una
minima quantità di dati, a causa della limitata capacità dei dispositivi di
memorizzazione.
Si è reso pertanto necessario investire sulla ricerca e lo sviluppo nel campo delle
comunicazioni wireless sottomarine, le quali stanno notevolmente aumentando
l'efficienza delle attività in tali scenari.
Il livello fisico delle UW-ASN si basa sulle comunicazioni acustiche. Inizialmente
si pensava di poter utilizzare le onde radio ma le uniche che riescono a propagarsi
nell'acqua salata hanno frequenze molto basse, dell'ordine di 30− 300 Hz, richie-
dono antenne di grandi proporzioni e un'elevata potenza di trasmissione. Risulta
altrettanto difficoltoso sfruttare le comunicazioni con mezzi ottici le quali, seppur
non limitate dall'attenuazione marina, sono affette dallo scattering e richiedono
elevata precisione nel posizionamento del raggio laser. Per comunicare su lun-
ghe distanze, pertanto, l'unica scelta è puntare su sistemi trasmissivi e protocolli
flessibili basati sulle comunicazioni acustiche, le quali consentono di raggiungere
distanze elevate, anche se con bitrate basso. In fase di progettazione si dovrà fo-
calizzare l'attenzione su vincoli ben precisi dettati dalle caratteristiche delle reti
acustiche sottomarine:
ˆ la larghezza di banda in trasmissione è severamente limitata;
ˆ il canale sottomarino, a causa del fading da cammini multipli e dalle con-
dizioni ambientali, è estremamente variabile;
ˆ il ritardo di propagazione è maggiore di cinque ordini di grandezza rispetto
a quello delle onde radio in aria;
ˆ bit error rate (BER) molto elevato e fenomeni di propagazione che possono
dare origine ad assenza di segnale in determinate zone della rete;
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1.1 INTRODUZIONE
ˆ la durata della batteria dei sensori è limitata e non ricaricabile tramite
l'energia solare;
ˆ i sensori sono soggetti a frequenti rotture causate dalla pressione elevata e
dalla corrosione dovuta all'acqua salata.
1.1.1 Principi di progettazione delle UW-ASN
Differenze con le reti di sensori terrestri
Si elencano di seguito le principali differenze tra una rete di sensori sottomarina
ed una terrestre:
Costo - i sensori sottomarini sono più costosi di quelli terrestri. E' maggiore,
infatti, la complessità del trasmettitore e la qualità dei rivestimenti esterni
per proteggere l'hardware dalle condizioni ostili presenti sott'acqua.
Posizionamento - i sensori terrestri vengono disposti in modo tale da crea-
re un'elevata densità. Al contrario, il posizionamento dei sensori sotto-
marini, a causa del loro elevato costo e delle caratteristiche dei fondali, è
obbligatoriamente più sparso.
Consumo energetico - l'energia utilizzata dai sensori sottomarini è conside-
revole e molto più elevata rispetto a quella richiesta dai sensori terrestri.
Ciò è dovuto alla potenza richiesta per le trasmissioni su lunghe distanze e
alla complessità dell'elaborazione dei segnali, necessaria per compensare gli
errori introdotti dal canale trasmissivo.
Memoria - i sensori sottomarini, al contrario di quelli terrestri, devono essere in
grado di memorizzare una grande quantità di dati in quanto l'intermittenza
tipica delle connessioni sottomarine può impedire la trasmissione dei dati
per lunghi periodi.
Correlazione spaziale - i dati rilevati dai sensori terrestri sono spesso correlati.
Ciò non accade nelle reti sottomarine, a causa delle elevate distanze presenti
tra i sensori.
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1 GENERALITÀ SULLE RETI DI SENSORI SOTTOMARINI
Architettura interna di un sensore sottomarino
La tipica architettura interna di un sensore sottomarino, illustrata in figura 1.1,
è costituita da una CPU interfacciata con uno o più sensori. Ricevuti i dati da
quest'ultimi, la CPU può memorizzarli o elaborarli per poi trasmetterli attraverso
il modem acustico. L'hardware viene, generalmente, protetto da un contenitore
in cloruro di polivinile (PVC ).
Figura 1.1: Architettura interna di un sensore sottomarino
I sensori sono in grado di rilevare caratteristiche e qualità dell'acqua (tempera-
tura, densità, salinità, acidità, etc.) ed aspetti chimici come conduttività, pH e
torbidità.
Si ritiene [1] che futuri sviluppi porteranno a:
ˆ l'utilizzo di sensori a basso costo, basati sulle nano-tecnologie;
ˆ meccanismi periodici di pulizia per combattere la corrosione, la quale può
influenzare la durata ed il funzionamento del sensore;
ˆ sensori funzionanti anche in ambienti caratterizzati da condizioni estreme
in termini di temperatura, pressione e corrente marina.
Reti Real-Time e reti Delay-Tolerant
Nelle reti sottomarine, così come accade in ambito terrestre, le varie applicazioni
hanno richieste diverse per quanto riguarda la modalità di consegna dei dati. Le
applicazioni di sorveglianza, ad esempio, necessitano di reazione immediata nel
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1.2 ARCHITETTURA DI UNA UW-ASN
caso si verifichi un determinato evento. Altre sono caratterizzate dal trasferimen-
to di grandi moli di dati senza, però, dover rispettare alcuna deadline.
Si rende necessario, pertanto, sviluppare protocolli di rete adatti alle caratteri-
stiche dell'ambiente sottomarino, in grado di reagire alla rottura (momentanea o
definitiva) di un link, in modo tale da aumentare la probabilità di consegna dei
dati rispettando i vincoli imposti dalle applicazioni.
Tali strategie, sviluppate nell'ambito dell'architettura Delay-Tolerant Network
(DTN ), vengono presentate nel capitolo 4.
1.2 Architettura di una UW-ASN
In questa sezione vengono descritte le principali architetture per le reti di sensori
sottomarini: reti statiche bidimensionali, reti statiche tridimensionali, reti tridi-
mensionali di AUV 1. Prima di descrivere nel dettaglio tali schemi architetturali,
è necessario soffermarsi sull'importanza della topologia di una rete di sensori sot-
tomarini.
La scelta della topologia di una rete è un fattore cruciale da cui dipendono il
consumo di energia, la capacità e l'affidabilità dei sensori. Le applicazioni di sor-
veglianza sottomarine, ad esempio, sono molto dispendiose a causa dell'elevato
costo dei sensori. Pertanto, è molto importante che la rete di sensori sia affida-
bile: devono cioè essere previsti casi in cui un nodo vada fuori uso (a causa, ad
esempio, dell'esaurimento della batteria) ma il corretto funzionamento della rete
non venga intaccato.
Attualmente le topologie di rete più utilizzate sono le seguenti:
Topologia centralizzata
Le comunicazioni avvengono tramite un'unità centrale, generalmente chiamata
hub. E' particolarmente adatta a UW-ASN in acque profonde: in tal caso una
boa di superficie, munita di modem acustici e radio, funge da tramite tra la sta-
zione base e la rete sottomarina. Il principale svantaggio di questa configurazione
è la presenza di un unico punto di rottura: se l'hub va fuori uso, infatti, le comu-
nicazioni verso la superficie si interrompono anche se l'insieme di nodi e sensori
1Autonomous Underwater Vehicle
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1 GENERALITÀ SULLE RETI DI SENSORI SOTTOMARINI
di cui è costituita la rete continua a funzionare correttamente. Due esempi di
tipologia centralizzata sono raffigurati nelle figure 1.2 e 1.3.
Figura 1.2: Topologia di rete centralizzata
Figura 1.3: UW-ASN con topologia centralizzata
Topologia distribuita
Le reti basate su tale tipologia, di cui vengono illustrati due esempi nelle figure
1.4 e 1.5, appartengono alla classe delle reti peer-to-peer : esse prevedono link tra
ogni coppia di nodi della rete e non fanno uso di alcun algoritmo di routing. Di
conseguenza le distanze tra mittente e destinatario richiedere l'impiego di potenze
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1.2 ARCHITETTURA DI UNA UW-ASN
elevate creando potenzialmente un'interferenza notevole per quei nodi che in quel
momento sono in fase di ricezione.
Figura 1.4: Topologia di rete distribuita
Figura 1.5: UW-ASN con topologia distribuita
Topologia multihop
Le reti peer-to-peer multihop, invece, stabiliscono comunicazioni solo tra i nodi
che rientrano in un certo raggio di trasmissione: così facendo, un pacchetto viene
inviato e inoltrato da un nodo all'altro fino ad arrivare a destinazione (si veda, ad
esempio, l'esempio in figura 1.6). Vengono così implementati degli algoritmi di
routing che determinano il percorso, costituito dall'insieme di nodi intermedi, che
il pacchetto dovrà seguire. Si possono così ricoprire grandi aree, ma un numero
eccessivo di hop può influenzare il ritardo di consegna del pacchetto. Considerata
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1 GENERALITÀ SULLE RETI DI SENSORI SOTTOMARINI
la bassa velocità di propagazione delle onde acustiche, tale fenomeno non è da
sottovalutare. Spray And Wait, l'algoritmo di routing su cui si è focalizzata la
parte simulativa di questa tesi, si basa proprio su topologie multihop. Un'analisi
dettagliata di Spray And Wait viene effettuata nella sezione 4.6.
Figura 1.6: Topologia di rete multihop
1.2.1 Reti statiche bidimensionali
Tale tipo di architettura viene illustrato in figura 1.7. Un gruppo di sensori viene
ancorato al fondale sottomarino mediante l'utilizzo di ancore. Tali sensori sono
interconnessi, attraverso link acustici, ad uno o più UW-sink, dispositivi incaricati
di inviare i dati in superficie. Tale operazione è resa possibile dai due trasmettitori
acustici di cui è fornito un UW-sink : il trasmettitore orizzontale viene utilizzato
per comunicare con i sensori mentre il trasmettitore verticale permette la consegna
dei dati in superficie.
I sensori possono connettersi direttamente agli UW-sink oppure sfruttando per-
corsi multihop. Nel primo caso i dati vengono inviati direttamente ma, sebbene
questo possa essere considerato il caso più semplice, bisogna tenere in debita
considerazione il problema energetico: nelle reti sottomarine, infatti, i sensori
possono trovarsi a grande distanza dal sink e la potenza di trasmissione dipen-
de fortemente dalla distanza [33]. In particolari condizioni, quindi, percorsi con
singoli hop possono rivelarsi inefficienti sia dal punto di vista energetico che per
quanto riguarda il throughput, il cui valore viene influenzato dall'incremento del-
l'interfenza causato dalla maggior potenza di trasmissione utilizzata dai sensori.
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