Underwater Acoustic Sensor Networks (UWSNs) face challenges in communication such as limited bandwidth, high latency, high bit error probability, mobility, and energy draining due to underwater characteristics different from those of terrestrial environments. Also requirements of sensor networks can be various depending on kinds of applications in oceanographic data collection, pollution monitoring, tactical surveillance, disaster monitoring, assisted navigation and so forth. These applications can be classified into two groups: delay-sensitive applications and delay-insensitive applications. Each application group has different characteristics and requirements, so in this paper, we try to satisfy each requirement from the network layer point of view. Also, our proposed routing protocols for each application aim for 3-dimensional and deep-ocean environments.
The main characteristic of our proposed routing protocols is the reflection of the property of environmental variables sensed by sensors on the routing protocols. In the deep ocean, several oceanic variables have different values depending on area. This fact can affect the behavior of acoustic communication, so we exploit this property to find routing paths. Moreover, our proposed protocols are based on the geographical routing algorithm. Since large-scale UWSNs are hard to know the whole network information, the geographical routing algorithm, which uses only position information of local area, should be used. The proposed routing protocols are introduced as follows.
Firstly, we propose a routing protocol to find a low-latency path under 3-dimensional deep-ocean sensor networks. In deep-ocean conditions, underwater sound speed, which is determined by oceanic variables such as temperature, salinity, and pressure, has considerably different values depending on the location of measurement, so underwater sound speed affects the behavior of the acoustic communication under the sea. For this reason, we obtain the distribution of oceanic variables in an area of Atlantic Ocean and exploit these oceanic variables to find an end-to-end low-latency path in the ocean. Furthermore, we propose an adaptive length which regulates network connectivity depending on node density in the sensor network space. Simulation results show that our proposed protocol called Fast and Adaptive routing protocol (FAST) can find the lowest latency among 3-dimensional on-demand routing protocols.
Secondly, for the delay-insensitive applications, we propose an energy efficient routing path by using 3-phase energy efficient routing protocol. First of all, we derive relationship between energy consumption and environmental variables from underwater environmental properties to exploit this relationship as a link metric. Proposed 3-phase energy efficient routing protocol enables UWSNs to reduce network traffic, since it does not need to send periodic packets to the whole network for routing advertisement and link status sensing. Each node shares only information of its neighboring nodes and finds minimum cost sensor nodes, primary nodes, for the designated final destination in the $1^{st}$ phase EERP. Then, by applying Local Area Source Routing protocol repeatedly from a source to a primary node, a complete path can be established in the $2^{nd)}$ phase EERP. In the last phase, braided paths are introduced to make networks be robust. Simulation results show that our proposed solution can achieve the best energy efficiency and has resilient property among 3-dimensional geographical routing protocols.
지구의 70%를 차지하는 바다는 인류에게 필요한 자원의 보고로 여겨져 왔지만 환경적 제약과 미흡한 기술 발전에 의하여 아직까지 미지의 영역으로 남아있다. USN기술은 깊은 바다와 같이 사람이 접근하기 힘든 영역에서 더욱 그 힘을 발휘할 것으로 보이며 따라서 수중 USN(Underwater Acoustic Sensor Network)기술은 앞으로 바다의 탐사, 감시, 재난감시 등의 영역에서 핵심 기술로 이용될 것이며 앞으로 해양 발전에 지대한 영향을 미치리라 생각된다. 이렇게 희망적인 전망에도 불구하고 수중USN이 풀어야 할 과제는 여전히 많이 남아있다. 물이라는 매질을 사용하는 바다에서는 신호의 감쇄로 인하여 RF통신보다는 acoustic통신의 사용이 불가피 하며, acoustic 통신을 사용함으로써 발생하는 큰 전송지연시간과 적은 전송 데이터량, 에너지 충전 문제 등이 주요 해결 과제로 떠오른다. 특히 깊은 바다에 설치된 USN과 같이 네트워크의 규모가 클 경우, 각 센서 노드가 소비하는 에너지 소비량이 전체 네트워크의 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 주요 고려 요소가 된다. 이렇듯 수중센서네트워크는 설치되는 환경과 규모에 따라 우선적으로 고려되는 요소들이 달라지며, 따라서 본 연구에서는 깊은 바다에 설치된 수중 센서 네트워크에 초점을 맞추고 핵심이슈화 되고 있는 긴 지연시간과 에너지 소비량을 네트워크 레이어의 관점에서 바라보고자 한다.
UWSNs는 깊은 바다에서 응용에 따라 delay-sensitive 와 delay-insensitive로 나뉠 수 있다. Delay-sensitive 응용에서는 긴 지연시간을 줄이는 노력이 필요하며 Delay-insensitive응용에서는 지속적으로 데이터를 전송하기 위하여 에너지 소비를 줄이는 접근이 필요하다. 본 연구에서는 위의 두 가지 응용에 대하여 깊은 바다의 특성을 적용하여 문제를 풀어 가고자 하였다. 얕은 바다와는 달리 깊은 바다에 설치된 USN에서는 위치에 따른 해양 변수들·온도, 압력, 염도·의 값이 다르기 때문에 해양변수들의 값이 수중 음향 통신에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 심해의 통신 환경을 이해하고 환경변수에 따른 통신성능을 알아보기 위하여 샘플링 된 데이터를 이용하여 3차원으로 음파속도 및 지역에 따른 변수들의 변화를 모델링 하였다. 또한 delay-insensitive한 응용 어플리케이션에서 에너지 효율적인 라우팅 프로토콜을 제안하기 위하여 에너지(파워) 소모 식을 해양변수에 관한 함수로 유도하였으며 이를 라우팅 프로토콜에 적용하였다. 다음에서 응용에 따른 수중 센서 네트워크 라우팅 프로토콜을 소개한다.
첫째로 화산감지, 쓰나미 감지와 같이 해양재해감시 시스템으로 사용되는 경우에는 delay-sensitive 한 라우팅 프로토콜이 필요하다. 해양 변수들이 지역과 깊이에 따라 각기 다른 값을 가짐을 3 차원 모델링을 통하여 확인하였으므로, 해양 변수들의 영향을 받는 음파속도 또한 지역과 깊이에 따라 각기 다른 값을 가짐을 알 수 있다. 본 라우팅 알고리즘에서는 이러한 해양 통신 특성을 3 차원 라우팅 알고리즘에 적용하여 FAST 라 명칭하고 보다 빠르게 데이터를 소스부터 목적지까지 전달하기 위한 방안을 제시한다. FAST 는 센서 네트워크 공간 안에 분포된 센서노드 수에 따라 적응적으로 라우팅 범위를 조절함으로써 다음 센서노드의 후보를 정하고 결정된 후보 노드들 중에서 가장 빠른 음파속도 지역에 위치한 센서노드를 선택하게 된다. 이를 통하여 공간에 분포된 센서노드 수에 따른 delivery rate 은 작은 분산 값을 갖게 되고 기존에 존재하는 3 차원 라우팅 기법에 비하여 작은 데이터 전송시간을 갖게 됨을 확인하였다. 또한 각 라우팅 패스의 평균 음파속도를 측정한 결과 가장 큰 평균 음파속도를 가짐을 확인하였다.
두번째로 장기 해저 모니터링 시스템과 같이 delay-insensitive 한 수중 센서 네트워크 어플리케이션의 경우에는 오랜 시간 네트워크를 유지할 수 있는 라우팅 패스의 에너지 효율성이 매우 중요하다. 따라서 위에서 유도한 해양변수에 관한 에너지(파워) 소모식을 이용하여 가장 에너지 소비가 적은 라우팅 패스를 찾고자 하였다. 즉, 하나의 센서가 최대 파워로 도달 할 수 있는 지역 내의 센서노드들을 이웃노드라고 가정하고, 이웃노드 범위 안에서 1단계, 2 단계, 3 단계를 거쳐 에너지 효율적인 패스를 구한다. 본 라우팅 프로토콜은 해양 환경에서의 트래픽 양을 줄이기 위하여 지역적 라우팅 기법을 이용하며 따라서 1 단계에서는 이웃노드들 중에서 최종 목적지까지 패스를 연결했을 때 가장 적은 에너지를 소비할 것 같은 센서노드를 선택한다. 2 단계에서는 1 단계에서 선택된 센서노드를 하위 목적지로 정하고 Simple-Floyd 알고리즘을 이용하여 각 센서노드가 이루는 범위 내에서 최소 cost 를 갖는 패스를 구한다. 최소 에너지를 갖는 패스를 찾기 위한 1 단계, 2 단계 라우팅 프로토콜을 최종 목적지에 도달할 때까지 반복적으로 수행한다. 이러한 기법은 깊은 바다와 같이 규모가 크고 센서노드 수가 많은 환경에서 네트워크 전체 토폴로지를 알 수 없을 때 유용하며 전송거리 안에 있는 이웃노드들의 정보만을 유지하면 되므로 그만큼 에너지 소모도 적다. 또한 3 단계에서는 수중 센서 네트워크의 취약점 중의 하나인 높은 전송 실패율에 대처하기 위하여, 라우팅 패스를 잇는 노드나 링크의 연결이 끊어졌을 경우에 다른 경로를 찾는 방법을 소개한다. 본 연구에서는 에너지 효율을 고려하여 기존에 연구되던 disjoint path 방식이 아닌 braided path 를 찾도록 한다. Braided path 는 처음 생성된 패스와 부분적으로 disjoint 하기 때문에 부분적으로 노드와 링크를 공유하게 된다. 이는 실패 구역만 disjoint 함을 의미하기 때문에 disjoint path 에 비하여 처음 생성된 패스와 위치적으로 근접하게 루트가 결정된다. 따라서 네트워크 실패에 강하고 에너지 효율적인 수중 센서 네트워크를 구현할 수 있다. 수중 환경을 재현한 확장된 시뮬레이션을 통하여 기존의 위치 기반 3 차원 라우팅 프로토콜보다 적은 양의 에너지를 소모하게 됨을 확인하였고, 해양환경 변수에 관한 에너지 소모식을 통하여 해양 환경 변수를 고려하지 않았을 때 보다 더 정확한 에너지 소모 양을 계산할 수 있었다. 또한 disjoint path 보다 braided path 를 이용한 것이 더 에너지를 효율적으로 관리할 수 있음을 확인 하였다.
