Data collection and medium access control solutions for underwater wireless sensor networks
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Coleta de dados e controle de acesso ao meio em redes de sensores aquáticas sem fio
Primeiro orientador
Membros da banca
Antonio Alfredo Ferreira Loureiro
Ítalo Fernando Scotá Cunha
Ítalo Fernando Scotá Cunha
Resumo
Underwater wireless sensor networks (UWSNs) can enable lots of scientific, commercial, and military applications in underwater environments. However, the technology is not mature yet. Nodes from UWSNs usually communicate through acoustic or optical
transmissions due to the poor performance of radiofrequency (RF) communication in these environments. The use of these communication technologies, together with the characteristics of underwater environments, introduces many challenges for UWSNs.
This dissertation provides solutions for two existing problems in UWSNs. Its first part addresses the problem of collecting data from underwater optical-acoustic sensor networks (UOASNs), a subset of UWSNs whose nodes can communicate using both acoustic and optical transmissions. We propose CAPTAIN, a solution that explores the best of each communication technology to improve data collection in UOASNs. CAPTAIN is an algorithm that logically divides a UOASN into clusters, establishes a routing tree, and uses data aggregation to deliver all data collected to the sink node. Through simulations, we evaluate CAPTAIN by comparing it to the shortest path algorithm. In the second part of this dissertation, we address the problem of medium access control (MAC) in underwater acoustic sensor networks (UWASNs), a subset of UWSNs whose nodes communicate using acoustic technology. We propose a MAC protocol for UWASNs called UW-SEEDEX. The protocol employs random time slot schedules that are driven by pseudorandom number generations and produced from seeds. This method allows nodes to predict each other’s entire schedules just by exchanging their seeds, so they can better plan their transmissions to avoid collisions. We use simulations to evaluate how each of UW-SEEDEX’s parameter affects its performance and how the protocol performs against MAC solutions from the literature.
Abstract
Redes de sensores sem fio aquáticas (RSSFAs) possuem o potencial de propiciar diversas aplicações em áreas científicas, comerciais e militares. No entanto, a tecnologia ainda não se encontra amadurecida o suficiente para tal. Nós das RSSFAs geralmente se comunicam através de transmissões acústicas ou ópticas, visto que comunicações por radiofrequência possuem baixo desempenho em ambientes aquáticos. A utilização dessas tecnologias de comunicação, juntamente com as características dos ambientes aquáticos, introduzem muitos desafios para o desenvolvimento das RSSFAs. Essa dissertação provê soluções para dois problemas existentes em RSSFAs. Sua primeira parte têm foco no problema de coleta de dados em redes de sensores sem
fio aquáticas óptico-acústicas (RSSFA-OAs), que são um tipo de RSSFA onde os nós podem se comunicar utilizando transmissões ópticas e acústicas. Nela, propõe-se CAPTAIN, uma solução que visa explorar o melhor de cada tipo de comunicação para melhorar a coleta de dados em RSSFA-OAs. CAPTAIN é um algoritmo que divide logicamente uma RSSFA-OA em agrupamentos, estabelece uma árvore de roteamento entre os nós e utiliza agregação de dados para entregar os dados coletados pela rede ao nó sorvedouro. Avalia-se o CAPTAIN utilizando simulações, onde ele é comparado ao algoritmo de caminho mínimo. A segunda parte da dissertação aborda o problema de controle de acesso ao meio (MAC, do inglês Medium Access Control) em redes de sensores sem fio aquáticas acústicas (RSSFA-As), que são um tipo de RSSFA onde os nós se comunicam utilizando transmissões acústicas. Aqui, propõe-se um protocolo MAC chamado UW-SEEDEX. Esse protocolo utiliza escalonamentos aleatórios de slots de tempo, que são gerados a partir de sementes e alterados de acordo com geradores de números pseudo-aleatórios. Dessa forma, nós podem prever todo o escalonamento de seus vizinhos depois de trocarem suas sementes entre si. Eles então podem utilizar as previsões para planejar melhor suas transmissões e assim evitar colisões. Simulações são utilizadas para avaliar tanto como os valores dos parâmetros do UW-SEEDEX afetam seu desempenho, quanto para comparar o protocolo com outras soluções MAC encontradas na literatura.
Assunto
Computação — Teses, Redes de sensores aquáticas - Teses, Redes de sensores aquáticas óptico-acústicas - Teses, Coleta de dados - Teses, Controle de acesso ao meio - Teses
Palavras-chave
Underwater Wireless Sensor Networks, Underwater Optical-Acoustic Sensor Netwoks, Routing, Data collection, Data aggregation, Underwater Acoustic Networks, Medium Access Control, Random schedules