A survey on mac protocols for underwater wireless networks

MACمروري بر پروتكل در

شبكه هاي حسگر بي سيم زيرآب

زهره ايزدپناه

92131565

تهيه شده در دانشكده مهندس ي كامپيوتر

مطالبسرفصل

مقدمه مطالعاتيمحور

كاربردUWSNها پروتكلMac؟امواج صوتي

زيرآبويژگي هاي محيط اكوستيك چالش هاي طراحي پروتكل مك برايUWSNها پروتكل هاي مكContention Free

پروتكل هاي مكContention Based هيبريديپروتكل هاي مكجمع بنديچالش ها و تحقيقات آيندهمنبع

مقدمه

◦UWSNs(Under Water Sensor Networks) ،شبكه هاي حسگر زير آب.كاربرد گسترده اي در زمينه هاي نظامي و غيرنظامي دارند

شبكه هايUWSN ها بر خالف شبكه هاي زميني كه از امواج.استفاده مي كنند، متكي بر امواج صوت هستراديويي

هاUWSNكاربرد

مانيتور محيطي◦فراهم كردن امكان مانيتور آلودگي هاي بيولوژيكي،شيميايي و هسته اي

آبزير انفجارهاي ◦اكتشاف ميدان هاي نفتي،مخازن،تعيين مسير كابل

پيشگيري از فاجعه◦در باره زمين لرزه و سوناميهشدار اندازه گيري و

كمك ناوبري ◦شناسايي خطرات در بستر دريا،محل سنگ هاي خطرناك و عمليات عمق سنجي

نظارت تاكتيكي توزيع شده◦شناسايي و هدف قراردادن سيستم هاي نفوذ

كشف معدن◦ارزيابي سريع محيط زيست و تشخيص معدن

Macپروتكل

پروتكل مك وظيفه هدايت گره ها در دسترس ي به مديا وايرلس◦.اشتراكي را برعهده دارد

مصرف

يبهينه انرژ

جلوگيري از

بروز كاليژن

عدالت بين

نودهاتاخير كم

امواج صوتي؟

راكوتاهيمسيروشدهضعيفسرعتبهراديوييامواجزيرآب،در◦.كنندميطي

پديدهوشوندميجذبآبتوسطنوريهايسيگنال◦

Scatteringدهدميرخ.

.شوندميضعيفكمترراديوييونوريامواجبهنسبتصوتيامواج◦

ويژگي هاي محيط اكوستيك زيرآب

برابر امواج راديويي5•

وابسته به دما، شوري آب و عمق آب•غيرتاخير انتشار زياد و مت

ايينپهناي باند و ديتا ريت پ.مي شود100kb/Sديتا ريت سنسورهاي اكوستيك زير آب به سختي باالتر از •

نويزلزره هانويزهاي ناش ي از دستگاههايي نظير پمپ و نويزهاي طبيعي نظير زمين•

انرژي دستگاههاي زير آب باالتر مصرف•

كار با باتري و سخت بودن شارژ مجدد•مصرف انرژي

بيت ريت خطا باالISIو ايجاد fading , multi pathبدليل •

برايMacچالش هاي طراحي پروتكل UWSNها

توپولوژي شبكه◦پراكنده يا متراكم

Synchronizationيكسان سازي يا ◦زماني بين نودها كار مي كند كه نقش در تاخير Synchronizationپروتكل مك بر اساس

.شبكه دارد

◦Hidden & Exposed Node.هستندCollision Avoidanceاز مشكالت مهم در شبكه هاي مبتني بر رقابت

Handshakingتاخير باال در ◦

Handshakingها و بسته هاي كنترلي UWSNبيت ريت پايين كانال در شبكه هاي

برايMacچالش هاي طراحي پروتكل UWSN(ادامه)ها

كاليژن اتالف انرژي در ◦.گردداتالف انرژي در ارسال بسيار باالست بنابراين بايد از كاليژن جلوگيري شود يا حداقل

Centralized Networking

◦Near-Far Problem

بدون رقابتMacپروتكل هاي

Contention Free Mac Protocols

FDMA TDMA CDMA

FDMAمبتني بر Macپروتكل هاي

FDMA

Frequency Division Multiple Access

OFDMAModulationMulticarrierنوع خاص ي از

عمود برهم كاليژن sub crarrierارسال همزمان نودها با استفاده از

وجود دارد

دو چند مسيرگي و محدوديت پنهاي باند را از بين مي بر fadingاثر

UW-OFDMAاوليه Powerو OFDMAمبتني بر پارامتر هاي

جلوگيري از ارسال مجدد بسته ها

مصرف بهينه انرژي

،بدليل پهناي باند محدودFading وmulti path روشFDMA برايUWSNها مناسب نيست.

TDMAمبتني بر Macپروتكل هاي

انعطاف پذيري باالتر، كاهش نرخ كاليژن : مزايا.

قي داردنرخ استفاده از كانال پايين، نياز به هماهنگي دقي: معايب.

بررس ي پروتكل هايTDMAاز سه ديدگاهغلبه بر مشكل استفاده از كانال1.

كاهش تاخير2.

Synchronizationبهبود 3.

TDMAمبتني بر Macپروتكل هاي (كانالبر مشكل استفاده از غلبه )

اده غلبه بر مشكل استف

از كانال

ACMENet ST-MAC ST-CG SST-MAC C-MACUD-

TDMAPR-MAC

DSSS MAC

SYNC MAC

TDMAمبتني بر Macپروتكل هاي (تاخيرکاهش )

کاهش تاخير

ERMAC WA-TDMA

TDMAمبتني بر Macپروتكل هاي (Synchronizationبهبود )

Synchronizationبهبود

UW-FLASHR UWAN MAC

CDMAبر مبتنيMacپروتكل هاي

عاتاستفاده همزمان از باند فرکانس ی با استفاده از کد کردن اطال

CDMA

CDMA-BPOCA-CDMA

MAC

يسهمقا

FDMAر آبيت باند فرکانس ی ز يل محدوديناکارا بدل◦

TDMA

باالانتشار ر يتاخ-Synchronizationمشکل ◦

CDMA◦Near-Far Problem

مبتنی رقابتMacپروتكل هاي

Contention Based Mac Protocols

Random Access

CSMA ALOHA

Handshaking

Single Channel

Multi Channel

مه است که از هاين روش مزيت اين . ابی به کانال رقابت می کننديگره ها برای دست.باند فرکانس ی استفاده می شود

RANDOMمبتني برMacپروتكل هاي

ACCESS(ALOHA)

ALOHA

ALOHASLOTTED

ALOHAPDT-

ALOHAALOHA-

CSALOHA-

ANSA-

ALOHAISA-

ALOHA

RANDOMمبتني برMacپروتكل هاي

ACCESS(Carrier Sense Multiple Access or CSMA)

CSMA

Ordered CSMA

PDAPUASN-MAC

TONE-LOHI

RANDOMمبتني برMacپروتكل هاي

ACCESS(Carrier Sense Multiple Access or CSMA)ادامه

HAND SHAKINGمبتني برMacپروتكل هاي

HAND SHAKING

چند کاناله

RCA MAC

COPE-MAC

MM-MAC

UIMO-MAC

CUMAC

DC-MAC

تک کاناله

بهبود مصرف

انرپی

SLOTTED FAMA

DACAP

MACA_MN

تاخير انتشار

MACA-U

PCAP

APCAP

RIPT

DOTS

CS-MAC

ز عدالت واستفاده بهتر ا

کانال

R_MAC

RMAC-M

ROPA-RIC-MAC

SF-MAC

WSF-MAC

هيبريدیMacپروتكل هاي

HYBRID MAC PROTOCOLS

سس ترکيب چندين تکنيک مديا اک

و پروتکل مک

HSR-TDMA

کالستر کردن سنسورها

TDMA برای ارتباطاتخارج از کالستر

CDMA ارتباطات داخل

کالستر

H-MACمبتنی بر

Contention Free و

Random Access

مصرف پايين انرژی

Collision Avoidance

P-MAC

Contention Free+ Slotted

MACA

UW-MAC

UWMAC+ALOHA

ارسال بسته های سيگنالی با

ALOHAا و ارسال بسته ديت

CDMAبا

PLAN

CDMA برایدسترس ی به مديا و

MACA قبل از

ارسال ديتا

جمع بندی

پروتکل هایContention Free مشکلSynchronization را داشتند و رویدر آنها Near-Farمشکالت . کم کردن تاخير و باال بردن بهره وری متمرکز بودند

.وجود داشت

که بهره از مزايای پروتکل های مختلف استفاده کرده بودهيبريدیپروتکل های.توری کانال را بسيار افزايش می دهند وليکن پياده سازی آنها دشوار تر اس

ست که با توجه به پروتکل های متفاوت و پيشرفت آنها به نظر می رسد نياز ا.حاصل شودپروتکل کاملی بهبودهايي روی آنها صورت گيرد تا

چالش ها و تحقيقات آينده

تحقيقات جامعی بر وی عدم وجودQOS

ابت اند ولی با ثپريودهايیيا در ثابتنددر تحقيقات فرض شده بود که نودها در ريت پايينرعت سشبکه به توپولوژیتوجه به شرايط اقيانوس نودها به سرعت حرکت کرده و

.مي يابدتغيير

وجودFrequency Selective Fading ناش ی از چند مسيری زير آب و لزوم طراحی.Near-Far Problemبر مشکل غلبهو پاورکنترل با رويکرد CDMAپروتکل مبتنی بر

لزوم طراحی پروتکل هایHandshakingچند کاناله.

زير تلف کاربردهای مخکه پاسخگوی مقرون به صرفه تر طراحی پروتکل های هيبريدی.آب باشد

خاصطراحی پروتکل های مک برای کاربردهایUWSNها.

انجام تحقيقات بر روی تحليل کارآيی پروتکل های مک مختلف.

منبع

Chen, Keyu, et al. "A Survey on MAC Protocols for Underwater

Wireless Sensor Networks." ;Communications Surveys & Tutorials, IEEE (Volume:16 , Issue: 3 ),2014.