Использование гибридной коммуникационной архитектуры подводной беспроводной сенсорной сети для повышения ее времени жизни и эффективности

Татьяна Александровна Федорова; Владимир Александрович Рыжов; Кирилл Сергеевич Сафронов

doi:10.15622/ia.23.5.10

Татьяна Александровна Федорова Санкт-Петербургский государственный морской технический университет Elibrary Scopus ResearcherID Orcid
Владимир Александрович Рыжов Санкт-Петербургский государственный морской технический университет Elibrary Scopus ResearcherID Orcid
Кирилл Сергеевич Сафронов Санкт-Петербургский государственный морской технический университет Elibrary Scopus ResearcherID Orcid

DOI:

https://doi.org/10.15622/ia.23.5.10

Ключевые слова:

подводные беспроводные сенсорные сети, гибридные сети, мобильный межсредный шлюз, гидроакустическая связь, критерий эффективности сети, время жизни сети

Аннотация

В работе выполнен сравнительный анализ основных функциональных характеристик подводных беспроводных сенсорных сетей (ПБСС) со стационарной и гибридной коммуникационными архитектурами. Указанные ПБСС состоят из сенсорных узлов, расположенных на морском дне и надводных межсредных шлюзов, обеспечивающих передачу информационных пакетов между подводным и надводным сегментами сети. В стационарной ПБСС роль шлюзов выполняют заякоренные буи, в гибридной – мобильные транспортные платформы. С использованием математического аппарата, основанного на вероятностном подходе, проведена оценка функциональных характеристик альтернативных коммуникационных архитектур ПБСС с энергетической точки зрения - определены общие энергетические затраты сети на пересылку сообщений и время жизни сенсоров сети. Для численного анализа функциональных характеристик ПБСС рассмотрены достаточно широкие диапазоны изменения проектных параметров сети, таких как: размер акватории, требуемое количество и варианты размещения сенсорных узлов, вероятность доставки пакета в акватории (физические параметры среды), в которых осуществлялся поиск «оптимального» с энергетической точки зрения решения. Выполненное авторами исследование показывает, что мобильность играет важную роль в повышении качества функционирования подводной сети в аспектах покрытия (обеспечения связности), энергоэффективности и времени жизни. Мобильный элемент в виде волнового глайдера, выполняющий роль межсредного шлюза, способен функционировать в акватории в течение продолжительного времени, что говорит о перспективности его использования для прикладных задач сбора, накопления и ретрансляции информации в рамках интернета подводных вещей.

Литература

1. Ryabinin V., Barbiere J., Haugan P., Kullenberg, G., Smith, N., McLean, C., Troisi A., Fischer A., Arico S., Aarup T., Pissierssens P., Visbeck M., Enevoldsen H., Rigaud J.. The UN Decade of Ocean Science for Sustainable Development // Oceanobs'19: An Ocean of Opportunity. 2019. vol. 6. DOI: 10.3389/fmars.2019.00470.
2. Mohsan S., Li Y., Sadiq M., Liang J., Khan M. Recent Advances, Future Trends, Applications and Challenges of Internet of Underwater Things (IoUT): A Comprehensive Review // Journal of Marine Science and Engineering. 2023. no. 11. DOI: 10.3390/jmse11010124.
3. Nkenyereye L., Nkenyereye L., Ndibanje B. Internet of Underwater Things: A Survey on Simulation Tools and 5G-Based Underwater Networks // Electronics. 2024. vol. 13(3). DOI: 10.3390/electronics13030474.
4. Riser S., Freeland H., Roemmich D., et al. Fifteen years of ocean observations with the global Argo array // Nature Climate Change. 2016. vol. 6. no. 2. pp. 145–153. DOI: 10.1038/NCLIMATE2872.
5. Crout R., Conlee D., Bernard L. National Data Buoy Center (NDBC) National Backbone Contributions to the Integrated Ocean Observation System (IOOS) // OCEANS. 2006. pp. 1–3. DOI: 10.1109/OCEANS.2006.307073.
6. Ho T., Hagaseth M., Rialland A., et al. Internet of Things at Sea: Using AIS and VHF over Satellite in Remote Areas // Proceedings of 7th Transport Research Arena (TRA 2018). Vienna, Austria. 2018. pp. 1–10. DOI: 10.5281/zenodo.1473565.
7. Oke P., Sakov P. Assessing the footprint of a regional ocean observing system // Journal of Marine Systems. 2012. vol. 105. pp. 30–51. DOI: 10.1016/j.jmarsys.2012.05.009.
8. Barnes C., NEPTUNE Canada Team. Building the world’s first regional cabled ocean observatory (NEPTUNE): Realities, challenges and opportunities // OCEANS. 2007. pp. 1–8. DOI: 10.1109/OCEANS.2007.4449319.
9. Wallace D., et al. A Canadian contribution to an integrated Atlantic ocean observing system (IAOOS) // Oceans – St. John’s. 2014. pp. 1–10. DOI: 10.1109/OCEANS.2014.7003244.
10. Kaneda Y., Kawaguchi K., Araki E., Matsumoto H., Nakamura T., Kamiya S., Ariyoshi K., Hori T. Dense Ocean Floor Network for Earthquakes and Tsunamis (DONET) Around the Nankai trough Mega Thrust Earthquake Seismogenic Zone in Southwestern Japan –Part 2: Real Time Monitoring of the Seismogenic Zone // Proceedings of International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Honolulu, Hawaii, USA. 2009. vol. 43468. pp. 715–720. DOI: 10.1115/OMAE2009-79599.
11. Grund M., Freitag L., Preisig J., Ball K. The PLUSNet Underwater Communications System: Acoustic Telemetry for Undersea Surveillance // OCEANS. 2006. pp. 1–5. DOI: 10.1109/OCEANS.2006.307036.
12. Felemban E., Shaikh F., Qureshi U.M., Sheikh A., Qaisar S. Underwater Sensor Network Applications: A Comprehensive Survey // International Journal of Distributed Sensor Networks. 2015. vol. 11(11). DOI: 10.1155/2015/896832.
13. Fattah S., Gani A., Ahmedy I., Idris M., Targio Hashem I. A Survey on Underwater Wireless Sensor Networks: Requirements, Taxonomy, Recent Advances, and Open Research Challenges // Sensors. 2020. vol. 20(18). DOI: 10.3390/s20185393.
14. Brekhovskikh L., Lysanov Yu. Fundamentals of Ocean Acoustics, 3rd Ed. // NY: Springer New York. 2003. 279 p.
15. Sandhiyaa S., Gomathy C. A Survey on underwater wireless sensor networks: challenges, requirements, and opportunities // Proceedings of Fifth International Conference on I-SMAC (IoT in Social, Mobile, Analytics and Cloud) (I-SMAC). Palladam, India. 2021. pp. 1417–1427. DOI: 10.1109/I-SMAC52330.2021.9640791.
16. Mahmood T., Akhtar F., Ur Rehman K., Ali S., Mokbal F. A Comprehensive Survey on the Performance Analysis of Underwater Wireless Sensor Networks (UWSN) Routing Protocols // International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2009. vol. 10. no. 5. pp. 590–600. DOI: 10.14569/IJACSA.2019.0100576.
17. Khan A., Ali I., Ghani A., Khan N., Alsaqer M., Rahman A., Mahmood H. Routing Protocols for Underwater Wireless Sensor Networks: Taxonomy, Research Challenges, Routing Strategies and Future Directions // Sensors. 2018. vol. 18(5). DOI: 10.3390/s18051619.
18. Su X., Ullah I., Liu X., Choi D. A Review of Underwater Localization Techniques, Algorithms, and Challenges // Journal of Sensors. 2020. vol. 2020(1). DOI: 10.1155/2020/6403161.
19. Xing G., Chen Y., He L., Su W., Hou R., Li W., Zhang C., Chen X. Energy Consumption in Relay Underwater Acoustic Sensor Networks for NDN // IEEE Access. 2009. vol. 7. pp. 42694–42702. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2907693.
20. Gupta S., Singh N. Underwater wireless sensor networks: a review of routing protocols, taxonomy, and future directions // Journal of Supercomputing. 2024. vol. 80. pp. 5163–5196. DOI: 10.1007/s11227-023-05646-w.
21. Gola K., Arya S. Underwater acoustic sensor networks: Taxonomy on applications, architectures, localization methods, deployment techniques, routing techniques, and threats: A systematic review // Concurrency and Computational: Practice and Experience. 2023. vol. 35. DOI: 10.1002/cpe.7815.
22. Shovon I., Shin S. Survey on Multi-Path Routing Protocols of Underwater Wireless Sensor Networks: Advancement and Applications // Electronics. 2022. vol. 11(21). DOI: 10.3390/electronics11213467.
23. Pu W. A Survey of Localization Techniques for Underwater Wireless Sensor Networks // Journal of Computing and Electronic Information Management. 2023. vol. 11. no. 1. pp. 10–15. DOI: 10.54097/jceim.v11i1.9184.
24. Rani S., Anju, Sangwan A., Kumar K., Nisar K., Soomro T., Ibrahim A., Gupta M., Chand M., Khan S. A Review and Analysis of Localization Techniques in Underwater Wireless Sensor Networks // Computers, Materials and Continua. 2023. vol. 75. no. 3. pp. 5697–5715. DOI: 10.32604/cmc.2023.033007.
25. Li X., Xu X., Yan L., Zhao H. Zhang T. Energy-Efficient Data Collection Using Autonomous Underwater Glider: A Reinforcement Learning Formulation // Sensors. 2020. vol. 20. no. 13. DOI: 10.3390/s20133758.
26. Su Y., Zhang L., Li Y., Yao X. A Glider-Assist Routing Protocol for Underwater Acoustic Networks with Trajectory Prediction Methods // IEEE Access. 2020. vol. 8. pp. 154560–154572. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3015856.
27. Lan H., Lv Y., Jin J., Li J., Sun D., Yang Z. Acoustical Observation with Multiple Wave Gliders for Internet of Underwater Things // IEEE Internet of Things Journal. 2021. vol. 8. no. 4. pp. 2814–2825. DOI: 10.1109/JIOT.2020.3020862.
28. Никущенко Д.В., Рыжов В.А., Тряскин Н.В. Моделирование гидродинамических характеристик волнового глайдера // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: Сборник трудов (г. Уфа, 19-24 августа 2019 г.). Уфа, ИПСМ РАН, 2019. С. 71–73.
29. Овчинников К.Д., Рыжов В.А., Синишин А.А., Кожемякин И.В. Экспериментальное исследование ходовых характеристик волнового глайдера // XV Всероссийская научно-практическая конференция «Перспективные системы и задачи управления»: Сборник материалов (Ростов-на-Дону – Таганрог, 5-9 октября 2020). Ростов-на-Дону – Таганрог: Изд-во Южного федерального университета. 2020. С. 91–97.
30. Ghanem M., Mansoor A., Ahmad R. A systematic literature review on mobility in terrestrial and underwater wireless sensor networks // International Journal of Communication Systems. 2021. vol. 34. no. 10. DOI: 10.1002/dac.4799.
31. Cui J.-H., Kong J., Gerla M., Zhou S. The challenges of building scalable mobile underwater wireless sensor networks for aquatic applications // IEEE Network. 2006. vol. 20. no. 3. pp. 12–18. DOI: 10.1109/MNET.2006.1637927.
32. Alkindi Z., Alzeidi N., Arafehand B., Touzene A. Performance evolution of grid-based routing protocol for underwater wireless sensor networks under different mobile models // International Journal of Wireless and Mobile Networks (IJWMN). 2018. vol. 10. no. 1. pp. 13–25. DOI: 10.5121/ijwmn.2018.10102.
33. Janardanan Kartha J., Jacob L. Delay and Lifetime Performance of Underwater Wireless Sensor Networks with Mobile Element Based Data Collection // International Journal of Distributed Sensor Networks. 2015. vol. 11. no. 5. DOI: 10.1155/2015/128757.
34. Jalaja M., Jacob L. On-demand data collection in sparse underwater acoustic sensor networks using mobile elements // Proceedings of the 10th International Conference on Wireless and Mobile Communication (ICWMC 2014). Seville, Spain. 2014. pp. 105–111.
35. Yoon S., Azad A., Oh H., Kim S. AURP: an AUV-aided underwater routing protocol for underwater acoustic sensor networks // Sensors. 2012. vol. 12. no. 2. pp. 1827–1845. DOI: 10.3390/s120201827.
36. Hollinger G., Choudhary S., Qarabaqi P., Murphy C., Mitra U., Sukhatme G., Stojanovic M., Singh H., Hover F. Underwater data collection using robotic sensor networks // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2012. vol. 30. no. 5. pp. 899–911. DOI: 10.1109/jsac.2012.120606.
37. Rahim M., Casari P., Guerra F., Zorzi M. On the performance of delay—tolerant routing protocols in underwater networks // Proceedings of OCEANS 2011 IEEE. Santander, Spain. 2011. pp. 1–7. DOI: 10.1109/Oceans-Spain.2011.6003388.
38. Choudhary M., Goyal N. A rendezvous point-based data gathering in underwater wireless sensor networks for monitoring applications // International Journal of Communication System. 2022. vol. 35. no. 6. DOI: 10.1002/dac.5078.
39. Sharma S., Puthal D., Jena S., Zomaya A., Ranjan R. Rendezvous based routing protocol for wireless sensor networks with mobile sink // The Journal of Supercomputing. 2017. vol. 73. pp. 1168–1188. DOI: 10.1007/s11227-016-1801-0.
40. Cheng C., Li L. Data gathering problem with the data importance consideration in Underwater Wireless Sensor Networks // Journal of Network and Computer Applications. 2017. vol. 78. pp. 300–312. DOI: 10.1016/j.jnca.2016.10.010.
41. Maqsood H., Javaid N., Yahya A., Ali B., Khan Z., Qasim U. MobiL-AUV: AUV-aided localization scheme for underwater wireless sensor networks // Proceedings of the 2016 10th International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing (IMIS). Fukuoka, Japan. 2016. pp. 170–175. DOI: 10.1109/IMIS.2016.140.
42. Favaro F., Casari P., Guerra F., Zorzi M. Data upload from a static underwater network to an AUV: Polling or random access? // Proceedings of the IEEE OCEANS 2012. Yeosu, Republic of Korea. 2012. pp. 1–6. DOI: 10.1109/OCEANS-Yeosu.2012.6263499.
43. Favaro F., Brolo L., Toso G., Casari P., Zorzi M. A study on remote data retrieval strategies in underwater acoustic networks // Proceedings of the MTS/IEEE OCEANS Conference. San Diego, USA. 2013. pp. 1–8.
44. Cai S., Zhu Y., Wang T., Xu G., Liu A., Liu X. Data Collection in Underwater Sensor Networks based on Mobile Edge Computing // IEEE Access. 2019. vol. 7. pp. 6535–65367. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2918213.
45. Yan J., Yang X., Luo X., Chen C. Energy-efficient data collection over AUV-assisted underwater acoustic sensor network // IEEE Systems Journal. 2018. vol. 12. no. 4. pp. 3519–3530. DOI: 10.1109/JSYST.2017.2789283.
46. Khan M., Ahmed S., Jembre Y., Kim D. An energy-efficient data collection protocol with AUV path planning in the Internet of Underwater Thing // Journal of Network and Computer Applications. 2019. vol. 135. pp. 20–31. DOI: 10.1016/j.jnca.2019.02.025.
47. Li H., Wu X., Zhang Z., Tan X., Pan J., Dai C., Luo D., Ahmed A., Xu Y. An extended-range wave-powered autonomous underwater vehicle applied to underwater wireless sensor networks // iScience, 2022. vol. 25. no. 8. DOI: 10.1016/j.isci.2022.104738.
48. Fedorova T., Ryzhov V., Semenov N, Sulaiman S. (2022) Optimization of an Underwater Wireless Sensor Network Architecture with Wave Glider as a Mobile Gateway // J. Marine. Sci. Appl. 2022. vol. 21. pp. 179–196. DOI: 10.1007/s11804-022-00268-9.
49. Rappaport T. Wireless Communications: Principles and Practice // Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. 1996. 656 p.
50. Thorp W. Deep Sound Attenuation in the Sub and Low Kilocycle per-second Range // The Journal of the Acoustical Society of America. 1965. vol. 38. no. 4. p. 648–654.
51. Ahn J., Syed A., Krishnamachari B., Heidemann J. Design and analysis of a propagation delay tolerant ALOHA protocol for underwater networks // Ad Hoc Networks. 2011. vol. 9. pp. 752–766. DOI: 10.1016/j.adhoc.2010.09.007.
52. Lindsey S., Raghavendra C. PEGASIS: Power-efficient gathering in sensor information systems // Proceedings of IEEE Aerospace Conference. USA: Big Sky, 2002. vol. 3. DOI: 10.1109/AERO.2002.1035242.
53. Шарафутдинова Т.К. Сравнительный анализ промышленных гидроакустических модемов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2021. № 13(6). С. 832–841. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-6-832-841.

Робототехника, автоматизация и системы управления

Использование гибридной коммуникационной архитектуры подводной беспроводной сенсорной сети для повышения ее времени жизни и эффективности

DOI:

Ключевые слова:

Аннотация

Литература

Опубликован

Статистика

Как цитировать

Выпуск

Раздел

Импакт-фактор

Разделы

Мы в сети

Обратная связь

Просмотры	103
Скачивания	57