Telecomunicazioni multimodali in reti subacquee: simulazioni ed esperimenti sul campo

Research in the field of underwater networks is spreading rapidly: clusters of sensors can be used for monitoring water chemistry and temperature, marine species, energy resources and much more. Nodes need to communicate with each other; however electromagnetic waves, which are used in wireless transmissions on the surface, cannot travel useful distances underwater. Therefore, depending on the purposes and environmental conditions, other modes of information transmission can be used. This paper illustrates the main advantages and challenges of radiofrequency, acoustic and optical underwater communication, indicating some use cases where they are best suited. Radiofrequency and optical communication can both achieve a very high datarate. However, the former has a very short range due to a strong channel attenuation, and is subject to interference of nearby radios; on the other hand, optical signals are disturbed by sunlight, and require a line of sight to operate. Compared to these technologies, acoustics suffers from long delays and a low bitrate, but its range can be much longer, depending on the frequencies employed. We carried out some simulations using the C++ libraries of the DESERT framework, made available by the SIGNET research group at the University of Padua. These simulations focus on observing the performance of the different technologies, in various scenarios. We considered channel attenuation and geometrical parameters, like the position and orientation of the nodes, and present the results in the form of plots. We then conducted an experiment in the Piovego river in Padua, using two proprietary acoustic modems, in order to observe the maximum bitrate achievable at a very short distance. Software-defined modems were used, connected to the DESERT protocol stack on a laptop, so that we could quickly switch between modulations. We tested different datarates by employing different modulations: the most promising ones appeared to be a BPSK modulation, with 10 samples per symbol, and a BPSK at 20 SPS, the latter one adopting OFDM modulation.

La ricerca nel campo delle reti sottomarine si sta diffondendo rapidamente: cluster di sensori possono essere utilizzati per monitorare le caratteristiche chimiche e la temperatura dell'acqua, le specie marine, le risorse energetiche e molto altro ancora. I nodi necessitano di comunicare tra loro; tuttavia le onde elettromagnetiche, utilizzate nelle trasmissioni wireless in superficie, non possono percorrere distanze utili sott'acqua. Pertanto, a seconda degli scopi e delle condizioni ambientali, possono essere utilizzate altre modalità di trasmissione delle informazioni. Questo paper illustra i principali vantaggi e le sfide della comunicazione subacquea a radiofrequenza, acustica e ottica, indicando alcuni casi d’uso in cui essi sono più adatti. Le radiofrequenze e la comunicazione ottica possono entrambe raggiungere una velocità di trasmissione dati molto elevata. Tuttavia la prima tecnologia ha un range molto breve a causa della forte attenuazione del canale, ed è soggetta ad interferenze causate da dispositivi radio nelle vicinanze; d'altra parte, i segnali ottici sono disturbati dalla luce solare e richiedono una linea di vista per funzionare. Rispetto a queste tecnologie, l’acustica soffre di lunghi ritardi e di un bitrate basso, ma la sua portata può essere molto più lunga, a seconda delle frequenze impiegate. Abbiamo effettuato alcune simulazioni utilizzando le librerie C++ del framework DESERT, messe a disposizione dal gruppo di ricerca SIGNET dell'Università di Padova. Queste simulazioni si concentrano sul confronto tra le prestazioni delle diverse tecnologie, in vari scenari. Abbiamo considerato l'attenuazione del canale e alcuni parametri geometrici, come la posizione e l'orientamento dei nodi. Presentiamo i risultati sotto forma di grafici. Abbiamo poi condotto un esperimento presso il fiume Piovego a Padova, utilizzando due modem acustici dell'Università, in modo da osservare il massimo bitrate ottenibile a brevissima distanza. Sono stati utilizzati modem di tipo "software-defined", collegati allo stack di DESERT su un laptop, in modo da poter passare rapidamente da una modulazione all'altra. Abbiamo testato diverse velocità di trasmissione dati impiegando diverse modulazioni: quelle più promettenti sembravano essere una modulazione BPSK, con 10 campioni per simbolo, e una BPSK a 20 SPS, quest'ultima comprendente la modulazione OFDM.