Sualtı nesnelerinin interneti için multistatik sonar sensör ağlarında üç boyutlu kapsama dağıtım ve ağ optimizasyonu
Three-dimensional coverage deployment and network optimization in multistatic sonar sensor networks for the internet of underwater things
Yazar: ALPER AVCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. ÖMER FARUK BAY ; DR. ALPER BEREKETLİ
Gazi Üniversitesi / Bilişim Enstitüsü / Bilişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Dünya yüzeyinin %70'inden fazlasının suyla kaplı olması ve sualtı alanlarının çoğunluğunun hala keşfedilmemiş olması sebebiyle sualtı nesnelerinin iletişiminin önemi günümüzde giderek artmaktadır. Nesnelerin İnterneti'nin (IoT) bir alt sınıfı olan Sualtı Nesnelerinin İnterneti (IoUT) kavramı, birbirine bağlı akıllı sualtı nesnelerinden oluşan bir ağ olarak tanımlanmaktadır. IoUT'nin askeri alandaki uygulamalarına yönelik geliştirilen denizaltı gibi düşman tehditlerinin tasarımındaki son değişiklikler ve sensör geliştirmedeki teknolojik başarılar; sualtı taktik harekâtlarında güvenliği ve durumsal farkındalığı artıran IoUT tabanlı multistatik sonar uygulamalarının önünü açmıştır. Daha önce, Multistatik Sonar Sensör Ağları'nda (MSSA) kapsama, Cassini ovalleri ve geleneksel sonar tespit modeli kullanılarak, sualtı akustik yayılım ortamıyla ilgili koşullar açısından uygulanabilirlik ve fizibilite hakkında herhangi bir tartışma yapılmadan iki boyutta çalışılmıştır. Bu eksiklikler sebebiyle, bu çalışmada, sesin gerçek yayılma özelliklerini, absorpsiyon kaybını, ortam gürültüsünü, ses hızı profili ve gölge bölgelerinin spektral bir varyasyonunu dikkate alan link bütçesine dayanan pratik bir üç boyutlu MSSA kanal modeli önerilmektedir. Önerilen modelde, ses yayılımının ve çevresel koşulların gerçekçi etkileri, iyi bilinen bir sonar performans tahmin aracı olan Lybin kullanılarak modellenmekte ve değerlendirilmektedir. Bu çalışmada, pratik MSSA kanal modeli ile üç boyutlu bir MSSA hacmini kapsamak için gereken kaynak-alıcı çiftlerinin sayısı hesaplanarak, akustik iletim frekansı, kaynak seviyesi ve kaynak-alıcı mesafesinin hacim kapsamı üzerindeki etkileri araştırılmaktadır. Ayrıca, pratik MSSA kanal modeline göre türetilen bir hata ifadesi aracılığıyla MSSA hacmini kapsamak için gereken kaynak-alıcı çiftlerinin sayısı, Cassini ovali ve geleneksel sonar tespit modelleriyle karşılaştırılmaktadır. Frekansa bağlı parametrelerin, ses yayılımının ve çevresel koşulların gerçekçi etkilerinin akustik kanal modeline dahil edilmemesinin, Cassini oval ve geleneksel sonar tespit modellerinde büyük hata seviyelerine yol açtığı, bu sebeple, bu modellerin, gerçekçi MSSA konuşlandırma senaryolarında uygulanabilirliğinin kısıtlı olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır. Çalışmanın devamında, önerilen pratik MSSA kanal modeli, sabit, belirli sayıdaki kaynak-alıcı sensörleri için genişletilerek, akustik iletim frekansına bağlı, tam saha kapsaması için maliyet etkin, kaynak-alıcı sensör yerleşim konfigürasyonları belirlenmektedir. Elde edilen multistatik kaynak-alıcı konfigürasyonları, MSSA'da daha verimli sensör kullanımını ve toplam hacim kapsamını sağlamak için gerekli kaynak-alıcı geometrilerini belirlemede tasarımcılara karar desteği sağlayabilir niteliktedir.

Abstract:
The importance of communication of underwater objects is increasing day by day, since more than 70% of the earth's surface is covered with water and the majority of underwater areas are still unexplored. The concept of the Internet of Underwater Things (IoUT), a subclass of the Internet of Things (IoT), is defined as a network of interconnected intelligent underwater objects. Recent changes in the design of enemy threats such as submarines and technological achievements in sensor development, developed for military applications of IoUT, have paved the way for IoUT-based multistatic sonar applications that increase security and situational awareness in underwater tactical operations. Previously, coverage in Multistatic Sonar Sensor Networks (MSSN) has been studied in two dimensions using Cassini ovals and the traditional sonar detection model, without any discussion of feasibility and applicability in terms of underwater acoustic propagation environment conditions. Because of these shortcomings, this paper proposes a practical three-dimensional MSSN channel model based on the link budget, which takes into account the real propagation characteristics of sound, absorption loss, ambient noise, a spectral variation of the sound velocity profile, and shadow regions. In the proposed model, the realistic effects of sound propagation and environmental conditions are modeled and evaluated using Lybin, a well-known sonar performance prediction tool. In this study, by calculating the number of source-receiver pairs required to cover a three-dimensional MSSN volume with the practical MSSN channel model; the effects of acoustic transmission frequency, source level, and source-receiver distance on volume coverage are investigated. Moreover, the number of source-receiver pairs required to cover the MSSN volume is compared with Cassini oval and traditional sonar detection models via an error expression derived according to the practical MSSN channel model. It is concluded that omitting the realistic effects of frequency dependent parameters, sound propagation and environmental conditions in the acoustic channel model leads to large levels of error in Cassini oval and traditional sonar detection models, thus limiting the applicability of these models in realistic MSSN deployment scenarios. In the continuation of the study, the proposed practical MSSN channel model, expanded for a fixed number of source-receiver sensors, cost-effective, source-receiver sensor placement configurations are determined for full coverage, depending on the acoustic transmission frequency. The resulting multistatic source-receiver configurations can provide decision support to designers in determining the necessary source-receiver geometries for more efficient sensor use in MSSN and to provide total volume coverage.