CHƢƠNG 3 CÁC GIAO THỨC MAC
3.4 Các giao thức điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC)
Giao thức MAC là lớp giao thức nằm ngay phía trên lớp vật lý PHY (Physical Layer)
do đó giao thức MAC có ảnh hƣởng lớn nhờ các tính chất của nó. Nhiệm vụ cơ bản của giao thức MAC là điều chỉnh việc truy nhập của các nút đến mạng mơi trƣờng có chia sẻ theo cách là phải thoả mãn đƣợc các yêu cầu về đặc tính trong từng ứng dụng cụ thể. Các thông số nhƣ độ trễ, công suất… thƣờng đƣợc coi trọng trong các mạng không dây truyền thống nhƣng
ngƣợc lại, trong mạng cảm biến khơng dâythì sự bảo tồn năng lƣợng lại đóng vai trị quan
trọng.
3.4.1 Các u cầu chocác giao thức MAC không dây
Thông thƣờng, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất của các giao thức MAC là hiệu suất
thơng lƣợng, độ ổn định, tính cơng bằng, trễ truy nhập thấp (khoảng thời gian từ khi gói tin
đến và lần đầu thử truyền nó), trễ truyền dẫn thấp (khoảng thời gian từ khi gói tin đến và
truyền thành cơng nó) và chi phí mào đầuthấp. Chi phí mào đầu trong các giao thức MAC có
thể đƣợc tính từ chi phí mào đầu cho mỗi gói tin(MAC headers và trailers), các xung đột,
hoặc đƣợc tính từsự trao đổi các gói điều khiển bên ngồi. Xung đột có thể xảy ra nếu giao
thức MAC cho phép hai hay nhiều nút gửi gói tin ở cùng một thời điểm. Xung đột có thể
khiến cho máy thu khơng có khả năng giải mã gói tin một cách đúng đắn, làm cho các lớp trên
phảitruyền lại. Với các ứng dụng đòi hỏi chặt chẽ về thời gian thì điều quan trọng là đảm bảo
tính tiền định hoặc ngẫu nhiên về thời gian phân phối hay tốc độ dữ liệu tối thiểu sẵn có. Đơi
khi cần thiết phải đối xử ƣu tiên với các gói tin quan trọng hơn các gói tin khơng quan trọng
nên ở đây có khái niệm về tính ưu tiên.
Hoạt động và đặc tính của các giao thức MAC chịu ảnh hƣởng lớn bởi các tính chất của lớp vật lý bên dƣới. Do WSN sử dụng mơi trƣờng vơ tuyến nên nó kế thừa tất cả các vấn đề đã biết của truyền sóng vơ tuyến. Một trong những vấn đề đó là biến đổi theo thời gian và đôi khi, tỉ lệlỗi thực sự cao. Đó là do các hiện tƣợng vật lý nhƣ fading chậm và nhanh, suy hao đƣờng truyền, suy giảm hay tạp âm nhiệt. Phụ thuộc vào sơ đồ điều chế, tần số, khoảng cách
giữa bộ phát và bộ thu, mơi trƣờng truyền sóng mà có thể dễ dàng quan sát đƣợc tỉ lệlỗi bit
106
Công suất thu Prcvd giảm theo khoảng cách giữa nút phát và thu. Suy hao đƣờng truyền
này kết hợp với việc bộ thu phát cần cƣờng độ tín hiệu nhỏ nhất để giải điều chế các tín hiệu
thành cơng sẽ quy định phạm vi lớn nhất mà một nút cảm biến có thể đạt tới với một cơng
suất phát cho trƣớc. Nếu hai nút nằm ngồi phạm vinày thì chúng khơng thể nghe thấy nhau.
Đây chính là nguồn gốc của các vấn đề về đầu cuối ẩn/ đầu cuối hiện đã biết. Vấn đề đầu
cuối ẩn (hidden-terminal problem) thƣờng xảy ra đối với lớp các giao thức đa truy cập cảm
nhận sóng mang (CSMA - Carrier Sense Multiple Access), ở đó nút cảm nhận mơi trƣờng trƣớc khi nó truyền dữ liệu. Nếu mơi trƣờng bận, nút sẽ hoãn việc truyền lại để tránh xung đột và sẽ truyền lại vào lúc khác.
Xem xét ví dụ trên hình 3.17. Ở đây ta có ba nút A, B và C đƣợc sắp xếp nhƣ sau: A và
B cùng dải, B và C cùng dải nhƣng A và C không thể nghe lẫn nhau. Giả sử A bắt đầu truyền
tin đến B và một lúc sau, C cũng quyết định truyền tin. Hoạt động cảm nhận sóng mang ở C
cho biết mơi trƣờng rỗi vì C khơng thể nghe các tín hiệu từ A. Khi C bắt đầu truyền tin thì ở B
xảy ra sự xung đột của hai gói tin và cả hai gói tin đều khơng sử dụng đƣợc. Bằng cách sử
dụng CSMA đơn giản ở đầu cuối ẩn sẽ tránh đƣợc các xung đột không mong muốn này.
Hình 3.17. Tình huống đầu cuối ẩn (các vịng trịn là phạm vitruyền dẫn và can nhiễu)
Trong tình huống đầu cuối hiện, B truyền tin cho A và một lúc sau, C muốn truyền tin
đến D. Về mặt lý thuyết, có thể cả A và D đềunhận các gói tin nguyên vẹn, nhƣng hoạt động
cảm nhận sóng mang đƣợc thực hiện bởi C sẽ ngăn cản C truyền gói tin tới D, do đó dải thơng
sẽ bị bỏ phí. Sử dụng CSMA đơn giản trong đầu cuối hiện sẽ tránh đƣợc việc đợi chờ không cần thiết.
Hai giải pháp cho các vấn đề của đầu cuối ẩn vàđầu cuối hiện là giải pháp âm báo bận
trong các giao thức MACA/ MACAW và bắt tay RTS/CTS đƣợc sử dụng trong chuẩn IEEE
802.11 WLAN.
Trong truyền thông hữu tuyến, CSMA đƣợc sử dụng cho bộ phátđể phát hiện xung đột
tức thời ở bộ thu và để hủy việc truyền tin. Đặc điểm này còn đƣợc gọi là phát hiện xung
đột (CD - Collision Detection) và nó đƣợc sử dụng trong giao thức CSMA/CD của Ethernet
để tăng hiệu suất truyền dẫn. Việc phát hiện xung đột thực hiện đƣợc làvì suy giảm trong mơi
trƣờng dây dẫn thấp, tạo nên các SNR tƣơng tự nhau ở bộ phát và bộ thu. Do đó, khi bộ phát
đọc lại tín hiệu kênh trong khi truyền dẫn và quan sát xung đột, nó có thể luận ra rằng cũng có
xung đột ở bộ thu. Điều quan trọng hơn, nếu khơng có xung đột ở bộ phát thì có thể kết luận rằng khơng có xung đột ở bộ thu khi truyền tin. Trong môi trƣờng vô tuyến, nhiễu ở bộ phát không cho biết nhiều thông tin về nhiễu ở bộ thu. Hơn nữa, các bộ thu phát vô tuyến đơn giản chỉ làm việc ở chế độ bán song cơng. Có nghĩa là tại một thời điểm nhất định, chỉ có mạch
107
phát hoặc mạch thu đƣợc kích hoạt. Vì vậy, các giao thức phát hiệnxung đột thƣờng không
đƣợc sử dụng đối với các phƣơng tiện vô tuyến.
Vấn đề quan trọng khác nảy sinh khi khơng có băng tần chuyên dụng cho WSN và WSN phải chia sẻ phổ của nó với các hệ thống khác. Do đƣợc hoạt động tự do nên nhiều hệ thống vô tuyến sử dụng băng ISM, nhƣ trong ví dụ là 2.4 GHz. Một số hệ thống sử dụng băng
chuyên dụng này, ví dụ nhƣ IEEE 802.11/IEEE 802.11b WLANs, Bluetooth, và IEEE
802.15.4 WPAN, vì vậy xuất hiện khái niệm cùng tồn tại của các hệ thống này.
3.4.2 Các ràng buộc về thiết kếgiao thức MAC
Phần này sẽ đƣa ra các yêu cầu đặc biệt và những mối quan tâm khi thiết kế các giao thức MAC cho WSN.
a. Cân bằng các yêu cầu
Đối với WSN, cân bằng các yêu cầu khó thực hiện hơn các mạng (không dây) truyền thống. Yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất là bảo tồn năng lƣợng. Sự quan trọng của hiệu quả năng lƣợng trong thiết kế các giao thức MAC là vấn đề tƣơng đối mới và một số các giao thức thông thƣờng nhƣ ALOHA và CSMA chƣa đề cập đến. Các đặc tính thơng thƣờng khác nhƣ tính cơng bằng, cơng suất hoặc trễ đóng vai trị thứ yếu trong các mạng cảm biến. Tính cơng bằng khơng quan trọng vì các nút trong WSN khơng có sự cạnh tranh về băng thơng nhƣng
chúng kết hợp với nhau đểcó đƣợc mục đích chung này. Đặc tính trễ truy cập/ truyền dẫn và
cơng suất thƣờng tỉ lệ nghịch với việc tiêu hao năng lƣợng.
Yêu cầu quan trọng khác đối với các giao thức MAC khả năng mở rộng và tính bền vững để chống lại những thay đổi về cấu hình mạng. Yêu cầu về khả năng mở rộng là hiển nhiên khi xem xét những mạng cảm biến có mật độ rất cao với hàng chục hoặc hàng trăm nút có quan hệ với nhau.
b. Vấn đề năng lượng trong lớp MAC
Nhƣ đã đề cập ở các chƣơng trƣớc, bộ thu phát của các nút tiêu thụ một lƣợng năng lƣợng đáng kể. Nó có thể có bốn trạng thái chính là truyền tin, nhận tin, nghỉ và ngủ. Hoạt động truyền tin tốn nhiều năng lƣợng, nhận tin cũng tốn năng lƣợng nhƣ truyền tin, trạng thái nghỉ có thể mất ít năng lƣợng hơn nhƣng cũng tƣơng đƣơng nhƣ việc nhận tin, trạng thái ngủ không mất năng lƣợng nhƣng tạo ra nút “điếc”. Áp dụng phần này vào hoạt động của giao
thức MAC ta có các vấn đề năng lƣợng và mục đích thiết kế nhƣ sau:
Xung đột: Xung đột là khơng cần thiết cho chi phí nhận tin tại nút đích, khơngcần thiết cho chi phí truyền tin tại nút nguồn và phải cung cấp thêm năng lƣợng cho việc truyền tin lại. Do đó, phải tránh xung đột hoặc bằng thiết kế (các giao thức phân chia cố định/ TDMA hoặc các giao thức phân chia theo yêu cầu) hoặc bằng cách tránh xung đột thích hợp/ đầu cuối ẩn nhƣ trong các giao thức CSMA. Tuy nhiên, nếu chắc chắn rằng ứng dụng mạng cảm biến ln có tải đủ nhỏ thì xung đột khơng là vấn đề đƣợc quan tâm.
Nghe lén: Các khung truyền thơng đơn hƣớng có một nguồn và một nút đích. Tuy
nhiên, mơi trƣờng vơ tuyến là mơi trƣờng quảng bá nên tất cả các nguồn có trạng thái nhận ở
cạnh nhau đều có thể nghe tin dù không muốn. Những nút này đƣợc gọi là nghe lén tin. Các
108
năng lƣợng. Mặt khác, nghe lén đơi khi lại là mong muốn, ví dụ nhƣ khi lựa chọn thơng tin lân cận nhau hoặc đánh giá lƣu lƣợng tải hiện tại cho mục đích quản lý.
Tầng trên giao thức: Tầng trên giao thức tạo bởi các khung điều khiển liên quan đến MAC là các gói tin RTS (Request To Send) và CTS (Clear To Send) hoặc các gói yêu cầu trong các giao thức phân chia theo yêu cầu.
Nghe rỗi: Nút ở trạng thái rỗi sẵn sàng nhận tin nhƣng nó vẫn chƣa nhận đƣợc gì. Sự
sẵn sàng này gây tốn kém và không cần thiết trong trƣờng hợp mạng có tải thấp. Đối với nhiều modem vô tuyến, trạng thái rỗi vẫn tiêu tốn năng lƣợng đáng kể. Tắt bộ thu phát là một giải pháp, tuy nhiên, do thay đổi chế độ hoạt động cũng tiêu tốn nhiều năng lƣợng nên tần
suất phải giữ ở mức hợp lý.Các giao thức dựa trên TDMA đƣa ra giải pháp ẩn cho vấn đề này
do nút đƣợc ấn định vào khe thời gian và nó chỉ thay đổi trạng thái hoạt động (phát/ thu) nếu các khe thời gian này tắt bộ thu phát một cách an toàn trong tất cả các khe thời gian khác.
Hầu hết các giao thức MAC sử dụng cho WSN đều sử dụng ít nhất một trong các vấn đề này để giảm năng lƣợng tiêu thụ.
Một thiết kế quan tâm đến mức tiêu thụ năng lƣợng thƣờng yêu cầu hoạt động ít phức
tạp (low complexity operation). Các nút cảm biến thƣờng đơn giản, rẻ tiền, khơng có khả năng lớn về xử lý, bộ nhớ và năng lƣợng. Vì vậy, các hoạt động tính tốn phức tạp thƣờng tránh sử dụng. Mong muốn ở đây là dùng phần cứng cho nút có giá rẻ, bao gồm các thiết bị nhƣ bộ tạo dao động và clock. Một chú ý khi thiết kế các giao thức MAC đó là yêu cầu chặt chẽ về đồng bộ theo thời gian (cũng nhƣ yêu cầu đối với TDMA là các khe thời gian nhỏ) sẽ kéo theo yêu cầu phải thƣờng xuyên đồng bộ lại các nút lân cận, mà điều này có thể tiêu thụ năng lƣợng đáng kể.
3.4.3 Các tùy chọn chính cho giao thức MAC
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
khơng 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 tốn 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 mơ 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
mơ tả về tài ngun 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 thơng tin u 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 nútkhơng cần phải gửi