Hình 9. IEEE 802.15.4 MAC
Chuẩn IEEE 802.15.4 được thiết kế cho mạng cục bộ cỏ nhõn khụng dõy tốc độ thấp (LR-WPAN), gồm cỏc ứng dụng cảm ứng nhỳng. Những đặc điểm quan trọng nhất của chỳng là chế độ cho phộp bỏo hiệu trong topo dạng sao. Trong chế độ này, lớp MAC IEEE 802.15.4 sử dụng một cấu trỳc siờu khung như hỡnh vẽ. Một siờu khung được định nghĩa bởi một tớn hiệu bỏo hiệu tuần hoàn gửi bởi khối điều phối PAN. Trong khi siờu khung cú một pha hoạt động cho giao tiếp giữa node và bộ điều phối PAN và một pha khụng hoạt động, ta cú thể điều khiển phụ thuộc vào chu kỳ ngủ mong muốn. Quỏ trỡnh hoạt động cú 16 slot, gồm 3 phần: bộ điều phối, quỏ trỡnh truy cập (CAP) và một quỏ trỡnh xung đột tự do (CFP), nú cho phộp việc phõn phối và đảm
theo lịch được dành riờng. Node chỉ giao tiếp trờn GTS cú thể ngủ và chỉ cần thức dậy trước slot chỉ định GTS của nú.
Giao tiếp trong CAP là một thuật toỏn CSMA/CA đơn giản, nú cho phộp một quỏ trỡnh back off nhỏ để giảm bớt năng lượng tiờu tốn cho việc lắng nghe nhàn rỗi. Trong khi IEEE 802.15.4 trờn lý thuyết cú thể được sử dụng cho cỏc topo khỏc, chế độ cho phộp bỏo hiệu khụng được định nghĩa cho chỳng. Phần cũn lại ta sẽ tỡm hiểu về cả 2 giao thức MAC sử dụng năng lượng hiệu quả, đú là chế độ tranh chấp và chế độ lập lịch, sử dụng trong mạng khụng dõy multi-hop.
3.3. Năng lượng hiệu quả trong giao thức MAC
Năng lượng hiệu quả trong giao thức MAC đạt được khi tắt súng radio để rơi vào trạng thỏi ngủ bất cứ khi nào cú thể, để giữ năng lượng tiờu thụ.
3.3.1. Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11
Tồn tại cỏc lựa chọn quản lý năng lượng trong chế độ Infrastructure của 802.11. Node được coi là điểm truy cập (AP) khi chỳng cú thể vào trạng thỏi ngủ mà bất cứ thụng điệp nào gửi tới cú thể được buffer tại AP. Quỏ trỡnh thức dậy của node sẽ đọc lại cỏc thụng điệp buffer này. Năng lượng giữ được sẽ được cung cấp cho cỏc tiờu phớ về lưu lượng vào thấp hơn và tiềm năng cao hơn.
3.3.2. Năng lượng cần cho đa truy cập và bỏo hiệu (PAMAS)
PAMAS là một kỹ thuật mở rộng của MACA, ở đú RTS/CTS bỏo hiệu được thực hiện với việc chia kờnh radio từ dữ liệu trao đổi được. Đõy là một trong những năng lượng cần cho giao thức MAC đầu tiờn đề cập cho mạng khụng dõy multi-hop. Trong PAMAS, node ngủ bất cứ khi nào chỳng khụng thể truyền và khụng thể nhận đầy đủ. Đặc biệt chỳng cú thể ngủ bất cứ khi nào chỳng nghe thấy 1 node hàng xúm truyền tới node khỏc, hoặc nếu chỳng xỏc định thụng qua kờnh bỏo hiệu điều khiển RTS/CTS rằng một trong những node hàng xúm đang nhận.
Quỏ trỡnh của chế độ ngủ được đặt trong khi xảy ra quỏ trỡnh truyền xỏc định bởi những tớn hiệu điều khiển nhận được của kờnh thứ 2. Nếu 1 quỏ trỡnh truyền được bắt đầu trong khi một node đang ở chế độ ngủ, sẽ thức node dậy gửi cỏc tớn hiệu thăm dũ để xỏc định khoảng thời gian xảy ra quỏ trỡnh truyền và bao lõu cú thể quay lại chế độ ngủ. Trong PAMAS, 1 node sẽ chỉ đượ đặt ngủ khi nú bị ngăn chặn từ mọi cỏch truyền hay nhận, như vậy trễ và lưu lượng đầu vào của mạng sẽ khụng cú ảnh hưởng bất lợi. Tuy nhiờn, vẫn cũn sự hao phớ năng lượng trong chế độ tiếp nhận rảnh rỗi.
3.3.3. Tối thiểu hoỏ chi trả năng lượng tiếp nhận rảnh rỗi
Trong khi PAMAS chỉ cung cấp cỏch để giữ năng lượng trong khi lắng nghe, năng lượng cũng cú thể giữ được cú thể bằng cỏch giảm tiếp nhận rỗi. Thỏch thức chớnh là cho phộp bộ nhận ngủ phần lớn thời gian, trong khi vẫn đảm bảo rằng 1 node được thức dậy và nhận khi 1 gúi tin mong đợi được truyền đến. Cơ bản của phương phỏp giải quyết vấn đề này là 2 lớp giao thức MAC của mạng cảm nhận tranh chấp. Lý thuyết đầu tiờn khụng đồng bộ hoàn toàn và chỉ trụng vào việc sử dụng một súng radio thờm hoặc những kỹ thuật lắng nghe quỏ trỡnh với năng lượng thấp để bảo đảm rằng nơi nhận thức dậy với một quỏ trỡnh truyền tới mong muốn. Lý thuyết thứ 2, với nhiều biến đổi, sử dụng lập lịch chu kỳ ngủ cho node. Phần lớn lập lịch được điều phối như cỏch mà nơi truyền biết khi nơi nhận được đỏnh thức.
3.4. Kỹ thuật ngủ khụng đồng bộ
Trong kỹ thuật này, cỏc node sẽ mặc định giữ ở trạng thỏi ngủ, và chỉ thức dậy đọc lưu lượng truyền hoặc gửi/ nhận thụng điệp.
3.4.1. Bức xạ thức dậy thứ 2
Node cần ngủ để giữ năng lượng khi chỳng khụng cú bất cứ giao tiếp nào và thức dậy để tham gia giao tiếp. Giải phỏp thứ 1 là về phần cứng, mỗi node cảm biến bao gồm 2 bức xạ. Như vậy một thiết kế phần cứng cú bức xạ đầu tiờn là bức xạ dữ liệu chớnh, đặt ở chế độ ngủ mặc định. Bức xạ thứ 2 là bức xạ thức dậy năng lượng thấp hoạt động trong suốt thời gian. Nếu bức xạ thức dậy của node nhận một tớn hiệu thức dậy từ node khỏc, nú sẽ phản ứng là thức dậy bức xạ đầu tiờn để bắt đầu nhận. Quỏ trỡnh này đảm bảo rằng bức xạ đầu tiờn chỉ hoạt động khi node cú dữ liệu gửi hoặc truyền. Bức xạ thức dậy khụng làm cỏc tớn hiệu xử lý phức tạp, nú cú thể được thiết kế ở mức năng lượng cực thấp. Một tradeoff được lan truyền trong cỏc node liờn quan của node truyền và cú thể thức dậy.
3.4.2. Lắng nghe ở năng lượng thấp/ lấy mẫu đầu khung truyền
Trong kỹ thuật này đề cập lấy mẫu đầu khung và lắng nghe năng lượng thấp, quỏ trỡnh nơi nhận sẽ thức dậy để cảm nhận mụi trường. Nếu khụng tỡm thấy hoạt động, nú tiếp tục ngủ. Nếu 1 node muốn truyền, nú sẽ gửi 1 tớn hiệu đầu khung để truyền gúi. Khi dũ được tớn hiệu đầu khung, node nhận sẽ đổi thành trạng thỏi hoạt động. Kỹ thuật này được minh hoạ ở hỡnh vẽ. Tớn hiệu thức dậy cú thể được gửi qua một gúi giao diện ở mức cao; tuy nhiờn mục tiờu quan trọng hơn là thực hiện trực tiếp ở lớp vật lý- như
trờn kờnh với năng lượng bức xạ radio để xỏc định tớn hiệu cú xuất hiện hay khụng. Chế độ này cú thể thức dậy tất cả cỏc nơi nhận cú thể trong một vựng truyền xung quanh xỏc định, thụng tin ở phần đầu cú thể được dựng để đặt chỳng vào trạng thỏi ngủ nếu giao tiếp khụng cần.
Hình 10. Kỹ thuật lắng nghe ở năng lượng thấp/ lấy mẫu đầu khung truyền
3.4.3. WiseMAC
Chế độ trờn cũn cú một thiếu sút: phần đầu khung dài mà nơi truyền cần để gửi cú thể trong vài trạng thỏi nguyờn nhõn dẫn đến giảm thụng lượng đầu vào và lóng phớ năng lượng cho cả nơi gửi và nơi nhận.
Giao thức WiseMAC được xõy dựng trờn cơ sở lấy mẫu đầu khung để bổ sung những thiếu hụt. Sử dụng những kết hợp thờm về gúi ACK, mỗi node học những lần lấy mẫu quỏ trỡnh của những node hàng xúm, và dựng những thụng tin này để gửi đầu khung đỏnh thức ngắn vào đỳng thời điểm.
Quỏ trỡnh đầu khung được xỏc định bởi đồng hồ trụi cho tới đồng bộ cuối cựng. Gọi Tw là chu kỳ nơi nhận lấy mẫu- đồng hồ trụi, và L là khoảng thời gian giữa cỏc giao tiếp, như vậy thời gian của khung đầu Tp cần là:
Gúi trong WiseMAC cũng chứa một bit dư mà nơi truyền sử dụng để bỏo hiệu cho nơi nhận nếu nú cần thiết để giữ trạng thỏi thức trong khoảng ngắn để nhận cỏc gúi thờm cần thiết.
Trờn tinh thần của chế độ lấy mẫu đầu khung, kỹ thuật TICER/RICER đó được phỏt triển. Trong kỹ thuật này, node nhận thức dậy theo chu kỳ để giỏm sỏt cỏc kờnh với cỏc tớn hiệu từ nơi gửi (thức dậy tớn hiệu RTS). Nơi gửi sẽ gửi một chuỗi tớn hiệu RTS qua một thời gian ngắn khi nú quan sỏt kờnh. Khi nơi nhận do được một RTS, nú sẽ trả lời với 1 tớn hiệu CTS. Nếu nơi gửi dũ được tớn hiệu CTS đú, nú sẽ bắt đầu quỏ trỡnh truyền gúi. Như vậy sự khỏc biệt chớnh từ lấy mẫu đầu khung là trong TICER, nơi truyền sẽ truyền một chuỗi tớn hiệu khụng liờn tục thay vỡ một đầu khung đơn dài, và đợi 1 tớn hiệu rừ ràng từ nơi nhận trước khi truyền.
Cũn trong kỹ thuật RICER, minh hoạ ở hỡnh b, 1 node nhận chu kỳ thức dậy để thực hiện 3 pha: giỏm sỏt- gửi bỏo hiệu thức- quan sỏt chuỗi. 1 nguồn được dựng để truyền bỏo thức và giữ trạng thỏi quan sỏt. Khi nú nghe được 1 bỏo hiệu thức dậy từ nơi nhận, nú sẽ bắt đầu truyền dữ liệu. Nơi nhận trong trạng thỏi quan sỏt sẽ nhỡn sự bắt đầu truyền gúi dữ liệu cho đến khi tiếp nhận đủ gúi.
Tuy nhiờn, kỹ thuật TICER/RICER gắn liền với sự phức tạp, trong khi tớn hiệu thức RTS/CTS được đũi hỏi dễ dẫn tới thực hiện ở mức gúi cao, sẽ gõy khú khăn khi thực hiện mức tương tự RF năng lượng thấp.
Hình 11. Kỹ thuật TICER/RICER
3.5.1. Cảm ứng MAC (S-MAC)
Giao thức S-MAC là một giao thức MAC khụng dõy được thiết kế đặc biệt cho WSN. Như hỡnh vẽ chỉ ra, nú dựng một chu kỳ tuần hoàn, ở đú, mỗi node sẽ ngủ trong một khoảng thời gian và thức dậy để lắng nghe. Chu kỳ nhiệm vụ của chế độ lập lịch ngủ-lắng nghe này thực hiện với tất cả cỏc node, làm giảm năng lượng tiờu thụ. Trong suốt quỏ trỡnh, node thức và chờ đợi một chu kỳ ngẫu nhiờn để lắng nghe thụng điệp để cung cấp cho lập lịch ngủ- lắng nghe những node hàng xúm. Nếu chỳng khụng nhận được một thụng điệp nào, chỳng sẽ trở thành những node đồng bộ, nú sẽ lựa chọn lập lịch của riờng nú và thụng bỏo cho cỏc node hàng xúm. Node nghe được lịch của node lõn cận sẽ chấp nhận lịch này và bỏo cho cỏc node tiếp theo. Một vài node ranh giới cú thể cần chấp nhận nhiều lịch hoặc chỉ chấp nhận lịch của 1 node lõn cận. Cỏc node sẽ định kỳ truyền cỏc lịch này để cấp vị trớ cho mỗi node mới được kết nối với mạng. Cỏc node vẫn phải trao đổi gúi theo định kỳ với cỏc node hàng xúm để đồng bộ, đõy khụng phải là vấn đề lớn vỡ chu kỳ nghe thường lớn hơn nhiều so với thời gian trụi của đồng hồ. Lập lịch ngủ khụng được dựng trong khi truyền dữ liệu. Một mở rộng của sơ đồ S- MAC cơ bản, gọi là đỏp ứng lắng nghe, cho phộp chu kỳ hoạt động cú thể thay đổi độ dài, để ngăn khả năng ngủ cho 1 vài phạm vi. Năng lượng giữ trong S-MAC mang tới tiờu phớ trong quỏ trỡnh ngủ: 1 gúi truyền qua mạng sẽ phải tạm dừng trong quỏ trỡnh ngủ của những node trung gian.
Hình 12. Giao thức S-MAC
3.5.2. MAC thời gian chờ (T-MAC)
MAC thời gian chờ là một giao thức chu kỳ tương tự như S-MAC và đỏp ứg lắng nghe cho phộp thay đổi chu kỳ. Độ dài mỗi chu kỳ được giữ cố định, nhưng kết thỳc của quỏ trỡnh hoạt động được xỏc định tớch cực bởi bất cứ thụng điệp (dữ liệu hoặc điều khiển) nào trong khoảng thời gian chờ, nú sẽ ngủ. Nếu nú nhận được 1 thụng điệp, bộ đếm sẽ bắt đầu lại sau khi tiếp nhận thụngđiệp. Cơ chế làm mới này cho phộp đỏp ứng dễ dàng biến đổi lưu lượng trong khụng- thời gian. Chế độ T-MAC cơ bản
phải chịu một vài vấn đề, gọi là “ngủ sớm”, làm giảm lượng đầu vào, đặc biệt trong trường hợp truyền qua một phương duy nhất. Khi 1 node yờn lặng do xung đột trong chu kỳ xỏc định, nú khụng thể gửi bất kỳ một thụng điệp nào cho những nơi nhận cần thiết để phỏ vỡ thời gian chờ đợi của nú. Khi nơi gửi cú thể gửi sau khi kết thỳc quỏ trỡnh xung đột, nơi nhận lại sẵn sàng vào chế độ ngủ. Hai giải phỏp cú thể giải quyết vấn đề ngủ sớm được đặt ra.
Phương phỏp đầu tiờn sử dụng một thụng điệp điều khiển hiện thời ngắn (FRTS), nú cú thể giao tiếp với nơi nhận mong muốn với việc đũi phải chờ đợi thờm một chu kỳ thời gian.
Giải phỏp thứ 2 được gọi là “quyền ưu tiờn buffer đầy”, ở đú, 1 node muốn gửi hơn là nhận khi bộ đệm buffer của nú là đầy. Với chế độ này, 1 node cú quyền rất cao để gửi gúi của nú thay vỡ nhận cỏc gúi khỏc, và cú thể tạm thời phỏ vỡ thời gian chờ của nơi nhận.
3.5.3. MAC hội tụ dữ liệu (D-MAC)
Hình 13. MAC hội tụ dữ liệu (D-MAC)
Dành cho những gúi truyền qua đa bước nhảy (multi-hop), cả S-MAC và T- MAC mất năng lượng tiết kiệm do hao phớ của việc tăng trễ. Bởi vỡ gúi cú thể truyền qua chỉ một vài bước nhảy trong mỗi chu kỳ trước khi tới 1 node phải ngủ. Đú chớnh là vấn đề về giỏn đoạn dữ liệu chuyển tiếp.
Một giải phỏp ứng dụng đặc biệt cho vấn đề này được đưa ra bởi giao thức D- MAC, nú chỉ ỏp dụng trờn cõy dữ liệu hội tụ xỏc định trước từ những node mạng biến động đến 1 sink chung. D-MAC được ứng dụng cơ bản ở chế độ ngủ so le tại node ở mỗi mức kế tiếp, cõy chuyển 1 chuỗi nhận - truyền - ngủ được dịch về bờn phải. Chu kỳ này được xếp hàng để 1 node ở mức k trong chế độ nhận khi mà node thấp hơn trờn
Lập lịch so le của D-MAC cú nhiều lợi thế- nú cho phộp dữ liệu và gúi điều khiển chuyển liờn tục theo mọi cỏch trờn cõy với trễ nhỏ nhất; nú cho phộp yờu cầu sự suy yếu đỏp ứng được của chu kỳ hoạt động để phổ biến theo mọi đường trờn cõy; nú giảm nhiễu giao thoa nhờ chia chu kỳ hoạt động thành cỏc mức khỏc nhau; và nú cũng giảm số lượng node thức dậy khi xuất hiện chu kỳ đỏp ứng. Để chuyển giao giữa xung đột và nhiễu giao thoa, D-MAC cũng bao gồm cỏc thiết bị lựa chọn như dữ liệu dự bỏo trước và việc sử dụng gúi thếm để gửi (MTS).
3.5.4. Lập lịch ngủ cú thời gian trễ hiệu quả (DESS)
Mỗi node sẽ bỏ 1 slot duy nhất ngoài k slot để dựng làm slot tiếp nhận và cụng bố nú cho cỏc node hàng xúm. Khi 1 node nào đú muốn truyền cho node này trong bất kể chu kỳ nào, nú sẽ thức slot đú trong chu kỳ truyền. Trờn 1 đường truyền đa bước nhảy, trễ mà 1 gúi gặp phải ở mỗi bước nhảy chỉ là 1 hàm của số lần tiếp nhận slot của 2 node tương ứng. Với 1 gúi gửi từ node i đến 1 node j liền kề nú, cú slot tiếp nhận xi_xj riờng biệt, trễ xỏc định là xj – xi mode k nếu xi_ = xj_k. Trễ đường dẫn là tổng của tất cả trễ ở mỗi bước nhảy trờn chiều dài đường dẫn. Kết thỳc của trễ giữa 2 node là trễ đường dẫn nhỏ nhất.
Vấn đề 1: Đưa ra một sơ đồ giao tiếp cú chỉ định 1 trong k slot tiếp nhận riờng biệt cho mỗi node trong mạng mà trễ cuối cựng lớn nhất giữa tất cả cỏc cặp node trong mạng là tối thiểu.
Nú chỉ ra rằng DESS là 1 vấn đề NP lớn cho sơ đồ tuỳ ý, nhưng giải phỏp khả quan là trong trường hợp sơ đồ cõy và ring; xấp xỉ tốt cú thể thấy trong mạng lưới. Nếu node được cho phộp nhận nhiều lịch, sau đú sẽ cải thiện hiệu quả hơn trễ; vớ dụ trờn 1 lưới, 1 node cú thể chấp nhận 4 lịch của mỗi k slot (mỗi lịch cho truyền với cỏc node lõn cận bờn trỏi, phải, trờn và dưới), mà nú lặp lại theo chu kỳ. Trờn lưới, sử dụng