Tesis doctoral
| Título | Analysis of Mac Strategies for Underwater Acoustic Networks |
| Estado | Finalizado |
| Autor | Seema Ansari |
| Director/es | Pablo Otero Roth , Javier Poncela González |
| Universidad | Universidad de Málaga |
| Centro | Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación |
| Departamento | Ingeniería de Comunicaciones |
| Fecha lectura | 28-09-2018 |
| Archivo |
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. 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.
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