Chuẩn IEEE 802.15.4 MAC thiết kế cho các vùng mạng không dây cá nhân tốc độ thấp (LR-WPAN), bao gồm các ứng dụng cảm nhận được gắn vào. Hầu hết các đặc điểm của nó dành cho kích hoạt mode báo hiệu trong topo hình sao.
Ở mode kích hoạt báo hiệu ở mạng hình sao, IEEE 802.15.4 MAC sử dụng cấu trúc siêu khung trong hình 2.2. Một siêu khung được xác định bởi tín hiệu báo hiệu chu kỳ được gửi bởi bộ phối hợp PAN. Trong khoảng thời gian siêu khung có một pha tích cực cho giao dịch giữa các nút, phối hợp PAN và pha không tích cực nó có thể điều chỉnh phụ thuộc vào chu kỳ năng lương mong muốn. Thời điểm tích cực có 16 khe bao gồm 3 phần : phần báo hiệu, thời điểm thâm nhập tranh chấp(CAP) và thời điểm xung đột tự do(CFP) điều này cho phép cấp phát các khe đảm bảo thời gian (GTS). Sự xuất hiện miền đụng độ tự do cho phép dành riêng cho lập lịch thâm nhập. Các nút giao dịch chỉ trên các khe đảm bảo thời gian, các nút còn lại có thể ngủ và chỉ cần tỉnh dậy trước khi chúng được gán vào các khe GTS. Giao dịch trong thời điểm CAP là thuật toán CSMA-CA đơn giản nó cho phép một thời điểm nhỏ giảm tiêu thụ năng lượng lắng nghe kênh rỗi. Đánh giá giao thức này là sự thay đổi của nó và các thông số có thể được thiết lập.
Trên lý thuyết chuẩn IEEE 802 có thể sử dụng cho các topo khác, mode kích hoạt báo hiệu không xác định được chúng.
Hình 2.2 Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 MAC 2.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC
Hiệu quả năng lượng đạt được trong các giao thức MAC bởi việc tắt máy thu sang chế độ ngủ khi có thể để tiết kiệm tiêu thụ năng lượng.
2.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11
Có nhiều cách lựa chọn về quản lý năng lượng trong kiến trúc 802.11. Các nút thông báo cho các Access point biết khi nào chúng muốn đi vào trạng thái ngủ để mà bất kỳ bản tin nào muốn gửi tới chúng sẽ được đưa vào bộ đệm AP. Các nút sẽ thức dậy một cách định kỳ để kiểm tra bản tin bộ đệm. Vì vậy năng lượng sẽ được tiết kiệm tối đa.
2.3.2 Thâm nhập môi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS)
PAMAS là một phần mở rộng của kỹ thuật MACA, nơi tín hiệu RTS/CTS thực hiện trên một kênh vô tuyến riêng biệt từ việc trao đổi dữ liệu. Nó là một trong những giao thức MAC cảm nhận năng lượng đầu tiên đưa ra cho các mạng không dây đa hop. Trong PAMAS, các nút sẽ tắt máy thu sóng (đi vào trạng thái ngủ) bất kỳ khi nào chúng không nhận hoặc gửi thành công. Đặc biệt khi chúng đi vào trạng thái ngủ chúng vẫn nghe được một lan truyền lân cận tới nút khác, hoặc chúng xác định qua kênh tín hiệu điều khiển RTS/CTS, tín hiệu mà nút lân cận nhận được. Khoảng thời gian ngủ sẽ được đặt vào độ dài của phiên truyền đang diễn ra được hiện thị bởi tín hiệu điều khiển nhận được của kênh thứ cấp. Nếu một phiên truyền được bắt đầu trong khi một nút trong trạng thái ngủ, trước khi bị đánh thức, nút gửi các tín hiệu thăm dò tới để xác định khoảng thời gian truyền và bao lâu nó có thể quay lại trạng thái ngủ. Trong PAMAS, một nút chỉ có thể đặt vào trạng thái ngủ khi nó bị cấm nhận hoặc truyền theo bất kỳ đường nào, để cho chất lượng trễ /thông lượng của mạng không lỗi. Tuy nhiên có một vấn đề quan tâm là tổn hao năng lượng trong chế độ thu nhàn rỗi (tức là điều kiện để một nút không có gói nào gửi và không có tín hiệu nào trên kênh truyền).
2.3.3 Mức tối thiểu hoá chi phí năng lượng thu nhàn rỗi.
Trong khi PAMAS cung cấp các cách để tiết kiệm năng lượng , năng lượng có thể tiết kiệm hơn nữa bởi việc giảm chế độ rảnh nhận. Yếu tố chính của vấn đề này là cho phép bộ nhận ngủ trong phần lớn thời gian, trong khi vẫn đảm bảo một nút được đánh thức và nhận khi một gói truyền đến nó. Dựa trên nền tảng cơ sở của các phương pháp giải quyết vấn đề này, có 2 loại cạnh tranh cơ bản cho các giao thức MAC mạng cảm nhận.
Phương pháp tiếp cận đầu tiên là việc không đồng bộ hoàn toàn và trả lời sử dụng một bộ nhận hoặc kỹ thuật lắng nghe công suất thấp có chu kỳ để đảm bảo rằng bộ nhận được đánh thức mỗi khi có tin truyền tới. Phương pháp tiếp cận thứ hai, với nhiều biến thể khác nhau, sử dụng chu trình lập lịch ngủ chu kỳ cho các nút. Hầu hết các bộ lập lịch kết hợp với một phương thức, đó là các bộ truyền nhận biết về thời gian khi các bộ nhận của chúng được đánh thức.
2.4 Kỹ thuật ngủ không đồng bộ
Trong các kỹ thuật này , các nút thường giữ tỉ lệ chế độ ngủ mặc định, về chỉ thức dậy trong một thời gian ngắn để kiểm tra các lưu lượng và gửi nhận bản tin.
2.4.1. Đánh thức máy thu thứ cấp.
Các nút cần kích hoạt chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng khi chúng không có giao dịch và được đánh thức khi cần có các liên lạc cần thiết. Giải pháp đầu tiên là một phần cứng trang bị cho mỗi nút cảm nhận với 2 máy thu. Trong mỗi phần cứng thiết kế, máy thu sơ cấp là máy thu dữ liệu chính, phần còn lại đặt ở chế độ ngủ mặc định. Máy thu thứ cấp là máy thu thức dậy công suất thấp được giữ nguyên hầu hết thời gian. Nếu máy thu thức giấc của một nút, nhận được tín hiệu thức giấc của nút khác, nó sẽ trả lời bằng việc thức dậy máy thu chính và bắt đầu nhận. Điều này đảm bảo rằng máy thu sơ cấp chỉ được kích hoạt khi nút có dữ liệu gửi và nhận.Giả định cơ bản để thúc đẩy cho vấn đề này là thiết kế của nó, khi tín hiệu thức giấc không cần phải xử lý tín hiệu phức tạp, nó có thể được thiết kế tiêu thụ công suất thấp. Tuy nhiên một vấn đề được đặt ra là tất cả các nút trong miền quảng bá tín hiệu của các nút truyền có thể bị đánh thức.
2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp.
El Hoiydi và Hill và Culler phát triển độc lập cơ cấu giống nhau việc đánh thức các máy thu ngủ. Trong kỹ thuật này, đề cập đến mẫu mở đầu hoặc lắng nghe công suất thấp, bộ nhận thức giấc có chu kỳ để cảm nhận kênh truyền. Nếu không có tín hiệu truyền nó sẽ tiếp tục ngủ. Nếu một nút muốn truyền, nó gửi một tín hiệu ưu tiên đầu tiên để truyền gói. Trước khi phát hiện ra tín hiệu đầu, nút nhận sẽ thay đổi tới chế độ nhận tích cực đầy đủ. Kỹ thuật được minh hoạ ở hình 2.3.
Tín hiệu thức giấc có thể được gửi với giao diện gói mức cao; tuy nhiên một phương thức tiếp cận hiệu quả cao hơn là việc thực thi điều này trực tiếp trên lớp vật lý – vì vậy tín hiệu thức giấc có thể không dài hơn xung RF. Nút dò sau đó chỉ kiểm tra
năng lượng máy thu trên kênh để xác định khi nào tín hiệu hiện hữu. Hill và Culler đã tranh luận điều này có thể giảm bộ nhận kiểm tra chu trình hoạt động thấp bằng 0.00125%, cho phép thời gian sống tăng gấp 2000 lần so với một việc đánh thức gói cùng mức(từ 1 tuần lên 38 năm). Chúng ta chú ý là biếu đồ này có khả năng đánh thức các bộ nhận có thể trong một miền lân cận của bộ truyền đưa ra, tuy nhiên các cơ chế này như là một thông tin trong tiêu đề có thể sử dụng đặt chúng quay trở lại trạng thái ngủ nếu không có giao dịch nào cho chúng.
Hình 2.3 Kỹ thuật lắng nghe công suất thấp của mẫu mào đầu. 2.4.3 WiseMAC
Mẫu mở đầu lắng nghe công suất thấp có một khả năng thiếu sót : mẫu mở đầu mà dài làm làm cho giảm thông lượng và tiêu thụ năng lượng cả bộ nhận và bộ gửi. Giao thức WiseMAC được thiết lập trước tín hiệu mào đầu để sửa nhược điểm này. Việc sử dụng thêm các gói ACK.
Mỗi nút sẽ học nhiều lần mẫu chu kỳ của các nút hàng xóm, và sử dụng các thông tin này để gửi mẫu đánh thức ngắn tới kịp thời gian. Khoảng thời gian của mẫu được xác định bởi độ lệch của xung đồng hồ kể từ mẫu đồng bộ cuối cùng.
Giả sử Tw là thời điểm mẫu nhận, độ lệch xung đồng hồ, và L là khoảng thời gian
giữa các giao tiếp, vì vậy khoảng thời gian của mẫu cần chỉ khi :
Các gói trong WiseMAC chứa hơn một bit (điều này đã nói trong chuẩn IEEE 802.11 giao thức tiết kiệm năng lượng) bộ truyền sử dụng để phát tín hiệu tới bộ nhận nếu nó cần bộ nhận nhận tin.
2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER)
Giống như mẫu lắng nghe/mào đầu tiết kiệm năng lượng là kỹ thuật TICER/RICER. Trong đó bộ truyền khởi động chu trình nhận (TICER) hình 6.4(a), như là trong lắng nghe công suất thấp, các nút nhận sẽ thức giấc có chu kỳ và quan sát kênh cho các tín hiệu từ bộ phát đến (điều này là yêu cầu đánh thức để gửi tín hiệu RTS). Bộ
Preamble Send data message
Preamble sampling Active to receive message Sender Receive R S
gửi sẽ gửi chuỗi tín hiệu RTS trong một thời gian ngắn khi nó quét kênh truyền. Khi bộ nhận phát hiện ra một tín hiệu RTS, nó sẽ trả lời lại với một tín hiệu CTS. Nếu bộ nhận phát hiện một tín hiệu CTS tương ứng với RTS của nó, nó sẽ bắt đầu truyền các gói. Do vậy vấn đề khác nhau cơ bản của mẫu mào đầu là trong TICER bộ gửi sẽ gửi một chuỗi tín hiệu ngắn quãng thay vì một mẫu đơn lẻ dài, và đợi một tín hiệu rõ ràng từ bộ nhận trước khi truyền dữ liệu.
Hình 2.4(a) Ngủ không đồng bộ sử dụng TICER
Hình 2.4(b) Ngủ không đồng bộ sử dụng RICER
Trong kỹ thuật bộ khởi động nhận chu trình (RICER), tranh chấp trong hình 2.4(b), một nút nhận thức dậy có chu kỳ để thực hiện một quan sát 3 pha gửi tín hiệu đánh thức quan sát tuần tự. Một nguồn muốn đánh thức truyền và ở trạng thái quán sát. Khi nó nghe nghe tín hiệu thức giấc từ bộ nhận, nó bắt đầu truyền dữ liệu. Bộ nhận trong trạng thái quan sát sẽ xem xét phần bắt đầu của gói dữ liệu còn lại cho đến khi gói được nhận hoàn thành.
Tuy nhiên, một vấn đề chi tiết gắn với kỹ thuật TICER/RICER là trong khi tín hiệu đánh thức phức tạp RTS/CTS rất dễ bổ sung ở mức gói cao hơn, nó có thể thêm khó khăn để thực hiện tín hiệu tương tự RF công suất thấp. Điều này buộc tín hiệu truyền tới bộ nhận đúng, bộ nhận cần tự nó xác định duy nhất tới bộ truyền.
Sender Receive R S RTS RTS RTS CTS Data Sleep Sleep Sleep Sender Receive R S
Beacon Beacon Beacon Data Sleep
2.4.5 Giao thức MAC tái cấu hình
Một bổ sung của lớp giao thức MAC công suất thấp khả năng tái cấu hình cao và giao thức B-MAC. Nó cung cấp một giới hạn thiết lập chức năng lõi và một giao diện cho phép các thành phần lõi được chỉnh và cấu hình phụ thuộc vào lớp cao hơn. Lõi của B-MAC bao gồm các đặc điểm sau có thể bật tắt và sử dụng trong bất kỳ kết hợp nào thoả mãn :
Lắng nghe công suất thấp, thực thi kỹ thuật đánh thức mào đầu cơ bản
thoả mãn các điều trên, nó cho phép các nút ngủ ở chế độ mặc định, giúp cho bảo tồn năng lượng . Sự khác nhau giữa khoảng thời gian mẫu kênh và khoảng thời gian khởi đầu có thể được chọn bởi lớp cao hơn.
Đánh giá kênh sạch (CCA), xác định liệu kênh có bận hay không bởi
việc kiểm tra mẫu gần kề và sử dụng kỹ thuật dò tiếp cận ngoài. Nếu tính năng CCA bị tắt, một giao thức lập lịch có thể được bổ sung trên B- MAC. Nếu nó được kích hoạt, khoảng thời gian sau đó (trong trường hợp kênh bận) có thể được chọn bởi các lớp cao hơn. CCA sử dụng cho lắng nghe công suất thấp.
Tín hiệu (ACK: Nếu ACK được kích hoạt, một đáp ứng sẽ được gửi bổ
sung sau khi nhận gói unicast.
Các thành phần B-MAC ROM RAM
Basic B-MAC 3046 166
Basic B-MAC LPL 4092 170
Basic B-MAC LPL ACK 4386 172
Basic B-MAC LPL ACK RTS/CTS 4616 277
Hình 2.5 Các thành phần của B-MAC và các thiết bị bộ nhớ của chúng.
Các tín hiệu đặt trước kênh RTS/CTS có thể được bổ sung trên B-MAC sử dụng giao diện điều khiển của nó, nhưng nó không là một phần lõi của B-MAC
Việc đơn giản hoá, hiệu quả và khả năng cấu hình của B-MAC (hình 2.5) có nghĩa là nó giống như việc sử dụng nhiều tiện ích. Một thoả mãn của B-MAC là thiết kế trong một modun trình diễn và cung cấp chức năng lõi. Điều này dễ dàng bổ sung giao thức MAC phức tạp hơn trên B-MAC, bao gồm nhiều chu trình ngủ cơ bản và các giao thức lập lịch tự do tranh chấp.
2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ
2.5.1 Sensor MAC (S-MAC)
Giao thức S-MAC là giao thức MAC không dây thiết kế cho WSN. Như trình bày ở hình 2.6 , nó sử dụng chu trình tuần hoàn mỗi nút ngủ và thức sau một khoảng thời gian, Các chu trình hoạt động của bộ lập lịch ngủ lắng nghe giả sử giống nhau ở tất cả các nút, đảm bảo giảm tiêu tốn năng lượng. Trong khi khởi động, các nút còn lại sẽ thức và đợi một thời điểm ngẫu nhiên để lắng nghe cho các bản tin cung cấp lịch lắng nghe ngủ của một trong những hàng xóm của chúng. Nếu chúng không nhận được bản tin nào, nó sẽ trở thành các nút đồng bộ, lựa chọn bộ lập lịch của chúng và quảng bá chúng tới các hàng xóm của chúng. Các nút nghe các lịch của hàng xóm và chấp nhận các lịch đó gọi là nút chuyển tiếp. Một số nút biên hoặc chấp nhận
On Off On Off
……..
On Off On Off
On Off On Off
Hình 2.6 Chu trình hoạt động ngủ thức trong S-MAC
nhiều lịch hoặc chấp nhận lịch của một hàng xóm ( để mà phân phát các bản tin thành công, các nút biên cần biết lịch của tất cả hàng xóm ). Các nút truyền có chu kỳ các lịch này để thông báo cho các nút mới tham gia vào mạng. Mặc dù các nút phải trao đổi gói định kỳ với hàng xóm để đồng bộ, điều này không phải mối lo lắng chính do thời điểm lắng nghe có đặc thù rất rộng so với độ lệch của xung đồng hồ. Các lịch ngủ không được chuyển tiếp trong khi truyền dữ liệu. Một mở rộng của biểu đồ S- MAC cơ bản gọi là nghe thích ứng cho phép các thời điểm tích cực được biến đổi chiều dài, để làm giảm độ ngủ trễ của một số mở rộng.
Ngoài ra từ một lịch ngủ, S-MAC giống như cạnh tranh thâm nhập môi trường trong IEEE 802.11, ở đó nó sử dụng gói RTS/CTS. Cả bộ cảm nhận sóng mang vật lý và bộ cảm nhận sóng mang ảo đều dựa vào NAV được sử dụng. S-MAC thực hiện lắng nghe xa, nhờ đó giao diện các nút được gửi để ngủ với điều kiện là NAV khác không (NAV trong 802.11, được đặt trước việc nhận của các gói RTS/CTS tương ứng với phiên truyền). Vì thế S-MAC cung cấp viêc phân mảnh từng phần của các gói dữ liệu lớn thành các gói nhỏ, với tất cả các gói nhỏ đó chỉ có trao đổi RTS/CTS được sử dụng.
Chú ý rằng tiết kiệm năng lượng trong S-MAC là mở rộng tiềm năng ý nghĩa của ngủ trễ : một gói đi qua mạng sẽ cần dừng lại (một vài hope, phụ thuộc vào việc cài đặt) trong khi thởi ngủ của các nút trung gian.
2.5.2 Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC)
Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC) là một giao thức chu trình hoạt động giống