CHƢƠNG 3 TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN
3.3. Giao thức MAC
Giao thức MAC đóng một vai trò quan trọng trong mạng lƣới tiết kiệm năng lƣợng vì nó trực tiếp điều khiển đơn vị truyền thơng khơng dây chính là thành phần tiêu tốn năng lƣợng nhiều nhất ở node cảm biến.
Hoạt động của các giao thức MAC dựa trên các thơng số có sẵn đƣợc lập trình theo thời gian sao cho mỗi trạng thái làm việc của node cảm biến đƣợc tính tốn chính xác để tránh những va chạm không cần thiết hay các vấn đề node ẩn để tiết kiệm năng lƣợng.
μ-MAC là một giao thức dựa trên lịch biểu có q trình tranh chấp và không tranh chấp. Năng lƣợng đƣợc tiết kiệm trong quá trình va chạm khi các node ngủ, độ tin cậy và độ trễ gói tin có thể ở mức chấp nhận đƣợc. Tuy nhiên, thƣờng xuyên xảy ra tranh chấp khi truyền tin có thể gây thất thốt năng lƣợng, vì vậy hiệu suất năng lƣợng không thể đảm bảo nếu μ-MAC đƣợc sử dụng trong một môi trƣờng mạng năng động và thƣờng xuyên thay đổi.[11,13]
Các giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh đang đƣợc sử dụng phổ biến trong các mạng cảm biến không dây với cơ chế truy cập kênh ngẫu nhiên và linh hoạt giảm mất mát năng lƣợng khi va chạm.B-MAC (Berkeley MAC) một trong những giao thức nổi tiếng nhất dựa trên giao thức MAC, đƣợc thiết kế dựa trên cơ chế đặc biệt dành cho các mạng cảm biến không dây năng lƣợng thấp. Để giảm tiêu thụ năng lƣợng, BMAC cung cấp đánh giá kênh rõ ràng giúp máy phát có thể làm việc hiệu quả trong các điều kiện mạng khác nhau. Tại máy thu, một cơ chế nghe điện năng thấp (LPL) đƣợc sử dụng để đạt đƣợc một chu kỳ nhiệm vụ thấp, do đó các node cảm biến thức dậy theo định kỳ để kiểm tra các hoạt động kênh. Nếu phát hiện có hoạt động, node cảm biến đƣợc đánh thức trong một khoảng thời gian cụ thể cho gói tin tới và sau đó trở lại trạng
thái ngủ.Nếu khơng nhận đƣợc gói tin nào thì sau một khoảng thời gian chờ node cũng trở lại trạng thái ngủ để bảo toàn năng lƣợng.[10,13]
S-MAC (Sensor-MAC) là một giao thức phổ biến khác dựa trên sự cạnh tranh, nó đƣợc xây dựng dựa trên định kỳ chu kỳ nhiệm vụ buộc các node về trạng thái ngủthay vì nghe nhàn rỗi để bảo tồn năng lƣợng. Lịch trình đƣợc thiết lập giữa các node làm cho chúng tổ chức dƣới dạng một cụm ảo. Trong S-MAC, quá trình truy cập kênh đƣợc chia thành hai phần: trong khoảng thời gian đầu tiên(giai đoạn nghe) các node trao đổi các gói tin với nhau và một số gói tin kiểm sốt để xây dựng một chƣơng trình kết nối nhằm tránh xung đột. Truyền dữ liệu thực giữa các node tƣơng quan diễn ra trong giai đoạn thứ 2 (đối với các node khác không liên quan chúng sẽ ngủ trong khoảng thời gian này). Theo kế hoạch đã đƣợc xây dựng, bộ thu nhận dữ liệu trung gian và node nguồn liên quan thức dậy để truyền thông đồng thời, trong khi các node khác ở chế độ ngủ chờ đến giai đoạn nghe tiếp theo. Sơ đồ hoạt động cơ bản đƣợc trình bày ngắn gọn trong Hình 3.3[ 10,11,21]
Với tính năng phân mảnh gói tin, S-MAC có thể chia một gói tin dài thành các gói nhỏ và gửi nó giúp giảm thiểu độ trễ và vấn đề lƣu trữ.Bên cạnh đó, cần nỗ lực để đảm bảo rằng hai node lân cận không thể đƣợc tham gia vào hai lịch trình khác nhau (hai nhóm ảo) vì có thể gây ra tiêu thụ năng lƣợng không cần thiết trong nghe nhàn rỗi.
T-MAC (Timeout MAC) đƣợc đề xuất nhƣ một phiên bản cải tiến của S-MAC vì các tham số của S-MAC (chẳng hạn nhƣ thời gian nghe và ngủ) là hằng số và không thể thay đổi sau khi triển khai, nó khơng phù hợp trong mạng cảm biến khơng dây.Ngồi ra, trong các mạng khi khơng có bất kì truyền thơng nào, S-MAC vẫn phải thức tỉnh định kỳ và điều này gây ra lãng phí năng lƣợng đáng kể. Do đó, thiết kế của T-MAC cung cấp một chu trình nhiệm vụ năng động và có thể cấu hình bằng cách sửa đổi thời gian ngủ-nghe để cải thiện hiệu suất tiêu thụ năng lƣợng và hỗ trợ khi truyền thơng thay đổi.
Hình 3.4. Chu kì hoạt động của T-MAC
Trong T-MAC, các node cảm biến có thể tự động chuyển sang giai đoạn ngủ ngay cả khi khơng có sự kích hoạt nào xảy ra trong một khoảng thời gian cụ thể vì vậy có thể bảo tồn năng lƣợng nhiều hơn.[13]
Ý tƣởng cơ bản về các giao thức MAC dựa trên lai hóa là để đạt đƣợc hiệu suất năng lƣợng tốt hơn bằng cách kết hợp lợi thế của các giao thức dựa trên lịch trình và cạnh tranh. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 là một trong những ví dụ thú vị trong thể loại này. Mạng dựa trên IEEE 802.15.4 có thể đƣợc hình thành thành một cấu trúc liên kết
sao, một topo mạng hình cây hoặc một topo mạng lƣới với hai phƣơng thức truy cập kênh đƣợc hỗ trợ bởi lớp MAC IEEE 802.15.4.[13,15]
Nhìn chung, các giao thức MAC xây dựng dựa trên các thông số chu kì nhiệm vụ, thời gian thực hiện thuật tốn sắc có sẽ đạt hiệu quả năng lƣợng tốt. Khi đó, truyền thơng khơng dây chỉ thực hiện trên các node đƣợc yêu cầu trong khi các node khác đƣợc thiết lập ở trạng thái ngủ để bảo tổn năng lƣợng. Các mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai rộng rãi và có cấu trúc liên kết động do đó các giao thức định thời với các tham số đƣợc xác định trƣớc sẽ làm cho mạng thiết tính linh hoạt và khả năng mở rộng để giải quyết sự phức tạp trong các nhiệm vụ của mạng. Vì vậy, các giao thức định thời này ít đƣợc sử dụng trong mạng thực mặc dù nó hoạt động hiệu quả nguồn năng lƣợng.
So với các giao thức dựa trên các tham số có sẵn, các giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh có thể gây thất thoát năng lƣợng hơn do cạnh tranh hay va chạm. Tuy nhiên lợi thế của chúng lại là độ linh hoạt cao và có khả năng mở rộng để bù đắp lại nhƣợc điểm tiêu hao năng lƣợng.Mặc dù các loại giao thức này đƣợc áp dụng rộng rãi trong mạng thực tế, chúng vẫn gặp phải thách thức giải quyết vấn đề năng lƣợng mà không phải hy sinh các chỉ số hiệu suất khác.
Để kết hợp cả hai điểm mạnh của các giao thức dựa trên lịch trình và cạnh tranh, các giao thức lai hóa rất hữu ích trong việc tìm kiếm một sự cân bằng giữa năng lƣợng và hiệu suất khác. Bất lợi là đơi khi nó q phức tạp để đƣợc áp dụng cho một quy mô triển khai mạng nhanh chóng. Các mạng dựa trên IEEE 802.15.4 đang nổi lên cung cấp một hƣớng nghiên cứu có giá trị có thể giúp phát triển nhanh loại giao thức này.[11,13,21]
Kết luận chƣơng 3
Sau khi phân tích cấu trúc mạng cảm biến khơng dây, nguyên nhân gây mất mát năng lƣợng, nội dung chƣơng này đã chỉ ra sự tiêu hao năng lƣợng trong mạng cảm
biến không dây không chỉ đến từ các thành phần phần cứng mà còn do thành phần phần mềm ngoài ra còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác. Sự tiêu tốn năng lƣợng bởi các thành phần phần cứng và sự phụ thuộc vào các yếu tố sẽ đƣợc làm rõ trong nội dung chƣơng tiếp theo.