Receiver-Initiated Handshaking MAC Based on Traffic Estimation for Underwater Sensor Networks

In underwater sensor networks (UWSNs), the unique characteristics of acoustic channels have posed great challenges for the design of medium access control (MAC) protocols. The long propagation delay problem has been widely explored in recent literature. However,the long preamble problem with acoustic modems revealed in real experiments brings new challenges to underwater MAC design. The overhead of control messages in handshaking-based protocols becomes significant due to the long preamble in underwater acoustic modems. To address this problem, we advocate the receiver-initiated handshaking method with parallel reservation to improve the handshaking efficiency. Despite some existing works along this direction, the data polling problem is still an open issue. Without knowing the status of senders, the receiver faces two challenges for efficient data polling: when to poll data from the sender and how much data to request. In this paper, we propose a traffic estimation-basedreceiver-initiated MAC(TERI-MAC)to solve this problem with an adaptive approach. Data polling in TERI-MAC depends on an online approximation of traffic distribution. It estimates the energy efficiency and network latency and starts the data request only when the preferred performance can be achieved. TERI-MAC can achieve a stable energy efficiency with arbitrary network traffic patterns. For traffic estimation, we employ a resampling technique to keep a small computation and memory overhead. The performance of TERI-MAC in terms of energy efficiency, channel utilization, and communication latency is verified in simulations. Our results show that, compared with existing receiver-initiated-based underwater MAC protocols, TERI-MAC can achieve higher energy efficiency at the price of a delay penalty. This confirms the strength of TERI-MAC for delay-tolerant applications

Receiver-Initiated Handshaking MAC Based On Traffic Estimation for Underwater Sensor Networks

In underwater sensor networks (UWSNs), the unique characteristics of acoustic channels have posed great challenges for the design of medium access control (MAC) protocols. The long propagation delay problem has been widely explored in recent literature. However, the long preamble problem with acoustic modems revealed in real experiments brings new challenges to underwater MAC design. The overhead of control messages in handshaking-based protocols becomes significant due to the long preamble in underwater acoustic modems. To address this problem, we advocate the receiver-initiated handshaking method with parallel reservation to improve the handshaking efficiency. Despite some existing works along this direction, the data polling problem is still an open issue. Without knowing the status of senders, the receiver faces two challenges for efficient data polling: when to poll data from the sender and how much data to request. In this paper, we propose a traffic estimation-based receiver-initiated MAC (TERI-MAC) to solve this problem with an adaptive approach. Data polling in TERI-MAC depends on an online approximation of traffic distribution. It estimates the energy efficiency and network latency and starts the data request only when the preferred performance can be achieved. TERI-MAC can achieve a stable energy efficiency with arbitrary network traffic patterns. For traffic estimation, we employ a resampling technique to keep a small computation and memory overhead. The performance of TERI-MAC in terms of energy efficiency, channel utilization, and communication latency is verified in simulations. Our results show that, compared with existing receiver-initiated-based underwater MAC protocols, TERI-MAC can achieve higher energy efficiency at the price of a delay penalty. This confirms the strength of TERI-MAC for delay-tolerant applications

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

Underwater Wireless Sensor Networks: How Do Acoustic Propagation Models Impact the Performance of Higher-Level Protocols?

Several Medium Access Control (MAC) and routing protocols have been developed in the last years for Underwater Wireless Sensor Networks (UWSNs). One of the main difficulties to compare and validate the performance of different proposals is the lack of a common standard to model the acoustic propagation in the underwater environment. In this paper we analyze the evolution of underwater acoustic prediction models from a simple approach to more detailed and accurate models. Then, different high layer network protocols are tested with different acoustic propagation models in order to determine the influence of environmental parameters on the obtained results. After several experiments, we can conclude that higher-level protocols are sensitive to both: (a) physical layer parameters related to the network scenario and (b) the acoustic propagation model. Conditions like ocean surface activity, scenario location, bathymetry or floor sediment composition, may change the signal propagation behavior. So, when designing network architectures for UWSNs, the role of the physical layer should be seriously taken into account in order to assert that the obtained simulation results will be close to the ones obtained in real network scenarios

Design, Analysis, and Performance Evaluation for Handshaking Based MAC Protocols in Underwater Acoustic Networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Network protocols and time synchronization for underwater acoustic networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

EFFICIENT DYNAMIC ADDRESSING BASED ROUTING FOR UNDERWATER WIRELESS SENSOR NETWORKS

This thesis presents a study about the problem of data gathering in the inhospitable underwater environment. Besides long propagation delays and high error probability, continuous node movement also makes it difficult to manage the routing information during the process of data forwarding. In order to overcome the problem of large propagation delays and unreliable link quality, many algorithms have been proposed and some of them provide good solutions for these issues, yet continuous node movements still need attention. Considering the node mobility as a challenging task, a distributed routing scheme called Hop-by-Hop Dynamic Addressing Based (H2- DAB) routing protocol is proposed where every node in the network will be assigned a routable address quickly and efficiently without any explicit configuration or any dimensional location information. According to our best knowledge, H2-DAB is first addressing based routing approach for underwater wireless sensor networks (UWSNs) and not only has it helped to choose the routing path faster but also efficiently enables a recovery procedure in case of smooth forwarding failure. The proposed scheme provides an option where nodes is able to communicate without any centralized infrastructure, and a mechanism furthermore is available where nodes can come and leave the network without having any serious effect on the rest of the network. Moreover, another serious issue in UWSNs is that acoustic links are subject to high transmission power with high channel impairments that result in higher error rates and temporary path losses, which accordingly restrict the efficiency of these networks. The limited resources have made it difficult to design a protocol which is capable of maximizing the reliability of these networks. For this purpose, a Two-Hop Acknowledgement (2H-ACK) reliability model where two copies of the same data packet are maintained in the network without extra burden on the available resources is proposed. Simulation results show that H2-DAB can easily manage during the quick routing changes where node movements are very frequent yet it requires little or no overhead to efficiently complete its tasks

Contribution to Research on Underwater Sensor Networks Architectures by Means of Simulation

El concepto de entorno inteligente concibe un mundo donde los diferentes tipos de dispositivos inteligentes colaboran para conseguir un objetivo común. En este concepto, inteligencia hace referencia a la habilidad de adquirir conocimiento y aplicarlo de forma autónoma para conseguir el objetivo común, mientras que entorno hace referencia al mundo físico que nos rodea. Por tanto, un entorno inteligente se puede definir como aquel que adquiere conocimiento de su entorno y aplicándolo permite mejorar la experiencia de sus habitantes. La computación ubicua o generalizada permitirá que este concepto de entorno inteligente se haga realidad. Normalmente, el término de computación ubicua hace referencia al uso de dispositivos distribuidos por el mundo físico, pequeños y de bajo precio, que pueden comunicarse entre ellos y resolver un problema de forma colaborativa. Cuando esta comunicación se lleva a cabo de forma inalámbrica, estos dispositivos forman una red de sensores inalámbrica o en inglés, Wireless Sensor Network (WSN). Estas redes están atrayendo cada vez más atención debido al amplio espectro de aplicaciones que tienen, des de soluciones para el ámbito militar hasta aplicaciones para el gran consumo. Esta tesis se centra en las redes de sensores inalámbricas y subacuáticas o en inglés, Underwater Wireless Sensor Networks (UWSN). Estas redes, a pesar de compartir los mismos principios que las WSN, tienen un medio de transmisión diferente que cambia su forma de comunicación de ondas de radio a ondas acústicas. Este cambio hace que ambas redes sean diferentes en muchos aspectos como el retardo de propagación, el ancho de banda disponible, el consumo de energía, etc. De hecho, las señales acústicas tienen una velocidad de propagación cinco órdenes de magnitud menor que las señales de radio. Por tanto, muchos algoritmos y protocolos necesitan adaptarse o incluso rediseñarse. Como el despliegue de este tipo de redes puede ser bastante complicado y caro, se debe planificar de forma precisa el hardware y los algoritmos que se necesitan. Con esta finalidad, las simulaciones pueden resultar una forma muy conveniente de probar todas las variables necesarias antes del despliegue de la aplicación. A pesar de eso, un nivel de precisión adecuado que permita extraer resultados y conclusiones confiables, solamente se puede conseguir utilizando modelos precisos y parámetros reales. Esta tesis propone un ecosistema para UWSN basado en herramientas libres y de código abierto. Este ecosistema se compone de un modelo de recolección de energía y unmodelo de unmódemde bajo coste y bajo consumo con un sistema de activación remota que, junto con otros modelos ya implementados en las herramientas, permite la realización de simulaciones precisas con datos ambientales del tiempo y de las condiciones marinas del lugar donde la aplicación objeto de estudio va a desplegarse. Seguidamente, este ecosistema se utiliza con éxito en el estudio y evaluación de diferentes protocolos de transmisión aplicados a una aplicación real de monitorización de una piscifactoría en la costa del mar Mediterráneo, que es parte de un proyecto de investigación español (CICYT CTM2011-2961-C02-01). Finalmente, utilizando el modelo de recolección de energía, esta plataforma de simulación se utiliza para medir los requisitos de energía de la aplicación y extraer las necesidades de hardware mínimas.Climent Bayarri, JS. (2014). Contribution to Research on Underwater Sensor Networks Architectures by Means of Simulation [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3532

Medium Access Control in Distributed Networks with Large Propagation Delay

Most of the Earth is covered by water, so underwater acoustic networks (UWANs) are becoming increasingly popular in a variety of undersea applications. The needs to understand the underwater environment and exploit rich undersea resources have motivated a further development of UWANs. Underwater acoustic signals suffer from more difficult physical channel phenomena than terrestrial radio signals due to the harsh underwater environment, such as sound absorption, time-varying multipath spread, man-made and ambient noise, temperature and pressure dependent refraction, scattering and Doppler shift. Among all the challenges, the large ratio of propagation delay to packet duration (relative propagation delay (a)) is arguably the most difficult one to address in the Medium Access Control (MAC) layer. In this dissertation we focus on the examination and improvement of the MAC layer function in UWANs, based on a critical examination of existing techniques. Many MAC techniques have been proposed in recent years, however most of them assume the ratio of the propagation delay to the packet duration is negligibly small (a>1), these protocols perform poorly. This is because the large a leads to both a large negotiation delay in handshaking based protocols and the space-time uncertainty problem as the packets do not arrive at each node contemporarily. Some underwater-oriented protocols have been proposed which attempt to address these issues but the more successful rely on master nodes or a common understanding of geometry or time. We show by analysis and simulation that it is possible to eliminate collisions in ad-hoc networks with large relative propagation delay (a>>1) as well as improving the channel utilisation, without a common understanding of geometry or time. This technique is generally applicable, even for truly ad-hoc homogeneous peer-to-peer networks with no reliance on master nodes or other heterogeneous features. The mechanism is based on future scheduling with the inclusion of overhearing of RTS messages and allowing third-party objections to proposed transmissions. This MAC mechanism is immediately applicable in underwater acoustic networks (UWANs), and may find other uses, such as in space or very high rate terrestrial wireless networks. In summary, the key contributions of this study are: investigating the causes of the poor performance of existing MAC protocols in ad-hoc UWANs with large relative propagation delay, fully detailing the problem in order to propose analytic solutions, demonstrating how the MAC layer of an ad-hoc UWAN can eliminate packet collisions as well as improve channel utilisation without time synchronization or a network’s self-configuring phase to gain knowledge of the geometry, and verifying the utility of the proposals via both theoretical analysis and simulations