ES2321152A1 - Distributed routing protocol based on clusters for wireless submarine sensors networks. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

Distributed routing protocol based on clusters for wireless submarine sensors networks. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) Download PDF

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ES2321152A1 ES200700737A ES200700737A ES2321152A1 ES 2321152 A1 ES2321152 A1 ES 2321152A1 ES 200700737 A ES200700737 A ES 200700737A ES 200700737 A ES200700737 A ES 200700737A ES 2321152 A1 ES2321152 A1 ES 2321152A1
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Abstract

Distributed routing protocol based on clusters for wireless submarine sensor networks. Wireless submarine sensor networks present many challenges due to the properties of underwater environments, such as long propagation delays, node mobility and limited bandwidth. It is essential to design efficient routing protocols with respect to energy because the sensor nodes are powered by batteries that are difficult to load or replace. Most terrestrial sensor network protocols can not be applied because they have been designed for stationary networks and the protocols for existing ad-hoc networks do not work because they use flood techniques or continuous exchange of routing messages. A routing protocol without gps is proposed that minimizes the exchange of routing messages and uses aggregation of data. It assumes mobility of nodes and compensates for propagation delays using temporary advances combined with guard times. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Protocolo de encaminamiento distribuido basado en clusters para redes de sensores submarinas inalámbricas.Distributed Routing Protocol Based in clusters for wireless underwater sensor networks.

Sector de la técnicaTechnical sector

La siguiente invención consiste en un protocolo de encaminamiento distribuido basado en clusters para redes de sensores submarinas inalámbricas (Underwater Wireless Sensor Networks, UWSNs). Se encuadra en el sector técnico del diseño y evaluación de protocolos de redes en el área de la ingeniería telemática.The following invention consists of a protocol of cluster-based distributed routing for networks of wireless underwater sensors (Underwater Wireless Sensor Networks, UWSNs). It falls within the technical sector of design and evaluation of network protocols in the area of engineering telematics

Estado de la técnicaState of the art

La mayoría de los protocolos de encaminamiento propuestos para redes de sensores terrestres no pueden ser aplicados con éxito en redes de sensores submarinas inalámbricas porque han sido diseñados para redes estacionarias y frecuentemente utilizan técnicas basadas en inundación de paquetes (flooding).Most routing protocols proposed for terrestrial sensor networks cannot be successfully applied in wireless underwater sensor networks because they have been designed for stationary networks and frequently they use techniques based on flooding of packages (flooding).

Los protocolos de encaminamiento para redes ad-hoc multisalto no son adecuados porque se basan en un intercambio continuo de mensajes de señalización (encaminamiento ad-hoc proactivo) o usan un procedimiento de descubrimiento de ruta basado en la técnica de inundación (encaminamiento ad-hoc reactivo); estos mecanismos son ineficientes en redes submarinas a gran escala porque consumen unos recursos excesivos en cuanto a ancho de banda y energía. Por otro lado, los protocolos de encaminamiento ad-hoc basados en la geografía no pueden ser actualmente aplicados a entornos submarinos porque no está claro como los nodos sensores pueden obtener información precisa sin realizar un consumo excesivo de potencia; GPS (Global Positioning System) no resulta de ayuda para alcanzar este propósito, pues usa ondas radar en la banda de los 1,5 GHz y estas ondas no se propagan en agua
marina.
The routing protocols for multisalt ad-hoc networks are not suitable because they are based on a continuous exchange of signaling messages (proactive ad-hoc routing) or use a route discovery procedure based on the flood technique ( ad-hoc routing reagent); These mechanisms are inefficient in large-scale submarine networks because they consume excessive resources in terms of bandwidth and energy. On the other hand, geography - based ad-hoc routing protocols cannot currently be applied to underwater environments because it is not clear how sensor nodes can obtain accurate information without excessive power consumption; GPS (Global Positioning System) is not helpful to achieve this purpose, as it uses radar waves in the 1.5 GHz band and these waves do not propagate in water
Marine.

Para evitar los inconvenientes de estos mecanismos, la titular de la presente invención, Dra. Mari Carmen Domingo Aladrén, ha desarrollado un nuevo protocolo de encaminamiento distribuido basado en clusters, cuyas características fundamentales son las siguientes:To avoid the inconvenience of these mechanisms, the holder of the present invention, Dr. Mari Carmen Domingo Aladrén, has developed a new protocol for distributed routing based on clusters, whose characteristics Fundamental are the following:

El protocolo de encaminamiento desarrollado tiene en cuenta la conservación de la energía, se ha diseñado para aplicaciones de monitorización acuáticas a largo plazo y no críticas temporalmente, y no necesita para su correcto funcionamiento soportar GPS. Este protocolo de encaminamiento no usa técnicas de inundación, minimiza el intercambio de mensajes proactivo y usa agregación de datos para eliminar la información redundante antes de que sea transmitida hacia la estación base (sink).The routing protocol developed takes into account energy conservation, it has been designed to long-term aquatic monitoring applications and not reviews temporarily, and you don't need to correct it Operation support GPS. This routing protocol does not use flood techniques, minimize message exchange proactive and uses data aggregation to eliminate information redundant before it is transmitted to the base station (sink)

Se propone el utilizar TDMA (Time-Division Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access) con DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) usando códigos pseudo-ortogonales para la comunicación dentro de un clúster y sólo CDMA con DSSS usando códigos pseudo-ortogonales en todos los demás procesos de comunicación. Los clusters adyacentes a otro clúster usan diferentes códigos de ensanchamiento (spreading) y la reutilización espacial de los códigos proporciona escalabilidad. De esta forma se elimina la interferencia dentro de un clúster y se reduce la interferencia entre clusters. Además, nuestro protocolo de encaminamiento compensa los altos retardos de propagación del medio acuático usando un avance temporal (timing advance) continuamente ajustado combinado con tiempos de guardia (guard times) para minimizar las pérdidas de datos y mantener la calidad de las comunica-
ciones.
It is proposed to use TDMA (Time-Division Multiple Access) and CDMA (Code Division Multiple Access) with DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) using pseudo-orthogonal codes for communication within a cluster and only CDMA with DSSS using pseudo-orthogonal codes in all other communication processes. Clusters adjacent to another cluster use different spreading codes and spatial reuse of codes provides scalability. This eliminates interference within a cluster and reduces interference between clusters. In addition, our routing protocol compensates for high propagation delays in the aquatic environment using a continuously adjusted time advance combined with guard times to minimize data loss and maintain communication quality.
tion

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention A. Arquitectura del protocoloA. Protocol architecture

En esta sección se introduce un nuevo protocolo de encaminamiento adaptativo y capaz de organizarse a sí mismo que forma clusters usando un algoritmo distribuido.In this section a new protocol is introduced of adaptive routing and able to organize itself that form clusters using a distributed algorithm.

Para lograr desarrollar este protocolo, se han realizado una serie de suposiciones sobre los nodos de sensores submarinos y el modelo de red subyacente:To develop this protocol, they have made a series of assumptions about the sensor nodes submarines and the underlying network model:

1) Los nodos de sensores submarinos se mueven aleatoriamente.1) The underwater sensor nodes move randomly

2) Todos los nodos de sensores submarinos están restringidos en energía y tienen diferentes capacidades de batería máximas.2) All underwater sensor nodes are energy restricted and have different battery capacities maximum.

3) Los nodos de sensores submarinos siempre disponen de datos listos para ser enviados a la estación base. Todos los nodos tienen capacidades similares de cálculo y procesamiento, y son capaces de realizar funciones de procesamiento de señal.3) The underwater sensor nodes always They have data ready to be sent to the base station. All nodes have similar calculation capabilities and processing, and are capable of performing processing functions signal

4) Todos los nodos de sensores submarinos pueden realizar control de potencia para ajustar su potencia de transmisión.4) All underwater sensor nodes they can perform power control to adjust their power transmission.

La primera suposición motiva la necesidad de diseñar un nuevo protocolo de encaminamiento que sea robusto frente a la rotura de un enlace por causa de la movilidad. Las suposiciones segunda y tercera motivan la necesidad de desarrollar un protocolo de encaminamiento que tenga en cuenta la conservación de la energía.The first assumption motivates the need for design a new routing protocol that is robust against to the breaking of a link due to mobility. The second and third assumptions motivate the need to develop a routing protocol that takes conservation into account of energy

El funcionamiento de este protocolo de encaminamiento se ilustra en la Fig. 1. Los nodos se organizan a sí mismos en clusters locales y un nodo es seleccionado como cluster-head único para cada clúster. Todos los nodos no cluster-heads transmiten sus datos a su cluster-head en un solo salto, mientras que el nodo cluster-head recibe datos de todos los miembros del clúster, realiza funciones de procesado de señal sobre los datos (por ejemplo, agregación de datos) y transmite estos datos a la fuente (por medio de otros cluster-heads que actúan como nodos intermedios) usando encaminamiento multisalto. Los nodos próximos el uno al otro procesan muy frecuentemente datos correlados porque monitorizan el mismo fenómeno y con la ayuda de las técnicas de agregación los datos efectivos no redundantes pueden ser extraídos por el cluster-head y enviados a la estación base. Así se ahorra energía. Los cluster-heads son responsables de la coordinación entre nodos dentro de los clusters y la comunicación entre sí.The operation of this protocol of routing is illustrated in Fig. 1. The nodes organize themselves same in local clusters and a node is selected as Unique cluster-head for each cluster. All the no cluster-heads nodes transmit their data to their cluster-head in a single jump while the node cluster-head receives data from all members of the cluster, performs signal processing functions on the data (for example, data aggregation) and transmits this data to the source (through other cluster-heads that act as intermediate nodes) using multi-hop routing. Nodes next to each other process data very frequently correlated because they monitor the same phenomenon and with the help of aggregation techniques effective data not redundant can be extracted by the cluster-head and sent to the base station. This saves energy. The cluster-heads are responsible for coordination between nodes within clusters and communication with each other.

Este protocolo de encaminamiento incorpora rotación aleatoria del cluster-head entre los sensores para evitar agotar la batería de cualquier sensor submarino que pertenezca a la red. De esta forma, se distribuye tanto el consumo de energía como la carga de tráfico.This routing protocol incorporates random rotation of the cluster-head between sensors to avoid draining the battery of any underwater sensor that belongs to the network. In this way, both the Energy consumption as traffic load.

La operación de este protocolo de encaminamiento se divide en rondas (véase la Fig. 2). Todos los clusters se forman durante la fase de establecimiento o proceso de creación de clusters y la transferencia de datos tiene lugar durante la fase estable o fase de operación de red.The operation of this routing protocol It is divided into rounds (see Fig. 2). All clusters are formed during the establishment phase or creation process of clusters and data transfer takes place during the phase stable or network operation phase.

Durante la fase de operación de red varias tramas son enviadas al cluster-head; una trama está formada por varios mensajes de datos que los nodos no cluster-heads envían al cluster-head usando una planificación (schedule) (cada sensor no cluster-head envía un mensaje de datos consumiendo un tiempo de slot). Más tarde, ambas fases son repetidas periódicamente. Debe asegurarse que la fase de operación de red es larga comparada con el proceso de creación de clusters para minimizar la señalización y mejorar el rendimiento del protocolo de encaminamiento.During the network operation phase several frames are sent to the cluster-head; a plot is formed by several data messages that nodes do not cluster-heads send to cluster-head using a schedule (each non-cluster-head sensor sends a message from data consuming a slot time). Later, both phases are Repeated periodically. You must ensure that the operation phase network is long compared to the process of creating clusters to minimize signaling and improve the performance of the routing protocol

B. Algoritmo de selección de cluster-headsB. Algorithm of selection of cluster-heads

El algoritmo de selección de cluster-heads permite elegir un cierto número de cluster-heads durante el proceso de creación de clusters.The selection algorithm of cluster-heads allows you to choose a certain number of cluster-heads during the process of creating clusters

La selección de cluster-head se basa en dos parámetros:The cluster-head selection is based on two parameters:

Un parámetro principal (energía residual del nodo) se usa para seleccionar un grupo inicial de cluster-heads, y un parámetro secundario (coste) se usa para casos conflictivos. Se produce un caso conflictivo cuando dos nodos dentro del mismo rango el uno respecto del otro, anuncian su voluntad de convertirse en cluster-heads.A main parameter (residual energy of node) is used to select an initial group of cluster-heads, and a secondary parameter (cost) is Use for conflicting cases. A conflicting case occurs when two nodes within the same range with respect to each other, announce his willingness to become cluster-heads.

Un nodo inicialmente establece su probabilidad de convertirse en cluster-head de la siguiente forma:A node initially establishes its probability of becoming cluster-head of the following shape:

1one

donde C_{i} representa el nivel de batería actual (energía residual del nodo), y C_{MAX} representa la capacidad de batería máxima. C_{prob} es una fracción pequeña constante usada para establecer un porcentaje inicial de cluster-heads, limitando así el número de nodos que se proclama a sí mismo como cluster-heads. No se permite que CH_{prob} sea inferior a una pequeña probabilidad denominada p_{min} esta restricción es necesaria para aumentar la probabilidad de que algunos nodos se proclamen cluster-heads incluso si los niveles de batería de todos los sensores son escasos para asegurar que el protocolo de encaminamiento continuará funcionando correctamente.where C i represents the current battery level (residual energy of the node), and C MAX represents the maximum battery capacity. C prob is a constant small fraction used to establish an initial percentage of cluster-heads, thus limiting the number of nodes that proclaims itself as cluster-heads. CH prob is not allowed to be less than a small probability called p min. This restriction is necessary to increase the probability that some nodes are proclaimed cluster-heads even if the battery levels of all sensors are low. to ensure that the routing protocol will continue to function correctly.

El segundo parámetro, llamado coste, es una estimación del coste de comunicación, el cual es una función de la distancia entre fuente y destino. Cada nodo no cluster-head decide a qué clúster quiere pertenecer escogiendo aquel cluster-head que requiera la mínima energía de comunicación para llegar hasta él, y en consecuencia, se minimiza el nivel de potencia requerido para transmisión (suponemos que un nodo puede realizar control de potencia). La potencia de transmisión es directamente proporcional a la distancia entre nodos sensores en escenarios con agua poco profunda (con una profundidad marina inferior a 100 m). Por lo tanto, cada nodo no cluster-head debe calcular su distancia (coste) hacia cada cluster-head vecino con la ayuda de métodos basado en tiempo de llegada acústica (acoustic-only Time-of-Arrival (ToA)) (por ejemplo, midiendo el tiempo de ida y vuelta (round-trip time) que experimenta una señal acústica) y seleccionar el cluster-head más próximo.The second parameter, called cost, is a estimate of the cost of communication, which is a function of the Distance between source and destination. Each node does not cluster-head decides which cluster you want to belong to choosing that cluster-head that requires the minimum communication energy to reach it, and in consequently, the level of power required for transmission (we assume that a node can control power). The transmission power is directly proportional at the distance between sensor nodes in scenarios with little water deep (with a marine depth of less than 100 m). For the therefore, each non-cluster-head node must calculate its distance (cost) to each neighboring cluster-head with Method assistance based on acoustic arrival time (acoustic-only Time-of-Arrival (ToA)) (by example, measuring round trip time (round-trip time) experiencing a signal acoustics) and select the cluster-head more next.

Durante el proceso de creación de clusters, los nodos examinan cual es su nivel de energía sobrante y calculan su probabilidad de convertirse en cluster-head CH_{prob}. Si CH_{prob} se encuentra por encima de un valor aleatorio entre 0 y 0.5, ese nodo se escoge a sí mismo como cluster-head y envía un mensaje de anuncio a sus vecinos usando CDMA.During the process of creating clusters, the nodes examine their excess energy level and calculate their probability of becoming a cluster-head CH prob. If CH prob is above a random value between 0 and 0.5, that node chooses itself as a cluster-head and sends an announcement message to its neighbors using CDMA.

Durante esta fase, cada nodo sensor procesa los anuncios recibidos por parte de los cluster-heads y selecciona el cluster-head con menor coste. Después de que cada nodo haya escogido a qué clúster quiere pertenecer, debe informar al cluster-head. Cada nodo transmite un mensaje de petición de pertenencia a ese clúster de vuelta hacia el cluster-head elegido usando CDMA. Este mensaje es corto y contiene el identificador del nodo y el identificador del cluster-head. Si un nodo no ha recibido ningún anuncio por parte de algún cluster-head, debe enviar directamente sus datos hacia la estación base.During this phase, each sensor node processes the Ads received by cluster-heads and select the cluster-head with lower cost. After that each node has chosen which cluster it wants to belong to, You must inform the cluster-head. Each node transmits a membership request message to that cluster back towards the cluster-head chosen using CDMA. This message It is short and contains the node identifier and the identifier of the cluster-head. If a node has not received any announcement by some cluster-head, must Send your data directly to the base station.

Como resultado, los nodos con mayor energía residual son los que se proclaman como cluster-heads y se gasta un menor coste en comunicación. Además, el cálculo de CH_{prob} permite que nodos heterogéneos con diferente capacidades máximas de batería participen en la red en igualdad de condiciones.As a result, the nodes with the highest residual energy are those that are proclaimed as cluster-heads and a lower cost is spent on communication. Furthermore, the calculation of CH {prob} allows heterogeneous nodes with different maximum capacities of battery involved in the network equal.

El número esperado de nodos cluster-head usando este algoritmo es:The expected number of nodes cluster-head using this algorithm is:

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C. Algoritmo de formación de clúster y fase de operación de redC. Cluster formation algorithm and operation phase network

Después del proceso de creación de clusters, cada cluster-head sabe qué nodos pertenecen a su clúster. Ahora el cluster-head debe coordinar las transmisiones de datos en su propio clúster. El cluster-head establece una planificación (schedule) con TDMA (Time-Division Multiple Access) y transmite esta planificación usando CDMA a los miembros del clúster. TDMA ha sido seleccionado como protocolo MAC (Medium Access Control) dentro de un clúster porque evita colisiones entre miembros que no son cluster-head y porque permite que los nodos no cluster-heads estén inactivos mientras no transmiten; por consiguiente, permanecen en el modo dormido (sleep) y así se logra reducir el consumo de energía. En la Fig. 3 podemos ver un ejemplo de la coordinación de la transmisión de datos en un clúster con 3 nodos miembros (además del cluster-head). El cluster-head planifica a qué nodo le corresponde transmitir cada vez y cuando empezará su transmisión. Después envía la planificación a los miembros del clúster.After the cluster creation process, each cluster-head knows which nodes belong to its cluster. Now the cluster-head must coordinate the data transmissions in its own cluster. He cluster-head sets a schedule with TDMA (Time-Division Multiple Access) and transmit this planning using CDMA to the members of the cluster. TDMA has been selected as MAC protocol (Medium Access Control) within a cluster because it avoids collisions between members that are not cluster-head and because it allows that no cluster-head nodes are inactive while not transmitting; therefore they remain in mode asleep (sleep) and thus reduce energy consumption. In the Fig. 3 we can see an example of the coordination of the transmission of data in a cluster with 3 member nodes (in addition to the cluster-head). Cluster head plan to which node it belongs to transmit each time and when It will begin its transmission. Then send the planning to the cluster members.

Un problema importante en las comunicaciones submarinas es el hecho de que los mensajes de datos de diferentes miembros de clúster podrían solaparse en el cluster-head debido a los altos y diferentes retardos de propagación que experimentan en el medio submarino, resultando en una baja calidad de transmisión e incluso en pérdidas de comunicaciones. La solución propuesta es que cada nodo sensor avance su transmisión en relación con su recepción un tiempo para compensar el retardo de propagación. Este valor es llamado avance temporal (timing advance), un concepto usado en otros sistemas de comunicaciones como GSM (Global System for Mobile Communications). El valor de avance temporal (timing advance) para cada nodo puede ser calculado solamente por el cluster-head, y después éste lo envía a los nodos de sensores submarinos de la red incluidos en la planificación TDMA.A major problem in communications underwater is the fact that data messages from different cluster members could overlap in the cluster-head due to the tall and different propagation delays that they experience in the underwater environment, resulting in low transmission quality and even losses of communications. The proposed solution is that each sensor node advance your transmission in relation to your reception a time to compensate the propagation delay. This value is called advance temporal advance, a concept used in other systems of communications such as GSM (Global System for Mobile Communications). The timing advance value for each node can be calculated only by the cluster-head, and then it sends it to the underwater sensor nodes of the network included in TDMA planning.

Cuando un cluster-head sabe qué nodos pertenecerán a su clúster, les envía una señal acústica con el fin de medir el tiempo de ida y vuelta (round-trip) y como resultado estimar el retardo de propagación para cada nodo no cluster-head en su clúster con la ayuda de las técnicas ToA (Time of Arrival).When a cluster-head knows what nodes will belong to your cluster, send them an acoustic signal with in order to measure the round trip time (round-trip) and as a result estimate the delay of propagation for each no cluster-head node in its cluster with the help of ToA (Time of Arrival) techniques.

Supóngase que los nodos N_{1}, N_{2}, N_{3} ... N_{f} se han asociado al clúster con cluster-head CH_{j}; entonces el cluster-head envía señales acústicas para saber los retardos de propagación de sí mismo a cada miembro del clúster, los cuales son \tau_{1}, \tau_{2}, \tau_{3} ... \tau_{f} respectivamente.Assume that the nodes N 1, N 2, N 3 ... N f have been associated with the cluster with cluster-head CH j; then the cluster-head sends acoustic signals to know the propagation delays of itself to each member of the cluster, which are \ tau_ {1}, \ tau_ {2}, \ tau_ {3} ... \ tau_ {f } respectively.

El nodo cluster-head comprueba qué nodo tiene el retardo de propagación máximo:The cluster-head node checks Which node has the maximum propagation delay:

33

donde NCH es el subconjunto formado por los nodos no cluster-heads que pertenecen al clúster con cluster-head CH_{j}.where NCH is the subset formed by the non-cluster-head nodes that belong to the cluster with cluster-head CH j.

El cluster-head sabe que una vez que la planificación ha sido enviada a los miembros del clúster, el nodo N_{l} con el mayor retardo de propagación la recibirá solamente después de \tau_{l}; por consiguiente establece (una vez las planificaciones han sido enviadas) una referencia o momento de inicio para la transmisión después de \tau_{l}, (reference starting moment); esto significa que los nodos N_{1}, N_{2}, N_{3} ... N_{f}, los cuales reciben sus planificaciones solamente después de \tau_{1}, \tau_{2}, \tau_{3} ... \tau_{f}, deberán esperar una vez hayan recibido sus planificaciones un tiempo \tau_{1} - \tau_{1}, \tau_{1} - \tau_{2}, \tau_{1} - \tau_{3} ... \tau_{l} - \tau_{f}; así, nos aseguramos de que todos los nodos ajusten el mismo instante de inicio como referencia a la vez. Los nodos deben procesar la planificación usando t_{proc}, aunque los tiempos de procesamiento son despreciables en comparación con los retardos de propagación. En el ejemplo de la Fig. 3 el cluster-head ha enviado señales acústicas para estimar los retardo de propagación de cada nodo hacia sí mismo, que son \tau_{1}, \tau_{2} y \tau_{3} para los nodos N_{1}, N_{2} y N_{3}, respectivamente. El cluster-head establece un momento de inicio para la transmisión o referencia adecuado para todos los nodos, teniendo en cuenta que el nodo N_{3} tiene el retardo de propagación mayor y por tanto recibirá la planificación después de \tau_{3}.The cluster-head knows that once the schedule has been sent to the cluster members, the node N l with the greatest propagation delay will receive it only after \ tau_ {l}; therefore it establishes (once the schedules have been sent) a reference or start time for transmission after \ tau_ {l}, (reference starting moment); this means that the nodes N 1, N 2, N 3 ... N f, which receive their schedules only after ta 1, ta 2 , \ tau_ {3} ... \ tau_ {f}, they must wait once they have received their schedules for a time \ tau_ {1} - \ tau_ {1}, \ tau_ {1} - \ tau_ {2}, \ tau_ {1} - \ tau_ {3} ... \ tau_ {l} - \ tau_ {f}; Thus, we ensure that all nodes adjust the same start time as a reference at the same time. The nodes must process the schedule using t proc, although processing times are negligible compared to propagation delays. In the example of Fig. 3 the cluster-head has sent acoustic signals to estimate the propagation delay of each node towards itself, which are \ tau_ {1}, \ tau_ {2} and \ tau_ {3} for nodes N 1, N 2 and N 3, respectively. The cluster-head sets a start time for transmission or suitable reference for all nodes, considering that the N {3} node has the propagation delay greater and therefore receive planning after \ tau {3} .

Las tramas son enviadas al cluster-head; las tramas se dividen en slots de tiempo y cada slot de tiempo se ocupa para transmitir un mensaje de datos de un nodo diferente;The frames are sent to cluster-head; the frames are divided into slots of time and each time slot is used to transmit a message from data from a different node;

La duración de una trama se fija a k \times T_{slot}, donde k representa el número de slots de tiempo de una trama y este valor es igual al número de miembros de un clúster que no son cluster-head (el número de miembros de un clúster menos el cluster-head); el valor k varía dependiendo del número de miembros de un clúster que no son cluster-head en cada clúster; si en media hay \frac{\mathit{N}}{\mathit{z}} nodos por clúster, k = \left(\frac{\mathit{N}}{\mathit{z}} - 1 \right).The duration of a frame is set to k \ times T slot, where k represents the number of time slots in a frame and this value is equal to the number of members of a cluster that are not cluster-head (the number of members of a cluster minus the cluster-head); the value k varies depending on the number of members of a cluster that are not cluster-head in each cluster; if on average there are \ frac {\ mathit {N}} {\ mathit {z}} nodes per cluster, k = \ left (\ frac {\ mathit {N}} {\ mathit {z}} - 1 \ right) .

Una ronda puede ser definida como un periodo de tiempo donde los clusters se organizan y las tramas se transmiten desde los miembros del clúster al cluster-head. Una trama está formada por una serie de mensajes de datos que cada nodo no cluster-head envía al cluster-head usando una planificación (cada nodo sensor no cluster-head envía un mensaje de datos consumiendo un slot temporal). Cuando comienza el envío de la primera trama, el número de turnos t se inicializa a 0 y cada nodo debe enviar un mensaje de datos en este primer turno. Los nodos son clasificados de acuerdo con sus retardos de propagación desde los más pequeños a los más grandes y se ha decidido que los nodos deben enviar información en este orden, porque de este modo el cluster-head sólo debe esperar \tau_{S} segundos (retardo de propagación menor) la transmisión de la primera trama y de aquí en adelante las tramas son enviadas ininterrumpidamente. Esto significa que en esta planificación el nodo con el mínimo retardo de propagación \tau_{S} debe comenzar a enviar un mensaje de datos en T_{inicio_{s}} (momento inicial de referencia) consumiendo un tiempo de slot. El nodo con el segundo mínimo retardo de propagación es el siguiente y así continúa el proceso. Con este orden de transmisión se ahorra un cierto retardo extra.A round can be defined as a period of time where clusters are organized and frames are transmitted from the cluster members to the cluster-head. A frame consists of a series of data messages that each non-cluster-head node sends to the cluster-head using a schedule (each non-cluster-head sensor node sends a data message consuming a temporary slot). When the first frame is sent, the number of shifts t is initialized to 0 and each node must send a data message on this first turn. The nodes are classified according to their propagation delays from the smallest to the largest and it has been decided that the nodes should send information in this order, because in this way the cluster-head should only wait for \ tau_ {S} seconds (minor propagation delay) the transmission of the first frame and henceforth the frames are sent uninterruptedly. This means that in this planning node with minimum propagation delay \ {S} tau should start sending a data message at T {inicio_ {s}} (initial time reference) consuming a time slot. The node with the second minimum propagation delay is as follows and so the process continues. With this transmission order a certain extra delay is saved.

El segundo nodo N_{s+1} debe comenzar la transmisión de su primer mensaje de datos en:The second node N s + 1 must begin the transmission of its first data message at:

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donde T_{slot_{s}} significa tiempo de transmisión (usando un slot temporal) del primer mensaje de datos del nodo N_{s}.where T slot_ {s} means transmission time (using a temporary slot) of the first data message of node N_ {s}.

El tercer nodo N_{s+2} debe comenzar su transmisión en:The third node N s + 2 must begin its transmission at:

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En general, el nodo N_{s+i}, debe comenzar la transmisión de su primer mensaje de datos en:In general, node N s + i, must begin transmitting its first data message at:

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Finalmente, el último nodo N_{s+u} transmite su primer mensaje de datos. Cuando todos lo nodos han enviado un mensaje de datos, se transmite una trama completa; el número de turnos t se incrementa en 1, i se inicializa a 0 para cada nuevo turno y el proceso se repite en el mismo orden de transmisión. En general, el nodo N_{s+i}, debe comenzar la transmisión de su (t + 1) -ésimo mensaje de datos en orden en:Finally, the last node N s + u transmits its first data message. When all nodes have sent a data message, a full frame is transmitted; the number of turns t is increased by 1, i is initialized to 0 for each new turn and the process is repeated in the same order of transmission. In general, node N s + i, must begin the transmission of its ( t + 1) -th message of data in order in:

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donde u representa el número de nodos que transmite menos 1.where u represents the number of nodes that transmits minus 1.

Suponemos que los tiempos de transmisión de los mensajes de datos son suficientemente largos de forma que cada instante de transmisión T_{inicio_{s+1}} \geq 0.We assume that the transmission times of the data messages are long enough so that each instant of transmission T start_ {s + 1} \ geq 0.

En el ejemplo de la Fig. 3 los nodos se clasifican de acuerdo a sus retardos de propagación, desde el nodo con el retardo de propagación menor hasta el nodo con el retardo de propagación mayor, en el orden N_{1}, N_{2} y N_{3}, y deben enviar tramas en este orden; así disminuye el tiempo de recepción de la primera trama.In the example of Fig. 3 nodes are classified according to their propagation delays, from the node with the propagation delay less to the node with the propagation delay greater in the order N {1}, N {2} and {3} N, and should send frames in this order; thus decreases the reception time of the first frame.

Hasta ahora se ha asumido que el retardo de propagación es el mismo para cada mensaje de datos enviado por un nodo sensor en particular, pero en realidad el retardo de propagación varía debido a las fluctuaciones de canal causadas por el movimiento relativo del transmisor, receptor o las superficies de scattering. Por consiguiente, con el fin de lograr evitar colisiones entre dos miembros de un clúster cuyos mensajes de datos llegan simultáneamente al mismo cluster-head, hemos decidido que cada nodo reserve un periodo de tiempo llamado "tiempo de guardia" de la duración de su transmisión. Este periodo permite que la información alcance una cierta distancia sin que exista interferencia causada por alguna transmisión posterior. El establecimiento de un avance temporal (timing advance) reduce considerablemente la longitud del tiempo de guardia, el cual tiene una duración de una décima parte del slot temporal.So far it has been assumed that the delay of propagation is the same for each data message sent by a sensor node in particular, but in reality the delay of propagation varies due to channel fluctuations caused by the relative movement of the transmitter, receiver or the surfaces of scattering Therefore, in order to avoid collisions between two members of a cluster whose data messages arrive simultaneously to the same cluster-head, we have decided that each node reserves a period of time called "guard time" of the duration of its transmission. This period allows the information to reach a certain distance without that there is interference caused by some subsequent transmission. The establishment of a temporary advance reduces considerably the length of guard time, which has a duration of one tenth of the temporary slot.

Después de haber transmitido una trama al cluster-head, se requiere consumir un tiempo de slot para realizar el mantenimiento del clúster; los nodos van cambiando de posición a lo largo del tiempo debido a la movilidad y resulta necesario modificar los miembros de un clúster así como las planificaciones TDMA en concordancia con estos cambios. El funcionamiento del algoritmo de mantenimiento de clusters se explica en la sección siguiente.After having transmitted a plot to cluster-head, it is required to consume a time of slot to perform cluster maintenance; the nodes go changing position over time due to mobility and it is necessary to modify the members of a cluster as well as the TDMA schedules in accordance with these changes. He Cluster maintenance algorithm operation is explained in the next section.

Cuando un cluster-head ha recibido un mensaje de datos de cada miembro de su clúster, realiza funciones de procesado de señal para comprimir esos datos junto a su propio mensaje de datos en una sola señal. La señal compuesta es enviada a la estación base a través de otros cluster-heads usando CDMA y encaminamiento multisalto. Cada cluster-head CH_{i} selecciona como próximo salto para reenviar sus tramas hacia la estación base S el cluster-head adyacente CH_{j} (que minimiza la distancia CH_{i} - CH_{j}) y satisface:When a cluster-head has received a data message from each member of its cluster, it performs signal processing functions to compress that data together with its own data message into a single signal. The composite signal is sent to the base station through other cluster-heads using CDMA and multi-hop routing. Each cluster-head CH i selects as next hop to forward its frames to the base station S the adjacent cluster-head CH j (which minimizes the distance CH i - CH j) and satisfies:

distancia CH_{i} - CH_{j} < distancia CH_{i} - S \hskip0,5cm y \hskip0,5cm distancia CH_{i} - S < distancia CH_{i} - S distance CH i - CH j <distance CH i - S \ hskip0.5cm and \ hskip0.5cm distance CH i - S <distance CH i - S

CH_{i} conoce la distancia CH_{j} -S porque el mensaje de anuncio enviado por CH_{j} durante la fase de establecimiento incluye esta información. Las distancias son calculadas con la ayuda de las técnicas ToA. CH i knows the distance CH j- S because the announcement message sent by CH j during the establishment phase includes this information. The distances are calculated with the help of ToA techniques.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
D. Mantenimiento de clustersD. Cluster Maintenance

Los nodos sensores en los entornos acústicos submarinos se mueven y en consecuencia la organización de clusters queda alterada así como las planificaciones TDMA. El algoritmo de mantenimiento de clusters funcionaría de la forma siguiente:The sensor nodes in acoustic environments submarines move and consequently the organization of clusters is altered as well as TDMA planning. The algorithm of Cluster maintenance would work as follows:

Durante el slot temporal reservado para propósitos de mantenimiento cada nodo no cluster-head debe estimar su retardo de propagación hacia su cluster-head en su clúster con a ayuda de las técnicas ToA. Si este retardo es \beta % mayor que el mismo parámetro calculado durante la fase de establecimiento, el nodo debe volver a estimar otra vez la distancia a cada vecino cluster-head que se había anunciado a sí mismo durante la fase de establecimiento usando técnicas ToA y después debe seleccionar el cluster-head vecino que esté más próximo. Si ahora se elige un cluster-head diferente al cluster-head previamente seleccionado, el nodo debe enviar un mensaje para unirse al nuevo clúster y otro mensaje para dejar el clúster anterior. Entonces, los cluster-heads afectados deben recalcular las planificaciones TDMA y enviarlas a los miembros de sus clusters.During the temporary slot reserved for maintenance purposes every node does not cluster-head should estimate its propagation delay to your cluster-head in your cluster with the help of ToA techniques. If this delay is β% greater than the same parameter calculated during the establishment phase, the node must re-estimate the distance to each neighbor again cluster-head that had announced itself during the establishment phase using ToA techniques and then you must select the neighboring cluster-head that is closer. If a cluster-head is now chosen different from the previously selected cluster-head, the node must send a message to join the new cluster and another message to leave the previous cluster. Then the affected cluster-heads should recalculate the TDMA schedules and send them to the members of your clusters

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
E. Protocolos MACE. MAC protocols

El ancho de banda limitado y los altos retardos de propagación del canal acústico submarino imponen restricciones severas para el diseño de protocolos MAC (Medium Access Control). Se propone usar TDMA y CDMA (Code Division Multiple Access) con DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) usando códigos pseudo-ortogonales para la comunicación dentro de un clúster y sólo CDMA con DSSS usando códigos pseudo-ortogonales en todos los demás procesos de comunicación.Limited bandwidth and high delays propagation of the underwater acoustic channel impose restrictions severe for the design of MAC protocols (Medium Access Control). It is proposed to use TDMA and CDMA (Code Division Multiple Access) with DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) using codes pseudo-orthogonal for communication within a cluster and only CDMA with DSSS using codes pseudo-orthogonal in all other processes of communication.

Se ha asumido en el diseño del protocolo de encaminamiento que cada nodo tiene un banco de filtros correladores para obtener datos de diferentes códigos de ensanchamiento (spreading). Un banco de receptores multiusuario es capaz de soportar niveles de interferencia altos para obtener datos de diferentes códigos de spreading.It has been assumed in the design of the protocol of routing that each node has a correlator filter bank to obtain data from different spreading codes (spreading) A multi-user receiver bank is capable of withstand high interference levels to obtain data from Different spreading codes.

El funcionamiento del protocolo de encaminamiento puede describirse como sigue:The operation of the protocol routing can be described as follows:

Cada nodo que se escoge a sí mismo como cluster-head, selecciona aleatoriamente un único código de spreading para enviar mensajes de aviso a sus vecinos. Si un cluster-head candidato acaba de escuchar algún mensaje de anuncio previo de otro cluster-head, usa otro código de spreading único y diferente. Si un nodo recibe dos mensajes de aviso procedentes de dos cluster-heads distintos que utilizan el mismo código de spreading, el nodo debe avisar a uno de ellos acerca de la situación para que éste reenvíe de nuevo un mensaje de anuncio usando un nuevo código de spreading diferente que invalide el anterior. Si no hay más códigos de spreading disponibles, no es posible que un nodo se declare a sí mismo como cluster-head.Each node that chooses itself as cluster-head, randomly select a single spreading code to send warning messages to your neighbors. Yes a cluster-head candidate just heard some previous announcement message from another cluster-head, use another unique and different spreading code. If a node receives two warning messages from two cluster-heads different that use the same spreading code, the node must notify one of them about the situation so that it resends again an announcement message using a new spreading code different than invalidates the previous one. If there are no more codes spreading available, it is not possible for a node to declare itself same as cluster-head.

Una de las ventajas de usar un protocolo basado en clusters es que se necesita un código de spreading diferente por clúster y no por nodo; por lo tanto, el número de códigos no se extingue tan rápidamente. Los clusters adyacentes a otro clúster usan diferentes códigos de spreading y se logra la escalabilidad mediante la reutilización espacial de los mismos.One of the advantages of using a protocol based in clusters is that a different spreading code is needed by cluster and not per node; therefore, the number of codes is not It extinguishes so quickly. Clusters adjacent to another cluster use different spreading codes and scalability is achieved by spatial reuse of them.

Cuando un nodo contesta a un mensaje de anuncio de un cluster-head particular para unirse a su clúster, usa el mismo código de spreading que utilizó en su momento el cluster-head. Todos los nodos no cluster-heads envían sus datos al cluster-head usando TDMA y el mismo código de spreading, y de nuevo el mismo código es utilizado cuando el cluster-head envía sus datos agregados hacia la estación base usando encaminamiento multisalto.When a node replies to an announcement message of a particular cluster-head to join your cluster, use the same spreading code that you used at the time the cluster-head All nodes not cluster-heads send their data to cluster-head using TDMA and the same code of spreading, and again the same code is used when the cluster-head sends its aggregated data to the base station using multi-hop routing.

Las ventajas de usar CDMA/TDMA son que la interferencia dentro de un clúster es eliminada y la interferencia entre clusters queda reducida con la asignación de un código basado en la transmisión. La interferencia dentro de un clúster se elimina porque los nodos no cluster-heads transmiten en orden usando un esquema TDMA. La interferencia entre clusters se reduce porque los clusters adyacentes a otro clúster usan un código de transmisión diferente.The advantages of using CDMA / TDMA are that the interference within a cluster is eliminated and interference between clusters is reduced with the allocation of a code based in the transmission. Interference within a cluster is eliminated because no cluster-heads nodes transmit in order using a TDMA scheme. Interference between clusters is reduce because clusters adjacent to another cluster use a code of different transmission.

Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

Para mejorar la compresión de cuanto queda descrito en la presente memoria, se adjuntan una serie de figuras. Las figuras Fig. 1 y Fig. 2, ya se han comentado anteriormente en la descripción del nuevo protocolo de encaminamiento.To improve the compression of how much is left described herein, a series of figures are attached. Figures Fig. 1 and Fig. 2, have already been discussed previously in the description of the new routing protocol.

En la figura Fig. 3 anteriormente comentada podemos ver un ejemplo del algoritmo de formación de clusters y de la fase de operación de red con un cluster-head y tres nodos miembros del clúster. Las figuras Fig. 4 y Fig. 5 ilustran un ejemplo de asignación de códigos entre clusters. La Fig. 5 muestra la estructura de una trama para la partición de red ilustrada en la Fig. 4.In the figure Fig. 3 previously commented we can see an example of the clustering algorithm and of the network operation phase with a cluster-head and three cluster member nodes. Figures Fig. 4 and Fig. 5 they illustrate an example of code assignment between clusters. The Fig. 5 shows the structure of a frame for the network partition illustrated in Fig. 4.

Exposición de un modo de realizaciónExhibition of an embodiment

El funcionamiento de este protocolo de encaminamiento se ilustra en las figuras Fig. 3, Fig. 4 y Fig. 5. En la Fig. 4 puede observarse como durante la fase de establecimiento del protocolo de encaminamiento la red submarina ha quedado dividida en 8 clusters, cada uno de los cuales consta de un cluster-head y tres o cuatro miembros no cluster-heads. Durante la fase de operación de red en cada clúster cada uno de sus miembros transmite mensajes de datos hacia el cluster-head utilizando el mismo código de spreading que los demás miembros. Las tramas que recibe un cluster-head están formadas por mensajes de datos, concretamente cada mensaje de datos pertenece a un miembro diferente del clúster. Como ejemplo podemos observar que en la Fig. 3 los miembros de un clúster transmiten información hacia el cluster-head siguiendo un orden específico (desde el nodo con menor retardo de propagación hasta el nodo con mayor retardo de propagación). Se planifica el inicio de envío de cada mensaje de datos para evitar que los mensajes de datos colisionen en el cluster-head y para conseguir que el cluster-head reciba continuamente mensajes de datos y de esta forma se aproveche mejor el ancho de banda.The operation of this protocol routing is illustrated in figures Fig. 3, Fig. 4 and Fig. 5. In Fig. 4 it can be observed how during the phase of establishment of the routing protocol the submarine network has It is divided into 8 clusters, each of which consists of a cluster-head and three or four members not cluster-heads. During the network operation phase in each cluster each of its members transmits messages from data to the cluster-head using the same spreading code than the other members. The frames that a cluster-head are made up of data messages, specifically each data message belongs to a member different from the cluster. As an example we can see that in Fig. 3 the members of a cluster transmit information to the cluster-head following a specific order (from the node with the lowest propagation delay to the node with the highest propagation delay). The start of each shipment is planned data message to prevent data messages from colliding in the cluster-head and to get the cluster-head continuously receive data messages and in this way the bandwidth is better used.

La Fig. 5 representa la estructura que tendrían algunos de estos mensajes de datos que se transmiten hacia el cluster-head (además de los datos se incluye un tiempo de guardia) y la estructura que tendría una trama típica que sería enviada por los miembros de un clúster a un cluster-head. Finalmente, el cluster-head añade su propio mensaje de datos a la trama recibida, realiza agregación de datos para eliminar la redundancia y envía la trama resultante hacia la estación base a través de una ruta multisalto que atraviesa varios cluster-heads. Después que el cluster-head haya recibido una trama proveniente de los miembros de su clúster, cada nodo debe dedicar un slot de tiempo al mantenimiento del cluster (con las operaciones que esto conlleve).Fig. 5 represents the structure they would have some of these data messages that are transmitted to the cluster-head (in addition to the data a guard time) and the structure that would have a typical plot that would be sent by the members of a cluster to a cluster-head Finally the cluster-head adds its own data message to the frame received, performs data aggregation to eliminate the redundancy and sends the resulting frame to the base station to through a multi-route route that crosses several cluster-heads. After the cluster-head has received a plot from members of your cluster, each node must dedicate a slot of time to cluster maintenance (with the operations that this entails).

Claims (4)

1. Protocolo de encaminamiento distribuido, basado en clusters, para redes de sensores inalámbricas submarinas, que organiza la red en clusters y selecciona un cluster-head para cada clúster caracterizado por:1. Distributed routing protocol, based on clusters, for wireless underwater sensor networks, which organizes the network into clusters and selects a cluster-head for each cluster characterized by:
el envío de información por parte de cada nodo en un único salto hacia el cluster-head y por la transmisión de los datos desde ese cluster-head, usando encaminamiento multisalto entre cluster-heads hacia la estación base (sink),sending information by each node in a single jump to the cluster-head and for the transmission of data from that cluster-head, using multisalt routing between cluster-heads to the base station (sink),
la selección del nodo que actúa como cluster-head siguiendo una rotación aleatoria entre sensores,the selection of node that acts as a cluster-head following a random rotation between sensors,
la elección de pertenencia a un clúster por parte de cada nodo no cluster-head, escogiéndose aquel cluster-head que requiera la mínima energía de comunicación para llegar hasta el nodo.the choice of membership in a cluster by each node not cluster-head, choosing that one cluster-head that requires the minimum energy of communication to reach the node.
2. Protocolo de encaminamiento según la reivindicación 1, caracterizado por usar agregación de datos para eliminar la información redundante antes de que sea transmitida hacia la estación base (sink).2. Routing protocol according to claim 1, characterized by using data aggregation to eliminate redundant information before it is transmitted to the base station (sink). 3. Protocolo de encaminamiento según reivindicaciones anteriores caracterizado por utilizar TDMA (Time-Division Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access) con DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) usando códigos pseudo-ortogonales para comunicación dentro de un clúster y sólo CDMA con DSSS usando códigos pseudo-ortogonales en todos los demás procesos de comunicación. Los clusters adyacentes a otro clúster usan diferentes códigos de ensanchamiento (spreading) y la reutilización espacial de los códigos proporciona escalabilidad.3. Routing protocol according to previous claims characterized by using TDMA (Time-Division Multiple Access) and CDMA (Code Division Multiple Access) with DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) using pseudo-orthogonal codes for communication within a cluster and only CDMA with DSSS using pseudo-orthogonal codes in all other communication processes. Clusters adjacent to another cluster use different spreading codes and spatial reuse of codes provides scalability. 4. Protocolo de encaminamiento según reivindicaciones anteriores caracterizado por compensar los altos retardos de propagación del medio acuático usando un avance temporal (timing advance) continuamente ajustado combinado con tiempos de guardia (guard times).4. Routing protocol according to previous claims characterized by compensating the high propagation delays of the aquatic environment using a continuously adjusted time advance combined with guard times.
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MURUGANATHAN S. D., "A centralized energy-efficient routing protocol for wireless sensor networks" IEEE Communication Magazine. Volumen 43 , Nº 3 ,14.03.2005, ISBN 0163-6804. Paginas S8-S13. Todo el documento. *
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