全球研究计算机科学杂志》上
菜单石头:2229 - 371 x
石头:2229 - 371 x
| Asst.Prof。穆罕默德Najm。阿卜杜拉1 *,艾哈迈德第纳尔2 *; |
| 相关文章Pubmed,谷歌学者 |
访问更多的相关文章全球研究计算机科学杂志》上
当比较陆地无线传感器网络与水下无线传感器网络的挑战,我们发现最根本的区别是传播媒介。在这一领域的研究表明,水下声学通信是典型的物理层技术网络与电磁波和光波。能源约束、长延迟和带宽的限制更大的挑战在水下监控和其他应用程序。在这篇文章中,我们将评估的性能五UWSN MAC层协议的水生环境的能源消耗和吞吐量,然后收到提名三个基于之前的评估和比较它们的总包和平均端到端延迟。评估是由使用Aqua-Sim模拟器进行水下传感器网络基于NS2模拟器安装在Linux环境中
关键字 |
| MAC协议,广播MAC,迎宾,R-MAC,法玛,UWAN_MAC Aqua-Sim |
介绍 |
| 水质监测是必不可少的控制物理、化学andbiological特点的水。例如,饮用水不应该包含任何化学材料,这些材料可能被有害健康;农业灌溉用水应该低钠含量;水在某些无机化学工业用途应该低。水质监测可以帮助水污染检测和排放的有毒化学物质和污染水[1]。有几个参数可以监控,如酸碱度(pH值)、溶解氧(做)、温度、电导率/ TDS和浊度。 |
| 水下无线传感器网络包含一定数量的传感器,他们每一个监控特定污染物通过声音信号这些传感器连接在一起。 |
| 电磁波通信和光学波不是水下通信的最佳人选。水的传播特性决定通过导电电磁波传播的长距离海水只在额外的低频(30 - 300赫兹)。这个需求需要大型天线和传动功率高,不适合传感器网络的部署。在电磁波相比,光学波不受到如此高的衰减。然而,在水下光学波通信患有严重的散射。因此,光学波只在水下环境中用于短程通信。因此,在水下网络链接是基于声波无线通信[2]。 |
| 在UAWSN, MAC在传感器网络构成的一个主要挑战[2]。如可用带宽是极其有限的,在水下传播延迟是五个数量级高于无线电频率(RF)地面频道和电池能量有限,通常电池不能充电,太阳能不能利用[3]。 |
| MAC协议的主要任务是提供高效、可靠的访问共享物理媒介的吞吐量,延迟,错误率和能源消耗。然而,由于水下环境的性质不同,有几个缺点对现有地面MAC方案是否适合水下环境。事实上,通道访问控制UWSNs带来了额外的挑战由于上述特性的水下通道。 |
| 然而,频分多址(FDMA)不适合UWSNs由于狭窄的水声信道的可用带宽,和有限的脆弱性带系统衰落和多路径效应。此外,时分多址(TDMA)显示有限的带宽效率,因为长时间警卫要求在水声信道。此外,变量延迟使得它非常具有挑战性的实现精确同步通过一个共同的时间参考[4]。 |
| 有两个类别适合UAWSN:载波监听多路访问(CSMA)或码分多址(CDMA)。 |
| 一般来说,CSMA-based协议很容易隐藏和暴露终端问题。为了减少隐藏终端的影响,MAC提案应包括技术类似于陆地的网站吗咖能够[6],使用RTS / CTS /数据包减少隐藏终端问题,和金刚鹦鹉[7],这增加了前一个ACK数据包链路层,它可以帮助一个不可靠的水下通道。法玛[8]扩展RTS的持续时间和CTS小包为了避免数据包碰撞,所以竞争是在发送方和接收方双方管理发送数据包。这些协议的效率严重影响传播延迟由于多个握手。cdma通信协议不用于声学网络因为这些协议有一些问题,如同步和附近的问题[9]。 |
| 水下MAC层协议还应该考虑节点移动性、低带宽、能源效率和长传播延迟。由于长期的传播延迟,节点移动性和其他水下环境的限制,使用分布式拓扑比集中式拓扑结构。因此争用基于MAC协议(广播、迎宾R-MAC,法玛,UWAN_MAC有用这样的拓扑。 |
| 在这篇文章中,我们将评估这些协议相比他们的能源消耗和收到的吞吐量,这之后我们将根据以往的评估,然后选出三个对比这三种协议的总包和平均端到端延迟。 |
| 本文的组织结构如下: |
| 五MAC层协议的属性部分(2),性能评估和模拟部分(3)最后,结论部分(4) |
属性的MAC层协议 |
| 农夫:法玛提出的[8],Fama协议的目的是允许站获得动态控制信道(地板),以这样一种方式,没有任何数据包碰撞与其他包。这可以被视为一种动态预订;然而,与之前的方法相比动态预订,也称为FAMA协议避碰方案提出不需要单独的控制信道或前言保留通道。相反,FAMA协议需要一位站希望发送一个或多个数据包获取传输数据包的火车前的地板上。地板获得使用多路复用控制数据包,数据包一起在同一个频道以这样一种方式,尽管控制数据包可能与他人相撞,数据包总是发送免费的碰撞。有许多不同的方案与电台可以获得地板,和任何单通道MAC协议,不需要站感觉通道传输时可以适应支持地板收购我们的目的。 |
| 地板收购战略基于RTS-CTS交换尤其有吸引力的控制包——无线网络,因为它提供了一个构建块来解决在CSMA hidden-terminal问题就出现了。的上下文中使用RTS-CTS换取地板收购,有很多方法可以传播的控制包。我们只处理两个变量。 |
| RTS-CTS交换无载波感知。 |
| b。RTS-CTS交换与非持久性运营商传感。第一个变量对应于使用ALOHA协议RTS数据包的传输;第二个包括使用非持久性CSMA协议传输RTS数据包。我们选择考虑非持久性传感载体在持久传感载体,因为非持久性CSMA更高的吞吐量在高负载和低负荷下仅略低于p-persistent CSMA的吞吐量。虽然玛咖的最初动机是解决hidden-terminal CSMA的问题,基本RTS-CTS对话吗咖能够甚至四的方式握手(RTS, CTS、数据确认)并不能解决所有隐藏终端问题。例如,如图1所示,三个站,R和H,如果H S(即“隐藏”。,S and H cannot hear each other's transmissions) it could happen that S sends an RTS to R in the clear and R sends a CTS to S; the problem occurs when H transmits an RTS to R, or another station that can hear R and H, at the same time that R transmits its CTS to S. If that is the case, S will send data packets to R, and H may transmit an RTS that R can hear and that collides with S’s data packets. Clearly, an ad-hoc solution would be to make H wait a very long time before attempting to retransmit, but that would degrade the network throughput. The four-way handshake advocated in the IEEE 802.11 only helps to detect hidden-terminal interference after it occurs, it does not prevent it. |
| RTS-CTS对话可以用作构建块来消除hidden-terminal问题;然而,本文只关注使用这样的对话建立地板收购纪律,和集中在单跳网络中不存在隐藏终端。法玛的设计为解决其他地方多跃点分组无线网络协议;这些协议的基础是使用更多的来自接收者的反馈,CTSs和部分应答包的形式火车。 |
| 法玛的缺点是以下[10]:- |
| 。很难配置FAMA协议在一个新节点com或移动网络系统。 |
| b。很难实现FAMA协议在分布式模式。 |
R-Mac: |
| R-MAC的主要设计目标是能源效率和公平。R-MAC时间表控制数据包的传输和数据包完全避免数据包碰撞。调度算法不仅节省能源,而且解决暴露终端问题继承在RTS / CTS-based协议 |
| 此外,调度算法允许网络中的节点选择他们自己的时间表,从而放松要求的同步协议。Additionally-MAC支持公平。R-MAC分为三个阶段。在最初的阶段(延迟检测),测量距离的邻居节点发送一些小控制数据包。 |
| 基于测量,每个节点将随机选择一个时期的数据传输并告知他人在第二阶段(时期公告)。 |
| 在阶段3(周期操作),节点相互合作安排数据传输,以避免碰撞[9]。R-MAC是一个公平的MAC层协议。因为一个意图接收器可以提供平等机会预订所有邻国使用转速和ACK-REV包。这个协议是好的当没有新节点加入网络,所有节点是静态的 |
| R-MAC的主要缺点是没有技术提出了节点想要改变其传播计划,或者当一个节点发生故障或一个新节点加入网络[11]。 |
 |
| 传输从R和H t2相撞,导致碰撞与H S数据的即时战略游戏。 |
Uw-Mac: |
| UWAN-MAC[32]也部署CSMA-based MAC,主要为高密度UWSNs开发。而不是带宽优化,UWAN-MAC专注于能源效率通过引入睡眠时间表类似于陆地同行。每个节点都有一个作息时间表,这样每个节点醒来定期在网络传输数据。在每个周期的开始,一个节点广播一个同步数据包指示它的周期的睡眠时间表。因此,邻居节点收到这个包在下次预定时间醒来听节点。因此,每个节点醒来每个邻国接收数据除了预定的唤醒时间来传输数据。注意,因为相对时间同步数据包交换的信息,哇——MAC并不需要每个节点的传播延迟是已知的。 |
| 只要传播时间保持不变,信息节点的睡眠时间有助于保持每个节点同步。UWAN-MAC同步的运行机制是图2所示,当节点广播一个同步数据包,它表明睡眠时期作为助教。因此,当节点的邻居接收同步数据包,他们安排助教醒来秒后收到数据包同步。也同样,节点接收同步数据包从邻国和时间表的唤醒时间。每个节点的数据传输数据包结构如图3所示,由失踪,同步,数据Tx和听。同步期间用于广播同步数据包解释过,虽然数据Tx用于传输数据包。由于每个节点的邻居听节点的传输时间,它可以传输的数据没有任何碰撞。失踪,听时间用于处理节点失败/删除和节点连接。在每一个睡眠周期,一个节点收集的邻国,它已收到消息从同步。以防有改变这个列表(同步消息从一个特定的节点没有收到),节点创建一个失踪的节点列表和广播这一信息在失踪期间,图3所示。 This list serves as notification to the nodes in the missing list that a communication error may have occurred earlier. If a node does not hear from its neighbors in the missing list for a couple of consecutive cycles, it deletes this node from its neighbor list. On the other hand, the node that is in the missing list replies back to the sender of the SYNC message as if it is a newcomer node. The procedure for newcomer nodes is explained next. |
| 听时期在图3所示的传输时间用于包括新网络。这种情况见图2,C D节点加入网络,节点传输一个数据包同步。当D节点加入网络,它听的通道同步数据包从邻国。当它从节点接收同步包C,这回复包你好包来表示它的存在。听时期结束时,每个传输期间确保节点C收到这个你好包。然后,节点C包括新来的邻居列表节点D。你好包,节点F还指示时间留给下一个唤醒时间,即节点C可以醒来的预定唤醒时间节点D和接收其同步包如图2所示节点D同样表明其安排到其他节点。 |
| 到目前为止UWAN-MAC假定的操作不会改变两个节点之间的传播延迟。这使得相对同步数据包同步节点唤醒公告。然而,水声信道患有高变量传播延迟和信道波动由于许多原因如漂浮的节点,散射物体在水中和多路径效应。因此,传播延迟随机波动。为了解释这种波动,UWAN-MAC介绍警卫队乘以每次听的时间之前和之后的邻居。这可以确保数据包正确和完全接受即使它比预期的早或晚到达。这个扩展的一个潜在的问题是一个节点的传输调度和听时期可能重叠,因为警卫。在这种情况下,节点改变通过同步数据包传输调度和广播。 |
| 通过睡眠时间UWAN-MAC达到重要的能源消耗。因为它是对延迟宽容的应用开发,睡觉时间可以产生很高的介质访问通信延迟。此外,协议的吞吐量下降是因为睡眠时间开销在维护计划和操作[12]。 |
 |
阿罗哈: |
| 这个协议是基于Aloha想法同时适合水下网络环境:当一个节点发送数据包,它将直接发送没有传感通道。发送者会启动一个计时器,并等待来自接收者的反应。如果接收器接收到数据包正确,它将发送一个ACK回到发送方。如果发送方收到ACK超时之前,发送方知道这包成功传送并开始发下一个数据包。否则,发送者将退出一段时间,再次重新发送相同的数据包。 |
麦克:广播 |
| 当一个节点发送数据包,它首先感官通道。如果通道是免费的,它广播数据包。否则,它支持将报文丢弃掉。如果退下的次数超过限制。当接收机接收到数据包,它不需要发送ACK回到发送方。这个协议是简单而效率低的交通网络。此外,该协议可以充分的优势水声信道的广播性质和适合geo-routing协议如VBF [14]。 |
性能评估和仿真 |
| 在本节中,我们评估的性能广播MAC,迎宾,R-MAC,法玛,UWAN_MAC协议。所有模拟执行使用网络仿真器(ns2)[15]一个水下传感器网络仿真包(称为Aqua-Sim)扩展[16]。我们用表1的参数在所有模拟场景。在我们的模拟中,我们考虑到场景视图;在这个场景中,我们首先考虑为五个协议吞吐量和能源消耗。在模拟的节点数是7,6节点发送者和一个节点(下沉)接收机。每个节点的位置选为图4。交通生成根据泊松过程。每10秒每个发送节点发送数据包,这可以有效地避免两个连续的数据包之间的干扰。 |
| 通过图5,我们发现FAMA协议是在能源消耗高于其余的协议,因为它没有考虑睡眠模式和休息他们考虑,要么在图6日收到了吞吐量的一部分我们发现三个协议UW-MAC越高,广播和FAMA协议。澄清这个问题更多的是最合适的协议而言,能源效率以及其他性能规格我们比较图6中的三大协议和比较它们的平均端到端延迟(代表的平均时间由一个数据包从源节点到任何下沉)下降和总包不同时期和同一场景分别如图7所示和Fig.8。 |
| 我们发现延迟法玛不规则且高于UW_MAC和广播,要么总降的包发现广播协议高于U_MAC和FAMA协议 |
 |
 |
结论 |
| 在本文中,我们提出一个绩效评估的五个水声无线传感器网络MAC协议。我们使用Aqua-Sim模拟器进行评估,发现它达到大部分的协议参数。我们考虑吞吐量、能源消耗、平均端到端延迟和总包作为我们的性能评估参数下降。我们发现FAMA协议不适合UAWSN节能。剩下的四个协议,R-MAC协议更节能,要么在吞吐量方面,它更好的协议主要是UW_MAC然后广播和阿罗哈。从这些结果,它已经发现,UW_MAC协议与其他协议,相比提高了30%的能量,吞吐量,总包和端到端延迟。我们建议最优协议上面提到的场景是UW_MAC的吞吐量和能源效率。我建议使用UW-MAC协议在我们的监控系统。 |
引用 |
|
