وثيقة
A new multipath grid-based geographic routing protocol for underwater wireless sensor networks
الناشر
Sultan Qaboos University
ميلادي
2015
اللغة
الأنجليزية
الملخص الإنجليزي
This thesis proposes a novel routing protocol for underwater wireless sensor networks (UWSNS). An UWSN consists of a collection of sensor nodes deployed at different depths. Normally, sensor nodes use multi-hop paths to communicate with sink nodes positioned at pre-selected locations on the surface level. This kind of networks can be used in a variety of applications such as environmental monitoring and undersea exploration. Routing in underwater is an important and a challenging activity due to the nature of acoustic channels and to the harsh environment.
The purpose of this research is to develop a new multipath grid-based geographical routing (MGGR) protocol for UWSNs. MGGR uses disjoint paths (paths from source to destination with no common intermediate nodes) to route data packets from sensor nodes to sink nodes. The proposed algorithm assumes that the monitored region is divided into logical 3D grids. It also assumes that the sensor nodes have identical capabilities and are equipped with localization services. The algorithm consists of three main components: (i) a gateway election algorithm; responsible for electing gateways based on their locations and remaining energy level, (ii) a mechanism for updating
boring gateways' information; allowing sensor nodes to memorize gateways in local and neighboring cells, and (iii) a packet forwarding mechanism; in charge of constructing disjoint paths from source cells to destination cells, forwarding packets to the destination and dealing with holes (i.e, cells with no gateways) in the network. Routing is performed in a grid-by-grid manner via gateways that use the disjoint paths to relay data packets to the sink node,
MGGR is characterized by two important features. First, only gateways can act as intermediate nodes for relaying data packets to destination. This helps in reducing the number of copies of each packet propagated in the network and non-gateways can save their energy. Second, as long as there is at least one node in a cell with remaining energy greater than a predefined threshold, there is a node that can act as a gateway in that cell, and because data packets are forwarded in a grid-by-grid manner via gateways, the path is considered alive as long as there exists a gateway in each grid cell passed by a route.
The performance evaluation of MGGR protocol has been conducted via analytical modeling and simulation. The reachability analysis shows that the performance of the protocol improves as the network density increases and this agrees with grid-based routing in MANETs. The simulation is conducted using the Aqua-Sim simulator which is developed specifically for evaluating underwater sensor networks. Generally, results show that MGGR is an energy efficient protocol compared to Vector Based Forwarding (VBF) routing protocol in all simulation setups used in the study. This is mainly due to the fact that data packets are forwarded only by gateways which reduce the number of packets propagated in the network. MGGR can also maintain a good delivery ratio while it gives relatively higher delay compared to VBF. The higher delay incurred by the protocol is due to the long paths followed by the packets.
المجموعة
URL المصدر
الملخص العربي
تهدف هذه الأطروحة إلى تطوير نظام بث جديد في شبكة المتحسسات اللاسلكية المستخدمة تحت سطح المياه والتي تتكون من مجموعة من المتحسسات توضع على أعماق مختلفة في المنطقة المستهدفة. يستخدم هذا النوع من الشبكات في العديد من التطبيقات مثل تطبيقات الرصد البيئي واستكشاف المحيطات. ويعد إيجاد مسارات للإرسال وبث المعلومات في هذا النوع من الشبكات من الأنشطة المهمة التي تمثل تحديات كبيرة بسب طبيعة الإرسال فيها باستخدام الموجات الصوتية وبسبب بيئة الإرسال الوعرة تحت سطح المياه.
يعتمد المقترح الجديد على تقسيم الشبكة إلى خلايا افتراضية ثلاثية الأبعاد، وعلى خاصية إرسال المعلومات في مسارات متوازية متعددة تلتقي في نقطة البداية والنهاية فقط. كما يعتمد على افتراض أن جميع المتحسسات لها نفس الخصائص والمميزات ومزودة بآلية لتحديد مواقعها. يتكون النظام الجديد من ثلاث مكونات رئيسية: (۱) آلية ترشيح متحسس واحد على الأكثر في كل خلية ليقوم بدور ممثل الخلية المسؤول عن إرسال المعلومات الى الهدف ويعتمد اختيار كل ممثل على معدل الطاقة المتبقي لدى كل متحسس وموقعه بالنسبة لمركز الخلية المنتمي إليها. (۲) تخزين وتحديث معلومات ممثلي الخلايا لدى المتحسسات. (۳) آلية بث المعلومات وتشمل تشكيل وتكوين المسارات التي يجب أن تسلكها كل رسالة وكيفية ارسالها.
يتميز النظام المقترح بخاصيتين مميزتين. الخاصية الأولى تتمحور في أن عملية بث المعلومات تكون بواسطة ممثلي الخلايا فقط، وهذا بدوره يقلل عدد الرسائل المنتشرة في الشبكة والتي قد تصطدم مع بعضها ويؤدي إلى فقدان الكثير منها. تساعد هذه الخاصية على تقليل كمية الطاقة الكلية المستنزفة في الشبكة. الخاصية الثانية تتلخص في أن أي مسار يبقى فعالا لإيصال الرسائل طالما يوجد متحسس قادر على القيام بدور الممثل في كل خلية يقطعها المسار.
تمت دراسة جدوى هذا المقترح بطريقتي التحليل الرياضي والمحاكاة. استخدمت طريقة التحليل الرياضي لدراسة نسبة إيصال المعلومات أو الرسائل إلى الجهاز المستقبل الموضوع على السطح. وقد أثبتت التحليلات أن النسبة تزداد بزيادة عدد المتحسسات المستخدمة. بينما استخدم نظام المحاكاة المعروف ب ( Aqua - Sim ) والذي صمم خصيصا الدراسة شبكات المتحسسات المائية، في دراسة المقترح تحت عوامل مختلفة وهي كثافة عدد المتحسسات المستخدمة وحركتها، وكمية البيانات المتبادلة في الشبكة. أوضحت النتائج أن النظام المقترح الجديد لديه القدرة العالية في الحفاظ على الطاقة كما أن لديه الكفاءة لإيصال المعلومات إلى الهدف مع تأخر قليل في زمن وصول الرسالة.
يعتمد المقترح الجديد على تقسيم الشبكة إلى خلايا افتراضية ثلاثية الأبعاد، وعلى خاصية إرسال المعلومات في مسارات متوازية متعددة تلتقي في نقطة البداية والنهاية فقط. كما يعتمد على افتراض أن جميع المتحسسات لها نفس الخصائص والمميزات ومزودة بآلية لتحديد مواقعها. يتكون النظام الجديد من ثلاث مكونات رئيسية: (۱) آلية ترشيح متحسس واحد على الأكثر في كل خلية ليقوم بدور ممثل الخلية المسؤول عن إرسال المعلومات الى الهدف ويعتمد اختيار كل ممثل على معدل الطاقة المتبقي لدى كل متحسس وموقعه بالنسبة لمركز الخلية المنتمي إليها. (۲) تخزين وتحديث معلومات ممثلي الخلايا لدى المتحسسات. (۳) آلية بث المعلومات وتشمل تشكيل وتكوين المسارات التي يجب أن تسلكها كل رسالة وكيفية ارسالها.
يتميز النظام المقترح بخاصيتين مميزتين. الخاصية الأولى تتمحور في أن عملية بث المعلومات تكون بواسطة ممثلي الخلايا فقط، وهذا بدوره يقلل عدد الرسائل المنتشرة في الشبكة والتي قد تصطدم مع بعضها ويؤدي إلى فقدان الكثير منها. تساعد هذه الخاصية على تقليل كمية الطاقة الكلية المستنزفة في الشبكة. الخاصية الثانية تتلخص في أن أي مسار يبقى فعالا لإيصال الرسائل طالما يوجد متحسس قادر على القيام بدور الممثل في كل خلية يقطعها المسار.
تمت دراسة جدوى هذا المقترح بطريقتي التحليل الرياضي والمحاكاة. استخدمت طريقة التحليل الرياضي لدراسة نسبة إيصال المعلومات أو الرسائل إلى الجهاز المستقبل الموضوع على السطح. وقد أثبتت التحليلات أن النسبة تزداد بزيادة عدد المتحسسات المستخدمة. بينما استخدم نظام المحاكاة المعروف ب ( Aqua - Sim ) والذي صمم خصيصا الدراسة شبكات المتحسسات المائية، في دراسة المقترح تحت عوامل مختلفة وهي كثافة عدد المتحسسات المستخدمة وحركتها، وكمية البيانات المتبادلة في الشبكة. أوضحت النتائج أن النظام المقترح الجديد لديه القدرة العالية في الحفاظ على الطاقة كما أن لديه الكفاءة لإيصال المعلومات إلى الهدف مع تأخر قليل في زمن وصول الرسالة.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية