Optimal Fair Scheduling in S-TDMA Sensor Networks for Monitoring River Plumes

Underwater wireless sensor networks (UWSNs) are a promising technology to provide oceanographers with environmental data in real time. Suitable network topologies to monitor estuaries are formed by strings coming together to a sink node.This network may be understood as an oriented graph. A number of MAC techniques can be used in UWSNs, but Spatial-TDMA is preferred for fixed networks. In this paper, a scheduling procedure to obtain the optimal fair frame is presented, under ideal conditions of synchronization and transmission errors. The main objective is to find the theoretical maximum throughput by overlapping the transmissions of the nodes while keeping a balanced received data rate from each sensor, regardless of its location in the network. The procedure searches for all cliques of the compatibility matrix of the network graph and solves a Multiple-Vector Bin Packing (MVBP) problem. This work addresses the optimization problem and provides analytical and numerical results for both the minimum frame length and the maximum achievable throughput

Optimal Fair Scheduling in S-TDMA Sensor Networks for Monitoring River Plumes

Underwater wireless sensor networks (UWSNs) are a promising technology to provide oceanographers with environmental data in real time. Suitable network topologies to monitor estuaries are formed by strings coming together to a sink node. This network may be understood as an oriented graph. A number of MAC techniques can be used in UWSNs, but Spatial-TDMA is preferred for fixed networks. In this paper, a scheduling procedure to obtain the optimal fair frame is presented, under ideal conditions of synchronization and transmission errors. The main objective is to find the theoretical maximum throughput by overlapping the transmissions of the nodes while keeping a balanced received data rate from each sensor, regardless of its location in the network. The procedure searches for all cliques of the compatibility matrix of the network graph and solves a Multiple-Vector Bin Packing (MVBP) problem. This work addresses the optimization problem and provides analytical and numerical results for both the minimum frame length and the maximum achievable throughput

Optimal scheduling and fair servicepolicy for STDMA in underwater networks with acoustic communications

In this work, a multi-hop string network with a single sink node is analyzed. A periodic optimal scheduling for TDMA operation that considers the characteristic long propagation delay of the underwater acoustic channel is presented. This planning of transmissions is obtained with the help of a new geometrical method based on a 2D lattice in the space-time domain. In order to evaluate the performance of this optimal scheduling, two service policies have been compared: FIFO and Round-Robin. Simulation results, including achievable throughput, packet delay, and queue length, are shown. The network fairness has also been quantified with the Gini index

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

Operación multihop eficiente en redes acústicas submarinas de sensores con planificación TDMA

Dos de los problemas a los que se enfrentan las comunicaciones inalámbricas submarinas, y que limitan sobremanera la velocidad de transmisión de los datos, son (i) la atenuación en el medio acuático, que es selectiva en frecuencia, y (ii) el alto retardo de propagación. El primer factor, obliga a usar frecuencias bajas (acústicas), con una consiguiente degradación en la velocidad de transmisión de datos, que limita las aplicaciones posibles. El segundo problema, hace que las técnicas empleadas para el acceso y transmisión de los nodos (capa de enlace OSI o MAC), deban ser lo más eficientes posible para no demorar en demasía la entrega de datos. En concreto, en esta comunicación abordamos el problema de una red de nodos con sensores que pretende ser diseñada para minimizar el impacto de los dos problemas anteriormente citados. Para ello, se establece una técnica TDMA en el acceso al medio y se estudia el efecto que tiene una disciplina de servicio para la capa MAC para transmitir paquetes, basada en una cola FIFO con prioridad, bajo una planificación eficiente de transmisiones en la red. Se plantean distintos escenarios de tráfico generado uniforme o no uniforme por los nodos sensores, además de introducir una métrica (índice de Gini) para la uniformidad de paquetes entregados al Gateway por cada nodo, que es un criterio para que la red sea justa (fairness). Como resultados, se aportan medidas de throughput, retardo extremo a extremo de los paquetes, así como tamaño medio y máximo de las colas de cada nodo.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

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

Planificaciones TDMA óptimas en redes submarinas de comunicación

Fecha de Lectura de Tesis: 27 de junio de 2018.La necesidad de monitorización de parámetros medioambientales como el nivel de ozono en la atmósfera o la polución en las grandes ciudades entre otros casos, es un hecho probado. La pronta disponibilidad de tales medidas permite poner en marcha acciones correctivas que eviten de otro modo consecuencias irreversibles. La vía principal de obtención de estas mediciones, reside en la aplicación de la tecnología (mediciones in situ, globos sonda, imágenes satélite, etc). Esta situación es trasladable al medio marino, donde hay un interés creciente en estudiar cuál es el efecto global de alteraciones en su estado. Un caso conocido es la variación de las corrientes oceánicas, que tiene un gran impacto en el clima (inundaciones, sequías, etc). En otros casos, esta medición permite responder a emergencias ante desastres naturales, como la detección de tsunamis en un maremoto mediante una red de boyas de flotación. En aguas costeras, también son muchas las aplicaciones que pueden beneficiarse de una medición automatizada de parámetros del agua, entre otros el control de vertidos contaminantes o la monitorización de sedimentos aportados en los estuarios de los ríos, en ambos casos con efectos sobre el equilibrio del ecosistema marino. Una solución cada vez más extendida para obtener medidas continuas en el medio marino, es establecer una red de nodos submarina, donde cada nodo contiene diferentes sensores además de un módem para transmitir y recibir datos. Para recoger los datos medidos, se establece un patrón de comunicaciones entre nodos que haga llegar la información de todos ellos a un nodo especial recolector, para su posterior recogida y procesamiento. La principal dificultad radica en la comunicación inalámbrica entre los nodos, pues el medio marino es muy agresivo e impone serias limitaciones a la propagación de las señales no guiadas, atenuando la onda (más cuanto mayor sea la frecuencia) e imponiendo una baja velocidad de propagación

Self-Organizing and Scalable Routing Protocol (SOSRP) for Underwater Acoustic Sensor Networks

Underwater Acoustic Sensor Networks (UASN) have two important limitations: a very aggressive (marine) environment, and the use of acoustic signals. This means that the techniques for terrestrial wireless sensor networks (WSN) are not applicable. This paper proposes a routing protocol called “Self-Organizing and Scalable Routing Protocol” (SOSRP) which is decentralized and based on tables residing in each node. A combination of the hop value to the collector node and the distance is used as a criterion to create routes leading to the sink node. The expected functions of the protocol include self-organization of the routes, tolerance to failures and detection of isolated nodes. Through the implementation of SOSRP in Matlab and a model of propagation and energy being appropriate for marine environment, performance results are obtained in different scenarios (varying both nodes and transmission range) that include parameters such as end-to-end packet delay, consumption of energy or length of the created routes (with and without failure). The results obtained show a stable, reliable and suitable operation for the deployment and operation of nodes in UASN networks

NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Program

This document is a collection of technical reports on research conducted by the participants in the 1993 NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Program at KSC. The basic common objectives of the Program are: to further the professional knowledge of qualified engineering and science faculty members; to stimulate an exchange of ideas between participants and NASA; to enrich and refresh the research and teaching activities of participants' institutions; and to contribute to the research objectives of the NASA centers. 1993 topics include wide band fiber optic communications, a prototype expert/information system for examining environmental risks of KSC activities, alternatives to premise wiring using ATM and microcellular technologies, rack insertion end effector (RIEE) automation, FTIR quantification of industrial hydraulic fluids in perchloroethylene, switch configuration for migration to optical fiber network, and more