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

A stateless opportunistic routing protocol for underwater sensor networks

Routing packets in Underwater Sensor Networks (UWSNs) face different challenges, the most notable of which is perhaps how to deal with void communication areas. While this issue is not addressed in some underwater routing protocols, there exist some partially state-full protocols which can guarantee the delivery of packets using excessive communication overhead. However, there is no fully stateless underwater routing protocol, to the best of our knowledge, which can detect and bypass trapped nodes. A trapped node is a node which only leads packets to arrive finally at a void node. In this paper, we propose a Stateless Opportunistic Routing Protocol (SORP), in which the void and trapped nodes are locally detected in the different area of network topology to be excluded during the routing phase using a passive participation approach. SORP also uses a novel scheme to employ an adaptive forwarding area which can be resized and replaced according to the local density and placement of the candidate forwarding nodes to enhance the energy efficiency and reliability. We also make a theoretical analysis on the routing performance in case of considering the shadow zone and variable propagation delays. The results of our extensive simulation study indicate that SORP outperforms other protocols regarding the routing performance metrics

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