Resumen de Time synchronization in underwater acoustic sensor networks
La sincronización temporal es una pieza clave de cualquier sistema distribuido. Las redes de sensores submarinas hacen uso de los sistemas de sincronización entre nodos para diversos servicios disponibles en cualquier red distribuida. Cabe mencionar que en las redes submarinas, las señales GPS (Global Positioning System) no están disponibles para la referencia temporal, y los sistemas de sincronización se tienen que basar principalmente en comunicaciones acústicas. Además, debido a la alta latencia de dichas redes, la portabilidad de protocolos de sincronización cableados o terrestres, es prácticamente imposible debido a las grandes diferencias de velocidades de propagación de las ondas electromagnéticas frente a las acústicas en el medio marino.
Las señales acústicas se adecúan bien al medio submarino, pero presentan una serie de inconvenientes como el efecto Doppler, largas trayectorias multi-camino, además de una velocidad de transmisión baja, que han de ser corregidos en el equipo receptor. Se ha elegido el uso de `Orhtogonal Frequency-Division Multiplexing¿ (OFDM) como esquema de comunicaciones para el intercambio de datos entre nodos inalámbricos que tienen las bases temporales de cada uno de sus sensores. Este link de comunicaciones será usado, entre otros, para propagar los marcajes de tiempos entre mensajes necesarios para la sincronización de la red.
En la literatura se pueden encontrar varios sistemas de sincronización para redes de sensores submarinas basadas en comunicación acústica como TSHL, D-SYNC, DA-Sync, pero sólo unos pocos tienen en cuenta toda la problemática del medio marino, como el bajo ancho de banda, los largos tiempos de propagación, o la movilidad de los sensores. Para resolver esta problemática de la sincronización temporal se ha empleado como referencia `Precision Time Protocol¿ (PTP) std. IEEE 1588, el cual es capaz de sincronizar dos relojes en una red cableada punto a punto con una precisión por debajo de los centenares de nanosegundos. Además se han empleado sistemas de mejora de la precisión temporal basados en ecuaciones cinemáticas de los nodos, tal y como se presenta en el estudio DA-Sync.
En el protocolo PTP, los marcajes de tiempo se realizan en la capa física con el propósito de lograr la mayor precisión posible, ya que de este modo se evitan incertidumbres debidas a las temporizaciones de los sistemas operativos, o los algoritmos de acceso al medio. Análogamente, en esta tesis se presenta un sistema de marcaje de tiempos que extrae mediante hardware el marcaje temporal del inicio de la adquisición de datos.
Difiriendo de las redes cableadas, la baja velocidad de propagación de las ondas acústicas en el medio marino hace que la comunicación sea altamente sensible al efecto Doppler, resultando en escalados frecuenciales no uniformes, que afectan a la base temporal dilatándola o comprimiéndola. Este escalado de frecuencia puede deberse a dos factores: movimiento (movimiento de sensores, variaciones del canal, etc¿.) o derivas del reloj de un nodo frente a otro nodo. Actualmente, para resolver este problema, algunos sistemas utilizan sistemas inerciales muy costosos para estimar el movimiento del sensor y relojes compensados por temperatura. En esta tesis se ha utilizado la información del canal respecto al escalado Doppler, además de las ecuaciones cinemáticas de primer orden, para estimar la movilidad y la deriva de los relojes.
Finalmente, varios tests en laboratorio, tanque de agua, y experimentación en el mar son presentados para verificar el correcto funcionamiento de ambos sistemas de comunicación y sincronización. Los resultados validan el funcionamiento de todos los algoritmos software y del hardware, además de verificar el funcionamiento del sistema de sincronización aplicado a redes de sensores submarinas con comunicación acústica.
