Giao thức (RT)2 được phát triển cho các tiện ích truyền tải tin cậy và truyền tải hợp tác từ các lĩnh vực cảm biến với tiêu hao năng lượng tối thiểu một cách kịp thời [15]. Theo đó, giao thức (RT)2 đồng thời giải quyết ùn tắc và mục tiêu kiểm soát độ tin cậy vận chuyển sự kiện kịp thời. Nó là một trong những giao thức đầu tiên tập trung vào đảm bảo thời gian thực, cùng với độ tin cậy trong WSN.
Giao thức (RT)2 giải quyết nhiều thách thức, đó là, một số ứng dụng cần phải phản ứng ngay lập tức với cảm biến dữ liệu dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Vì vậy, thông tin liên lạc thời gian thực trong giới hạn chậm trễ nhất định là một mối quan tâm rất quan trọng, được giải quyết thông qua một khái niệm độ tin cậy dựa trên sự chậm trễ trong (RT)2. Các lỗi kênh không dây và lỗi nút dẫn đến mất gói tin. Mặc dù ảnh hưởng của những thiệt hại có thể được giảm nhẹ bởi mã hóa kênh ở một mức độ nào đó, cơ chế tin cậy lớp truyền tải mức gói tin vẫn còn cần thiết. Điều này được giải quyết bởi cơ chế tin cậy của (RT)2. Cuối cùng, hiệu quả năng lượng được tìm kiếm cho chuyển dữ liệu tin cậy thời gian thực.
Như đã trình bày, WSN được đặc trưng bởi việc triển khai dày đặc các cảm biến và quan sát cảm biến liên quan chặt chẽ trong lĩnh vực không gian. Hơn nữa, hiện tượng vật lý thể hiện mối tương quan thời gian. Theo đó, vận chuyển sự kiện từ một nhóm các nút cảm biến đến sink không yêu cầu 100% độ tin cậy. Như vậy giao thức (RT)2 tuân theo khái niệm độ tin cậy vận chuyển sự kiện thu thập tương tự như khái niệm ESRT chứ không phải là khái niệm độ tin cậy truyền thống end-to-end. Với điều đó, một khái niệm mới của ràng buộc chậm trễ sự kiện được coi là đáp ứng thời hạn ứng dụng cụ thể. Dựa trên cả độ tin cậy truyền tải sự kiện và khái niệm ràng buộc độ trễ sự kiện, những định nghĩa sau được sử dụng trong hoạt động của giao thức:
Độ tin cậy sự kiện ràng buộc độ trễ được quan sát (DRi): Số gói dữ liệu thu được trong một sự ràng buộc độ trễ nhất định tại các sink trong một khoảng thời gian quyết định i. Nói cách khác, DRi kiểm kê số lượng gói tin nhận được chính xác mà được nhận trong sự ràng buộc độ trễ với ứng dụng cụ thể. Giá trị của DRi được đo trong mỗi khoảng thời gian i.
Độ tin cậy sự kiện ràng buộc độ trễ kì vọng (DR* ): Số nhỏ nhất của gói dữ liệu yêu cầu cho việc phát hiện sự kiện tin cậy trong một ràng buộc độ trễ ứng dụng đặc biệt nhất định. Ràng buộc thập hơn này cho mức tin cậy được xác định bởi ứng dụng và dựa trên đặc điểm vật lý của tín hiệu sự kiện đang được theo dõi.
Đồng hồ độ tin cậy ràng buộc độ trễ (δi): tỉ lệ của quan sát và độ tin cậy sự kiện độ trễ hạn chế mong muốn, tức là, δi= DRi / DR* .
Hoạt động của (RT)2 dựa trên các định nghĩa trên. Tại mỗi khoảng thời gian i, sink quan sát DRi để xác định các hành động cần thiết. Nếu độ tin cậy sự kiện hạn chế quan sát cao hơn độ tin cậy ràng buộc, tức là DRi > DR* , thì sự kiện được phát hiện đáng tin cậy trong một sự ràng buộc chậm trễ nhất định. Mặt khác, hành động thích hợp cần được thực hiện để đảm bảo mức độ tin cậy mong muốn. Điều này có thể được thực hiện bằng cách tăng lượng thông tin được vận chuyển từ các cảm biến đến điểm thực thi. Theo đó, tần số báo cáo của các bộ cảm biến được tăng lên chính xác trong khi tránh tắc nghẽn trong mạng.
Vấn đề độ tin cậy vận chuyển (RT)2 là để cấu hình tốc độ báo cáo f, nút nguồn để đạt được độ tin cậy phát hiện sự kiện cần thiết DR*, tại nút thực thi trong sự ràng buộc độ trễ ứng dụng cụ thể. Khái niệm về độ tin cậy độ trễ hạn chế dựa trên sự chậm trễ end-to-end bị ràng buộc theo quy định của ứng dụng. Khái niệm này được ký hiệu là Δe2a và cụ thể để yêu cầu ứng dụng. Độ trễ sự kiện có thể được chia thành ba phần chính:
Độ trễ truyền tải sự kiện (Ttran): là thời gian tổng thể giữa thời gian sự kiện xảy ra và thời gian khi sự kiện được vận chuyển tin cậy đến sink. Độ trễ truyền tải sự kiện hơn nữa có thể được phân chia thành các thành phần trễ sau: trễ bộ nhớ đệm, trễ truy cập kênh, trễ truyền dẫn, và trễ quảng bá.
Độ trễ xử lý sự kiện (Tproc): việc trễ xử lý ở sink khi các tính năng mong muốn của sự kiện được ước tính bằng cách sử dụng các gói dữ liệu nhận được từ các vùng cảm biến. Điều này có thể bao gồm một khoảng thời gian nhất định trong đó sink đợi để nhận đầy đủ các mẫu từ các nút cảm biến.
Độ trễ hoạt động (Tact): trễ hoạt động là thời gian ngay từ thời điểm phát hiện tin cậy một sự kiện tại sink đến khi một hành động cụ thể được thực hiện.
Đối với ràng buộc độ trễ sự kiện, Δe2a, các điều kiện sau đây phải được đáp ứng:
Δe2a ≥ Ttran + Tproc + Tact (2.1)
Trong đó Ttran bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các tải mạng hiện tại và mức tắc nghẽn trong mạng. Ngoài ra, tải mạng phụ thuộc vào tần số báo cáo sự kiện, f, được sử dụng bởi các nút cảm biến để gửi các bài độc của chúng về sự kiện. Hơn nữa, độ trễ end-to-end phụ thuộc vào độ trễ xếp hàng tại mỗi nút chuyển tiếp. (RT)2 sử dụng một chính sách lịch trình sự kiện đầu tiên thời gian quan trọng để các sự kiện với thời hạn còn lại nhỏ hơn được ưu tiên. Thời hạn còn lại của một gói tin được cập nhật tại mỗi nút bằng cách đo thời gian trôi qua và cõng thời gian trôi qua tới các gói tin sự kiện vì vậy các cảm biến theo dõi có thể xác định thời gian còn lại mà không cần một đồng hồ đồng bộ trên toàn cầu. Ngoài các chính sách lịch trình sự kiện đầu tiên thời gian quan trọng, (RT)2 cũng cập nhật tốc độ báo cáo do đó tắc nghẽn được giảm thiểu trong mạng. Ảnh hưởng của tần số báo cáo có thể được quan sát qua các ví dụ.
2.2.6.1. Các ví dụ a) Ví dụ 1 a) Ví dụ 1
Trong một mạng cảm biến, 200 nút cảm biến được đặt ngẫu nhiên trong một vùng cảm biến 200x200 (m). Vài sự kiện được tạo ra tại các trung tâm sự kiện khác nhau được ký hiệu (Xev, Yev) và tất cả các nút trong bán kính sự kiện hoạt động như nguồn cho sự kiện đó.
Tác động của tần số báo cáo sự kiện về tỉ lệ chuyển tin sự kiện đúng thời gian được thể hiện như hình 2.14 (a) cho số khác nhau của các nút nguồn, tức là, n = 41, 62, 81, 102. Ở đây, tỉ lệ chuyển tin sự kiện đúng thời gian là các phần của gói dữ liệu nhận được trong ràng buộc độ trễ cảm biến-điểm thực thi trên tất cả các gói dữ liệu nhận được trong khoảng thời gian quyết định. Khi tần số báo cáo là đủ nhỏ, việc cung cấp sự kiện về thời gian được đảm bảo. Tuy nhiên, trên một số f = fmax, tắc nghẽn mạng có thể xảy ra. Sau thời điểm này, sự chậm trễ vận chuyển trung bình bắt đầu tăng và, theo đó, tỉ lệ chuyển tin sự kiện về thời gian giảm xuống dưới 1. Kể từ khi tải mạng được tăng lên như kết quả của báo cáo tần số cao hơn, công suất thuê đệm và mạng lưới kênh cạnh tranh tăng lên.
Để xây dựng thêm các mối quan hệ giữa quan sát độ tin cậy sự kiện độ trễ hạn chế, DRi, và tần số báo cáo sự kiện, f, trong hình 2.14 (b), số lượng các gói tin nhận được tại sink trong một khoảng thời gian quyết định, τ, được thể hiện. Trong hình, hai giá trị được thể hiện. Đường liền nét là số gói tin nhận được bất kể sự chậm trễ liên quan đến các gói tin. Đường đứt nét cho thấy ố lượng gọi tin nhận được trong sự chậm trễ yêu cầu.
Theo đó, cho đến khi một số f = fmax, độ tin cậy sự kiện độ trễ hạn chế và độ tin cậy không trễ hạn chế đều giống nhau. Tuy nhiên, vượt quá giá trị này, giá trị trước đó lệch đáng kể khi về cuối. Hơn nữa, độ tin cậy sự kiện độ trễ hạn chế được quan sát, DRi, cho thấy sự gia tăng tuyến tính với tốc độ báo cáo nguồn f, cho đến khi f = fmax nhất định, xa hơn nữa là độ tin cậy sự kiện độ trễ hạn chế được quan sát giảm. Việc này là do sự tắc nghẽn tích tụ trong mạng. Với f > fmax, độ tin cậy sự kiện độ trễ hạn chế giảm đáng kể do tắc nghẽn mạng. (RT)2 nhằm mục đích kiểm soát tần số báo cáo để độ tin cậy sự kiện độ trễ hạn chế là cao hơn các giá trị cần thiết [7].
Hình 2.14: Kết quả của tần số báo cáo của chuyển tin đúng thời gian (a) và tin cậy (b)
Độ tin cậy sự kiện trễ hạn chế phụ thuộc vào tình trạng tắc nghẽn trong mạng. Nếu tắc nghẽn được phát hiện một cách chính xác, tốc độ báo cáo có thể được điều chỉnh sao cho độ tin cậy tối đa có thể đạt được mà không gây ra tắc nghẽn trong mạng. Với điều này, (RT)2 giao thức sử dụng một sự kết hợp dựa trên cơ chế phát hiện tắc nghẽn trên cả hai nút tính toán chậm trễ trung bình và giám sát mức độ đệm cục bộ của các nút cảm biến để phát hiện chính xác tình trạng tắc nghẽn trong mạng.
Sự chậm trễ nút trung bình tại nút cảm biến cung cấp một ý tưởng về tranh chấp xung quanh các nút cảm biến, nghĩa là, sự bận rộn như thế nào quanh vùng của các nút cảm biến. Để tính toán sự chậm trễ nút trung bình tại nút cảm biến i, các nút cảm biến có trọng số mũ di chuyển trung bình của thời gian trôi qua. Ngoài sự chậm trễ nút, các nút cảm biến cũng theo dõi bộ đệm của chúng. Nếu một nút cảm biến kinh nghiệm tràn bộ đệm do các gói tin đến quá mức hoặc chậm trễ nút trung bình là trên một giá trị ngưỡng chậm trễ nhất định, nút này được coi như tắc nghẽn. Theo đó, sink được thông báo về tình trạng tắc nghẽn sắp tới trong mạng bằng cách sử dụng các bit thông báo tắc nghẽn (CN) trong tiêu đề (header) của gói tin sự kiện truyền từ các cảm biến đến nút thực thi. Kết hợp với các chỉ số độ tin
cậy trễ hạn chế, δi, sink xác định tình trạng mạng hiện tại và tự động điều chỉnh tần số báo cáo của các nút cảm biến.
Giao thức (RT)2 được thực hiện tại nút sink theo trạng thái mạng. Sink xác định tình trạng mạng dựa trên chỉ số độ tin cậy trễ hạn chế δi = DRi / DR*, Ti, và Tsa, đó là lượng thời gian cần thiết để cung cấp độ tin cậy sự kiện độ trễ hạn chế cho một quyết định khoảng thời gian i và ràng buộc trễ liên lạc ứng dụng cụ thể tương ứng. Kết hợp các thông tin tắc nghẽn (CN bit) và giá trị của fi, δi, Ti và Tsa, sink cập nhật tần số báo cáo, fi+1. Thông tin này được quảng bá đến các nút nguồn trong mỗi khoảng thời gian quyết định. Quá trình cập nhật này được lặp đi lặp lại cho đến khi các điểm hoạt động tối ưu được tìm thấy, tức là độ tin cậy đầy đủ và không có điều kiện tắc nghẽn thu được. Hoạt động của giao thức được giải thích dựa trên các phần mạng sau:
Độ tin cậy gần và không tắc nghẽn: Trạng thái này đại diện cho các trường hợp mức độ tin cậy yêu cầu được đạt tới, độ trễ liên lạc nằm trong điều kiện ràng buộc, tức là
Ti ≤ Tsa, và không có tắc nghẽn trong mạng, tức là CN = 0. Tuy nhiên, độ tin cậy sự kiện trễ hạn chế được quan sát, DRi , lớn hơn độ tin cậy trễ hạn chế mong muốn
DR*, nguyên nhân là do các nút nguồn truyền dữ liệu sự kiện thường xuyên hơn so với yêu cầu. Nhằm tiết kiệm năng lượng, tần số báo cáo được cập nhật như sau:
fi+1 = fi (Ti/Tsa ) (2.2)
Độ tin cậy gần và tắc nghẽn: Trong trường hợp này, mức độ tin cậy yêu cầu đã đạt được, độ trễ liên lạc bị ràng buộc, tức là Ti ≤ Tsa, nhưng tắc nghẽn vẫn được quan sát thấy trong mạng, tức là CN = 1. Hơn nữa, độ tin cậy sự kiện trễ hạn chế được quan sát, DRi , lớn hơn độ tin cậy trễ hạn chế mong muốn, DR*. Trong trường hợp này, giao thức (RT)2 giảm tần suất báo cáo để tránh ùn tắc và tiết kiệm năng lượng hữu hạn của cảm biến. Cụ thể hơn, tần số báo cáo cập nhật có thể được thể hiện như sau:
Độ tin cậy thấp và không tắc nghẽn: Trạng thái này đại diện cho các trường hợp mức độ tin cậy yêu cầu không đạt được trước khi ràng buộc trễ liên lạc, tức là Ti>Tsa, và không có tắc nghẽn được quan sát thấy trong mạng, tức là CN = 0. Tuy nhiên, độ tin cậy sự kiện trễ hạn chế được quan sát, DRi , thấp hơn so với độ tin cậy trễ hạn chế mong muốn DR*. Trạng thái này có thể đạt được khi gói tin bị mất do lỗi liên kết không dây, sự thất bại của các nút chuyển tiếp trung gian, hoặc các gói dữ liệu không đầy đủ được truyền bằng nút nguồn. Để đạt được độ tin cậy sự kiện yêu cầu, tần số báo cáo dữ liệu của nút nguồn được tăng lên như sau:
fi+1 = fi (DR*/DRi) (2.4)
Độ tin cậy thấp và tắc nghẽn: Trong điều kiện này, mức độ tin cậy yêu cầu không đạt được trước khi ràng buộc trễ liên lạc, tức là Ti>Tsa, và tắc nghẽn được quan sát thấy trong mạng, tức là CN = 1.
Tuy nhiên, độ tin cậy sự kiễn trễ hạn chế quan sát được, DRi, thấp hơn so với độ tin cậy sự kiện trễ hạn chế mong muốn, DR*. Tình trạng này là trường hợp xấu nhất có thể xảy ra, vì độ tin cậy sự kiện trễ hạn chế mong muốn không đạt được, tắc nghẽn mạng được quan sát thấy, và, do đó, năng lượng hữu hạn của cảm biến bị lãng phí. Vì vậy, (RT)2 tích cực làm giảm tần số báo cáo để đạt được tần số báo cáo tối ưu như sau:
fi+1 = fi (DRi/DR*×k) (2.5)
Độ tin cậy đầy đủ và không tắc nghẽn: Cuối cùng, trạng thái này thể hiện trạng thái mạng mong muốn nơi mà mạng nằm trong giới hạn β của các điểm hoạt động tối ưu, tức là f < fmax và 1- β <δi<1+ β, và không có tắc nghẽn quan sát được trong mạng. Do đó, tần số báo cáo của các nút nguồn còn lại liên tục cho khoảng thời gian quyết định tiếp theo:
Mục tiêu chính của (RT)2 là hoạt động càng gần δi = 1 càng tốt, trong khi sử dụng tài nguyên mạng tối thiểu và ràng buộc trễ sự kiện tập hợp.
2.2.6.2. Đánh giá chất lượng
(RT)2 được tự cấu hình và có thể thực hiện hiệu quả dưới sự ngẫu nhiên, cấu trúc liên kết động thường xuyên được thấy trong các ứng dụng WSN. Ngoài thời gian thực và chuyển tin tin cậy, năng lượng trung bình tiêu thụ cho mỗi gói tin trong giao tiếp cũng được giảm (không tắc nghẽn, độ tin cậy đầy đủ) khi trạng thái đạt được thông qua kiểm soát tốc độ báo cáo. Tương tự như ESRT, các giao thức (RT)2 đồng thời giải quyết tắc nghẽn và mục tiêu độ tin cậy truyền sự kiện kịp thời trong WSN. Ngoài ra, chuyển tin thời gian thực cũng được hỗ trợ, điều rất quan trọng với các ứng dụng mà sự chậm trễ là một mối quan tâm lớn.
Mặc dù có lợi thế riêng, giao thức (RT)2 hoạt động dựa trên phản hồi từ các sink, nơi