Việc phân loại các giao thức MAC (không dây) xuất hiện cách đây hơn 30 năm. Chúng có thể đƣợc phân thành các loại sau: các giao thức phân chia cố định, các giao thức phân chia theo yêu cầu và các giao thức truy cập ngẫu nhiên.
a. Các giao thức phân chia cố định
Trong lớp các giao thức này, các tài nguyên có sẵn đƣợc phân chia cho các nút sao cho
việc phân chia tài nguyên là dài hạn, mỗi nút có thể sử dụng riêng tài nguyên của nó và do đó
không có nguy cơ xung đột. Sử dụng trong thời gian dài có nghĩa là việc cấp phát tài nguyên kéo dài trong khoảng vài phút, vài giờ hoặc lâu hơn, ngƣợc lại với sử dụng trong thời gian ngắn nhƣ việc cấp phát tài nguyên chỉ trong phạm vi của burst dữ liệu, tƣơng ứng với khoảng
thời gian vài chục ms. Để tính toán sự thay đổi trong cấu hình mạng, ví dụ nhƣ do một số nút
hỏng hoặc một số mới đƣợc đƣa vào sử dụng, nút di chuyển hoặc thay đổi trong mô hình tải,
sơ đồ tín hiệu cần phải sử dụng các giao thức phân chia cố định để có thể bố trí lại nguồn tài
nguyên cho các nút. Câu hỏi đặt ra ở đây là khả năng mở rộng của các giao thức này.
Các giao thức tiêu biểu của lớp này là TDMA, FDMA, CDMA và SDMA.
Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division Multiple Access) chia
nhỏ trục thời gian thànhnhững siêu khung có độ dài cố định, mỗi siêu khung đó một lần nữa
lại đƣợc chia nhỏ thành các khe thời gian. Mỗi khe thời gian này đƣợc gán riêng cho các nút, do đó nút có thể truyền dữ liệu trong khe thời gian này một cách tuần tự trong mỗi siêu
109
khung. TDMA yêu cầu đồng bộ về mặt thời gian một cách nghiêm ngặt giữa các nút để tránh hiện tƣợng chồng chéo tín hiệu trong các khe thời gian lân cận.
Trong đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access), dải tần hoạt động đƣợc chia thành các kênh con và chúng đƣợc gán cho các nút. Nút có thể truyền dữ liệu trên kênh của chúng. Sơ đồ này yêu cầu đồng bộ về mặt tần số, các bộ
lọc có dải tƣơng đối hẹp và bộ thu có thể điều chỉnh theo kênh đƣợc bộ phátsử dụng. Do đó,
bộ thu FDMA thƣờng phức tạp hơn bộ thu TDMA.
Trong đa truy cập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access), các
nút trải tín hiệu của chúng trong một dải tần lớn hơn yêu cầu, sử dụng các mã khác nhau để
phân chia việc truyền dẫn của chúng. Bộ thu biết mã đƣợc sử dụng bởi bộ phát, tất cả các
truyền dẫn song song sử dụng các mã khác xuất hiện nhƣ tạp âm. Điều quan trọng trong
CDMA là việc quản lý mã.
Cuối cùng là đa truy cập phân chia không gian (SDMA - Space Division Multiple
Access), sự phân chia không gian của các nút đƣợc sử dụng để phân chia việc truyền dẫn của
chúng. SDMA yêu cầu các mảng antenna, kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp và đây không thể
coi là một công nghệ cho các WSN.
b. Các giao thức phân chia theo yêu cầu
Trong giao thức phân chia theo yêu cầu, sự cấp phát riêng các tài nguyên cho nút đƣợc
xây dựng trên cơ sở ngắn hạn, thƣờng là khoảng thời gian của một burst dữ liệu. Lớp các giao thức này có thể đƣợc chia thành các giao thức tập trung và phân bố. Trong giao thức điều khiển tập trung (nhƣ HIPERLAN/2, DQRUMA hay MASCARA…), các nút gửi yêu cầu về
việc cấp phát băng thông đến nút trung tâm. Nút trung tâm có thể chấp nhận hoặc từ chối yêu
cầu này. Khi yêu cầu đƣợc chấp nhận, xác nhận đƣợc truyền trở lại nút đã yêu cầu kèm theo
mô tả về tài nguyên đƣợc cấp phát, ví dụ nhƣ số lƣợng và vị trí của các khe thời gian đƣợc ấn
định trong hệ thống TDMA và khoảng thời gian cấp phátđó. Nút có thể sử dụng riêng những
tài nguyên này. Việc đệ trình yêu cầu của các nút đến trạm trung tâm thƣờng dựa trên cơ sở tranh chấp, sử dụng giao thức truy cập ngẫu nhiên trên kênh tín hiệu chuyên dụng. Các nút thƣờng mang theo các yêu cầu trong các gói dữ liệu đƣợc truyền trong các khe thời gian riêng
của chúng, do đó nó tránh đƣợc việc truyền riêng các gói tin mang thông tin yêu cầu.
Nút trung tâm phải luôn ở trạng thái bật và chịu trách nhiệm về việc phân bố tài nguyên.
Việc phân bố lại tài nguyên đƣợc thực hiện nhƣ sau: khi nút không sử dụng khe thời gian của
nó nữa, nút trung tâm có thể phân bố nó cho các nút khác. Do đó, các nútkhông cần phải gửi
thêm các gói tin hủy bỏphân bố. Nói tóm lại, nút trung tâm thực hiện rất nhiều hoạt động, nó phải luôn ở trạng thái thức và do đó, nó sử dụng nhiều năng lƣợng. Lớp giao thức này là lựa
chọn tốt nếu có đủ các nút không bị giới hạn về mức năng lƣợng tiêu thụvà nhiệm vụ của nút
trung tâm có thể đƣa đến các nút này.
Một ví dụ về các giao thức phân chia theo yêu cầu phân bố là các giao thức truyền thẻ
bài (Token) nhƣ IEEE 802.4 Token Bus. Yêu cầu để bắt đầu một quá trình quyềndẫn là việc
nhận đƣợc một khung Token nhỏ đặc biệt. Đây là một phƣơng pháp khác cũng nhằm truy cập
vào môi trƣờng chia sẻ, là phƣơng pháp dùng Token điều khiển. Token này đƣợc chuyển từ nút này sang nút khác phụ thuộc vào quy tắc đƣợc định nghĩa và đƣợc tất cả các nút nối vào môi trƣờng hiểu và tuân theo. Một nút bất kỳ chỉ có thể truyền dữ liệu khi đang nắm giữ thẻ
110
Token, sau khi đã truyền xong khung, nó chuyển Token sang nút kế tiếp để cho phép nút khác truy cập vào môi trƣờng truyền. Tuần tự hoạt động nhƣ sau:
+ Đầu tiên, một vòng logic (logical ring) đƣợc thiết lập để liên kết tất cả các nút nối vào
môi trƣờng vật lý này, và một Token điều khiển đƣợc tạo ra.
+ Token điều khiển đƣợc chuyển từ nút này qua nút khác xung quanh vòng logic cho tới khi một nút đang đợi truyền lấy đƣợc quyền điều khiển.
+ Sau đó, nút đang đợi truyền sẽ truyền các khung của nó qua môi trƣờng vật lý này. Sau khi kết thúc việc truyền, nó sẽ chuyển Token điều khiển đến một nút khác trong vòng logic.
Ngoài ra, kể từ khi bắt đầu thời điểm lƣu thông Token, một nút phải luôn có thể nhận
đƣợc Token để không phá vỡ vòng logic. Do đó, các bộ thu phát của nút phải đƣợc bật trong hầu hết thời gian hoạt động. Thêm vào đó, duy trì vòng logic sẽ đối mặt với việc thƣờng
xuyên thay đổi cấu hình mạng, đây không phải là một nhiệm vụ dễ dàngvà còn liên quan đến
dung lƣợng tín hiệu chứ không chỉ liên quan đến các khung thẻ bài.
c. Các giao thức truy cập ngẫu nhiên:
Trong trƣờng hợp này, các nút không phối hợp với nhau, các giao thức hoạt động theo phƣơng thức phân phối hoàn toàn. Giao thức truy cập ngẫu nhiên thƣờng kết hợp với một yếu tố ngẫu nhiên, ví nhƣ nhƣ thời điểm nhận gói tin ngẫu nhiên, đặt bộ định thời tới các giá trị ngẫu nhiên… Giao thức truy cập ngẫu nhiên đầu tiên và quan trọng nhất là giao thức ALOHA
hay slotted ALOHA, đƣợc phát triển ở trƣờng đại học Hawaii. Ở giao thức ALOHA, khi một
nút muốn truyền một gói tin mới thì sẽ truyền nó ngay lập tức. Không có sự phối hợp với các nút khác nên thƣờng xảy ra xung đột ở bộ thu. Để phát hiện xung đột này, bộ thu đƣợc yêu cầu gửi thông tin tức thời về gói tin đã nhận đƣợc. Nếu không có thông tin phản hồi này, bộ phát sẽ hiểu là đã có xung đột, sau một khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên nào đó nó sẽ bắt đầu quá trình truyền tiếp theo. ALOHA tạo ra truy cập ngắn và trễ truyền dẫn đối với các tải nhẹ. Đối với các tải nặng hơn, số xung đột sẽ tăng lên, điều này sẽ làm giảm hiệu suất và tăng thời gian trễ truyền dẫn. Ở slotted ALOHA, thời gian đƣợc chia thành các khe và nút chỉ đƣợc cho phép bắt đầu truyền tin khi bắt đầu một khe. Khe phải đủ lớn để có thể chứa đƣợc gói tin có độ dài cực đại. Theo đó, chỉ khi các bộ phát khác cũng bắt đầu truyền tin trong cùng khe thời gian mới có thể làm hỏng gói tin của nút. Nếu một nút nào đó muốn bắt đầu muộn hơn thì nó có thể đợi đến thời điểm bắt đầu khe thời gian tiếp theo và khi đó, không còn nguy cơ phá huỷ gói tin của nút. Trong một thời điểm nào đó, sự đồng bộ sẽ làm giảm xác suất xung đột và slotted ALOHA có hiệu suất cao hơn ALOHA.