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.   10 ,  No.   3 ,  June   2020 ,  pp. 3 284~ 33 94   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 3 . pp3284 - 33 94          3284       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Maximi ze  re s ou rce u tiliz ation bas ed  channel acc ess model    with pr esenc e of rea ctive jamme r for un de rwater     wireless  sensor   n etwork       Sheet al Ba gali , R .   S und ar aguru   Depa rtment  o f  E le c troni cs  and   C om m unic at ion  E ngine er ing, Sir M   Visvesvara y a   Instit ute of Te c h nolog y ,   Ind ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   J un  4 , 2019   Re vised  Dec   11 ,   2019   Accepte d  Ja n   8 , 2020     Underwat er  sen sor  net works   (UW SNs)  are   vuln era bl e  to  ja m m ing  at t ac ks .   Espec i al l y ,   re ac t ive   j amm ing  wh ic h  emerge d   as  a  gre a te st  se cur i t y   threat   t o   UW S Ns .   Rea cti ve  ja m m er  are  diffi cu lt   to   b e  removed,   d ef ende d  and   ide nti f ie d .   Sinc e   rea c ti v e  ja m m e r  ca n  cont rol  an d  reg ulate  ( i.e.,  t he  dura t ion  of  the   ja m   signal )  the   prob abi lit y   of  j amm ing  for  m ai nta ini ng  high   vulne rab il i t y   w it h  low  d et e cti on  proba bilit y .   The   exi sting   m odel   ar e  gene ra lly   desig ned  conside rin g  te rre stri al   wire le ss   sensor  net works   (TWS Ns ).   Furth er,   th ese   m odel s  are   li m ited  in  th ei r  ability   to  d etec t  j amm ing  cor rectl y ,   d isti n guish  bet wee n   the   cor rupte d   and  uncor rupt ed  par ts  of   a  pa cke t ,   and  be  ad apt iv e  wit h  the  d y namic   envi ronm ent.  Coopera t iv e   ja m m ing  m odel   has  pre sente d   in   rec en t  ti m es  to  uti lize  r esourc e  eff icien t l y .   How eve r,   ver y  li m it ed  work  is  ca rri ed  out  using  coope ra tive  ja m m ing    det e ct ion .   For  o ver coming  rese a rch   chall enge s,   t his  work  pre sent   Maximize   Resourc e  Ut il i z at ion   base d  Ch a nnel   Ac ce ss   (M RUCA ).   The  MRU CA  uses   cro ss   lay er  d esi gn  for  m it igati ng  react iv e  j amm er  (i. e . ,   MRU CA  joi nt l y   opti m iz es  th e  c ooper ative  hopp ing  proba bi li t ie s   and  cha nn el   a cc essibi lit y   proba bil i ties  of  aut hent i cate d  sensor  devi ce ) .   Along  with  cha nnel,  loa d  ca pa ci t y   of  aut h ent i ca t ed  sensor  devi ce   is  esti m at ed  to  utilize  (m axi m iz e )   resourc e  eff i ci e ntly .   Expe r imen t  out come  show s  the   propose d  MRU CA  m odel   at t ai n  sup eri or  per form ance  tha n  st ate - of - a rt  m odel   in   te rm s  of  pac ke t   tra nsm ission,  B ER  and   Det ec t io n  rate.   Ke yw or d s :   Cooperati ve  c om m un ic at ion   Cros s  lay er  des ign   Jam m ing  d et ec ti on   Me diu m  access co ntr ol    Re act ive j am m ing   Sp at ia l re us e   U WSN     Copyright   ©   202 0   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 :   Sh eet al  Bagali ,   Dep a rtm ent o f El ect ro nics  and   C omm un ic ation   En gin ee rin g,     Sir M  Visv es va raya I ns ti tute  of Tech nolo gy,     Be ng al uru,   Ka rn at a ka 562 157,   I nd ia .   Em a il :  sh eet al .b agali @ gm ai l. com       1.   INTROD U CTION   Unde rw at er w i reless  sen sor  ne twork  play   a  m ajo r  ro le   ac ross  var i ous  ap pl ic at ion   ser vice s  in  offe rin g  ub i qu it ous  ass ess  su ch  as  w eat her   f or ecast ing ,  m arine  safety ,  env ir onm ent  et c.  wh er e   sensor  de vices  are   placed  ac ross  env i ronm ent  t o  offe r  c on ti nu ou s   co nnect ivit y  and   se rv ic es .  Th us ,  ai d  in  i m pr ovin g  qua li ty   of  hu m ans  li fe.  H ow e ve r,   tra diti on al   wireless  ne twork  ca n  eas il y  co m pr om is ed  by  j am m ing  te chnolo gy.  T his  is   du e   to  e xpose d  natu re  of   wi reless  li nks.  Ja m m ing   can  in du ce   at ta ck  [1]   su ch   as  Deni al - of - Ser vice  (DoS )   at ta ck,   Sybil   a tt ack  et c.  aff e ct ing   perform a nce  of  U WSN  [2 ,  3].  Jam m ing   in   U WSN   can  be  de fin ed  a s     the  interfe re nc e  induced  i n  existi ng   wir el ess  netw ork   com m un ic at i on   by  m a li cio us   se nsor  node s  by   decr easi ng   t he  sign al - to - noise   rati o  (S I NR)  of   the  a uth e ntica te d  sens or   de vice  (r ecei ver  side)  by  tran s m itti ng  interfe rin g  wir el ess sign al s.  J a m m ing  is d if f eren t f r om  r egu la r  noise   or  in te rf ere nce  beca us e it  is a r esul ta nt of   deliberate  us e  of   wireless  sig nal  to  de g ra de  netw ork  pe rfo r m ance  wh e rea s  as  interfe rence   is  an  uninte ntion al   form s  of   noise   disru ptin g  perform ance  of  U WSN.  U nin te nt ion al   inter fe re nce  ca us e d  i n  netw ork  is   du e  to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Maximize  reso ur ce  util izati on base d  c ha nnel  a ccess …   ( Sh e et al Bag ali )   3285   wireless com m un ic at io n  of o t her   dev ic e  (su c h  as r em ote co ntr oller an d  m i crowa ve)   or  c om m un ic at ion  am on g  sens or   de vice  within  the  s a m e  network.   W he reas,  i ntention al   i nterference  is  generall y  carried   ou t  by   m al ic iou s  sens or   de vice  w ho   inten ded   t o  a ff ect   the  c om m un ic at ion   of   U WSN.  Jam m ing   can  be  i nduce d    at   diff e ren t  l evel,  f ro m   delay ing   or  h a m per in g  co m m un ic at ion   to  al te ring   pa cket/ inf or m at i on   i n  authe ntica te d/legit i m at e  co m m un ic at ion .  To  unde rstan d  how  j am m er  at t ack  U WSN  an d  to  av oid   ja m m ing   to   at ta in  eff ic ie nt   com m un ic at ion   it   is  i m po rta nt  know  dif fere nt  ty pes  of   j a m m er  [4 ]   su c h  as  f un ct io n   s pe ci fic   j am m er,  hy br i d - sm art  j am m er,  proacti ve   jamm er,  reacti ve  j am m er,  and   op ti m al   place m ent  of  j am m er  for   at ta ining   best  jamm ing   eff ect s.  Re centl y,  eff ort   has  bee n  putt ed  by  var i ous  resea rch e r  and   pr ese nted  de fen s e   strat egy  to   ad dress  t he  j am m i ng  issue s  [ 5].  Howe ver,  reac ti ve  j am m er  based   at ta ck ,  w her e   j am m er  de vice   sta y  qu ie t  unti l  any  a uth e ntic  sens or   de vice  init ia li ze  (sen se )  tra ns m issi on   (ev e n  if   sin gle  bit  tran sm issio n  i s   init ia li zed)   ov e r  the  channel,  e m erg ed  rece nt ly   and   req ui re s  fo r  a  str onge r  d efe ns e  m ec han ism   and   effi ci ent  detect ion   sc he m e  [6 ] .  A  reac ti ve  j am m er  fo r  m ai ntaining   high  vulne ra bili ty   with  low  detect ion   pro ba bili ty   con t ro ls   the  durati on  of  j am   sig nal  an d  th e  pro ba bili ty   of   j am m ing .  Further ,  t he  un i que  c har act e risti cs  an d    the  lim it e d  res ources of  U W SN s [2]  m ake  the d esi gnin g  of j am m ing   at ta ck  detect ion  m od el   m or e  c hal le ng in g  in  these  netw ork  en vir onm ents.  In   ge ner al ,   there  exist  two  m et ho d  to   add re ss  j am m ing   at ta cks  on   al ar m   forw a r ding  su c h  as  j am m ing   detect ion   a nd   jamm ing   m i ti gation   [ 7].  H ow e ver,  curre nt  spread - s pectru m - base d  j am m ing   m i ti gation  m et ho ds   su c h  as  ( direct   seq uen ce  spre ad  s pectr um )  DS S S  or  ( fr e quency  hoppin g  sp rea d  sp ect r um   (F HSS)  FHSS  are  be yond  the  capa bili ti es  of   curr ent  sens or   dev i ce  and   existi ng   j am m ing   detect ion   m od el  f or UW SN s is  not e ff i ci ent to pr otect  the c onsidere d react ive m essage  forw a r ding.   Re centl y,  nu m ber   of   a pproac hes  has  bee n  presente d  f or   de te ct ing   an d  m i t igati ng   j am m ing   at ta ck  f or  te rr est rial   W S Ns  (T WSNs)  [8 ] .  F ur the r,   [ 9]  exp lo re d  va rio us   pro ble m s   in  d et ect ing   j am m ing   at ta ck  in  wireless  netw orks ,  a nd  pr ese nted   detect io n  m et ho ds   us in g  dif fer e nt  m e tric s  su c h  as  bi t  error  rate  ( BER ),  receive d  si gn al   stren gth  (RS S ),   a nd  pack et   delivery  rati o  (P DR ).  H ow e ve r,   t hese  m et ho ds  are   de sig ne d  for   detect ing   gen e ral  j am m ing   at ta ck,   but  no t  s pecial ly   designed  to  detect   re act ive  j am m ing .  I n  [ 7 ,  10]   presented   a  m od el   to  det ect   reacti ve  j a m m ing   for  T W SN s  a nd  [ 9 ,  11 ]   fo r   U WSNs.   Fu rt her,  var io us  netw ork  div e rsiti es   are  ex plored   to   offer   m it igati o n  so l utio ns   [ 12 ] .  Sp rea ding  s pe ct ru m   [5 ,  13]   m aking   us e  of   m ul ti ple  fr eq ue ncy  bands  a nd   m edium  acce ss  cont ro l  (MAC )  ch ann el s ,  Mult i - path  r outi ng   be nef it in g  from   m ul ti ple  pr e - se le ct ed  routin g  paths  [ 12 ]   are  tw o  good  exam ples  of   them .  Ho w ever,  in  this  appr oach,  the  abili ty   of   j am mers  ar e  consi der e d  to  be  rest rict ed  a nd   powe rless  to  cat ch  the  a ut hen ti cat ed  tra ff ic   f ro m   the  ca m ou fla ge  of   these   div e rsiti es.  H oweve r,  due  t o  the  sil ent  natu re  or   be ha vio r   of  rea ct ive  j a m m ers,   they   ha ve  m or e  pow ers  t o  destr uct  these  m itigati on   m eth ods.   I n  rece n t  tim es,  nu m ber   of  ap proac he s  has  been   pr esented  t o  a  ut il iz e   sp ect r um   eff ic ie ntly   and  ad dress  sp ect ru m   req ui rem ent  fo r   pro visio ning  f uture  ap plica ti on  [ 14 ] .  These   m od el   aim s  to  at ta in  optim al   us e  of   a vaila ble  r eso ur ce  (s pectru m ).   Th us,  t hese  m od el   ar e  ref e rr e d  as   op ti m al  res ou rce  al loca ti on   sc hem es  [1 4,  15 ] .  I n  op t i m al   reso urce  al locat ion   sc he m es,  the  se nso r  de vice,   rathe r  tha n  avo i ding  a   j a m m er  by  us i ng  diff e re nt  inst ance  of  spe ct r um ,  dep e nds  on  e xp l or i ng  th e  existi ng  s pec trum   in   m os t  reso urce fu l  way  to  m itigate  j am m ing .  F ur t her,  [ 15 ]   pr ese nt ed  a  co oper at ive  authe ntica ti on  com m un ic at ion   to  at ta in  optim al   reso ur ce  al locat ion .  Si m il arly ,  [1 6]  presente d  co ope rati ve  com m un ic at ion   schem e  fo r  relay /ho p  sel ect io n  an d  [17]  ad opte d  cr os s  la ye r  desig n  f or   rel ay   no de   sel ect ion.  H ow e ve r,   thes e   m od el   are  not   eff ic ie nt  i n  ut il iz ing   sp ect r um   eff ic ie ntly   as  they   do  not  co ns i der   spa ti al   reu se.  I n  [18]  pr ese nted   to polog y - e ff ic ie nt  disco ver y  al gorithm   con side r   sp at ia l  re us e  for  util iz ing   s pectr um   eff ic ie ntly .   Th ough,  [ 18]   int r oduce d  sp at ia l  reu se,  with ou t  pro per   sc he du li ng  a nd   de la ys  in  transm i ssion s ,  m any  pack et s   sti ll  co ll ide.   Fo r   ove rco m ing   re searc h  c halle ng es ,  this work  presents  m axim iz e  resour c e  util iz at ion   ba sed  c hanne l   acce ss  (MR UCA)   m od el   for  U WSN  us i ng  c ro ss   la ye r  des i gn.  T he  MR U CA  joi ntly   op ti m iz es  the  co operati ve   hoppin g  pro ba bili ti es  and   channel  acce ssi bili ty   pr ob a bil it ie s  of   authe ntica te d  sens or  de vice.  This   work  consi ders  that  the  se ns or  devi ce  coope rate  at   two  sta ges.  Firstl y,  at   the  MAC  la ye r,   a  coope rati ve  c ha n nel   acce ss  m od el   is  pr ese nted  wh e re  the  c ha nn el   acce s sibil it y  pr obabili ti es  of  dif fer e nt   sens or   de vices  ar e   op ti m al l y  cont ro ll ed  s o  tha t  sensor  de vi ces  de gr a ded  rigor ou sly   by   j am m er  hav e  hi gh e r  po r ti on   of   transm issi on   ti m e.  In  this  m ann e r,  the  sens or  dev ic e   with   ideal   li nks  s ha r e  capaci ty   wit h  th os e   with   j a m m ed   li nk s.  Seco ndly ,  this  w ork  exten d  c ooperat ion   am on g  ph ysi cal   an d  MAC  la ye r.   T hat  is,  this  w ork  use   coope rati ve  hop  based  tra ns m issi on   with  ce r ta in  pro ba bili t y  for  inc reasin g  the   li nk  capa ci ty   of   se ns or  dev i c e   in  U WSNs.   La stl y,  channel  l oad  capaci ty   is   est i m at ed  to  m axi m iz e  resour ce   util iz at ion.   T he  re st  of  th e  pa per   is  orga nized   a s  f ollows.  In  s ect ion   II  li te ratur e  s urvey  is   discusse d.  I n  s ect ion   III  the   pro po se d  m axim ize   resou rce  util iz at ion   base d  c h an nel  acce ss   m od el   for  unde r water  wir el ess  senor  ne twork  is  pre sented .     In   pe nult i m at e   sect ion   exp e r i m ental   stud y  is  carried  out.  The  con cl usi on   an d  f uture   wo r k  is  desc ribe d    in last  secti on .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une  2020 :   32 84   -   3394   3286   The researc h c on t rib ution o f  t his wo rk are  as  foll ow s   -   Firstl y , th is  work prese nted  m axim iz e resource  u ti li zat ion   ba sed  c ha nn el  a ccess m od el  fo r  U WSNs .   -   Pr ese nting   a  novel  c ro s s  la ye r  desi gn   for  c oope rati ve  c omm un ic at ion   (a m on g  MAC  an d  physi cal   la ye r)   to   detect  j am m ed  node  a nd  util iz ing   sp ect r um  eff ic ie ntly .   -   Pr ese ntin g  c ha nn el   loa d  cap aci ty   of   authe ntica te d  sens or  for  m axi m izing   res ource  ut il iz ation   with ou t   aff ect in g  a djac ent conte ndi ng sen s or de vice.   -   Ex per im ent  outc om e   sh ows,  the  pro po se d  MR UCA  m od el   at ta in  su peri or   pe rfor m an ce  than  existi ng  m od el   in  te r m s   of   bit  erro r  rat e,  detect ion   rat e,  pac ket  sen din g  rati o,   a nd   sl ot  util iz at ion   con si der i ng   gri d  and ra ndom  top ol og y  de plo y m ent.       2.   LIT TE RA TU RE S URVE Y   This  sect ion   present  e xtensi ve  sur vey  on   pro vision i ng   s ecur it y  and   a ddressi ng  secu r it y  issues  in  unde rw at er   wi r el ess  se nsor   ne twork  a nd  ide nt ifie d  resea rch  issues  to   m od el   an  e nh a nce d  secur e   an d  e ff i ci ent  resou rce  al locat ion   m od el   fo r   U W S N.   I n  [ 19] ,  showe d  MAC  protoc ol  is  a  key  el e m ent   in  U W S N  sim il ar  to   te rr est rial   net w ork.   H ow e ve r,   U WSN  has   un iqu e  featu re  s uc h  as,   lo w  c h a nn el   reli abili ty,  ve ry  sm al l  chan nel   capaci ty ,  hi gh  dynam ic s  of   c hannel  qual it y,  an d  l ong  pro pag at io n  delay .  T hu s ,  M AC  desig n  m od el le d  for   te rr est rial   network  ca nnot  work  well   f or  U WSN.   He re   they   c onduct ed  e xtensi ve  s urvey  of  va rio us   M A C   desig n  pr opose d  i n  rece nt  ti m es  fo r  bu il di ng   e nhance d  MAC  m od el .  Fu rt her,  m ajo r   rem a ining   iss ues  an d  po s sible  resea r ch  dir ect ion s  a re  al so   discusse d.   I n  [20],  showe d  f or  prol ongi ng   li feti m e  of   U WSN,  tw o  facto r   su c h  pac ket  siz e  and   tra ns m i ssion   powe r  pl ay s  vital   factor.  At  one  ha nd,   s m al le r  pack e t  are  m or e  rob us t  to  pack et   e rro r  wh e n  c om par e d  with  la r ger  pack et s .  T hus,   us in g  sm aller  pac kets  ai d  i n  re duci ng  bit  error.  Howe ver,  it   r equ i res  la r ger  fr am e  fo r   tr ansm issi on   an d  hen ce ,  in du ce  energy  a nd  netw ork  overh ea d.    Fo r   m ini m i zi n g  f ram e  err or,  transm issi on   powe r  ca n  be  i nc reased .  H owe ver,  this  will   r esult  in  un nec essary  energy  dissi pation  in  t he  netw ork.   T hus,  it   is   i m po rtant  to  c on si der   both  pa cket  siz e  an d  transm issi on   powe r  for  e nh a ncin g  l ifet i m e  of   net work.  Her e ,  th e  pr e sen te d  opt i m iz ation   m od el   us in g  inte ge r  li near   pro gr a m m ing   to  m axi m iz e  lif et i m e  of   netw ork  c onside rin g  bo t h  pac ket  s iz e  an d  tra ns m issi on  pow er.   Along  wit h,   a   r eal ist ic   li nk - la ye r e ne r gy d issi pation  m od el  is p rese nted usi ng phy sic al  lay er f eat ur es  of  U WSNs.   In   [ 21 ] ,  s howe d  that  c hannel  sh are d  am ong  con te nd i ng  sen so r  de vice  to  ut il iz e  reso urce  eff ic ie ntly .   Howe ver,  sh a r ing   c ha nn el   a re  pro ne  t o  im per so natio n  and   va rio us   ot her   kind  of  at ta cks  [ 22 ] .  I n  [ 21]   pr ese nted  a s pa ti al  r euse b ase d  res ource all oc at ion  m od el   f or   U WSN   for a vo i ding d e str uctive colli sio n. Ma j or  cause  of  su c h  colli sion   is  du e  to  near - fa r  eff ect   [ 18 ]   w he re  sens or   de vice  placed  fa ra way  from   rece iver  is   j am m ed  by  a  c loser  se nsor   de vice.  Her e ,  the y  con si der e d  s patia l  reu se   ti m e - div isi on  m ulti ple  acce s s  ( TDM A )   for  inc reasi ng  thr oughput.  Th ey   adopte d  bo t h  opport un ist ic   an d  c onte ntio n  fr ee.   T heir  m ai n  obj ect ive   is  to   gu a ra ntee  pe r - node  pac ket  tr ansm issi on   rat e  an d  m axi m i ze  tim e  slot  (r eso urce)  al lo cat ion .  Their   m od el  increases   co nt ention  f ree  pa cket  tra ns m iss ion ,   a nd  dec r ease  sc hedulin g  delay   of  op portu nisti c  pa ckets.   Howe ver,  it   in du ce s  colli sion  a m on g  nei ghborin g  co nten ding  de vice.  I n  [15],  sho we d  that  U WSN   pack et s   rar el y  inclu de  encr y ption   due   to  physi cal   an d  pe rfo rm ance  lim i ta ti on s.  T hu s ,  U WSN   is   expos e d  to  va rio us   kind  of   sec uri ty   at ta ck  br ea chin g  le giti m a te   m essage.  Her e  t hey  pre sented  a n  al gorithm   fo r   m essage   authe ntica ti on   in  an  U WSN  env i ronm ent.  Fu rt her,  ob se r ved  that  a n  at ta cker   c an  im per sonat e  the   c hannel   associat ed  with  the   aut hen ti c at ed  se ns or  de vice  only   f or  a  sing le   or  cer ta in  set   of  rec ei vin g  se ns or  dev ic e .   This  is  due  t o  str ong  spa ti al   dep e nden cy   of  the   U WSN  c hannel.  C on si der i ng  the se  obse rv at io n,  they   pr ese nted  a  m od el   us i ng   c oope rati ve  strat egy  a m on g  tr us te d  se ns or  de vice  towa rd   base  sta ti on   or  sink.    Fo r   each   inc om ing   m essage,  the  si nk   f use s  belie fs  c om pu te d  by  th e  truste d  se nsor  de vice  to  r each  a n  authe ntica ti on   decisi on.  The s e  belie fs  are  co m pu te d  by  est i m at ing   sta ti st ical  chan nel  pa ra m et ers,   pr efe rred  to   be  the   m os t  sensiti ve  to   the  c om m un ic at ing   dev ic e  m ov em ent.  Ou tc om e  sh ows   accu rat e  identific at io n  of  a n  at ta cker ’s  p ac ke t.   In   [ 17] ,  outl ine d  a  hybri d  desi gn   t hat  is  com po s ed  s of t war e   def ine d  netw ork ,  physi cal   layer  secur it y,  cro ss - la ye r  des ign ,  c ogniti on,   node  co op e rati on   an d  co ntex t - awa re ness .  They  env isi one d  a  secur it y  m o del  at   bo t h  net wor k  as  well   as  at   the  node   le vel   that  ada pt  to   dynam ic   env iro nm ental   conditi on ,  t he  sta tus  of    the  netw ork,  a nd  possi ble  wide  range   of  at t acks  or  sec ur it y  br eac hes .  He re  they   disc us s ed  se ve ral  ki nds  of   a tt acks,  secu rity   br eaches  a nd  co un te rm easur es  al on g  with  i m ple m entation ,  dep l oym e nt  and   f unct io nalit y  issues  an d  chal le ng es  of  buil di ng   hy br id  sec ur it y  m od el   fo r   U W S N.   T he  m ai n  fo cusse s  of   their  m od el   desig n  is  to  su ggest   fu tu re  rese ar ch  directi on   t o  resea rch   c om m un it y  or   orga nizat ion   work i ng  on  U WSN.    In   [18],  pr ese nt ed  to po l og y - e ff ic ie nt  disco ve ry  m od el   fo r   U WSN.  He re  they   us e d  net work  inf orm ation   of  so urce  a nd   des ti nation  se ns or   dev ic e  for  pe r form ing   routin g  an d  sc he du li ng   pac ket  trans m issi on .  T hey  aim ed   to  assu re  bett er  co nver gen c e  tim e  in  co m ple ti ng   topol og y  disco ver y   and   t he  net w ork  tra ns f or m s  to  it s     ste ady - sta te   scheduli ng  de sig n.   F or   m eet ing,  they   aim ed  to  assess  the  li nk   reli abili ty   and   to  identify   ac ou sti c   li nk .  T heir  m et hod  al low  s ens or   dev ic e  t o   sha re  ti m e  slots  w hile  m ini m iz ing /c on t ro ll in g  the  pote ntial  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Maximize  reso ur ce  util izati on base d  c ha nnel  a ccess …   ( Sh e et al Bag ali )   3287   colli sion   to  re du ce  over hea d  and   delay   in   topolo gy  dis cov e ry  proce s s.  Furthe r,   it   offer s  powe r  con t ro l   m echan ism   a m ong  nea r – far  node   pairs  ( NFNPs )  to   im pr ove  s pectr um   util iz at ion   (. i.e .  offer s   s p at ia l  r euse).  Th ough,  their  m et ho d  offe rs   bette r  sp ect r um   utilizat ion   with  m ini m al   topolo gy  disco ver y  tim e.  Howev e r,   without  pro per sche duli ng and  delay s in  tr an sm issi on s,  m any p ackets  sti ll  co ll ide.   Fr om   extensi ve   survey  it   ca n  be  seen   the  s patia l  reuse  m echan ism   has  been  wi dely   a pp li ed   acr os s   sta te - of - art  m e thod  to  util iz e  resou rce  ef fici ently .  Howe ve r,   it   induces  va rio us   sec ur it y  issues.  Furthe r,   sens or  node  c oope rati vely   transm it   a m on g  ad j ace nt  sen sor  dev i ce  to  m ini m ize  energy  c on s um ption   an d  util iz e   sp ect r um   reso ur ce  e ff ic ie ntl y.  Howev e r,   t hese  m od el   do   not  co ns ide r  physi cal   la yer   inf or m at ion   into   consi der at io n.  Th us ,  af fecti ng  netw ork  pe rfor m ance.  Alon g  with,  c on si de rs  sche du li ng  of   cha nn el   to  util iz e   resou rce  eff ic ie ntly .  Ho we ve r,   w hen   us e r  are  sel fis h  it   incur s  c ol li sion   ov e rh e ad  am on g  ad j acent     sens or   de vice.   Fu rt her ,  ver y  lim it ed  wo r k  is  carried  ou t  f or   detect ing   re act ive  j am m er.  Ther e fore,  th ere  is     a  requirem ent  for  ne w  m odel   that  that  detect   j am m ing   eff ect ively   an d  at   the  sam e   tim e  uti li ze  resour ce   eff ic ie ntly .  T his  w ork  pr ese nt   a  m axi m iz e  reso urce  al locat i on  base d  c ha nnel   al locat ion  m od el   with  pr esence  of j am m er n od e f or   unde r water se nsor netw ork.       3.   MA X I MIZ E  RESOUR C E  UTILIAT ION   BA SED  CHA NN E L  AC CE SS   MOD EL   FOR  UNDER WAT ER WI RELE SS  SE NS O R NET WO RK   Thi s  w ork  present  Ma xim i ze  Re so urce  Util iz at ion   bas ed  cha nnel   acce ss  (MRUC A)   m od el   f or  unde rw at er   wi reless  se nsor   ne twork   ( U WSN)   with   the   pr esence  of  j am m ing   se ns or  de vice.  For  m axi m izing  resou rce  util iz at ion  w it hout  a ff ect in g  a dj ace nt  co nten ding d evice  a  c ha nnel   acce ss  m od el   adoptin g  cr oss  la ye r   desig n  (i.e .,  c oope rati ve  c omm un ic at ion   a m ong  ph ysi cal   and   M AC  la ye r)   is  pr es ente d.  Firstl y,  the  syst e m   m od el   is  def ined.   T hen,  the  r eact ive  j am m i ng   m od el   ad opte d  for  resea rc h  w ork  is  desc ribe d.   Th en ,  th e  cro ss   la ye r  desig n  of   physi cal   an d  MAC  la ye r  is pr ese nted .  F urt her,  the   m et ho d  f or  ide ntifyi ng  a uth e ntica te d  sens or  dev ic e  is  pr e s ented.   Along  with,  cr os s  la ye r  base d  cha nnel   acce ss  m od el   is  def ine d.  Last ly ,  chan ne l  load  capaci ty  is esti m at ed  to m axim iz e reso urce  util iz at ion  u si ng eit he r direct   or thro ugh h op b ase d  tra ns m i ssion.     3.1.    S ys te m m od el   Let ’s  co ns i der   an  underwate r   wireless  se nsor   netw ork  t hat  is  com po se d  of   set   of    authe ntic  sens or   dev ic e.  F urt he r,   each  se ns or   dev ic e  is  co m po sed  of   s ource - de sti natio n  pai r  of  de vi ces.  Con si der i ng   this  scenari o,   the  wireless  sen sor  netw ork  can  be  seen  as  a  s et   of   co ncurr e nt  dev ic e - to - de vice  com m un ic at ion s.     This  work  ass um es  that  the  com m un ic at ing   se nsor  de vic e  queue s  are   a lway s  flo oded/ back l ogge d,   t he n  we   can  desc ribe  e ach   tra ns cei ver  pair s  as   a  ses s ion .   We  descr i be  t he  tra ns m itti ng   a nd  receiv ing  de vices  of  each   session  ∈   as  ( )   an d   ( ) ,  res pecti vely .  Furthe r,  f or p e rfor m ing   tra nsm issi on   by  a ut hen ti c  se nsor  de vice   there a re s et   of     ort ho gonal fr equ e ncy c hann el s.     3.2.    Re ac tive jam mi ng mo d el   Let ’s  c onside r   that  t her e   is  on e   j am m er  de vice     wh ic h  ha s  li m it ed  p ower   c on st raint   an d  trie s  t o  degra de  the   th r oughput  perfor m ance  of  a uthe ntic  sens or  de vice  by   ge ner a ti ng   inte rf e rence   on  t he  acce ssible   channel.   Furth er,  t his  w ork  c on si ders  that  t he  j am m er  can   em it   wideb a nd  inte rf e ren ce   si m ultaneou sly   acr os s  al l t he  acce s sib le  ch an nel.  Th e  j am m er p ower  all ocati on stra te gy is d e note d as f ollo ws :     = ( ) ∈ ,   (1)     wh e re    is t he p ow e r give n o n chan nel  , thus  we ob ta in ,     1 ≤ ↑ ,   (2)     wh e re  1   de picts   an   1 ∗ | |   vecto r  of  ‘1’,   a nd  ↑   is  the   m axi m u m   po wer  of  t he  j am m er.  D ue  t o  t he   dive rsity    of   f re qu e nc y  c hannels,  the  j a m m er  m us t  as sign   it s  powe r   con str ai nt  in  a  way  that  ai d  in  at ta ining   good   j am m ing  ef fect .     3. 3 .    M A C  la ye r mo del   The  co operati ve  (m utu al )  jamm ing   detec ti on   m od el   is   desig ned   bas ed  on  m utu al   functi on al   com pu ta ti on   a m on g  physi cal   and   M AC  la ye rs.   I n  M AC  la ye r,   sens or  de vi ce  con tr ols  th ei r  cha nn el   acc essible   pro bab il it y  to  at ta in  highe r   cha nces  to   c omm un ic at e  t o  dev ic es  t hat   are  bein g  j a m m ed.   Fo r   sa ti sfying,     an  oppo rtu nisti c  sp ect ru m   ac cess  (O S A )  m od el   with  a djust able  sp ect r um   acce ss  pr ob abil it y  is   req ui red   at   MAC  la ye r.   F or   s uc h  c on si der at io n,   slott ed  m ulti chan ne l  CSM A  is  c on si der e d  w he re  se ns or  dev i ce  can   adjust  t he  c ha nn el   a ccess  prob a bili ty .  O ur   MAC  m od el   is  sim il ar  to  st at e - of - art   m od el   (i.e.,  it   is  ba sed   on   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une  2020 :   32 84   -   3394   3288   con te ntion)  w he re  com m un ic at io n  tim e  is  di vid e d  into  set   of   tim e  slots,  a nd   al l  sens or   de vice  is  con sid ered   t o  be  sync hro nize d.   At  each  ti m e  slots,  a  se nso r  de vice  at   m os t  sel ect   on ly   one  c hannel  at   a   tim e  fo r  pe rfo rm ing   transm issi on ,  si m il ar  to  fr equ e ncy  ho pp i ng   m et ho dolo gy.  H oweve r,  the  cha nn el   is  arb it rar il y  sel ect ed     (i.e. ,  a   sen sor  dev ic e   sel ect   e ach  c ha nn el   wi th  certai n  pro ba bili ty ) .  A   sen s or  de vice  is   al so   per m it te d  to  sel ect  none  a nd  in   thi s  scena rio   the  s ens or   de vices  a ct s  as  ho p  dev i ce  f or   oth e r  c onte ndin g  se nso r  de vice.   I f  a  s ens or  dev ic e  sel ect   channel   ∈ ,  it   init ially   sense  the  channel  at   the  sta rt  of   the  ti m e  slots,  to  deci de   if  the  cha nn el   is  acce ssible.  Con te ntion   m ay   arise  as  ther e  m ay   be  m ult iple  co nten der  (senso r  de vic e)  sel ect ing   t he   sam e   channel.  Sim ilar  to  CS AM,  a   con te nd i ng   se ns or  dev ic e  se t   arb it ra ry  bac k  off  tim e  and   i niti al iz e  cou nt er,  a nd   the  fi rst  de vice   co un te r  tu r ns   t o  ze ro  wi n  t he  con te ntion  f or  channel  acce s s .  F or  easi nes s  and  at ta in  neg l igible  colli sion   pr obabili ty ,  the  con te ntio n  wi ndow   is  ke pt  fe asi bly  la rg e.  The  pro pose d  MAC  des ig n,  al lows     the  se ns or  de vice  to  al te r   it   ch ann el   acce ssibl e  pro ba bili ty   by  j ust   fi ne - tu ni ng  the   cha nnel   sensi ng  pr ob a bili ty   of  diff e re nt  c ha nn el .   T hus,   l et   ,  ∈   de picts  t he   ch an nel  s ens ing  pr ob a bili ties  of  se nsor   de vice    on  channel   .  Fu rt he r,   the  se nsor  dev ic e  m ay   in du ce s  delay   of   it s  transm issio n  for  ser ving   as  hop  de vice   for   oth e r  se nor de vice due t o n onzero p roba bili ty  o f  sen s or  devi ce   .  Th us   we h ave :     ∑ ≤ 1 ∈     3. 4 .    Ph ys ic al l ay er  m od el   Ph ysi cal   la ye r   inf or m at ion   i s  receive d  t hroug h  hoppin g.  Ra ther  t ha n  t ran sm it t ing   it s   own   traf fic,    a  sen sor  de vice  can   be ha ve  as  a  hop  de vic e  an d  c oope rat ively   com m un ic at e  a  pa cket  on  be half   of  a no t her  sens or   de vice.  Cooperati ve   c om m un ic at ion   i s  at ta ined  by  distribu ti ng  t he  a ccessi ble  com m un ic at ion   tim e  into   two  sta ge.  Fir stl y,  the  s ourc e  (se nder )  bro adcast  the   pa cket  (i nfor m at ion)  to   bo t h  t he  hop  de vice   an d   the  recei ver  ( de sti nation).  Se condl y,  t he  hop  de vice  f orwa rd  the  obta ine d  pac ket  to   the   receiver ,  w hich  t hen  cum ulate   these  pac kets  an d  perform   deco di ng.  I n  this   wor k,   we  c on si der   dec od e - an d - f orward   base d  coope rati ve  tra ns m issi on ,  unde r  wh ic h  the   hop  de vice  for ward  t he  m essage  on ly   wh e n  the   pack et   col le ct ed  from   the  so urc e  de vices  ca n  be  decode d  s uc cessf ully .  To  handle  with  s uc h  dynam ic   beh avi or  of  the   jamm er,  we  co ns ide r  a  dynam ic   ho p  dev ic e  sel ect io n  m e tho d  po li cy   to  al low  the  sensor  de vice  fo rm   virtu al   MISO  li nk s.  At  each   tim e   slots,  a  se nsor  dev ic e  that  decide  not  to  per f orm   s ensin g  any  f re qu e ncy  cha nne l  will  beh a ve  a s a  ho p dev ic e  f or   ot her sen sor  dev i ce if the re is a n o pti m ist ic  co op erati ve  g ai n.     3. 5 .    Str ateg y of authe nt ic ated sens or devi ce   The  be ha vior  of   a uth e ntic  sensor  de vice  is  o btaine d  as  f ol lows .  When  a  sens or   dev ic e  is  flooded,    it   cho ses  it s  ch ann el   se ns in g  pro bab il it y  fo r   each  cha nn el .  The  se ns or  de vice  will   serv e   as  a  po te ntial   hop  or   coope rator  f or  oth e r  aut hent ic at ed  sens or  dev ic es  i f  it   decide  not  to  se ns e  any  channel.  Na tu rall y,     the  co op e rati ve   hoping  tra nsm issi on   pro ba bili ty   is  a  f un ct io n  repres entat ion   of   t he   channel  se ns in g  pro bab il it y   ,  of   the  poli ci es  of  j am m er   ,  an d  th e  wireless  se nsor  netw ork  t opogra ph y.  The  s ens or   de vice   that  deci de  to   sense   the   sa m e  channel  by   init ia li zi ng   an  a rb it ra ry  ba ck  off  a nd  t he  se nsor   de vi ce  with   m axi m u m   pr obabili ty   will   ob ta in  c on te ntion   f o r  tra nsm issi on .  The  featur e  descr i bing  the  co operati ve  transm issi on   at   bo t h  la ye rs,   i . e.,  c hannel  acc essible   pro ba bili ty   and   co op e rati ve  ho ping  pro bab il it y,  ar e  bo t h  functi onal   re presentat ion   of  the  ch an nel  ac cessi ble  pro ba bili ty ,  network  topogra ph y,  a nd   f or   a  res pe ct ive   j am m er  po li ci es.  Th us ,  we  ca n  util iz e  chann el   acce ssible  pr oba bili ty   as  the  po li cy   sp ace  of   a n  aut hen ti c at ed  sens or   de vice a nd can  b e  r e pr e sented  as  fo ll ows :     = ( ) ∈ ̃   (3)     w ith ,   ̃ = ∪ { 0 }   (4)     wh e re    de picts  the se ns in g pro bab il it y of cha nn el   , and  0   de pi ct s the  prob a bi li ty  that    do es n’t  sense a ny  of the c ha nn el .  Th e n, it  m us t sat isfy fo ll owi ng con diti on :     > 0 , ∀ ∈ , ∀ ∈ ̃   (5)     ≤ 1 , ∀ ∈ , ∀ ∈ ̃   (6)   1 = 1 , ∀ ∈   (7)     Fu rt her , th e  se ns in g pro bab il it y st rategy o f  a ll  sen sor  de vice in    is ex pr e ss ed  as  foll ows :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Maximize  reso ur ce  util izati on base d  c ha nnel  a ccess …   ( Sh e et al Bag ali )   3289   = ( ) ∈   (8)     and sim i la rly , th e se ns in g p robab il it y st rateg y   of all  u se r  e xc ept for     can  be  obtai ned as  f ollows :     − = ( ) ∈ ⁄   (9)     3. 6 .    C hannel   accessibl e pr obabil it y  e va lu at i on   Let   us  ass ume   that,  t he  es tim a te d  siz e  of  a  a uth e ntica te d  se nsor  de vice   ∈ ,  is   ex presse d    as foll ows :     ( , ) = ∑ ( , ) ( , ) , ∈   (10)     wh e re  ( , )   is  the  pro bab il it y  that  sensor  dev ic e     is  able  to  res ourcef ully   acce ss  the  c hanne l,    is    the  pro ba bili ty  that  sens or   de vice     senses  frequ e ncy  cha nn el ,  and   ( , )   is  the  at ta inable  siz e  on   t hat  channel  (t hrough   ei the r  usi ng   a  cooper at i ve  hop  dev ic e  or   by  us in g  direct   transm issi on ),  for  a  give n  j a m m ing   powe r  strat e gy     an d  se ns i ng  pr ob a bili ty  strat egy  .   A s  desc ribe d  a bove,  MAC  l ay er  co operati ve  transm issi on   i s  at ta ined   thr ough  st och a sti c  cha nnel   acc ess.  T hat  is,   t he  se nsor   de vi ce   ∈   is  able  t o  resou rcef ully   acce ss  f re qu e nc y  cha nn el   ∈   if   sessio n    wi ns  the  c ha nn el   acce ssible  c om pet it ion   an d    the  c hannel  s e ns e d  is   idle  at   session ’s   tra nsm itti ng   se nsor   dev ic e   ( ) .  Let   ̂ ( )   de picte d  a s  t he  pro bab il it y  that  sessio n    wins   the  c on te nt ion   gam e  and   ̃ ( )   be  re presente d  as  the  pr ob a bi li ty   that  chan ne l    is  idle,   the ch a nn el  ac cessi bili ty  p rob abili ty   ( , )   in  (10)  can  be  c om pu te d  as  foll ows :     ( , ) = ̃ ( ) ̂ ( )   (11)     If   we  c onside r  ℎ as powe r  t hr es ho l d belo w whi ch  a  fr e qu e nc y chan nel is se ns e d  idle,  th us   ̃ ( )   can  be  e xpress ed  as  foll ows :     ̃ ( ) = (  ( ) ∙ (  ( ) ) 2 + ( ( ) ) 2 ) ≤ ℎ   (12)     wh e re    ( ) ,   ( )   is  t he   c aptu rin g  fa ding  a nd   pat h  l os s   com pone nt  of  the  li nk   am on g  ja m m er  an d  se ssion  ’s   transm itti ng   s ens or   dev ic e  ( )   on   fr e quency   channel  ,  res pecti vely ,  an d  ( ( ) ) 2 is  the  no ise   powe r.    As   ( )   Ra yl ei gh   di stribu te d wit h fadi ng co m pone nt   ( ) , th e   ̃ ( )   in  ( 1 1)  can  be rew ritt en  as  foll ows :     ̃ ( ) = ∫ 1 − − 2 ( ) ⁄ ↑ 0    (13)     Using  (12),  ↑   ca n be c om pu te d as f ollows :     ↑ = √ ( ℎ − ( ℎ − ( ( ) ) 2 ) (  ( ) ) ⁄ ) .   (14)     We  f urt her  c om pu te   the  pro bab il it y  that  a  sens or   de vice  ∈   wins   t he  m edium   acce ssible   gam e  po st   perform i ng  se ns in g  th e  f reque ncy  c hannel   ∈   to  be   idle.     Let   c on si der  set   of   se ns or   de vic e   con te nd i ng  wit h  se nsor  de vic e    on  fr e quenc y  channel    re presente d  as   ⊂ ⁄ ,  th e  winnin g  pro bab il it y  for  se nsor de vi ce    can  b e  e xpr essed  a s foll ow s:     1 1 + | |     wh e re  | |   is   the num ber  o f   sen sor d evice   in   .  Si nc e  each  p r obab le   co nten ding s ens or  de vice  ∈   joins   the  acce ss   co n t ention  gam e  with  pro ba bili ty   ̃ ( ) ,  the  ca rd i nalit y  of  ,  that  is  | |   is  consi der e d  to  be   Po iss on d ist ri bute d wit h  m ean a nd is e xpres sed  as  foll ows:   ( | | ) = ∑ ̃ ( ) . ∈ ⁄   (15)     The n,  the   cum ulate d  pro ba bili ty   of  est ablish ing  a   cha nnel   a ccess  c on te ntio n  gam e  for   sen so r   dev ic e   ,  t hat  is ,   ̂ ( )   in  (11), ca n be  co m pu te d  a s foll ows :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une  2020 :   32 84   -   3394   3290   ̂ ( ) = ∑ 1 1 + ∙ ( ( | | ) ) − ( | | ) ! . | | − 1 = 0   (16)     3. 7 .    E stim at e d ch an nel l oad capaci ty   Let   us   ass um e   that  ∈   sens or   de vice  w on  the  channel  acce ss   gam e  to  per f orm   trans m issi on   on   channel   .  Now   we   e xpress   t he   ex pected   c hannel   loa d  c apacit y  at ta inable  us in g  dire ct   com m un ic at io n    i.e.,  ( ,   in  (10) is  com pu te d  as  fo ll ow s:     ,   ( ) = log ( 1 + , 2 ( ) )   (17)     wh e re    is t he d at a rate of eac h cha nn el ,  and  , 2 ( )   i s co m pu te d as  fo ll ows :     , 2 ( ) = . ( ℎ ) 2 ( ( ) ) 2 +  ( ) . (  ( ) ) 2   (18)     wh e re     is  the   transm issi on   po wer  of   sen or  de vice   ,    a nd    ar e  the   fa ding   a nd  path   loss ,  r especti vely ,   ( ( ) ) 2 is  the  p ow e r  of  noise   at   th e  receiv er   sid e  of  se nsor   de vice    dep ic te d  as  ( )   on   cha nnel   .    The  est im a te d  channel  load   capaci ty   at tainab le   us i ng   direct  li nk   ca n  be  cal culat ed  by  m eaning   al l     the  c on cei vab l e  cha nnel   fa di ng  c om po ne nt  of  al l  the   li nks   am on g  ( )   and  ( ) ,  and  the   j am m e r  dev ic e   an d  ( ) .  Sim il arly ,  the  co operati ve   hop  tra ns m issi on ,   i.e.,     in   (10)  can  be   c om pu te d.  Let   us  ass um e  that  eac h  so urce   de vice   ∈ ⁄   f unct ions  as   a   possi ble  hop  dev ic e   with  pr ob a bili ty   0 .   Th us,  w it h  res pect  t o  ce rtai n  pro bab il it y,  sensor  dev ic e    w il l  ob ta in  co op erati ve  gai n  by   on e  of  the  po t entia l  cooper at ive  sens or  de vi ces.  In   s uc h  case,  a   sens or   dev ic e    sel ect s  ( )   as  the  hop  dev ic e,  t he n,   the  res ultant  cooper at i ve  ca pacit y  can  be  express e d  as  fo ll ow s :     ,    ( ) = 2  ( 1 + min (  , 2 , , 2 +  , 2 ) )   (19)     wh e re   , 2 =  , 2 ( )   an d   , 2 =  , 2 ( )   de picts  th e  sig nal   to  noise  r at io o f  t he  li nk  am on g  t ransm i tt e r   to  hop  de vice  and   hop  de vice  to  receive r,   re sp ect ively .  A n  i m po rtant  thi ng  to  be   note d  he re  is,  f ro m   (18)   a nd  (19)  the  c oope rati ve  ca pacit y  can  be  lo we r  or   highe r  tha n  the  di rect  cap aci ty .  This  is  du e   t o  ½  c oe ffi ci ent   consi der at io n  in  (19 ).   Th us ,   t he  overall   est i m at ed  capaci ty   at ta inable  by  sens or  de vice    ov e r  c ha nnel     can   be  c om pu te d  a s foll ow s :     ( , = ∑ ,    ( ) ∈ ⁄ + ∑ ,  ( ) ∈ ⁄ )   (20)     Fo rm   (20)   it   can  be  see n,   t he   above  e qu at i on   ca n  be  sat isfie d  only   w he n  the  p r ob a bili ty   that  m or e  than  one  c oope rati ve  sens or  dev ic e  j oi ns   in   cooper at ive  tr ansm issi on   is  ver y  lo w.   Ot he rw ise ,  th e  capaci ty   functi on  will   be  c om pu te d  as  a  su m m at i on  of  the  e sti m at ed  coope ra ti ve  capaci ti es  offer e d  by  di ff e ren t  coope rati ve  hop  dev ic e.  F ur ther ,  this  work   ai m s  to  util iz e  reso ur ce   eff ic ie ntly   witho ut  af fecti ng  oth e r   con te nd i ng se nsor  d e vice.  Th us , t he uti li ty  p aram et er o f  ea ch  se nsor  d e vi ce can  be e xpr essed  a s foll ow s :     ( , ) = log ( ( , ) )   (21)     a nd   t he  pro pos ed  ob j ect ive  pa ram et er  to  m ax i m iz e  the  resour ce  util iz at ion   of   se nsor  dev i ce  without  af fe ct in g  oth e r  le giti m a t e senso r device  can be e xpres s ed  as  foll ows :      :       Max imi ze ∈ ( 0 , 1 ) | | ( , ) = ∑ ( , ) ∈   (22)       : ( 5 ) , ( 6 ) , ( 7 )     This  w ork  pre sent  a  distrib ut ed  strat egy  to  m eet  pr op os e d  res ource  util iz at ion   obj ect i ves  of  (22 ).     This  wor k  a dopt  an   it erati ve   fine - grai ne d  ( best  re spo ns e)   m od el   us in g  cost   par am et er.  At   eve ry  it er at ion ,   each   sessio n    trie s   to   m axi m iz e  it s  obj e ct ive  par am eter   m inu s   a  c os t  facto r  t hat   act s  a s  a   pe nalty  incu rr e d/levie d  to  eac h  c on t end i ng  sessio n  for  bein g  to o  sel fis h  in   s el ect ing   it s  own   poli ci es  and  th us   aff ect in g  ot her  con te ndi ng   se ssion s .  Since  t his  w ork  assu m es  that  fo r  each  aut hen ti ca te d  sens or   devi ce  for   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Maximize  reso ur ce  util izati on base d  c ha nnel  a ccess …   ( Sh e et al Bag ali )   3291   wh ic h  the   poli cy   of   t he  j am m er,  that  is,    is  a  gi ven  pa ra m et er,  for  easi nes s,   it   is  not  consi der e d  i n  from   the  ob j ect ive  strat egy.  T he  pr opos e d  c ha nnel   acce ss  m od el   at ta in  s uperior  pe rfo rm a nce  tha n  sta te - of - a rt   m od el  w hich  is  experim ental l y pro ved in  ne xt secti on  belo w.       4.   SIMULATI O N RESULT  A ND AN NA L Y SIS   This  sect ion   present  ex pe rim ent  analy sis  of  pr op os e d  m ax i m iz e   reso urce   util iz at ion   based   cha nn el   acce ss  (MRU CA)  m od el   with  and   with out  pr ese nce  of   j am m er  no de s  and   com pares  the  ou tc om e  with    sta te - of - art  m od el   [18].  F or   c onduct ing   e xp erim ent  analy s is,  this  wor k  use d  MAc oS im   [23 - 25] .  MAc oSim   is   op e rated  by  both  GUI  a nd  MATLAB  c om m and   li ne  inte rf ace   an d  i s  wr it te n  on  top   of  N S2  sim ula tor.  Additi on al ly ,  c entrali zed  par a m et er  m ang er  was  em plo ye d  to  acq uire  easy   config ur at io n.  The  ou t pu t  tra ce  is  wr it te n  i n  NAM   file   w hich   c an  be  us e d  la te r  to   an al yz e  th e  sim ulatio n  e xp e rim ent.  The   pa ram et er  consi de re d  for  e xp e rim ent   analy sis  is  si m il ar  to  [18].  This  wor k  c onsidere d  a  t opol og y  with  8,  12 ,  an d  16  se nso r  de vice   placed   ra ndom ly   in  a  reg i on  of  16 m *16m   with  one  j am m er  node .  Along  wit h  e xp e ri m ent  are  c onduct ed   consi der i ng   t opol og y  with  28 ,  32,  a nd   36  se ns o r  dev ic es  pl aced  in  gr i d  re gion  of  16 m *16m   with  pr ese nce  of   sing e   j am m er  node.  Jam m er   will   sen d  8 - bi t  pack et   i n  ea ch  ti m e  slot  and  eac h  node  will   ge ner at e  t raffi c   (transm i t)  3  bit  of   data.  E xp erim ent  is  carried  out  consi de rin g  100  sim ulati on   cy cl es  and   t he   outc om e  is  logged  i n  te rm s  of   pac ket  re cei ved ,   co nten ti on   pa cket  r ec ei ved ,  am ou nt   of   pac ket  bei ng   dro pped ,  bi t  err or   rate,  pack et   se nd i ng r at io  and  b it  er ror rat e.     4 . 1.     P acket tr an smissi on   pe rfo rm an ce  for  ra n do m  top ol ogy depl oyme nt   Fig ure  1  s hows  the  pa c ke t  transm issi on   perform ance  at ta ined  by  pro po se d  MR UCA  m od el   consi der i ng   wi th  an d  with out  j am m ing   co nsi der in g  var ie d  nodes .  The  outc om e  sh ow s  w it ho ut  a ny  j am m ing  nodes  the  MR UCA  m od el   suc cessf ully   transm it   10 1,   11 2,  and   129  pac ke ts  con si der in g  8,   12,  a nd   16   nodes ,   resp ect ively .  S i m i la rly ,  with  pr ese nce  of   si ngle   j am m er  node  MR UCA  m od el   s uccess ful ly   trans m it   96 ,  106,   and   119  pack e ts.  An   a ver a ge   of   6.1 4%  pac ket  dro p  is  induced  due  to  pr esence  of  j am m er  nodes  co nsi der in g  var ie d  nodes   s iz e.  F ur the r,  e xp e rim en t  is  cond ucted   to  e valuate  t he  Bi t  Erro r  Ra te   ( BER )  perform ance.     The  outc om e  sh ows  pr opos e d  m od el   with  presence  of  j am m er  at ta in  BE R  of   0.0 204,   0.036 36,  an d  0.0 325  f or  8,   12,  a nd   16  nodes ,  resp e ct ively   with  signa l  to  no ise   rati o  (SNR)  =  4d B.  Fig ure  2  show s  c on te ntio n  pac ket  transm issi on   pe rfor m ance  at ta ined  by  pro pose d  MR UCA   m od el   co ns id erin g  with  a nd  with out  j am m ing .     The  outc om e  s hows  without  any  j am m ing   node s  the  MR U CA  m od el   su c cessf ully   trans m it   10 1,   112,   a nd   129  pack et s .  Sim i l arly ,  with  pr es ence  of  si ng le   j am m er  node  MR UCA  m odel   su ccessf ully   transm it   98 ,  110,  a nd   123  pac kets  c on si der i ng  8,  12,  a nd  16  no des,  res pecti ve ly .  A  3.22%  pa cket  dr op  of  con te ntion  pac ket  is  induced  due  to   pr ese nce  of  j a m m er  no des .  F ro m ,  Fig ure  1  and   Fi g ure  2  it   can  be  see n  th at   without  j am m ing   node  the  MR UCA  m od el   at ta in  100%  slo t  (b an dwidth )  util iz at ion   eff i ci ency.  H ow e ver,  with  pr es ence  of   j am m ing  no des  the MRUC A m od el  att ai ns  93.86%  slot  util iz at ion  e ff ic ie nc y.              Figure   1. Pac ke t recei ving  pe rfor m ance       Figure  2. Co nten ti on p ac ket t ran sm issi on   perform ance co ns i der i ng v a ri ed nodes       Fu rt her,  the  MR UCA  m od el   is  evaluated  for   detect ing   j am m ing   nodes  (packets)  a nd   pa cket  sen ding  rati o  perform a nce.  I n  Fi g ure  3  the   j am m ing   detect io n  perf or m ance  of  M RUCA  is   eval uated.  F ro m   f ig ure  it   can  be  see n  th e  j am m er  node   induce  78,  82,   and   82   duplic at e  or   fa ke  pac kets  in  net wor k  co ns ide rin g  8,   12,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une  2020 :   32 84   -   3394   3292   and   16   nodes,   resp ect ively .  O ut  of   w hich  is  76,  80,  an d  78  pack et   is  identi fied  an d  dro pp ed  from   the  network   consi der i ng  8,   12,  a nd  16  node s,  r esp ect ively .  T hu s ,  th e  MR UCA  m od el   at ta in  a  detect ion   accu racy  of   96.69% .  I n  F ig ure   4  pac ket   sen ding  rati on  pe rfo rm ance  is  show n.   From   resu lt ,  it   can  be   seen   without  j am m ing   ou r  m od el   at ta ins  100%  pac ket  s end i ng  rati o.  H ow e ve r,   with  presence   of  j am m er  node ,   an   a ver a ge  of  97. 02%  pac ket  se nd i ng  rat io  is  at ta ine d  c on si der i ng  var i ed  nodes .  F r om   ov erall   res ul t  at ta in  it   show s  that  the  pro pose d  MR UCA  m odel   at ta in  su pe r ior  perform ance  (less  c olli sion)  wh e n  c om par ed  with  existi ng  m od el  [ 18] .             Figure  3. Jam m i ng  d et ect io n pe rfor m ance  consi der i ng v a ried n od es     Fig ure  4. Pac ke t sen ding r at i o per form ance  consi der i ng v a ried n od es       4 . 2 .    P acket tr an smissi on   pe rfo rm an ce  for  g ri d  t opolo gy deplo yme nt   Fig ure  5   s hows  the  pac ke t  transm issi on   perform ance  at ta ined  by  pro p os e d  MR UCA  m od el   consi der i ng   with  and   without  j am m ing   unde r   var ie d  no des  ( i.e.,  28,  32,  a nd  36).   F r om   F ig ure  5   it   can  be   seen  without  j am m e r  no  pac ket  dro p  ca n  be  see n.  Howe ver,  with   presence   of  j a m m er  it   can  be   seen   25. 33  pa ckets   been   dro pp e d.   Howe ver,  th es e  pack et   are  be en  co rru pted  by   the  j am m er  node.   As  a  res ult,  are  ide ntifie d  an d  el i m inate d  f rom   network.  T hus,  will   ai d  in  r edu ci ng  co nge sti on   in  netw or k.   F urt her,  with  prese nce  of   jamm e r   on ly   2  pac ket  is  been   retra nsm itted.  Howe ve r,   in  case  of   no   j am m er   4. 66  pac ket  has  been   retransm i tt ed.  Fu rt her,  f r om   Fig ure  6   the   pr opos e d  m od el   at ta in  92.26%  and  10 0%  pac ket  sen ding  rat io  pe rfor m anc e  with  and  without  presence  of  j am m er,  resp ect iv el y.  An   aver a ge   dr op  or  unde ru ti li zat ion   of   sp ect r um   of   7. 74%  is   induced   du e   to   presence   of  j a m m er  nodes  c on si der i ng  va ri ed  nodes   siz e.  Fu rt her,  e xp e ri m ent  is  co nduc te d  to   evaluate  the   Bi t  Err or  Ra te   (BER)  perf orm ance.  T he  outc om e  sh ows   pro posed  m od el   with  prese nce  of  j am m er  at ta in  BER   of  0.0 588,  0.0 588,  a nd  0.0 571  for  28,  32,  a n d  36  sen s or   de vice,  res pe ct ively   with  s ign al   to noise  rati o ( SN R)  =  4d B.               Figure  5. Pac ke t t ran sm issi on  p e rfor m ance for g rid  env i ronm ent co ns i der i ng v a ri ed  se nsor  d e vi ce     Figure  6. Pac ke t sen ding r at i o per form ance f or  gr i d  env i ronm ent co ns i der i ng v a ri ed  se nsor  d e vi ce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Maximize  reso ur ce  util izati on base d  c ha nnel  a ccess …   ( Sh e et al Bag ali )   3293   4 . 3 .    Res ult  and discussi on   This  sect io n  pr ese nt  perfor m ance  eval uation  disc us sio n  of  pr opos e d  MR UCA  ov er  e xisti ng    m od el   [1 8].  Ta ble  1,   s how s  re su lt   at ta ined  by   pr op os e d  MR UCA  ov e r  ex ist ing   m od el .  I n  [ 18 ]   e valuate d  thei r   m od el   us ing   u ti li ty   fu nctio n  (i.e .,  slot  util iz at ion ),   ne ar  fa r  no de   pair  ( NFNP )  detect io n  a ccur acy     (i.e.,   detect ion  rate)  an d  pac ket  colli sion   ( dro p  rate) .  H oweve r,   pac ket  transm issi on   perform ance  is  not   evaluate d  by  t hem .  Fr om   overall   resu lt   at ta ined  by  existi ng   m od el   s ho ws  they   reduc e  topolo gy  dis cov e ry  tim e.  Fu rthe r,  adoptio n  of  s pa ti al   reu se  ai de d  in   at ta inin g  be tt er  res ource  util iz at ion .  Howev e r,  pac ket  sti ll   get  colli ded   due  to   i m pr oper   sche du li ng  a nd  tra ns m issi on   dela y.  In  ot her   sid e  the  propose d  m od el   at ta in  b et te r   slot  util iz at ion ,   pack et   dro p  ra te ,  and   detect ion   rate  w hich  was  ex pe rim en ta ll y  pr ov e n  a bove .  T he  sig nif ic ant  resu lt   at ta ined   by  pr op os e d  m od el   is  du e  adoption  of  cro ss  la ye r  wh e re  the  m o del  j oi ntly   optim iz es    the  co op e rati ve   hoppin g  pro bab il it ie s  and   channel  acce ss ibil it y  pr ob a bili ti es  of   authe nt ic at ed  sens or   de vice) .   Along  with  ch ann el   loa d  cap aci ty   of   authe ntica te d  sens or  is  est i m at ed  fo r  m axi m izing  resour ce  al loc at io n  without a ff ect i ng n ei ghbouri ng se nsor de vic e.       Table  1 .   Per for m ance co m par ison o f pro pose d  m od el  MR U CA ove r  e xisti ng m od el     [ 1 8 ]   Prop o sed  M RUC A   Drop  r ate  (collis io n )   3 3 .33 % - 5 7 .1 5 %   3 .22 % to  6.1 4 %   Bit err o r  r at e   -   0 .20 4  to 0 .0325   Pack et Send in g  r at io   -   9 7 .02 %   Detectio n   accura c y   -   9 6 .69 %   Slo t utilizatio n     9 0 .0%   9 3 .86 %       5.   CONCL US I O N   Firstl y,  this  work   co nducte d  extensi ve  su r ve y  to  identify   is su es  an d  chall e ng e s  in  desig ni ng   ef fici ent   channel  acce s s  m od el   unde r  pr ese nce  of   j am m er  no de .  Fu rt her,  identifie d  secu ri ty   and   per f or m ance   ven e ra bili ty   of  U WSNs  with  pr ese nce  of  j a m m ing   node.  Am on g  j am m i ng  at ta ck,   reac ti ve  j am m ing   at ta ck  is  consi der e d  t o  be  ver y  diff ic ul t  to  identify   a nd  rem ov e  it   f ro m   the  netw ork .  N um ber   of  ap proac hes  ha s  bee n  pr ese nted  t o  preve nt  su c h  at ta ck  in  U WS N.   Howe ver ,  t he  existi ng  m od el   fail e d  to   disti nguish   be tween     the  corr up te d  and   unco rru pted  pa rts  of  a  pa cket.  As  a  res ul t  are  no t  ef fici ent  in  identify ing   j am m ing   node s.   Th us   aff ect in g  network   perform ance  (i.e.,   induce  ba ndwi dth   wasta ge).  Fo r  ov e rc om in g  r esearc h  cha ll eng es ,   this  wor k  pres ented  m axi m ize  resou rce  util iz at ion   ba sed  c hannel  acce ss  m od el   ado ptin g  cr os s  la ye r  de sign.     A  no vel  coop erati ve  sche du li ng   m echan ism   is  pr esente d  that  m i ti gat e  j am m ing   no des  an d  ai d  i n  bette r   resou rce  util iz at ion   by  joint l y  op ti m iz ing   the  co operati ve   hoppin g  pro ba bili ti es  and   channel  acce ssi bili ty  pro bab il it ie s.  Fu rt her,  f or  m axi m iz ing   r eso ur ce  util iz at ion   without   aff ect in g  perform ance  of   adj ace nt   con te nd i ng   se ns or  de vice  a  channel  load  capaci ty   is  esti m at ed  us ing   ei ther  d irect   or  thr ough  hop  based  transm issi on .  Ex per im ent  are  cond ucted  to  evaluate  pe rfor m ance  of  MR UCA  ov er  existi ng  m od el   consi der i ng   bo th  rand om   and   gr id  to polo gy   dep l oym ent.  The  outc om e  sh ows  the  MR UCA  at ta ins  good  bit  error   rate  perf or m ance  with  6.14%  an d  7.7 4%  pack et   dro p  du e  t o  pr ese nce  of   j am m er   nodes   co ns id eri ng   rand om  and   gri d  de plo ym ent,  resp ect ively .   Si m i la rly ,  3. 22%  con te ntio n  pac ket  drop  is  attai ned   due  to   pr ese nce  of   j a m m er n od e  under   rand om  d eploym ent. Th e  MR UCA  at ta in  9 7.0 2%  a nd   93. 86% p ac ket s e nd i ng   rati o  an d  slot   util iz at ion   eff ic ie ncy,  res pe ct ively   with  detect ion   accur acy   of   96. 69%  under   dep l oym ent.  Si m il arly ,  un de r  gr i d  en vir onm ent  with  pr es ence  of  j am m e r  m od el   the  pr opos e d  m od el   at ta in  92 . 26%  pack et   sen ding  rati o  perform ance.  The  overall   re s ult  at ta ined   s hows   supe rior  perform ance  than   sta te - of - ar t  m od el .  The  f ut ur e  w ork  would  c onside r  prese nt ing   distrib uted   resou rce  al lo cat ion   sc hem e   to  sup port  di ver se     real - ti m e app li cat ion   unde r U WSNs.       REFERE NCE S   [1]   W .   Am an,   M.  M.  U.  Rahman ,   an d  Junaid   Qadir ,   “ Im per sonati on  Dete c ti on  in   AW GN - li m it ed  Underwat er   Acousti c   Sensor Net works , ”   arXi v:1 805. 1 2403 ,   2018 .   [2]   A .  Kam aru ddin,  Md .   A.  Ngadi   and  H .  Harun,  “ An  Ene rg y   E ffic i ent   Void  A voida nc e  Opportunisti c  Rou ti ng   Protocol   for  Underwat er  Sensor , ”   TEL KOMNIKA  ( Tele co mm unic ati on ,   Comput ing,   Elec tronic s   and  Control) ,     v ol.   17 ,   n o.   4 ,   pp .   1948 - 1956 ,   20 19.     [3]   S.  C.   Desai ,   K.  S  Jaga dee sh,   an d   K.  D.  Dhruve ,   “ El epha nt  Sw arm  Optimiza ti on  f or  W ire le ss   Se nsor  Networks -   A  Cross   Lay er   Mec hani sm , ”   Int ernati onal  Journ al  Of  Comput er  E ngineering  &   Technol ogy   ( IJCE T) ,   vol .   4 ,   no.   2,   pp.   45 - 60 ,   2013 .     [4]   O.  A.  Os anai y e ,   A.S.  Alf a  and   G. P.  Hanc k e,  “ Denia l   of  Servi ce   Def ence  for   Resourc e  Ava ila bil ity   in   W ire le s s   Sensor Net works , ”   IE EE A cc ess,   vol. 6, pp. 6975 - 7004,   2018 .   [5]   W .   Xu,  K.  Ma,   W .   Tra pp e,   an d   Y.  Zha ng,   “ Jam m ing  Sensor  Networks :  Atta c k  and  Defe nse  Strat egies , ”  IE E E   Net work,   vol .   20 ,   pp .   41 – 47 ,   200 6.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.