Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l. 8 ,  No. 6 ,  D ece m ber   201 8 , pp.  4366 ~ 43 73   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI:   10 .11 591/ ijece . v 8 i 6 . pp 4366 - 43 73     4366       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   RMEER:  Reliabl e   Multi - path Energ y Efficient  Ro utin g  Protoc ol fo r Und erwate r  Wireles s  Sensor  Network       Mukhti ar Ah med 1 ,   M az le ena Salle h 2 ,  M   Ibra him  Cha n na 3 , M oh d   F oad  R ohani 4   1,2 ,4 Facul t y   of  C om puti ng,   Dep ar tment  of  Com pu te r  Sc ie nc e, Uni ver sit y   Te chn olo g y   Malay si a ,   Ma lay s ia   3 Facul t y   of  Sci e nce ,   Depa r tment   of  Inform ation  Te chno log y ,   Quaid - e - Aw am Uni ver sit y   Nawabsh ah  Sindh,   Pakist an       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Oct  5 , 2 01 7   Re vised  Jan  17 , 201 8   Accepte d  Ja n 3 1 , 2 01 8       Underwat er  W i rel ess  Sensor  Networks  (UWSN s)  is  int ere sting  area  for  rese arc h ers .   To   ext ra ct   the   infor m at ion  from   sea bed  to  wa te r  sur fac e   the  the   m aj ority   num be rs  of  routi ng  protoc ols  has  be e n  int roduc ed .  T he  design  of   routi ng  protoc o l s  fac es  m an y   c hal l enge s  li ke  d epl o y m ent   of  se nsor  nodes,   cont rolling  of  node  m obil ity ,   deve lopment  of  eff icient   ro ute   for  data   forwardi ng,   prol ong  the   batter y   power  o f  the   se nsor  nodes,   and  removal   of   void  nodes  from   active  da ta   for wardi ng  pa ths.  Thi s  rese arc h   ar ti cle  fo cuse s   the   design  of  t he  Rel i able  Multi pa th  Ene r g y   Eff icient   Rou ti n g  (RMEER)   which  dev el ops  the   e fficie nt   rou te   be twee n   sensor  nodes,   and  p rolongs  the  b at t er y   l ife  of  t he  nodes.  RME ER  is  a  sca la b le  and  robust   prot ocol   whi ch   uti lizes  the   pow erf ul  fixe d  cour ie r  nodes  in  ord er  to  enha n ce   t he  net work  throughput ,   d ata   del iv er y   ra ti o ,   net work  li f et ime   and  red u ce s  th e   end - to - end   del a y .   RMEER   is  al so  an  en erg y   ef fi ci en t  rou ting  protoc o l  for   saving  th e  ene rg y   le ve l  of  t he  nodes .   W e  ha ve  used  th e  NS 2. 30  sim ula tor  wit h  AquaSim   pac kag e  for  p erf orm anc e  anal y sis  of  RME ER. W e  observe d  tha t  th e   sim ula ti on  p erf o rm anc e  of   RME ER  is b et t er  tha n   D - DBR   protoc o l .   Ke yw or d:   Energy   e ff ic ie nt   Locali zat ion   Mult i - path   Rou ti ng    Unde rw at er   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Mukhti ar  Ah m ed ,    Dep a rt m ent o f C om pu te r  Scie nce,   Faculty   of Com uting ,   UTM,  Sku dai,  Jo ha r   Be hru,  Ma la ysi a.   Em a il :  m uk htiar.a@ gm ai l.com       1.   INTROD U CTION   Unde rw at er  W irel ess  Sensor  Netw ork  ( U WSN )  el a borates   the  wides pr ea d  ap plica ti on s  li ke  assist ed  nav i gation,  oil  and  gas ,  m inerals,  sei sm ic   mo nito rin g,  disa ste r  preve ntio n  et c   [ 1 ] ,   [ 2 ] .  F r om   the  bo tt om   of  the   sea  the  inform at ion   retrieval  so urce  is  sens or  node,   the  de pl oy m ent  of   sen so r  nodes  with   ro utin g  pr oto c ol  is  on e   of  th e  c ompli cat ed  ta sk s   du e   to  t he  e nv i ronm ental   conditi on s   of  unde r  wate r.   In  un de rw at er   en vir onm ent   the  rad i o  sig na li ng   can not  work   well   du e  to  l ong  dista nces  on ly   at   low  f re qu e ncies  ( 30 - 300Hz )  w hich   r equ i re  la rg e  ante nna  and   high  tra nsm issi on   powe r   [ 3 ] ,   [ 4 ] .  O ptica l  sign al s  are   good  en ough  for  cl ean  wate r  with   po i nt  to  point  com m un ic at ion ;h ow e ve r   opti cal   sign al s  ca nnot  w ork  well   in  un derwate r  sea  en vir on m ent  due  to  it s  short  ra nge  (less  t ha n  5m ),   fo r  op ti cal   sign al in g  t h e  pr eci se  posit ion in g  is  re quire d  with   na rro w  beam   op ti cal  tra ns m i tt er  [ 5 ] ,   [ 3 ] .    Acousti c  si gn a ls  are  s uitable   f or  un derwate r  e nv i ronm ent  howe ver   the   em plo ym ent  of  aco us ti c   channel  al s o  f aces  so m e  cha ll eng es  i n  unde rw at er   e nv ir onm ent  li ke:  la rg e  pro pag at io n  delay ,  a nd  hig h  bit   error   rate  [ 6 ] - [ 8 ] .  Th ree  dim e ns io nal  de plo y m ent  of   se nsor   nodes  is   not  an  easy   ta sk   du e  to  the  unde r water   pr ess ure  a nd  env i ronm ental  co nd it io ns   [ 9 ] - [ 11 ] .  Howe ve r  the   be ha vio r   of  se nsor   node  i n  unde r water  env i ronm ent  is  al so   un c ontro ll able  du e  t o  water  pr es sure   an d  wate r  cu rr e nt  [ 12 ] ,   [ 13 ] .  Anothe r  iss ue  f or   dep l oym ent  of   sens or   node  i s  local iz at ion .  The  e xisti ng   a lgorit hm s  of   loca li zat ion s  a r e  no t  a ppr opri at e  for   unde r  water  en vir on m ent  [ 14 ] ,   [ 15 ] .  In   underwate r  en vir onm ent  the  local i zat ion   fr ee  rou ti ng   prot oco ls  sh ow s   the  good  perf or m ance  as  c om par e  to  lo cat ion   ba sed  routin g  prot oc ols;  beca us e  t he  en vir onm e nt  of  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N:  20 88 - 8708     RMEER:   Rel ia ble   M ulti - path  Ener gy  Eff ic ie nt R ou ti ng  …   ( Muk htiar A hm ed )   4367   unde rw at er   is  local iz at ion  f re e  [ 16 ] .  T o  m ai t ia n  the  e nergy powe r  of o r dina ryn od e  i n  unde rw at er   en vir onm ent  is  al so   a   m ajo r   issue   be ca us e   in  unde rw at e r   en vir on m ent  the  se nsor   no de   can   not  be  re charge d  easi ly   [ 17 ] .   Rou ti ng  protoc ol d e sig ning f a ces m any chall eng e s li ke:    a.   In un derwate r e nv i ronm ent the acousti c cha nnel  b a ndwi dth   is l i m i te d.   b.   Du e  to  t he  m ulti path  an d fa din g t he  ac ousti c c ha nn el   will  bec om e i m paire d.   c.   In un derwate r e nv i ronm ent the ch a nn el   pro pa gation delay   will  cause fo r  l ow d at a  delive ry.    d.   Du e  to  t he  s ha dow  z ones  or void  re gions the  loss of c onnec ti vity  w il l occur.   e.   In un derwate r e nv i ronm ent the b at te ries  of s ens or   node s ca n not  be recha r ged easi ly .   f.   Du e  to  t he fo ul ing  a nd c orrosi on the  unde r w at er s en sor  node  m a y be f ai lu r e.   g.   3D d e plo ym ent in under water  envir on m ent is not a n  easy  ta sk .   On  basis   of  a bove   chall e ng es   the  e ff ic ie nt  a nd  scal able  de sign  of  routin g  prot oco l  is  ne eded.  In  this   researc h  arti cl e  we  propose   the  Re li able   Mult i - path  Energy  Eff ic ie nt   Rou ti ng   (R MEE R)  proto col  f or   unde rw at er  se a  env ir onm ent .  RM EER  is  an  ene rg y  ef fici ent,  scal able,   and   reli able  routin g  proto c ol.T he   desig n  of  RM EER  is  ba sed   on  co uri er  node s,  sin k  node s,   source   no des,  an d  se nsor   no des.  The   fi xed  sin k  nodes  a re  posi ti on ed  on  wat er  surface  a nd  sta ti c  po werf ul  co ur ie r  node s  are  de plo ye d  on  fi ve  num ber s  of  la ye rs  from   to p  to  bo tt om   of  the  sea  water .   The  se ns or  node s  are  dep l oy ed  at   the  5 th   (bottom )  la ye r  of   the  water.  F ro m   bo tt om   layer  of   sea  water  the  m ul ti path  data  forw a r ding  te chn i qu e  is  use d.   Fixed   c ourier  node  is  the  po werfu l  node   w hich  de ve lop s  t he  m ultip at h  betwee n  s ource  node  a nd  se nsor  nodes .  The   sen sor  node s   retrieve  the  in f or m at ion   from   so urce   no des  in  m ult ipath  fas hion  an d  will   fo r ward  to  the  c ourier  no de.   C ourier  nodes   are  res pons i ble  to   f orward  t he  data  pack et s   to  t he   surface   sin k  nodes .  We  c om par e  the  sim ulati on   respo ns e  of R MEE R wit h Di recti on al   De pth - Ba se d  R ou ti ng (D - DBR).   The  a dvanta ge s  of RM EER a re list ed belo w :   a.   RM EER ca n  e asi ly  h an dle th e nod e  m ov em ent w it h wate r c urren t.   b.   RM EER reduc es the c om plex  r ou ti ng ta bles.   c.   RM EER i s loc al iz at ion  free  prot oco l.   d.   RM EER uti li zes the m ulti - sink s  w it h  m ultip at h dis j oi nt m echan ism  to  en han ce  p ac kets  deli ver y  rati o.    e.   RM EER  us es   the  powe rful  c ourier   no des  t o  e nhance   the   batte ry  li fe  of  ordina ry  se nso r  nodes   an d  al so   enh a nces  the  ne twork  li fetim e .         2.   RE LATE D  W ORK   In   this  sect ion   we  pr e sent  the   local iz at ion   free   ro utin g  prot oco ls  with  thei r  lim it at ion s.  In   [9 ]   De pth  Ba sed  Rou ti ng   (D BR )  prot oc ol  is  pr opose d.   The  routin g  m et ric  of   DBR  is  dep th  in form at ion   of   se nsor   node.  The  de pth   of  s ens or   no de  inf or m at ion   is  pack ed  with  the  data  pack et   an d  w hen   se nd e r  node  f orward  the  dat a   pack et   to  the  r ecei vin g  node;   receivin g  node   will   co m par e  their  dep t h  with  the  de pth  of   sen der   node ;  the   sens or   node   w hich  kee ps   the   lowe r  dep t h  will   forw a rd  the  data  pac ket s.  Eac h  f orwa r der   node   w il l  keep  the   data  pac ket  for   certai n  tim e  per io d.   T he  hol ding  tim e  is  based   on  the  dif fer e nce  bet wee n  cu rr e nt  f orw ard e r   node  an d  the  s end e r  no de.   I n  DBR  there  are  so m e  l i m it ation s.  DBR  on ly   works  in  greed y  m od e;   so   it   c annot   perform   well   in  s parse  are a  be c ause  it   is  t he   possibil it y  tha t  in  s par se   area   that  no  no de  c an  forw a r d  the   data  pack et s  du e  t o  the  gr eat e r  de pt h  as  com par ed  to  sen ding  node ,  an d  cu rr e nt  node  will   con ti nu e  t o  m ake   m or e   and  m or e  at te m pts.  In  D BR   the n odes w il l  cal culat e  their de pth   i n  e ve ry  ti m e  and   i n  r esu lt ant  the  ene r gy   le vel  of th os e  nodes   will  b e  reduce d  a nd d ie  ea rlie r.     In  [ 8]  t he  Di re ct ion al   De pth  Based  Ro utin g  (D - DBR )  is  pr opos e d.  D - DB R  forw a r ds   the   data  pac kets   thr ough  opti m al   path  to  t he  s ink  n ode. D - D BR   is  based  o n  sing le   sin k  a nd  re duces  the propa gation  del ay   with  le ss  num ber   of   hops.  Si nk  node  with  high  ba tt ery  power  is   de plo ye d  on  t he  s urface  of  water  a nd  se nsor   no des  are  de plo ye d  a t  dep th  of   wat er.  D - DBR  use s  the  holdi ng  tim e  and   ang l e  ho l ding  tim e   functi ons  f or   route   direct ives.   D - DBR  al so  use s   the  Tim e  of   Arrival  (T oA)  rangin g  te c hn i qu e   in   data  f orwa rd i ng  m ec han ism .  Like D BR  the D - DBR al so  cannot achie ve  th e h igh   delivery  d at a rati o  in sp arse a rea.  N o pro per  m et ho dolo gy   is  def ine d  by  D - DBR  f or   t he   energy  savi ng   of  ordi nar y   sens or   nodes .   Rem ov al   of  vo i ds   in  unde r water  env i ronm ent  is  the  m ajo r  iss ue   an d  D - DBR  is  inef fici ent  to  rem ov e  this  prob le m ;  du e  to   the  vo i d  prob le m   the   ov e rall  n et wor k  th r oughput  m ay  b e d e gr a de d.       3.   R MEE R  P ROT OCO L   RM EER  proto col  arc hitec tur e  is  base d  on  si nk   node s,  c ourier   no des,   s ource  nodes ,  a nd  ordi nar y   nodes .  Sin k  no des  a re  de pl oyed  on  sea  w at er  s urface,  c ouri er  no des  a re d e plo ye d  on 5  n um ber   of  w at er lay ers  with  fixe d  sta t ic   m ann er  an d  so urce  no des  are  de plo ye d  at   the  bo tt om   of   the  sea  as  de scried  in  F i gure  1.    The  sin k  node s  are  connecte d  with  ons hor e  data  centre  thr ough  RF  sign al li ng.  Sin k  nodes  al so   di rectl y  connecte d  with   co ur ie r  nodes   from   top   to   bo t tom   of   sea   wit h  dif fer e nt  la yer s  thr ough  acou sti c  sig nalli ng .  Sea   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N :   20 88 - 8708   In t J  Elec   &   C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4366   -   4373   4368   bo tt om   la ye r  ordina ry  no de s  are  c o nn ect ed  with  c ourier  no des  t hro ugh  ac ousti c  sign al li ng.  W e  ha ve   dev el op e d  t he c onnecti vity  b e tween  source  nod e s to  the c ou rier  nodes  w it h m ult ipath  disjoint m et ho d.    The  ordina ry  sens or   nodes  are  res pons i ble  to  de velo p  t he  pat h  bet we en  s ource  no de s  to  co ur ie r   nodes  t hro ugh  m ult ipath  dis joint  m et ho d.   RM EER  proto col  com plete s  the  ta sk   f or   pa ckets  de li very   from   so urce n odes to sin k nodes wi thin two  num ber s o f ph ase s.  On e is route d e velo pm ent p hase an d  seco nd is d at a   forw a r ding  ph a se. T he descri pt ion   of tw o ph a ses is de scri be d  in  b el ow s ub  sect ion s.             Figure  1. RM EER  arc hitec tur e  f or   U WSN       3.1 .   R ou te   D e velopm ent  Ph as e   As  al rea dy  we  hav e  disc us se d  that  the  sourc e  nodes  a re  de plo ye d  at   bo tt om   of   the  sea  w at er  an d  the   la ye r - 5  co ur ie r   node s  a re  res pons i ble  to   de velo p  t he  rout e  towa r ds   s ou rce  nodes   th rough  ordi nar y  nodes .  Fr om   courier  t o  sou rce  no des   the  route  de ve lop m ent  m echan ism   is  based   on   m ulti path  node  disjoint  m e tho d  as d esc ribe d  i n Fi gure  2.           Figure  2. Mult ipath  betwee n  c ourier t o  s ourc e nod e       The  n ode  dis j oi nt  m echan ism   util iz es  the  m a xim u m   reso ur c es  of   the  e ntire   netw ork.   I n  node  disjoint   m echan ism   if  a ny  node  bec ome s  fail ur e  the nod e d isj oin t  m et hod  will   sel ect   the  al te rn at e  route  to  f orwa rd   th e   data  pac kets.  The  r oute   devel op m ent  betw een  co ur ie r  no des  to  s ource  nodes  is  base d  on   Hell o  m es sage.  Courie r  no de  is  respon si ble  to  forw a r d  the   Hell o  m essage  towards  the   neig hbor   node s.  Wh en  t he  Hell o  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N:  20 88 - 8708     RMEER:   Rel ia ble   M ulti - path  Ener gy  Eff ic ie nt R ou ti ng  …   ( Muk htiar A hm ed )   4369   m essage  is  re c ei ved   by  t he  ne ighbor  nodes;  ever y  neig hbor   node   will   upda te   it s  Neig hbor  Ta ble  ( NT )  w it h  it s   new   e ntry  an d  will   beco m e   t he  pa rt  of   the  m ul ti path  route  dev el opm ent.  NT  will   al so   keep   the  in f orm at ion   about the  li st o f  it s n ei ghbor  nod e s. Hel lo m essage  f or m at  is  shown i n  Fi gu re  3.           Figure  3. Hell o  f or m at       In H el lo  m essa ge fo rm at  the descripti on   of e ver y  fiel d  is  gi ven b el ow :   Me ssage  seq ue nce:  Con sist s   of   tw o  byte   wh ic h  create s   the  m essage  nu m ber   thr ou gh   m essage  or i gin at or.    Me ssage  Ty pe: Co ns ist s of  on e b yt e an d rese rv e d for m essage ty pe.   Sender  ID:  C onsist s of t wo by te s an d i s r ese rv e d for t he   node_I D.   Node T ype:  C on sist s  of  on e   byte  and is  res erv e d for  node   ty pe.      Hop  C ount :   Con sist s  of  on e   byte  and  reserv ed fo r hop c ou nt.   Fo r wa rd No de ID: C on sist s  of  two byte  a nd re serv e s fo r  f or warder  no de_I D.   Re sidu al   Ene r gy  Level:   Consi sts  of   fou r  by te s   and   reserved  to  s how  the  resid ual  en erg y  le vel  of   forw a r der   node .     Link   Q ualit y:    co ns ist s  of  t wo  byte s  a nd   reserve d  to  s how   the  li nk  qual it y  with  ac ou sti c  c ha nn el   betwee n  c ourie rs  to  sou rce  nodes.   Wh e n  the  Hell o  m essage  received  by  the  ne ighbor  node s;  e ver y  node  al so   m a intai ns   its  NT  as  al ready   we  discusse d  an d  relat ed  C ourier   N od e   Ta ble  ( CNT) .  Wh e n  ever y  node   ha s  up dated  NT   and  CNT;   the  LI N K   m essage  will   be  ge ne rated  by   courier  no de   to  de velo p  th e  m ulti path  li nk   bet ween   c ou rier  no des  to  s ource   nodes .     3.2 .   D ata  F or w arding Ph ase   Af te r   the  r ou te   de velo pm ent  ph a se  the   sour ce  node   will   broa dcast  the   R ou te   Re quest   ( RR EQ)   on   m ul ti ple  li nk s  to  f orwa rd  the   pac kets  t o  th e  co ur ie r  node   thr ough  nei ghbor  nodes .  Af t er  the   ar rival  of  t he   RR EQ; the n ei ghbor  no des  w il l   up date it s R ou ti ng Tab le  (R T)  with n e w  entry. Th e sele ct ion  o f  r oute  is b ased   on   lo wer   li nk  cost  crit eria.O n  rece ption   of   RR EQ;  ever y  node  will   upda te   the  NT,   CN T,  an d  RT  with  ne w   entries.  When   courier  node   will   receive  t he   RR EQ;  the  c ourier  node   wi ll   cre at e  the  ne w  e ntry  f or  un known  so urce  no de.   T he  tim er  is  set  for  the  RR EQ,  if  RR EQ  arr iv es  after  the  tim e  exp ires  tha n  it   will  autom atical ly  be  dro pped .  It   is  al so   the  resp onsi bili ty   of   the  courier  node  to  de velo p  the  loa d  bal ance  bet ween   al l  the   m ul ti path  li nk s .  Wh en  t he  bal anced   m ulti path  r ou te   will   be   dev el op e d  between   t he  s ourc e  and   c ourier  node;   the s ource  node  w il l f orward  the d at a  pac ket s w it h D AT A m essage.    The  li nk  c os t and   rest o f  the  update d  val ues  of  NT, CNT , an d  RT t hro ugh courie r  node s w il l  m on it or   the  co ndit ion s   of  m ulti path  bein g  us ed .  T he  c ourier  node   has  t o  re - distribu te   t he  dat a  rates  ov e r  pa ths  t o  op ti m iz e  the  us age  of  net work   res ources  i nfreque ntly .  Courie r  node   is  res pons ible  t o  c heck  out  t he  pat h  fail ur e  th rou gh  inter  arr ival  de la y  of   p ackets   on   eve ry  li nk .   If   delay   occur s  fo r  pr e - deter m ined  thres ho l d,   the   courier  node  a ssu m es  the  path  is  bro ke n.   T he  co uri er  no de   will   send   the   RESET  sig nal   to  the  sou rce  node  to   re - dev el op  the   route.  When   al l  the  bott om   la ye r  co ur ie r   node s  recei ves  t he  da ta   pac ket s,  the  c ourier   nodes   furthe r  directl y  fo r wa rd   data  pack et s  to  the  diff e re nt  la ye red   sta ti c  cou ri er  nodes  from     bo tt om   la ye r  to  top  la ye r  with  po wer   le vels  p1,  p2,  …. ,  pn - 1.  Wh e n  t op   la ye r  fixe d  c ourier   nodes  will   rec ei ve  the  data  pa ckets   than  data   pac ke ts  directl y  f orwa rd e d  t o  the   surface   sin k  nodes .  S urface   sin k  no des  w il l  fo r ward  t he   data  pack et s  to  t he on s hore  d at a c enter t hroug h R F signal ing.       4.   PERFO R MANC E  A NA L Y SIS   To  m easur e  t he   pe rfor m ance  of  RM EER  w e  ha ve  us e d  N S2 . 30  sim ulator  with  AquaSi m   p ackag e.   We  ha ve  c onsidere d  the  3D  dep l oym ent  area  with  5  num ber s  of  la ye rs.  W e  ha ve  te st ed  the  resu lt s  on   300  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N :   20 88 - 8708   In t J  Elec   &   C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4366   -   4373   4370   nu m ber s  of  no des.   The  netw ork  siz e  is  set   on  10 00 m x1000m x1000m   fo r  sim ulatio n  resu lt s.  The   802.1 1 - DYN AC  is  use d  as  a   MAC  protoc ol  [ 18 ] .  We  te ste d  the  pe rfor m ance  of  RM EER  on  50 ,  10 0,   150,  20 0,  25 0,  and   300  nu m ber s  of  no des.   T he  distanc e  of  each  la ye r  is  set   on   20 0  m et e rs.   We  ha ve  use d  the  en er gy  m od el   sam e as d escribed i n  [ 19 ] . Re st of the  sim ula ti on   par am et ers  are  desc ribe d i n  Ta ble  1.       Table  1.   NS2. 30 Sim ulati on  P aram et ers   Para m eters   Ratin g s   Netwo rk size   1 0 0 0 m x 1 0 0 0 m x 1 0 0 0 m     No .  o f  no d es   300   Lay e r  d istan ce    2 0 0   m   Data pack ets size   6 4  bytes   Initial Energ y   Energy Co n su m p ti o n :   Tr an s m ittin g ,  R ece iv in g ,  id le    5 0  J   2 w,  0 .75 w,  8 m w   MAC P roto co l   8 0 2 .11 - DYNAV   W ate r  salin it y   38   W ate r  te m p eratur e   2 0 C to  30 0 C   Av erage wat er  p r e ss u re  o n   ev ery  dep th  la y er     1 5 0  db r   W ate r  d en sity    2 4 .32  Kg/ m 3       4.1.  Perf orm ance   A na l ys is  Measuri n g  P ar amet er s     The det ai le d d escripti on  of pe rfor m ance p a r a m et ers  are  de scribe d  in  Ta ble 2   [ 6 ] .       Table  2.   Per for m ance  A naly sis M easu rin g  P aram et ers  [ 6 ]   Perf o r m an ce  Met ri cs   Descripti o n   Netwo rk Thro u g h p u t   Thro u g h p u t  refers  to   ag g regated   d ata  rate  achi ev ed   in   Kb /s  at  th e  d esti n atio n   n o d es  f o r  t h e   en tire  n etwo rk.  I n   o th er  wo rds ,  a g g regate  th rou g h p u t  f o r  all  th e  f lo ws  in   th e  n etwo r k .   Thro u g h p u t r ef lects th e eff icien cy  of  netwo rk in  collecti n g  and  deliv ering   d a ta.     t r f r t h r o T P N   wh ere  s d t r f T T T     End - to - End  Dela y   It  refers  to   th e  av e rage  d elay   f o r  all  t h e  d ata  p ackets   arriv in g   at  th e  d estination   f ro m   d if f erent   so u rces.  Lower  the  end - to - en d  delay  s ig n if ies b etter  n etwo rk p erfo r m an ce.     n s d e t e P T T D     Ro u tin g  Overheads   Measu re  th e  ratio  o f   co n trol  p ackets / m e ss ag e  g en erate d   to   su ccessf u lly   rece iv ed   d ata  p ackets   d u ring  r o u tin g  si m u latio n .     m m o D C R     Av erage E n e rgy  C o n su m p tio n   an d  Network lif etim e   It  m e asu res  th e  av erage  d if f erence  b etween  th e  in itial  lev el  o f   en ergy  an d   th e  f in al  lev el  o f  en ergy  th at  is  lef t  i n   each  n o d e.  Let  Ei=  th e  in itial  en erg y   lev el  o f   a   n o d e,  Ef =  th e  f i n al  en erg y   lev el of  a  n o d e and  n = nu m b e r  o f  no d es in  the si m u latio n .  Then :       = ∑ ( − ) = 1     Netwo rk  lif eti m e  i s  in v ersely   p rop o rtion al  to   en ergy  co n su m p tio n   an d   referred  to   ti m e   elap s ed   sin ce the no d es d ep lo y m en t till  th e f irst no d e dies  du e to en ergy  d ep letio n .   Pack ets Deliv er y   Ratio   Pack ets d eliv ery ra tio  can  b e def in ed ; the n u m b er  of  deliv ered pack ets at th e sin k  no d e         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N:  20 88 - 8708     RMEER:   Rel ia ble   M ulti - path  Ener gy  Eff ic ie nt R ou ti ng  …   ( Muk htiar A hm ed )   4371   4.2.  Ne twork   Throu gh p ut   In   Fi gure  4  the   networ k  thr ou ghput  of   RM E ER  is  hig he r  than  D - DBR  be cause  the  us e  of   powerf ul   fixe d  c ourier  node s  has  e nh a nc ed  the  n et wor k  th r oughput  of RM EER.           Figure  4. N o. of No des v/s  Ne twork  Thr ough pu t       4.3.  Ne twork   Li fet im e   Figure  5  sho w s  the  com par is on   of  net work   li fetim e  of   RM EER  against  D - DBR.  In   RM EER  the  use   of   powe rful  fi xed   c ourie r  no des  hav e   s how n  the  i ncr e dib l e  adv a nta ge  over  D - DBR.  T he  po werfu l  c ourie r   nodes  ha ve  plentiful  ene r gy  than  ordi nary   senso r  node s;  so   wh e n  c ourier  no des  are  involve d  in  data   forw a r ding  m e chan ism ;  the  l onge r  netw ork   li fetim e  is  exp ect ed.   In   c ontrast ,  D - DBR  e xp e rience s  e xc essive  energy c on s umpti on, a ff ect in g t he netw ork  li f et i m e b ecause  it  is o bs e rv e d  t hat m os t of  t he  tim e in D - DB R t he  sm a ll er d ept h nodes  conti nuously  forwar ds t he data  p a ckets  and  will  d ie  ea rlie r  tha n hig he r dept h nodes.           Figure  5. N/ w Li fetim e ag ai nst  D - DBR       4.4.  A verage  End - to - End  D el ay   Figure  6  s how s  the  a ver a ge  end - to - en d  del ay   of   RM EER   against  D - DB R.  The  a ve rage  en d - to - e nd  delay   of   RM EER  is  red uce d  than  D - DBR;   because   in  RM EER  we  hav e  reduce d  the  num ber   of   hops   a nd   we   hav e   al so   us e d  high  tra n sm issi on   powe r  betwee n  c ouri er  no des  for  data  f orwardi ng  wh ic h  re duc es  the  aver a ge  e nd - to - en d  delay .  D - DBR  m et ho dolog y  is  ba sed  on   m axim u m   nu m ber   of   hops  w hich  reduc es  the   perform ance  of  D - DBR .  D - DBR  is  unc ontrolla ble  in  e nd - to - e nd  delay   by  inc reasin g  of  n et work  de ns it y  howe ver   RM EER rem ai ns  stable i f netw ork den sit y i ncr eas e.     0 50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300 Netw ork  Thr oughput  (Kbi ts /s ec ) No.  of Nodes RME E R D-D BR 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 50 100 150 200 250 300 Netw ork  Li feti me (Sec ) No.  of Nodes RME E R D-D BR Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      IS S N :   20 88 - 8708   In t J  Elec   &   C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4366   -   4373   4372   4.5.  T otal Ene rgy Cons ump t ion   Figure 7   s hows   the  ave ra ge  e ne rg y  c onsu m ption  o f   RM EER  against D - DB R.  RM EER  use s  the  fi xe d  powe rful co ur i er no des o n  di f fer e nt num ber   of  lay ers  w it h s m al l nu m ber  of or din ary  node s in data  forw ard i ng  m echan ism ;   t his  m echan ism   increases  the  li fe  of   th e  ordin a ry  sensor  no des;  s o  am ou nt  of  energy   consum ption   is   obviously   re duced  as  com par e  to  D - DBR.   Howe ver,  in  D - DBR,  t he  de pt h  of  se ns or  nodes  is   the  on ly   par am et er  f or  f orwa r ding.  The   se nsor   no des  ha ving  sam e  de pth s  al so   hav e   sam e  holdi ng  tim e   f or  a   data  pack et .  These  no des  for ward  the  sam e   data  pack et   con c urre ntly .  Ther e fore,  the  r edun dan cy   of  pack e t   transm issi on s i s una vo i dab le ,   wh ic h resu lt s i n  e xcessive  ene rg y c onsu m ption .           Figure  6. A verage E 2E dela y  against  D - DB R           Figure  7. Ene r gy cons um pti on  a gainst  D - D BR       4.6.  Pac kets  Del ivery Ra tio   Figure  8  s how s  the  pac kets  delivery  rati o  of   RM E ER  an d  D - DBR.  T he   pac kets  delivery  rati o  of   RM EER  is  inc reased   agai ns t  D - DBR.  In  RM EER  the  us e   of  powerf ul  fi xed  co uri er  nodes  ha ve  e nh a nced  th e   pack et s  delive ry   rati o.   I n  c ontrast   the  packet s  delivery  ra ti o  of   D - DBR   is  reduced  du e  to  the  com plica te d  m echan ism  f or d at a  forw a r ding.             Figure  8. N o. of No des ve rsu s  Pack et s  D el iv ery Ra ti o  (% )   0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 50 100 150 200 250 300 Av erage  End - to - End  Del ay   (Sec ) No.  of Nodes RME E R D-D BR 0 500 1000 1500 2000 2500 50 100 150 200 250 300 Av erage  Energy   Cons umpti on  (Joul es ) No.  of Nodes RME … D-D BR 0 20 40 60 80 100 50 100 150 200 250 300 Pac k ets   Del i v ery   Rati o  (%) No.  of Nodes RME E R D-D BR Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec & C om p  Eng   IS S N:  20 88 - 8708     RMEER:   Rel ia ble   M ulti - path  Ener gy  Eff ic ie nt R ou ti ng  …   ( Muk htiar A hm ed )   4373   5.   CONCL US I O N   The  pro posed   RM EER  r ou ti ng   protoc ol  for  unde rw at e r  wireless  se nsor   net wor k  i s  base d  on   m ul ti path  dis j oi nt  te chn i qu e   f or   data  forw a r ding.  T he  t hr e e  num ber s  of  r ou ti ng  ta bles  a s  NT ,  CN T,  a nd  RT   are  us e d  in  pro po s ed  routin g  protoc ol.  RM E ER  us es  the  fi xed   powe rful  c ourier  nodes  on  di ff e ren t  la ye rs  of  sea  water.  T he   sink   node s  ar e  dep loye d  on  the  water  surfa ce  and   the  or di nar y  sens or   node s  are  de ploy ed  at  the  bott om   of   the  wate r.   S our ce  nodes  a re  de plo ye d  at   water  bott om   wh ic h  f orwards  t he  data  pac kets  th rou gh   m ul ti path  disjoint  m et ho d  to   powerfu l  c ourier  no des  an d  powerfu l  c ourier  no des  f ur t her   f orwa rd   t he   data  pack et s  by  util iz ing   the  m axim u m   po we r  le vels  to  the  s urf ace  sink   nodes .  W e  have  com par e d  the  sim ulati on  respo ns e  of  th e  RM EER  wit h  the  fam ou s  routin g  pr ot oc ol  D - DBR  an d  we  ob se r ve d  that  the  sim ulati on   perform ance o f  RM EER i s b et te r  tha n D - DB R.        REFERE NCE S   [1]   N.  Li ,   J. F .   Mart íne z ,   J.M.  Mene ses  Chaus,   and  M.  Ec ker t,   “ A  Surve y   on  Unde rwate r  Acousti c   Sensor  Network  Routi ng  Proto co ls” ,   S ensors ,   vol .   16,   no.   3,   pp.   41 4,   2016 .   [2]   A.  W ahi d,   and   D.  Kim ,   “ An  En erg y   Eff ic i ent  L oca l iz a ti on - Fre e  Routi ng  Protoco l  for  Underw at er   W ire le ss   Senso r  Networks” ,   In te r nati onal Journal   of  Distribu te d   S ensor Ne tworks ,   2012.   [3]   A.  W ahi d,   S.  Le e ,   D.  Kim ,   a nd  K.S.  Li m ,   “ MRP :  A  Loc al i za t ion - Free   Mul ti - L a y ere d  Rou t ing  Protocol   fo r   Underwat er  W ir el ess  Sensor  Networks” ,   Wirel es s  Pe rs onal  Com municat ions,   vol .   77,   no.   4,   pp.   2997 - 3012,   Aug,  2014.   [4]   A.  W ahi d,   S.  L ee ,   and  D.  Kim ,   “ A  rel ia ble   and   ene rg y - ef ficien t   routi ng  proto co l  for  u nder wat er   wire le ss   sensor  net works ” ,   Inte r nati onal Journal   of  Comm unic a tion Sy stems,   vol.  27,   no .   10 ,   pp .   2 048 - 2062,   Oc t, 2 014.   [5]   M.  Ay az,  I.   Ba ig,   A.  Abdulla h ,   and  I.   Fa y e,   “ A  survey   on  ro uti ng  technique s   in  under wate r  wire le ss   sensor   net works ” ,   Jour nal  of   Net work   a nd  Computer  Ap pli cations,   vo l. 3 4,   no .   6 ,   pp .   190 8 - 1927,   Nov,   20 11.   [6]   A.  Ahm ed,   K. A.  Baka r,   M. I.   Channa ,   and  A. W .   Khan,   “ A   S ec ure   Routi ng  Protocol   with  T rust  and  Ene rg y   Aw are ness for W ire le ss   Sensor  Network” ,   Mobi le   N et works and   Appl ic a ti ons ,   pp.   1 - 14,   2016.   [7]   M.  Sharif - Yaz d,   M.R.   Khos rav i,   and  M.K.  Moghim i,   “ A  Surv e y   on  Underwa te r  Acoustic   Se nsor  Networks:  Perspec ti v es  on  Protocol   Design   for  Signaling,   MA C  and  Rout ing ” ,   arX iv preprint   arXiv :1703 . 083 53 ,   2017 .   [8]   M.  Ahm ed,   M.  Sall eh ,   and   M.I.  Channa ,   “ Cr it i cal  Anal y sis  of   Da ta   Forw ard ing   R outi ng  Protoco ls  Based  on   Singl e  pat h  for  UW SN” ,   Int ernati onal  Journal  of  El e ctr ic al  and  Computer  Engi ne erin g,   vol.   6,   no .   4,   pp.   1695 - 1701,   2016.   [9]   P.V.  Am oli ,   “ An  Overvi ew   on  Curre nt  R ese ar c hes  on  Underwa te r  Sensor  N et w o rks:  Applicati o ns,  Challenge s   a nd  Future  Tr ends” ,   Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring ,   vo l.   6 ,   no .   3 ,   pp .   95 5,   2016 .   [10]   M.  Ahm ed,   and  M.  Sall eh,   “ Local i za t ion  sche m e s  in  Underwat er  Se nsor  Network  (UW S N):  A  Surve y ” ,   Indon esia n   Journal  of   Elec t rical   Engi ne erin g  and  Computer   Sci en ce.,   vol. 1,  no.   1 ,   pp .   119 - 1 25,   2015 .   [11]   M.  Ahm ed,   M.  Sall eh,   M.  Ch anna ,   and  M.F.  Rohani ,   “ Review  on  Loc al i zation  base d  Rout ing  Protocol s  for  Underwat er  W ir el ess  Sensor  Network” ,   Inte rnat i onal  Journal  of  El e ct rica l   and  Computer  Engi ne ering,   vol .   7,   no.   1,   pp .   536 ,   2017 .   [12]   P.R.   Jadha o ,   and   M.M.  Ghonge,  “ Ene rg y   Eff i cien t  Routi ng   Protoc ols  For  Underwat er  Sensor  Ne tworks - A  Surve y ” ,   Ene rgy,   vol .   1 ,   n o.   1 ,   2015 .   [13]   M.  Ahm ed,   M.   Sall eh,   M.I.   C hanna ,   and  M.F .   Rohani ,   “ Ene r g y   Eff i cient  Routi ng  Protocol s   for  U W SN :   A   Revi ew” ,   Te lk o mnika,   vo l. 15, n o.   1 ,   2017 .   [14]   G.  Han,   N.  Bao ,   L.   L iu,   D.  Zh ang,   and  L .   Shu,  “ Routi ng  protoc ols  in  under wate r  a coustic  sensor  net works :  a   quant itati v e comparison” ,   Int ernati onal Journal of  Distribut ed  Se nsor   Net works,   v ol.   2015 ,   pp .   10 ,   2015.   [15]   A.  W ahi d,   S.  Le e ,   H. J.  Jeong ,   and  D.  Kim ,   “ EE DBR:  Energ y - E fficie nt  D ept h - Based  Rou ti ng  Protocol   f or   Unde rwate r  W ir el ess  Sensor  Net works ” ,   Adv an c ed  Computer  Sc ie nc e  and  Infor mation  Technology,   vol .   195 ,   p p.   223 - 234,   2011 .   [16]   B.   Diao ,   Y.   Xu,   Z.   An ,   F.  W ang ,   and  C .   Li ,   “ Im proving  Both   Energ y   and  Ti m e  Ef fic i ency   of   Dept h - Based  Rout ing  for  Underwat er  Sensor  Networks” ,   Inte rnat ional  Journal  of  Dist ribute d  Sensor  Net works,   vol .   1 1,   no.   10 ,   pp.   1 - 9,   2015.   [17]   M.R.   Khos rav i,   R.   Sala ri ,   a nd  H.   Rostami,  “ A  So lut ion  for  Sca la b le   Routi ng  in  De pth  Divisions - Based  DU SN s  via   Adding  a  Scal a ble   Para m eter  t o  Control   Dept h  Cluste rs:  Cre at ing  an  Ene rg y   Eff ic i ent   and   Low  Delay   N I - Ind epe nden t  Co m m unic at ion  Pr otoc ol ” ,   Journal of  Computer  and   Comm unic ati on s,   vol. 4, no. 07,  pp.   55 ,   2016 .   [18]   S.  Zha ng ,   D.   L i,   and  J.  Ch en,  “ A  li nk - state  base d  ad apt iv e  fee dba ck  rout in g  for  under wa ter  ac oust ic   senso r  net works ” ,   Sens ors   Journal,   I EEE,   vo l. 13, no. 1 1,   pp .   4402 - 441 2,   2013 .   [19]   N.  Nicol aou ,   A.  See,   P.  Xie ,   J. H.   Cui,   and   D.  Ma ggiori ni ,   “ Im pro ving  the   robustn ess  of  loc at ion - b ase d  routi ng  for   under wate r   sens or  net works ” ,   O ce ans 2007  -   Eu rope,   Vo ls 1 - 3 ,   p p.   1485 - 1490 ,   2 007.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.