Các giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn được thực hiện trong lớp liên kết dữ liệu.
Yêu cầu với giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) cho mạng cảm biến
Yêu cầu đối với giao thức MAC cho mạng cảm biến là phải có tính chiến lược bảo tồn nguồn năng lương, quản lý di động và khắc phục những sai hỏng. Mặc dù nhiều giao thức truy nhập môi trường truyền dẫn đã được đề xuất cho MANET, việc thiết kế một giao thức MAC hiệu quả với kiểu mạng cảm biến vẫn là một vấn đề bỏ ngỏ. Vì thế, cả hai kiểu “Phân bổ cố định” (Fixed Allocation) và truy nhập ngẫu nhiên (Random Access) trong truy nhập môi trường truyền dẫn đã được đề xuất. Phương pháp điều khiển truy nhập môi trường theo yêu cầu (Demand-Based) có thể không phù hợp cho mạng cảm biến do phụ tải (Overhead) và trễ thiết lập kết nối lớn. Việc bảo tồn nguồn năng lượng có thể đạt được bằng việc sử dụng các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng và dùng giới hạn thời gian trong các bản tin báo nhận.
Các giao thức MAC cho mạng cảm biến
SMACS và thuật toán EAR
Giao thức SMACS (Self-oganization MAC for Sensor network) hoàn thành việc khởi động và tổ chức liên kết lớp (Network Start-up and Link–layer Organization) còn thuật toán EAR cho phép kết nối liền mạch (Seamless Connention) giữa các nút di động trong mạng cảm biến. SMACS là một giao thức xây dựng cơ sở hạ tầng phân tán cho phép các nút có thể thực hiện ra các nút lân cận của chúng và thiết lập các tiến trình truyền/nhận cho thông tin mà không cần tới bất kì nút chủ (nút master) toàn cục hay cục bộ nào. Trong giao thức này, các giai đoạn phát hiện nút lân cận và chỉ định kênh được kết hợp để trong thời gian các nút
lắng nghe các nút lân cận, chúng có thể tạo ra một kết nối mạng. Một kết nối truyền thông bao gồm một cặp khe thời gian hoạt động tại một tần số cố định được chọn ngẫu nhiên (hoặc chuỗi nhảy tần). Đây là một sự lựa chọn có thể thực hiện trong mạng cảm biến vì băng thông được phép sử dụng lớn hơn nhiều tốc độ truyền số liệu tối đa cho các nút cảm biến. Phương pháp này tránh được sự bắt buộc phải đồng bộ trên diện rộng mặc dù việc truyền thông giữa các nút lân cận trong mạng con vẫn phải được đồng bộ thời gian. Việc bảo tồn nguồn năng lượng là nhờ sử dụng tiến trình báo thức ngẫu nhiên trong giai đoạn kết nối và nhờ tắt thiết bị vô tuyến trong các khe thời gian rỗi.
Giao thức EAR đảm bảo cung cấp dịch vụ thường trực cho các nút di động trong cả hai điều kiện di động và cố định.Ở đây, các nút di động đảm nhận toàn bộ việc điều khiển một quá trình kết nối và cũng như quyết định khi nào bỏ kết nối, do đó tối thiểu hóa phần phụ tải của bản tin. EAR là trong suốt đối với SMACS để SMACS hoạt động cho đến khi đưa được các nút di động vào trong mạng. Trong mô hình này, mỗi nút di động bất kỳ đều có một số các nút tĩnh trong vùng lân cận của nó. Một hạn chế của phương pháp chỉ định khe thời gian này là khả năng các thành viên thuộc về các mạng con khác nhau có thể không bao giờ được kết nối.
Truy nhập môi trường dựa trên CSMA
Các phương pháp dựa trên CSMA (Đa truy nhập theo cảm biến lưu lượng) truyền thông là không thích hợp vì chúng để hoạt động chủ yếu với lưu lượng phân bố ngẫu nhiên và có xu hướng hỗ trợ các dòng điểm- điểm độc lập. Ngược lại, giao thức MAC cho mạng cảm biến phải có khả năng hỗ trợ biến đổi lưu lượng tuần hoàn và có tính tương quan cao, bất kì phương pháp truy nhập môi trường truyền dẫn CSMA nào cũng có hai thành phần quan trọng là cơ chế lắng nghe và phương pháp làm giảm công suất (Backoff). Theo kết quả mô phỏng các khoảng thời gian lắng nghe cố định có hiệu quả về năng lượng và sự đưa vào trễ ngẫu nhiên cũng cấp một phương pháp giảm công suất theo hàm mũ nhị phân được đề xuất để duy trì tính công bằng cân xứng trong mạng. Một sự thay đổi pha tại mức ứng dụng được
thực hiện để vượt qua bất kỳ một hiệu ứng bắt giữ nào. Hiệu quả năng lượng được thực hiện ở năng lượng tiêu thụ trên một đơn vị thông tin hoàn thành..
Một cách tính toán của phương pháp này làm cho hiệu suất năng lượng tăng lên nhiều hơn phương pháp thỏa thuận và thông báo bằng vô tuyến. ARC cũng cố gắng giảm vấn đề về các nút ẩn trong mạng đa bước bằng sự điều chỉnh thường xuyên tốc độ truyền dẫn và thực hiện các thay đổi pha để các dòng tuần hoàn ít xảy ra và chạm lặp đi lặp lại.
MAC trên cơ sở lại ghép TDMA/FDMA
Phương pháp MAC theo điều khiển trung tâm này được giới thiệu trong tài liệu (Nghiên cứu về hoạt động của các cảm biến nhận biết được năng lượng để thích ứng). Trong đó, nghiên cứu chi tiết hiệu quả điện tử của lớp vật lý tưởng trên thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến. Hệ thống được tạo lên bởi các nút cảm biến bị hạn chế năng lượng liên lạc với một trạm gốc đơn, ở gần và được cấp nguồn năng lượng cao (<10m). Cụ thể là ứng dụng điều khiển máy của mạng cảm biến với những yêu cầu nghiêm ngặt về trễ số liệu và phương pháp truy nhập môi trường truyền tải lai ghép TDMA – FDMA được sử dụng. Trong khi phương pháp TDMA thuần túy dành riêng băng thông tín hiệu tối thiểu cho mỗi nút. Mặc dù thực tế là phương pháp TDMA thuần túy tối thiểu được trễ truyền thông song không được sử dụng nhiều do các chi phí cho đồng bộ thời gian kết hợp. Một công thức nhận được từ nghiên cứu để tìm ra số kênh tối ưu để sự tiêu thụ năng lượng hệ thống là thấp nhất. Điều này dẫn đến việc phương pháp lai ghép TDMA – FDMA được sử dụng. Số kênh tối ưu được tìm ra phụ thuộc vào tỉ lệ tiêu thụ năng lượng giữa máy phát và máy thu. Nếu máy phát tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, phương pháp TDMA sẽ được coi trọng hơn, trong khi đó phương pháp truy nhập sẽ càng nghiêng về phía FDMA khi máy thu tiêu thụ năng lượng càng nhiều.
Bảng 2.2: Tóm tắt các giao thức MAC cho mạng cảm biến.
Giao thức Kiểu truy nhập kênh Các đặc trưng mạng cảm biến
Bảo tồn nguồn năng lượng
SMACS và EAR Chỉ định cặp khe thời gian cố định tại tần số cố định
Khai thác băng thông lớn so với tốc độ số liệu
Kích hoạt ngẫu nhiên trong khi thiết lập và
tắt thiết bị tuyến trong khi rỗi
Lai ghép TDMA- FDMA
Phân chia theo tần số và thời gian
Tối ưu số lượng kênh để tối thiểu năng lượng tiêu thụ
Tối thiểu năng lượng hệ thống trên cơ sở phần cứng
Dựa trên CSMA Truy nhập ngẫu
nhiên trên cơ sở cạnh tranh Chuyển pha ứng dụng và trễ trước truyền dẫn Sử dụng thời gian lắng nghe cố định để đạt hiệu quả năng lượng
Để hiểu hơn về các đặc điểm nổi bật và hiệu quả của các giao thức MAC cho mạng cảm biến, trong bảng 2.2 đưa ra một số điểm tổng quan và so sánh các giao thức này. Cột các đặc trưng mạng cảm biến nhằm minh họa những đặc điểm mới và quan trọng của mạng cảm biến cho phép áp dụng các giao thức. Đồng thời bảng 2.2 cũng trình bày sự biến đổi khác biệt từ các phương pháp MAC truyền thống không thể áp dụng cho mạng cảm biến và việc các giao thức mới này đạt được hiệu suất năng lượng như thế nào.
Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng
Bất kể phương pháp truy nhập môi trường truyền dẫn nào được sử dụng cho mạng cảm biến đều phải hỗ trợ các kiểu hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến. Ví dụ rõ ràng nhất của việc bảo tồn nguồn năng lượng là tắt bộ thu phát khi nó không được yêu cầu. Mặc dù, phương pháp tiết kiệm năng lượng này dường như cung cấp sự tăng thêm năng lượng nhưng một điểm quan trọng không được phép bỏ qua là các nút cảm biến liên lạc bằng các gói số liệu ngắn. Các gói càng ngắn thì năng lượng khởi kích càng nổi trội.
Trong thực tế, nếu chúng ta tắt thiết bị vô tuyến một cách máy móc trong thời gian khe rỗi, chúng ta có thể làm cho năng lượng tiêu thụ nhiều hơn khi thiết bị này được bật. Kết quả là hoạt động trong một chế độ tiết kiệm năng lượng chỉ đạt hiệu suất năng lượng cao nếu thời gian được sử dụng chế độ đó hơn với một giới
hạn nào đó. Có một số chế độ có ích như vậy áp dụng cho nút cảm biến không dây, tùy thuộc vào số lượng trạng thái của vi xử lý, bộ nhớ, bộ biến đổi A/D và bộ thu phát. Mỗi chế độ này có thể được mô tả bằng sự tiêu thụ năng lượng của nó và năng lượng chuyển trạng thái từ và tới chế độ đó. Một phương pháp quản lý năng lượng động cho mạng cảm biến không dây nghiên cứu về năm chế độ tiết kiệm năng lượng và việc chuyển tiếp giữa các chế độ đó. Thời gian giới hạn tối thiểu cho mỗi chế độ phụ thuộc vào thời gian chuyển tiếp và yêu cầu về sự tiêu thụ năng lượng của riêng từng chế độ.