Kablosuz Sualtı Algılayıcı Ağlarında Katmanlar Arası İletişim Ve Fırsatçı Spektrum Erişimi

Abstract

Dünyamızın üçte ikisinden fazlası sularla kaplıdır. Denizlerden, göllerden ve nehirlerden oluşan sualtı dünyası doğal kaynaklar (petrol, doğalgaz ve değerli mineraller) bakımından oldukça zengin olup insanoğlu tarafından henüz tam olarak keşfedilememiştir. Son yıllarda, bilimsel, çevresel, ticari ve askeri uygulamalarda kullanılmak üzere kablosuz sualtı algılayıcı ağların geliştirilmesi ve gerçekleştirilmesi noktasında endüstride ve akademide olağanüstü artan bir hızda ilgi olmuştur. Günümüzde sualtı algılayıcı ağlarının deprem izleme, denizbilim veri toplanması, felaket yönetimi, çevresel kirliliğin gözlemlenmesi, güvenli gemi seyri, çoklu ortam taktik izleme vb. alanlarda çeşitli uygulamaları bulunmaktadır. Bununla birlikte, sualtı akustik ortamı güvenilir ve etkin kablosuz iletişim için ciddi zorluklar yaratmaktadır. Bu bağlamda, güvenilir ve etkin sualtı iletişimin sağlanması için özgün bir iletişim sistemi gerekmektedir. Bu projede, kablosuz sualtı algılayıcı ağlarının ortak problemleri olan yayılım gecikmesinin yüksek ve değişken olması, sualtı kanal kapasitesinin yere, zamana ve frekansa bağlı olarak ciddi şekilde değişiklik göstermesi ve kablosuz sualtı algılayıcı düğümlerinin çok sınırlı enerjiye sahip olması gibi problemlerin adreslenmesi için konum farkında Katmanlar arası İletişim ve Fırsatçı Spektrum Erişim (Kİ-FSE) sistemi önerilmektedir. Geliştirilen Kİ-FSE sistemi kaynakları kısıtlı sualtı elemanları için geleneksel iletişim katman modelinde uygulama katmanından fiziksel katmana kadar iletişim katmanlarının yükünü azaltacak ve performanslarını geliştirecek tam bir katmanlar arası çözümdür. Ayrıca, Kİ-FSE sistemi sualtı ortamında etkin spektrum kullanımını sağlamak için fırsatçı spektrum erişim tekniklerinden faydalanmaktadır. Genel olarak, bu projenin nihai sonucu sualtı ortamları için özgün katmanlar arası ve fırsatçı spektrum erişim esasına dayanan iletişim protokollerinin geliştirilmesi için gerekli metotların ve temel kavramların ortaya konmasıdır. Sonuç olarak; bu projenin kariyer ve eğitimsel faydalarına ilaveten, bu projenin sonuçlarıyla mümkün kılınabilecek sağlam ve geniş ölçekli sualtı algılayıcı ağları sualtı dünyasının bilimsel, çevresel, ticari, askeri, vb. amaçlar için kapsamlı keşfini başarmayı mümkün kılacak ve sualtında bulunan yeni doğal kaynakların (petrol, doğal gaz, vb.) sualtı algılayıcı ağları tarafından keşfedilmesine önayak olacaktır

Over two-thirds of the Earth’s surface is covered with water. The underwater world, which comprises the sea, rivers, lakes, is rich in natural resources (e.g., oil, natural gas, and valuable minerals) and largely unexplored by human beings. Recently, there has been a growing interest in both academia and industry for the development and deployment of wireless underwater sensor networks (WUSNs) to better explore these environments for scientific, environmental, commercial, and military purposes. In fact, the existing and potential applications of WUSNs span a very wide range, including seismic monitoring, oceanographic data collection, disaster prevention, environmental pollution monitoring, assisted navigation, and multimedia tactical surveillance. However, the underwater acoustic environment presents significant challenges to reliable and efficient wireless communications. In this respect, a novel communication framework to provide reliable and efficient underwater communications is needed. In this project, a location-aware Cross-layer Communications and Opportunistic Spectrum Access (CC-OSA) communications framework is proposed to address common problems of wireless underwater sensor networks, such as high and variable propagation delay, significant underwater acoustic channel capacity variations depending on location, time, and frequency, and energy limitations of underwater sensor nodes. The proposed location-aware CC-OSA framework is a complete cross-layering such that traditional communication layers from the application layer to the physical layer are unified for resourceconstrained underwater nodes to decrease the communication overhead and improve the performance of traditional layered approaches. It also uses opportunistic spectrum access techniques to achieve more efficient spectrum utilization. Overall, the ultimate outcome of this project is to lay down fundamental basis for the development of a cross-layer and opportunistic spectrum access-based communication protocol suite to realize efficient underwater communications. Overall, in addition to the career and educational benefits, the robust and scalable underwater sensor networks that are enabled by the results of this project are expected to allow the research community and commercial organizations to achieve efficient exploration of the underwater world for scientific, environmental, commercial, and military purposes as well as to discover new natural resources (oil, natural gas, and valuable minerals, etc.).