CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
2.2. Các hoạt động tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm nhận không dây
2.2.1. Mô hình giao thức MAC hiện tại trong mạng không dây
MAC bao gồm hai vấn đề chính: cách chia sẻ nguồn tài nguyên và cơ chế xử lý đa truy cập. Nguyên lý hoạt động của MAC rất phổ biến trong mạng không dây, hầu hết nguyên lý đáng chú ý của MAC là đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), một số khác là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) và đa truy cập mã hoá (CDMA). Trong phần này, chúng ta phân tích ƣu nhƣợc điểm trên các khía cạnh năng lực và mức tiêu thụ năng lƣợng của các nguyên lý MAC này [9].
37
Trong mô hình TDMA, thời gian đƣợc chia thành các khe và mỗi nút mạng đƣợc phân chia, thông thƣờng nhờ bộ điều khiển trung tâm hoặc trạm gốc, để truyền và nhận trên một (hoặc một số) khe nhất định. Trong khe thời gian dành cho nút mạng đó, toàn bộ băng thông của kênh truyền đƣợc dành cho việc truyền dữ liệu của nút. Do thời gian truyền tỷ lệ nghịch với băng thông nên thời gian truyền Ttx trong chế độ tiêu thụ năng năng lƣợng thu phát radio sẽ đƣợc giảm mức thấp nhất.
Thêm vào đó, các nút mạng học đƣợc vị trí khe thời gian dành cho nó trong khi truyền dữ liệu cho phép nút mạng chuyển sang trạng thái ngủ trong khoảng thời gian khe thời gian dành cho nó chƣa đƣợc kích hoạt. Do đó, có thể tránh đƣợc năng lƣợng mất mát do overhearing.
Tuy nhiên, nguyên lý TDMA yêu cầu duy trì đồng bộ đồng hồ trong toàn bộ mạng để tránh xung đột. Do đó, trạm BTS thông thƣờng gửi quảng bá gói tin đồng bộ định kỳ. Mỗi nút mạng có thể không nhận đƣợc gói tin đồng bộ và do đó nó đƣợc active trong khoảng thời gian truyền của nó. Giả sử Tguard là khoảng thời gian nhỏ nhất giữa hai khe liên tiếp và δ là độ lệch thời gian lớn nhất có thể có giữa đồng hồ của hai nút mạng, các nút mạng phải đồng bộ ít nhất một lần trong mỗi khoảng thời gian Tguard/δ để tránh xung đột gói tin. Nói cách khác, các nút mạng phải đƣợc active ít nhất δ/Tguard lần mỗi giây để đồng bộ lại. Dựa trên chế độ tiêu thụ năng lƣợng, số lần một nút mạng đƣợc active lại để nhận gói tin phải đƣợc giảm để mức tiêu thụ năng lƣợng là nhỏ nhất và do đó Tguard phải là lớn nhất. Tuy nhiên, khi Tguard tăng thì băng thông giảm và tăng độ trễ truyền tín hiệu.
Đa truy cập phân chia theo tần số - FDMA
38
băng thông đƣợc chia thành nhiều kênh mỗi kênh đƣợc gán với một nút mạng. Xung đột đƣợc giảm thiểu do các nút không phải tranh chấp trên cùng một kênh. Tuy nhiên, trong FDMA, mỗi nút chỉ đƣợc dành lƣợng băng thông nhỏ hơn so với TDMA và do đó thời gian Ttx lớn hơn, đồng nghĩa với tiêu thụ năng lƣợng nhiều hơn. Mặt khác, do không cần cơ chế đồng bộ nên Nrx trở nên nhỏ hơn do đó năng lƣợng đƣợc tiết kiệm đáng kể. Phƣơng pháp kết hợp giữa TDMA và FDMA có thể đƣợc sử dụng để phát huy ƣu điểm của hai phƣơng pháp và khắc phục nhƣợc điểm của mỗi phƣơng pháp.
Đa truy cập mã hoá CDMA
Trong CDMA, mỗi nút đƣợc gán một mã tuần tự duy nhất cho quá trình truyền dẫn. Một nút trải dữ liệu của nó lên đƣờng truyền sử dụng mã của nó. Tại đầu nhận dữ liệu, nhiệm vụ là gom lại các bit và sắp xếp lại dữ liệu bằng giải mã. Mặc dù CDMA cho phép truyền đến mức tối đa băng thông của kênh truyền tại cùng một thời điểm, nhƣng một cơ chế mã hoá đặc biệt thu hẹp băng thông dành cho truyền dữ liệu của các nút. Do đó, nhƣ trong FDMA, Ttx đƣợc tăng lên. Thêm vào sự phức tạp của mạch điện đầu thu trong phƣơng pháp này, mỗi nút phải biết một chuỗi mã của đầu phát. Trong mạng đa chặng multi-hop, mỗi nút chuyển tiếp dữ liệu và do đó nó cần nhiều bộ nhớ hơn để lập bảng các mã về các nút khác.
CSMA
TDMA, FDMA, CDMA là các phƣơng pháp truyền tin không có sự tranh chấp trong đó các nút đƣợc gán ứng với mỗi kênh đã đƣợc phân chia sẵn để tránh xung đột. Ngƣợc lại với các phƣơng pháp trên, CSMA là cơ chế truyền tin có xung đột tranh chấp. Trong CSMA, mỗi nút đƣợc yêu cầu luôn kiểm tra môi trƣờng xem kênh truyền có rỗi không để truyền dữ liệu. Khi một
39
nút cần gửi gói tin, nó truyền gói trên toàn bộ băng thông. Không có sự ƣu tiên cho nút hoặc sự đồng bộ đồng hồ trong cơ chế truyền tin CSMA. Khi sử dụng CSMA, các nút buộc phải thức lâu hơn và do đó làm tăng mức tiêu thụ năng lƣợng. Tăng xung đột giữa các nút làm thời gian trễ truyền tin không thể dự đoán đƣợc và có thể dẫn đến tỷ lệ mất gói tin cao.
2.2.2. Mục tiêu xây dựng giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng cho mạng cảm nhận không dây
Dƣới đây sẽ nêu vắn tắt mục tiêu thiết kế cho giao thức MAC của WSN, một số trong những mục tiêu này có thể mâu thuẫn nhau và do đó cần đến sự lựa chọn tuỳ theo ứng dụng của mạng [9].
Sử dụng năng lượng hiệu quả
Truy cập môi trƣờng là một nguyên nhân tiêu tốn năng lƣợng của nút mạng, đặc biệt là với truyền dẫn khoảng cách xa và khi đầu thu phát radio luôn luôn bật. Năng lƣợng đầu ra của bộ phát radio tỷ lệ trực tiếp với độ bao phủ và bị tăng lên đáng kể trong môi trƣờng có nhiều ồn. Định tuyến tiết kiệm năng lƣợng thông thƣờng thực hiện theo các tuyến nhiều chặng nhằm mục đích tối ƣu năng lƣợng truyền dẫn.
Mặt khác, giao thức tiết kiệm năng lƣợng MAC có thể tiết kiệm năng lƣợng truyền dẫn bằng cách giới hạn sử dụng các bản tin điều khiển, sử dụng hết các dải tần có sẵn để giảm ngắn thời gian truyền, chuyển mạch vô tuyến vào chế độ năng lƣợng thấp khi kết thúc truyền nhƣng đồng thời tránh chuyển đổi quá nhiều giữa các trạng thái tích cực và năng lƣợng thấp.
Khả năng mở rộng
Có thể thấy rằng hầu hết các ứng dụng của WSN tự cấu hình đều đòi hỏi số lƣợng lớn các nút mạng. Do đó, khả năng mở rộng, nâng cấp mạng mà
40
giao thức hỗ trợ là điều quyết định cốt yếu. Nguồn tài nguyên phải đƣợc phân chia truy cập hợp lý, ngăn ngừa sự xung đột quá mức. Tuy nhiên khi mạng lớn với nhiều nút mạng sẽ làm hạn chế trong việc sử dụng một số phƣơng thức truy cập MAC nhƣ CDMA vì áp dụng phƣơng thức điều khiển truy cập CDMA sẽ yêu cầu một nút mạng cảm nhận chứa nhiều mã tuần tự, điều này có thể không thực hiện đƣợc đối với các sensor cực nhỏ với khả năng tính toán hạn chế.
Khả năng dự đoán được độ trễ
Một số ứng dụng WSN nhƣ bám mục tiêu yêu cầu một giới hạn nhất định về độ trễ trong việc truyền dữ liệu. Việc đảm bảo tính kịp thời trong nhận dữ liệu thƣờng đƣợc xử lý tại nhiều lớp trong mô hình giao thức. Ví dụ, cơ chế xử lý đặc biệt tại lớp mạng có thể sẽ làm giảm thời gian xếp hàng gói tin, do đó làm giảm thời gian trễ trong toàn bộ quá trình truyền gói tin từ nguồn đến đích. Tuy nhiên, lớp liên kết dữ liệu có thể đóng vai trò chính trong việc cẩn thận sắp xếp lịch gửi các gói tin và đƣa ra định hƣớng phân chia truy cập môi trƣờng.
Khả năng thích nghi
Trong hầu hết các ứng dụng của WSN, mật độ lƣu lƣợng thay đổi một cách đáng kể theo thời gian và thay đổi theo từng phần của mạng. Điều đó đó đúng trong cả hai kiểu hoạt động của mạng là bám sát sự kiện và vấn tin. Với kiểu bám sự kiện các nút mạng theo dõi trạng thái môi trƣờng và định kỳ gửi báo cáo, còn trong hoạt động vấn tin, các nút mạng chỉ truyền dữ liệu trong trƣờng hợp đáp ứng lại các yêu cầu và do đó lƣu lƣợng trong chế độ này sẽ ít hơn.
41
Cơ chế điều khiển truy cập môi trƣờng phải thích nghi đƣợc với sự thay đổi lớn nhƣ vậy trong luồng chuyển động và phải cho phép phân chia lại cách truy cập môi trƣờng để điều khiển hiệu quả luồng dữ liệu.
Tính chính xác
Truyền gói tin chính xác là một mục tiêu quan trọng nhất cho tất cả các kiến trúc mạng. Việc truyền gói tin có đảm bảo đƣợc thực hiện bằng cách chọn các kết nối không có lỗi, tránh các nút mạng quá tải và có cơ chế phát hiện và truyền lại. Thông thƣờng có liên quan giữa điều khiển luồng và mức độ tin cậy, để có cơ chế truyền dữ liệu tin cậy thì băng thông kém hiệu quả, tăng độ trễ và tăng tiêu thụ năng lƣợng.
2.2.3. Các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm nhận không dây
Các giao thức MAC thiết kế cho mạng không dây thông thƣờng hiện nay nhƣ MACAW và IEEE 802.11 không phù hợp cho mạng WSN. Các giao thức này khiến năng lƣợng tiêu thụ lớn do chúng yêu cầu mỗi thiết bị phải liên tục thăm dò môi trƣờng. Mặt khác các giao thức này vẫn yêu cầu các nút mạng phát các gói tin điều khiển để tránh xung đột. Các gói tin điều khiển có thể lớn bằng gói tin dữ liệu, vì các gói tin dữ liệu đều rất nhỏ trong hầu hết các ứng dụng của mạng WSN.
Quản lý năng lƣợng của bộ thu phát radio là việc quan trọng nhất trong nghiên cứu tiết kiệm năng lƣợng cho WSN do thu phát radio là nguyên nhân tiêu thụ năng lƣợng nhiều nhất.
Các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng đƣợc chia thành hai loại chính: có tranh chấp (contention based) và dành kênh riêng (reservation based) [9].
42
Các giao thức có tranh chấp
Các giao thức MAC dựa trên cơ chế có tranh chấp là sự lựa chọn chính cho các cấu trúc mạng WSN. Hầu hết các giao thức này hoạt động dựa trên cơ chế của thủ tục điều khiển truy cập môi trƣờng CSMA, có thể kết hợp với tín hiệu bắt tay nhằm giảm sự xung đột giữa các nút mạng. Tuy nhiên mỗi giao thức cụ thể lại có cách tiết kiệm năng lƣợng khác nhau. Một số tập trung vào giảm năng lƣợng lãng phí do xung đột bằng cách điều khiển năng lƣợng thông minh nhằm hạn chế độ nhiễu, hạn chế sử dụng nhiều kênh khác nhau cho dữ liệu và điều khiển luồng,… Một số giao thức khác lại tiết kiệm năng lƣợng bằng cách giảm thời gian mạch thu phát hoạt động ở chế độ tích cực và chế độ nghỉ, đƣa về chế độ ngủ.
Giao thức SmartNode
SmartNode (Nút mạng thông minh) mở rộng chuẩn EEE 802.11. Các nút mạng cố gắng sử dụng năng lƣợng tối thiểu để liên lạc với nút mạng khác qua phân tích gói tin nó nhận đƣợc. Mỗi nút mạng duy trì một bảng tìm kiếm chứa thông tin về láng giềng mà nó biết về mức năng lƣợng tối thiểu cần thiết để đến đƣợc nút đó. Trƣớc khi truyền gói tin, nút mạng tìm kiếm nút đích trong bảng, nếu không tìm thấy, nó truyền gói tin RTS với mức công suất tối đa; ngƣợc lại giá trị mà nó tìm thấy đƣợc trong bảng sẽ đƣợc sử dụng để đặt cho giá trị mức năng lƣợng trong gói tin RTS. Khi nhận đƣợc gói tin RTS, mỗi nút láng giềng sẽ phân tích năng lƣợng tối thiểu cần thiết và lƣu vào trong bảng tìm kiếm của nó. Để đồng nhất với chuẩn 802.11, nút đích truyền gói tin CTS với mức năng lƣợng giống nhƣ trong gói tin RTS. Do đó, nút nguồn có thể quyết định đƣợc công suất tối thiểu cần thiết để truyền dữ liệu tới nút đích và lƣu giá trị đó vào bảng.
43
Tuy nhiên giao thức SmartNode cũng có nhƣợc điểm là vẫn cần đến năng lƣợng để gửi các gói RTS và CTS. Hơn nữa, sử dụng các mức công suất phát khác nhau làm tăng mức độ xung đột trong mạng. Truyền gói tin với mức công suất thấp dễ dẫn đến khả năng gói tin bị gián đoạn hoặc bị mất.
Giao thức PAMAS
PAMAS (The Power Aware Medium Access protocol and Signaling) dựa trên thủ tục CSMA, trong giao thức này mỗi nút mạng khi không kích hoạt ở chế độ truyền hoặc nhận sẽ tự tắt nguồn của nó. Giao thức này yêu cầu các nút sử dụng hai kênh riêng rẽ cho dữ liệu và cho điều khiển. Kênh điều khiển đƣợc sử dụng cho việc bắt tay và kênh dữ liệu dành cho lƣu lƣợng bình thƣờng. Sử dụng hai kênh riêng sẽ tối thiểu hoá khả năng bị xung đột. Một nút mạng đáp ứng yêu cầu kết nối chỉ khi láng giềng của nó không truyền hay nhận. Phía gửi nếu không thể thiết lập kết nối sẽ chuyển sang chế độ ngủ và thử lại sau. Khoảng thời gian một nút ở chế độ ngủ đƣợc quyết định dựa trên sự trao đổi gói tin thăm dò đặc biệt trên kênh điều khiển giữa các nút gần nhau.
Tuy nhiên giao thức vẫn yêu cầu các nút thăm dò môi trƣờng để truyền và do đó không triệt tiêu đƣợc xung đột. Hơn nữa, mỗi nút phải có hai kênh riêng nên cần có hai mạch vô tuyến tại mỗi nút làm tăng chi phí triển khai và tăng sự phức tạp khi thiết kế.
Giao thức thích nghi tốc độ truyền
Trong giao thức này, một nút có gói tin cần truyền sẽ thăm dò môi trƣờng trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Nếu môi trƣờng truyền không bận trong khoảng đó, một kênh dành riêng có sử dụng gói tin RTS/CTS đơn giản đƣợc khởi tạo. Ngƣợc lại, nút mạng sẽ thử truyền lại sau với khoảng thời
44
gian đƣợc tính theo một thuật toán nào đó, trong khoảng thời gian chờ làm lại, nút mạng không cần thăm dò môi trƣờng nữa và chuyển vào chế độ ngủ để tiết kiệm năng lƣợng.
Một thuật toán điều khiển tốc độ thụ động đƣợc sử dụng để tận dụng băng thông tối đa cho việc truyền dữ liệu của một nút và lƣu lƣợng dữ liệu khác đang truyền trong mạng. Trong khi đang truyền dữ liệu, mỗi nút sẽ thử đẩy một gói tin thăm dò vào mạng một cách định kỳ, nếu gói tin đẩy thành công, có nghĩa rằng đƣờng truyền vẫn còn khả năng để truyền dữ liệu và nút sẽ tăng tốc độ truyền dữ liệu một cách tuyến tính. Nếu không đẩy thành công, khi đó đƣờng truyền đã quá tải và nút mạng sẽ giảm tốc độ truyền dữ liệu xuống. Lƣu lƣợng khác trên mạng cũng sẽ thích nghi với sự thay đổi tốc độ truyền của nút mạng này nhờ cơ chế tƣơng tự.
Tuy giải quyết đƣợc vấn đề xung đột và duy trì tốt băng thông dành cho các nút, vấn đề bảo tồn năng lƣợng vẫn là hạn chế của giao thức này. Trong giao thức này, các yếu tố overhearing và thay đổi chế độ làm việc không đƣợc tính đến.
Các giao thức dành kênh riêng
Trong WSN, thủ tục điều khiển truy cập môi trƣờng theo thời gian hỗ trợ tốt nhất sự tối ƣu năng lƣợng. Năng lƣợng bị tổn thất do các nguyên nhân overhearing, xung đột và chuyển đổi giữa các trạng thái có thể giảm thiểu nếu truy cập môi trƣờng đƣợc phân chia theo thời gian. Phân chia theo thời gian còn giúp biết trƣớc đƣợc thời gian trễ và hạn chế đƣợc mất mát gói tin do nhiễu và tràn bộ đệm.
45
Tuy nhiên thủ tục phân chia theo thời gian gặp khó khăn khi mở rộng mạng, hơn nữa việc đồng bộ đồng hồ giữa các nút cũng gây mất nhiều năng lƣợng.
Các giao thức dành kênh riêng cũng có nhiều loại nhƣ đồng bộ đồng hồ, chia cụm nút mạng,… Dƣới đây sẽ xét một giao thức đáng chú ý thuộc loại này, đó là giao thức chia cụm nút mạng (multi-cluster).
Giao thức chia cụm nút mạng
Trong giao thức này, hạn chế về khả năng mở rộng mạng của TDMA đƣợc khắc phục bằng cách chia mạng thành những cụm nhỏ. Các nút mạng ở gần nhau đƣợc nhóm lại thành một cụm, trong đó có một nút mạng đóng vai trò làm cổng chuyển tiếp (gateway) đại diện cụm giao tiếp với các cụm khác. Gateway có nhiệm vụ thiết lập các tuyến truyền tin đa chặng, gán các khe thời