An efficient scalable scheduling mac protocol for underwater sensor networks

Underwater Sensor Networks (UWSNs) utilise acoustic waves with comparatively lower loss and longer range than those of electromagnetic waves. However, energy remains a challenging issue in addition to long latency, high bit error rate, and limited bandwidth. Thus, collision and retransmission should be efficiently handled at Medium Access Control (MAC) layer in order to reduce the energy cost and also to improve the throughput and fairness across the network. In this paper, we propose a new reservation-based distributed MAC protocol called ED-MAC, which employs a duty cycle mechanism to address the spatial-temporal uncertainty and the hidden node problem to effectively avoid collisions and retransmissions. ED-MAC is a conflict-free protocol, where each sensor schedules itself independently using local information. Hence, ED-MAC can guarantee conflict-free transmissions and receptions of data packets. Compared with other conflict-free MAC protocols, ED-MAC is distributed and more reliable, i.e., it schedules according to the priority of sensor nodes which based on their depth in the network. We then evaluate design choices and protocol performance through extensive simulation to study the load effects and network scalability in each protocol. The results show that ED-MAC outperforms the contention-based MAC protocols and achieves a significant improvement in terms of successful delivery ratio, throughput, energy consumption, and fairness under varying offered traffic and number of nodes

Analysis of MAC Strategies for Underwater Acoustic Networks

En esta tesis presentamos los protocolos MAC diseñados para redes acústicas subacuáticas, clasificándolos en amplias categorías, proporcionando técnicas de medición de rendimiento y análisis comparativo para seleccionar el mejor algoritmo MAC para aplicaciones específicas. Floor Acquisition Multiple Access (FAMA) es un protocolo MAC que se propuso para redes acústicas submarinas como medio para resolver los problemas de terminales ocultos y expuestos. Una versión modificada, Slotted FAMA, tenía como objetivo proporcionar ahorros de energía mediante el uso de ranuras de tiempo, eliminando así la necesidad de paquetes de control excesivamente largos en FAMA. Sin embargo, se ha observado que, debido al alto retraso de propagación en estas redes, el coste de perder un ACK es muy alto y tiene un impacto significativo en el rendimiento. Los mecanismos MultiACK y EarlyACK han sido analizados para el protocolo MACA, para mejorar su eficiencia. El mecanismo MultiACK aumenta la probabilidad de recibir al menos un paquete ACK al responder con un tren de paquetes ACK, mientras que el mecanismo EarlyACK evita la repetición de todo el ciclo de contención y transmisión de datos RTS / CTS enviando un ACK temprano. En esta investigación se presenta un análisis matemático de las dos variantes, los mecanismos MultiACK y EarlyACK, en Slotted FAMA. La investigación incluye las expresiones analíticas modificadas así como los resultados numéricos. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando ns-3. Los resultados han sido probados y validados utilizando Excel y MATLAB. La evaluación del rendimiento de S-FAMA con dos variantes mostró un factor de mejora del 65,05% en la probabilidad de recibir un ACK correctamente utilizando el mecanismo MultiACK y del 60,58% en la prevención de la repetición del ciclo completo, con EarlyACK. El impacto de este factor de mejora en el retardo, el tamaño del paquete de datos y el rendimiento también se analiza. La energía de transmisión desperdiciada y consumida en los mecanismos MultiACK y EarlyACK se analizan y comparan con S-FAMA. El rendimiento se ha evaluado, alcanzando una mejora en ambos casos, en comparación con S-FAMA. Estos mecanismos tendrán una utilidad práctica en caso de pérdida de ACK, al ahorrar energía y tiempo en períodos críticos. Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 28 septiembre 2018.Esta tesis presenta una investigación sobre los protocolos MAC utilizados en la comunicación subacuática para explorar el mundo submarino. Los protocolos MAC ayudan en el acceso al medio compartido y la recopilación de datos de los océanos, para monitorizar el clima y la contaminación, la prevención de catástrofes, la navegación asistida, la vigilancia estratégica y la exploración de los recursos minerales. Esta investigación beneficiará a sectores como las industrias militares, de petróleo y gas, pesquerías, compañías de instrumentación subacuática, organismos de investigación, etc. El protocolo MAC afecta la vida útil de las redes inalámbricas de sensores. La eficiencia energética de las redes acústicas submarinas se ve gravemente afectada por las propiedades típicas de la propagación de las ondas acústicas. Los largos retrasos de propagación y las colisiones de paquetes de datos dificultan la transmisión de los paquetes de datos, que contienen información útil para que los usuarios realicen tareas de supervisión colectivas. El objetivo de este estudio es proponer nuevos mecanismos para protocolos MAC diseñados para funcionar en redes acústicas submarinas, con el propósito de mejorar su rendimiento. Para alcanzar ese objetivo es necesario realizar un análisis comparativo de los protocolos existentes. Lo que además sienta un procedimiento metodológicamente correcto para realizar esa comparación. Como la comunicación subacuática depende de ondas acústicas, en el diseño de los protocolos de MAC submarinos surgen varios desafíos como latencia prolongada, ancho de banda limitado, largas demoras en la propagación, grandes tasas de error de bit, pérdidas momentáneas en las conexiones, severo efecto multicamino y desvanecimientos. Los protocolos MAC terrestres, si se implementan directamente, funcionarán de manera ineficiente

An Improved Multi-Hop-Enabled Energy Efficient MAC Protocol for Underwater Acoustic Sensor Networks

Packet collisions occurred by hidden and local nodes in multi-hop enabled underwater acoustic sensor networks (UWASNs) have effect on throughput, energy efficiency and end-to-end delay. Existing Multi-HopEnabled Energy Efficient MAC Protocol for Underwater Acoustic Sensor Networks (MHEE MAC) utilized a double-phase contention resolution mechanism, which causes visit multiple time slot and energy overhead. In this paper, we propose a MAC protocol that use contention resolution mechanism with unique priority to provide energy efficiency. First, local nodes are eliminated comparing their priority and later, hidden nodes are mitigated. A simulation of proposed protocol is also developed to analyze the performance. Results obtained through simulation show that the proposed protocol achieves significantly lower energy consumption, reserve more energy and more stable throughput compared to MHEE-MAC, T-Lohi and slotted floor acquisition multiple access (S-FAMA)

A Multilevel Scheduling MAC Protocol for Underwater Acoustic Sensor Networks(UASN)

Underwater acoustic sensor networks (UASNs) have attracted great attention in recent years and utilizes as a part of oceanic applications. This network has to deal with propagation delay, energy constraints and limited bandwidth which are strenuous for designing a Medium Access Control (MAC) protocol for underwater communication. There also exists an idle channel listening and overhearing problem which sets down the energy into starvation in the contention-based MAC protocols. Alternatively, lengthy time slots and time synchronization equated by schedule-based MAC protocols, outcomes the variable transmission delay and degrades the network performances. To iron out these problems, we propose a cluster-based MAC protocol, tagged as Multilevel Scheduling MAC (MLS-MAC) protocol for UASN in the paper. The cluster head is a decision maker for packet transmission and aids to inflate the lifetime of sensor nodes. To reinforce the channel efficiency, the multilevel scheduling in data phase is initiated with two queues depending on the applications fixed by the cluster head. The simulation result shows that the MLS-MAC has increased the network throughput and has decreased energy consumption