The effects of wave heights to connectivity and coverage in sea surface floating wireless sensor networks

Abstract

Akustik haberleşme, su altında yüksek menzile sahip olmasına rağmen, yüksek ve değişken yayılım gecikmesi, yarı-çift yönlü iletişim yeteneği, yüksek bit hata oranı ve yüksek enerji tüketimi gibi zorluklarından dolayı, radyo tabanlı haberleşme çözümlerini suyla ilgili alanlardaki uygulamalarda kullanılabilir kılmaktadır. Dipten çapayla bağlı veya serbest yüzen, sualtı duyargalı, su üstü haberleşme birimli düğümlerden oluşan deniz yüzeyinde yüzen telsiz duyarga ağlarının bilimsel, ticari, askeri ve sanayi birçok uygulamaları vardır. Dalgalar, bu ağlarda, su yüzeyindeki radyo haberleşmesi için ciddi engeller oluşturmaktadır.Bir dalga sığ su alanına girdiği zaman, bir sığ su dalgası haline gelir ve dalga hızı sadece su derinliğine bağlı olur. Bu bilgiden yararlanarak bir sığ su dalga modeli önerilmiş ve geliştirilen simülasyon programında kullanılmıştır. Bir bölgede gerekli ağ bağlantılılığı ve kapsama alanını sağlamak için yeterli telsiz duyarga düğüm sayısını belirlemek için, birçok simülasyon aracılığıyla, dalga yüksekliklerinin, çeşitli deniz durumlarında, haberleşmeye ve ağ bağlantılılığına etkileri incelenmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre, dalgalar yükseldikçe haberleşme şiddetli bir biçimde etkilenmekte ve uygun kapsama alanı yedekliliğini sağlamak için gerekli düğüm sayısı artmaktadır. Geliştirilen sığ su dalga modelini kullanarak uygulamaya özgü kapsama alanı yedekliliğini sağlamak için fazladan gereken düğüm sayısı belirlenebilmektedir. Bununla birlikte, dalgaların engelleyici özelliklerini aşmak için fazladan gereken düğümler, sadece haberleşme birimine sahip ağ geçidi düğümler olarak eklenerek malzeme ve enerji maliyetini düşürebilirler.

Although acoustic communication has high range underwater, it has significant drawbacks, such as high and variable propagation, half-duplex communication capability, high bit error rate, and high energy consumption, which make radio based communication solutions usable for aquatic applications. Sea surface floating sensor networks with underwater sensing units and oversea communication units, formed either by bottom-anchored or floating sensor nodes, have many scientific, commercial, military, and industrial applications. In these networks, waves constitute significant obstacles for radio communication over the sea surface.When a wave enters into a shallow water area, it becomes a shallow water wave and the speed of the wave is controlled only by the water depth. Utilizing this fact, a shallow water wave height model is proposed and used in the simulation program developed. Via numerous simulations, the effects of wave heights to communication and network connectivity are analyzed under various sea states, in order to determine the number of wireless sensor nodes to provide necessary connectivity and coverage for a region. Simulation results show that, as the waves get higher, communication is affected severely and the number of nodes required to provide appropriate coverage redundancy increases. Using the shallow water wave model developed, the number of extra nodes required to provide the application-specific redundancy can be determined. Moreover, the extra number of nodes needed to overcome the obstructive characteristics of the waves can be deployed as gateway nodes with communicating units only in order to decrease equipment and energy costs.