Đối với bộ thu phát vô tuyến công suất thấp theo chuẩn IEEE 802.15.4 thì công suất ra cung cấp cho Anten hầu hết là cỡ 1mW. Tuy nhiên, bộ thu phát tiêu thụ tổng công suất là 60mW, như được chỉ ra trong hình 2.4. Do đó, phần công suất 59mW tiêu thụ bởi các bộ thu phát là dùng cho các bộ dao động nội, và các bộ phận khác của mạch thu phát. Bởi vì mạch thu và phát là giống nhau, cả hai đều phải điều chế và giải điều chế các tín hiệu vô tuyến đến và đi dựa trên xung đồng bộ lấy từ bộ dao động nội. Bộ khuếch đại công suất không phải là bộ phận tiêu thụ công suất chính trong các bộ thu phát vô tuyến công suất thấp này.
Đối với bộ thu phát vô tuyến công suất tương đối cao, chẳng hạn như bộ thu phát vô tuyến theo chuẩn WiFi 802.11 thì công suất đầu ra lớn hơn
nhiều so với 1mW, do vậy công suất tiêu thụ bởi bộ khuếch đại công suất cao hơn nhiều (lên đến 100mW).
2.2. Giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây không dây
Những quan sát ở hình 2.3 cho thấy rằng việc lắng nghe lúc nhàn rỗi cũng tiêu thụ năng lượng nhiều như việc liên tục truyền các gói tin. Như vậy, chúng ta không thể hy vọng rằng năng lượng sẽ được tiết kiệm bằng cách tránh việc truyền các gói tin. Để bảo tồn năng lượng thì bộ thu phát vô tuyến phải được tắt. Khi bộ thu phát vô tuyến được tắt thì chúng không thể lắng nghe được các truyền dẫn từ các nút khác.
Việc không lắng nghe trên bộ thu phát vô tuyến đã hạn chế nhiều đến cấu trúc mạng có thể được xây dựng cho mạng cảm biến không dây. Chỉ một số cấu trúc mạng có thể được xây dựng như là các mạng hình sao, như hình 2.5. Các mạng hình sao có cấu trúc giống như một ngôi sao bao gồm một nút trung tâm được kết nối với các nút bên ngoài. Trong một mạng hình sao, nút trung tâm có bộ vô tuyến được bật lên liên tục. Nút này có một nguồn điện bên ngoài. Tất cả các nút khác được cung cấp năng lượng bởi pin luôn giữ các bộ vô tuyến của chúng ở chế độ tắt để tiết kiệm năng lượng. Chỉ khi các nút mạng có dữ liệu cần gửi thì chúng mới bật bộ vô tuyến để truyền đi một bản tin. Nút duy nhất mà chúng có thể truyền đến là nút trung tâm vì tất cả các nút khác đã tắt bộ vô tuyến của chúng.
Hình 2.5: Các mạng hình sao chỉ là các kiểu mạng có thể có nếu các thiết bị không bao giờ dùng bộ vô tuyến để lắng nghe các truyền dẫn từ các nút lân
cận.
Cách tiếp cận theo cấu trúc mạng hình sao có đặc điểm là đơn giản nhưng phạm vi của mạng cảm biến không dây bị thu hẹp trong phạm vi truyền dẫn của các bộ thu phát vô tuyến. Trong một số ứng dụng có phạm vi hẹp thì cấu trúc mạng hình sao là phù hợp.
Để mở rộng phạm vi của mạng thì các nút mạng phải có khả năng nhận được các truyền dẫn từ các nút khác. Với khả năng này, cấu trúc liên kết mạng cũng có thể được xây dựng để cung cấp các tuyến đường dự phòng đi qua mạng, làm tăng độ tin cậy cho mạng. Nếu một nút hết năng lượng, mạng có thể định tuyến lại lưu lượng xung quanh nút bị lỗi. Cấu trúc mạng này được gọi là mạng lưới.
Hình 2.6 là một ví dụ của mạng lưới. Trong một mạng lưới, tất cả các nút có thể trao đổi với nhau và hình thành một mạng lưới đa bước nhảy (multi-hop). Mạng lưới này có thể tự mở rộng khi cần thiết bằng cách thêm nhiều nút khác. Các nút mới tự gia nhập mạng và đóng vai trò như các nút chuyển tiếp lưu lượng.
Hình 2.6: Trong một mạng lưới, tất cả các nút có thể trao đổi với nhau, cho phép phạm vi của mạng có thể được mở rộng và cho phép các tuyến đường dự
phòng để làm tăng độ tin cậy của mạng.
Để có thể hình thành mạng lưới thì các bộ thu phát vô tuyến của các nút phải được quản lý để chúng được tắt khi không có lưu lượng nhưng được bật lên khi các nút lân cận muốn thực hiện truyền thông. Đo đó, các nút phải có một cách “hẹn gặp nhau” để hai nút muốn truyền thông cho nhau có thể truyền được cho nhau.
Trong thời gian qua, có một số cách để đồng bộ các nút đã được nghiên cứu. Các nghiên cứu ban đầu đã tiết kiệm được năng lượng đáng kể so với trường hợp các bộ thu phát vô tuyến thường được bật. Ví dụ, cơ chế S-MAC giảm thời gian trung bình các bộ vô tuyến được bật từ 100% đến 35%. Giao thức WiseMAC còn giảm nhiều hơn nữa khoảng 20%. Giao thức B-MAC cho thấy thời gian bật bộ vô tuyến nhàn rỗi khoảng 1%. Những phát triển sau đó thậm chí còn giảm thời gian bật bộ vô tuyến nhàn rỗi nhiều hơn nữa.
Các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC có thể được chia làm hai nhóm đó là các giao thức không đồng bộ thời gian và các giao thức đồng bộ thời gian. Trong phần tiếp theo, tác giả sẽ trình bày về các nhóm giao thức này.
2.2.1. Các giao thức không đồng bộ thời gian 2.2.1.1. Giao thức lắng nghe công suất thấp LPL 2.2.1.1. Giao thức lắng nghe công suất thấp LPL
Giao thức lắng nghe công suất thấp (LPL) đạt được sự vận hành công suất thấp bằng cách tắt bộ vô tuyến trong hầu hết thời gian và định kỳ bật nó trong một khoảng thời gian ngắn. Thủ tục này được gọi là quay vòng công suất (Duty Cycling). Bằng cách giữ bộ vô tuyến được bật trong một khoảng thời gian ngắn thì giao thức này cho phép nút cảm biến hoàn toàn có thể nhận được các truyền dẫn từ các nút lân cận. Quá trình này được minh họa trong hình 2.7. Thời gian mà bộ vô tuyến bật và tắt có thể được cấu hình. Sự cấu hình này phụ thuộc vào lưu lượng tải được dự báo của mạng. Ví dụ như thời gian tắt là 0,5s và thời gian bật là vài trăm μs. Thời gian này chỉ đủ để lắng nghe một gói tin đến từ một nút lân cận.