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 nhiều lịch cú thể giảm trễ giữa 2 node bằng cỏch: d bước nhảy xa trờn sơ đồ tới O_d+k_, trong khi phõn số trung bỡnh của số lần thức dậy là 1/k. Trong 1 sơ đồ giao tiếp bất kỳ, với n node, việc sử dụng 2 lịch trong 1 cõy nhỳng cho phộp trễ: O_d+k_log n_.
3.5.5. Lịch ngủ khụng đồng bộ
Một biến đổi thỳ vị của vấn đề lập lịch chu kỳ thức ngủ cho node xảy ra khi cú 1 node đồng bộ bờn trong bị loại bỏ. Trong trường hợp này, cỏc thiết kế khỏch quan phải tạo ra lịch thức ngủ độc lập cho mỗi node cỏ nhõn để bảo đảm rằng khoảng thời gian thức dậy khụng bị chồng chộo với cỏc node hàng xúm. Trong khi nú đũi hỏi số lần
thức dậy dài hơn, nú cũng cú thể thu được sự khụng ràng buộc trong thiết kế và việc thi hành, đặc biệt trong cỏc mạng tớch cực cao, nơi mà rất khú để đồng bộ lịch qua cỏc node.
Định nghĩa: Hàm lập lịch thức dậy (WSF) fu cho 1 node u được định nghĩa là 1 tổ hợp vector của T slot, nú chỉ ra k slot hoạt động trong thời gian đú, node u sẽ được thức dậy.
Gọi số dịch cố định của những slot hoạt động chồng chộo giữa fu và fv là C_u_v. Vấn đề của thiết kế WSF cho tất cả cỏc node mà chỳng chồng chộo ớt nhất m lần cú thể tạo thành 1 vấn đề tổ hợp.
Vấn đề 2: Cho mỗi sơ đồ mạng G=_V_E, đưa ra 1 giỏ trị cố định của T cho WSF của mỗi node, tối thiểu hoỏ k sao cho . Ở đõy, là 1 tập hợp trung bỡnh của số slot hoạt động trong mỗi chu kỳ.
Vấn đề này cú thể được dựng trong thiết kế khụng đối xứng (ở đú, cỏc node khỏc nhau cú thể cú cỏc hàm thức dậy slot khỏc nhau) tốt như là trong thiết kế đối xứng (ở đú cỏc node cú cựng WSF, trừ chu kỳ thời gian dịch).
KẾT LUẬN
Trong hoàn cảnh đất nước ta hiện nay thỡ vấn đề WSN cũn phải nghiờn cứu và phỏt triển. Trong bài khoỏ luận này, em đó khỏi quỏt được cỏc đặc tớnh cơ bản của WSN, qua đú cú thể so sỏnh được với WLAN. WSN cung cấp cho ta một giải phỏp quan sỏt, bỏo hiệu và xử lý thụng minh, cú ý nghĩa rất lớn về mặtứng dụng.
Tỡm hiểu cấu tạo của cỏc node mạng WSN, thường bao gồm 2 thành phần: phần cảm biến và phần giao tiếp vụ tuyến. Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp, giỏ thành và yờu cầu hoạt động trong một thời gian dài nờn vấnđề năng lượng là tiờu chớ thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm nhận khụng dõy WSN.
- Lớp vật lý: Gọn nhẹ về kớch thước và khả năng tớnh toỏn của cỏc node
- Lớp MAC:Kỹ thuật đa truy nhập CSMA/CA với mục đớch giảm năng lượng tiờu thụ.
- Lớp Routing: Cú thể dựng Routing protocol, Geo Routing.
WSN thường được triển khai trờn một phạm vi rộng, số node mạng lớn và tương đối ngẫu nhiờn, vỡ vậy đũi hỏi cấu hỡnh mạng linh động (dạng lưới, sao…). Trong một số WSN thụng dụng, địa chỉ ID cỏc node chớnh là vị trớ địa lý và giải thuật Routing dựa vào vị trớ này gọi là GRT (Geo Routing protocol).GRT phự hợp với cỏc WSN cố định nhờ đơn giản hoỏ giải thuật tỡm đường, giảm dữ liệu bảng routing lưu trữ tại cỏc node.
Do giới hạn khả năng tớnh toỏn của từng node mạng cũng nhưđể tiết kiệm năng lượng, WSN thường sử dụng cỏc phương phỏp tớnh toỏn và xử lý tớn hiệu phi tập trung hoặc gửi dữ liệu tớnh toỏn cho cỏc Base Station (cú khả năng xử lý tớn hiệu mạnh và ớt ràng buộc về năng lượng).
Khoỏ luận hoàn thành, trước tiờn em xin bày tỏ lũng cảmơn chõn thành tới thầy giỏo-TS Vương Đạo Vy, thầyđó tận tỡnh hướng dẫn, giỳp đỡ em về thu thập tài liệu cũng như truyền đạt kiến thức. Qua đõy, em cũng xin bày tỏ lũng biết ơn tới cỏc thầy trong khoa Điện tử-Viễn thụng trườngĐHCN-ĐHQG Hà Nộiđó nhiệt tỡnh dạy bảo và trang bị cho em kiến thứcđể em bước vào tương lai. Em cũng xin gửi lời cảmơn đến tập thể cỏc bạn lớp K49DA luụn sẵn sàng giỳp đỡ trong suốt quỏ trỡnh làm khoỏ luận.
Trong khuụn khổ bài khoỏ luận, do cũn hạn chế về mặt tài liệu cũng như về phần thực tế củađề tài nờn khoỏ luận khụng trỏnh khỏi những thiếu sút. Vỡ vậy em rất mong được sự chỉ bảo và thụng cảm của cỏc thầy, nhà trường và cỏc bạn sinh viờn quan tõm tới vấnđề này.