Home < Articles < Article Details
Propagation-Delay-Aware Analytical Comparison of CSMA/CA-Based MAC Mechanisms for Underwater Acoustic Sensor Networks
| Researcher(s): | |
|---|
| Institution: | Libyan National Authority for Scientific Research, Tripoli, Libya |
|---|
| Field: | Electrical, electronic and communication engineering |
|---|
| Published in: | 39th volume - July 2026 |
|---|
الملخص
تتطلّب شبكات الاستشعار الصوتية تحت الماء آليّاتٍ موزَّعة للنفاذ إلى الوسط، على الرغم من طول زمن تأخير الانتشار، ومحدوديّة عرض النطاق، وتغيّر ظروف القناة. تستخدم هذه الدراسة إطارًا تحليليًا واعيًا بتأخير الانتشار، مُنفَّذًا باستخدام MATLAB، لمقارنة أربع آليّات هي: CSMA/CA التقليدي، وUW-CSMA/CA، و CSMA/CA المزود بمتجه تخصيص الشبكة التكيُّفي (NAV) ، و CSMA/CA متعدّد الطبقات المعتمد على OFDM ، وذلك ضمن شبكة نجمية أحادية القفزة.
يعتمد النموذج على حملٍ شبكي إجمالي ثابت، وتحجيمٍ صريح لحمل التنافس، ونسبة انتشار أحادية الاتجاه على مستوى الوصلة، إلى جانب نسبة محافظة على مستوى طبقة MAC مبنيّة على أقصى مسافة ممكنة بين مصادر الإرسال. كما تُطبَّق معادلات موحَّدة لتمثيل خطأ الحزم، والتنافس على الوسط، واحتمال التصادم، والإنتاجية، وزمن تأخير الحزمة الناجحة، واستهلاك الطاقة عند جهة المصدر.
وتُقيَّم الآليّات أولًا بافتراض موثوقية متساوية للطبقة الفيزيائية، ثم يُجرى تحليل حساسية لدراسة أثر التحسّن المفترض في موثوقية OFDM. وتُظهر النتائج أن CSMA/CA المزود بـ NAV التكيُّفي يحقّق أعلى إنتاجية وأعلى احتمال لنجاح الحزمة في كل محاولة، مع أقل زمن تأخير وأدنى كلفة للطاقة ضمن أعداد العقد والمسافات والأحمال المعروضة التي جرى تقييمها. أمّا CSMA/CA متعدّد الطبقات المعتمد على OFDM فيصبح منافسًا عندما يُفترض تحسّنٌ قابل للتبرير في الموثوقية.
وتوصي الدراسة مستقبلًا بالتحقّق من الإطار المقترح باستخدام المحاكاة على مستوى الحزم، وتحليل BER/PER، والتحقّق الإحصائي، والمعايرة بالاستناد إلى التجارب البحرية..............
الكلمات المفتاحية:........... الشبكات الصوتية تحت الماء؛ CSMA/CA؛ تأخير الانتشار؛ NAV التكيفي؛ OFDM؛ التحكم في النفاذ إلى الوسط.
Abstract
Underwater acoustic sensor networks require distributed medium access despite long propagation delay, limited bandwidth, and variable channel conditions. This study used a propagation-delay-aware analytical framework in MATLAB to compare conventional CSMA/CA, UW-CSMA/CA, adaptive Network Allocation Vector (NAV) CSMA/CA, and cross-layer OFDM CSMA/CA in a single-hop star network. The model uses a fixed aggregate network load, explicit competing-load scaling, a one-way link-level propagation ratio, and a conservative MAC-level ratio based on maximum inter-source separation. Common equations are applied for packet error, contention, collision, throughput, successful-packet delay, and source-side energy. All mechanisms are first evaluated with equal physical-layer reliability, followed by an OFDM reliability sensitivity analysis. The results show that adaptive-NAV CSMA/CA provides the highest throughput and per-attempt packet success probability and the lowest delay and energy cost across the evaluated node counts, distances, and offered loads. Cross-layer OFDM becomes competitive only when a defensible reliability improvement is introduced. Future work should validate the framework using packet-level simulation, BER/PER analysis, statistical validation, and sea-trial calibration.............
Keywords: .............Underwater acoustic networks; CSMA/CA; propagation delay; adaptive NAV; OFDM; medium access control.
