6. Phương pháp nghiên cứ u
2.2.1.2. Giao thức truy nhập ngẫu nhiên
Là các giao thức dựa trên sự tranh chấp, không đòi hỏi sự phối hợp giữa các nút đang truy cập kênh truyền. Các nút đụng độ ngừng một khoảng thời gian trước khi thử truy cập trở lại kênh truyền. Tuy nhiên, các giao thức này không thích hợp với môi trường mạng WSNs. Sự mở rộng các giao thức này với khả năng tránh đụng độ và request-to-send (RTS), clear-to-send (CTS) cải thiện độ tin cậy. Tuy nhiên, hiệu quả sử dụng năng lượng của các giao thức loại này vẫn thấp do đụng độ, lắng nghe ở trạng thái nghỉ, overhearing, overhead quá dài. Nhiều cố gắng trong thiết kế giao thức MAC truy xuất ngẫu nhiên tập trung giảm tiêu hao năng lượng để kéo dài thời gian sống cho mạng.
- Giao thức đa truy cập với báo hiệu (PAMAS): tránh overhearing bằng cách dùng kênh báo hiệu riêng biệt. Giao thức kết hợp dùng âm báo bận với các gói RTS và CTS cho phép các nút không hoạt động tắt các bộ thu phát vô tuyến. Tuy nhiên, giao thức không cung cấp các kỹ thuật để giảm hao phí năng lượng gây ra bởi lắng nghe ở chếđộ nghỉ.
- Giao thức quản lý năng lượng và cấu hình rải rác (STEM): có hiệu suất năng lượng cao hơn. Giao thức này dùng 2 kênh: một kênh cho dữ liệu và một kênh cho đánh thức. Một nút sẽ tắt kênh truyền vô tuyến của nó nếu như không có nhu cầu liên lạc với các nút khác. Khi nút có dữ liệu để phát, nó bắt đầu phát ở kênh đánh thức. Kênh báo hiệu đánh thức hoạt động như một tín hiệu đánh số. Việc truyền tín
hiệu này phải đủ lâu để tất cả các nút lân cận đều được đánh số. Khi một nút được đánh thức, nó chuyển sang chế độ hoạt động. Nút nhận các gói và xử lý sau đó trở lại chếđộ ngủ. Giao thức STEM có thểđược dùng để liên kết với các giao thức lớp MAC dựa trên lập trình sẵn. Tuy nhiên, giao thức này chỉ hiệu quả trong môi trường mạng mà các sự kiện xảy ra không thường xuyên. Nếu các sự kiện diễn ra thường xuyên, năng lượng tiêu phí cho các tín hiệu đánh thức sẽ tăng đáng kể.
- Một dạng của giao thức dựa trên sự tranh chấp xuất phát từ chuẩn IEEE 802.11 ngăn overhearing dùng các gói RTS và CTS. Điểm chung của các giao thức này là dùng gói RTS và CTS trao đổi giữa hai nút tranh chấp để bắt một nút phải chuyển sang chếđộ nghỉ. Những giải thuật này còn dựa vào lịch đồng bộ giữa các nút gần nhau để tránh lắng nghe ở trạng thái rỗi. Chúng khác nhau ở cách tạo chu kỳ nhiệm vụ ngắn và cách đạt được hiệu suất cao, đặc biệt khi chiều dài các gói dữ liệu gần bằng chiều dài các gói RTS và CTS. Các giao thức còn khác nhau về kỹ thuật giảm thời gian trễ gói và sự công bằng giữa các nút trong mạng.
- Timeout-MAC (T-MAC):được thiết kế cho các ứng dụng tốc bộ thông tin thấp và độ nhạy thấp với trễ gói. Để tránh xung đột và tạo sự tin cậy, các nút T-MAC dùng các gói RTS, CTS và ACK để thông tin với mỗi nút khác. Hơn nữa, giao thức dùng chu kỳ nhiệm vụ thích nghi để giảm năng lượng tiêu thụ và thích ứng với sự thay đổi lưu lượng tải. Ý tưởng cơ bản của giao thức T-MAC là giảm thời gian lắng nghe bằng cách phát từng chùm thông điệp chiều dài có thể thay đổi, các nút được phép ngủ giữa các chùm thông điệp. Hơn nữa, giao thức tựđộng xác định chiều dài tối ưu cho thời gian tích cực, dựa vào tải hiện thời. Vì thông điệp giữa các lần tích cực phải được đưa vào bộ đệm, dung lượng bộđệm xác định giới hạn trên cho thời gian khung lớn nhất.
Trong giao thức T-MAC, các nút luân phiên giữa chế độ ngủ và chế độ tích cực, mỗi nút tích cực theo chu kỳ để liên lạc với các nút lân cận nó. Một nút lắng nghe và có thể phát dữ liệu nếu nó ở trong chế độ tích cực. Chếđộ tích cực kết thúc khi không có sự kiện tích cực nào xảy ra sau một khoảng thời gian xác định. Các sự kiện tích cực gồm lắng nghe trong khoảng thời gian định trước, thu nhận dữ liệu
qua kênh vô tuyến, cảm nhận các hoạt động như đụng độ trên kênh truyền, kết thúc truyền dữ liệu giữa các nút hay ACK, thông qua lắng nghe các gói RTS, CTS. Kết thúc khoảng tích cực, nút chuyển sang chếđộ ngủ.
- SENSOR-MAC: được thiết kếđể giảm hao phí năng lượng do đụng độ, lắng nghe, overhead điều khiển, và overhearing. Mục tiêu là tăng hiệu suất năng lượng trong khi vẫn đạt được sựổn định và khả năng mở rộng. Thiết kế giao thức đáp ứng cho số lượng lớn nút, khả năng lưu trữ liên lạc và xử lý hạn chế. Các nút sắp xếp thành mô hình mạng ad-hoc tự cấu hình, tự quản lý. Dữ liệu phát ra bởi các cảm biến được xử lý dưới dạng lưu trữ và gửi đi. Mạng chuyển đổi luân phiên giữa khoảng thời gian rỗi không có sự kiện gì xảy ra và khoảng tích cực khi có luồng dữ liệu qua kênh truyền. Hơn nữa, các ứng dụng có thể phải chịu tăng thời gian trễ do sự mở rộng thời gian sống của mạng. Ứng dụng thường thuộc các dạng giám sát, theo dõi môi trường tự nhiên và bảo vệ các công trình trọng yếu.
S-MAC tạo chu kỳ nhiệm vụ thấp trên các nút qua mạng đa đường, tiết kiệm năng lượng đáng kể. Trong suốt khoảng thời gian không có sự kiện gì xảy ra, nút S- MAC theo chu kỳ sẽ luân phiên giữa chếđộ lắng nghe và ngủ. Mỗi nút ngủ và thức dậy sau những khoảng thời gian đặt trước, trong khi tắt chế độ thu phát radio. Khi hết thời gian này, nút chuyển sang chếđộ tích cực. Để giảm overhead điều khiển mà vẫn đảm bảo được độ trễ gói thấp, giao thức dùng chế độ ngủ có phối hợp giữa các nút lân cận. Việc ngủ theo chu kỳ giúp tiết kiệm năng lượng thiêu thụ. Tầm quan trọng của trễ gói phụ thuộc nhiều vào đòi hỏi của ứng dụng. S-MAC tập trung vào các ứng dụng có độ trễ cỡ vài giây. Tuy nhiên, khi nút theo lịch trình bị hạn chế, độ trễ có thể rất đáng kể. S-MAC dùng kỹ thuật lắng nghe thích ứng. Do đặc điểm của các ứng dụng, tại mỗi thời điểm nhất định một nút cảm biến có thể có lượng lớn thông tin cần trao đổi với các nút xung quanh nó. Đểđáp ứng các yêu cầu này trong khi phải giảm overhead, S-MAC phải từ bỏ sự công bằng truy cập kênh truyền, một nút được phép gửi một thông điệp dài dưới dạng chùm. Kỹ thuật này cải thiện điều khiển overhead và tránh overhearing.