The Underwater Acoustic Channel and its Impact on Adaptive Communications Schemes and Networking Protocols

Underwater acoustic signals have been studied since the late XIXth century, when they were used to search for and localize objects, typically submarines. Nowadays, acoustic signals are also used to communicate, i.e., to convey information wirelessly from one point to another over distances of the order of kilometers. Such technology is very useful for scientific research in different fields, such as biology, oceanography, and meteorology, to name a few. It also plays an important role in anti-submarine warfare, coastal surveillance, and oil spill relief operations. Nevertheless, the underwater acoustic communications performance, measured so far, is poor under certain conditions. In this thesis, we identify those conditions, quantify their effects on the communications system and networks, and we investigate which techniques can be useful to improve communications and networking performance. In order to do so, we analyze acoustic and environmental data collected at different times and locations. Specifically, we evaluate the communications performance and the channel characteristics, measured during those different experimental trials and we quantify the dynamics of the communications performance. In order to mitigate the effects of the time-varying observed conditions, we propose adaptive techniques, which we evaluate by both analysis and simulation. This analysis is based on Markov chains so as to validate their suitability as statistical models for representing the dynamics of the channel quality. Since the proposed adaptive techniques require feedback, they give rise to longer delays, higher energy consumption and overhead. For this reason, we analyze the possibility of predicting the channel quality, so as to reduce the amount of feedback. As a consequence of these insights, we are now able to address the future directions of the research. In particular, we can identify the problems related to the employment of adaptive techniques and networking protocols requiring signals exchanges between the source and the destination. In this way, we want to investigate new solutions which are more suitable for the underwater scenario, i.e., not requiring too much message exchanges. The results presented in this thesis also lead to useful guidelines for future experimental trials, in order to collect data more effectively supporting the development of underwater acoustic communications and networks.

I segnali acustici sottomarini sono stati studiati fin dalla fine del XIX secolo, quando venivano impiegati per ricercare e localizzare oggetti, tipicamente sottomarini. Oggi, i segnali acustici vengono usati anche per comunicare, ossia per trasmettere informazioni tra due punti a kilometri di distanza l'uno dall'altro senza fili. Tale tecnologia permette di condurre importanti ricerche scientifiche in svariati ambiti come biologia, oceanografia e meteorologia. Inoltre, assume un ruolo importante nella sorveglianza delle coste e nelle operazioni di bonifica in piattaforme petrolifere. Tuttavia, le prestazioni delle comunicazioni acustiche sottomarine, misurate finora, degradano quando si verificano alcune condizioni. In questa tesi, identifichiamo tali condizioni, ne quantifichiamo gli effetti sui sistemi di comunicazione e analizziamo le tecniche che possono migliorare le prestazioni delle comunicazioni e delle reti. A questo scopo, analizziamo dati acustici e ambientali che sono stati raccolti in diversi momenti e luoghi. Nello specifico, valutiamo le prestazioni delle comunicazioni e le caratteristiche di canale misurate durante diversi esperimenti e quantifichiamo le dinamiche delle prestazioni di comunicazione. Allo scopo di mitigare gli effetti delle condizioni tempo varianti osservate, proponiamo tecniche adattive, che valutiamo sia con l'analisi sia con simulazioni. Tale analisi si basa sulle catene di Markov, che vangono così validate come modelli statistici adatti a rappresentare le dinamiche della qualità del canale. Siccome le tecniche adattive proposte richiedono scambio di messaggi, esse danno luogo a ritardi più elevati, consumo maggiore di energia e aumentato overhead. Per questo motivo analizziamo la possibilità di predire la qualità del canale, così da ridurre la quantità di messaggi da scambiare. Come conseguenza dei questi studi, siamo ora capaci di identificare le direzioni future della ricerca in questo ambito. In particolare, possiamo identificare i problemi legati all'impiego di tecniche adattive e di protocolli di rete che richiedono scambi di messaggi tra la sorgente e la destinazione. In tal modo, vogliamo approfondire lo studio di soluzioni più adatte allo scenario sottomarino acustico, ossia che non richiedano molto scambio di messaggi. I risultati presentati in questa tesi, aiutano a identificare alcune linee guida per i prossimi esperimenti in mare, allo scopo di collezionare dati, in grado di sostenere lo sviluppo di tecniche di comunicazione e di protocolli di rete per lo scenario acustico sottomarino.