Phần II: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO WSN
Chương 5: Đa kênh và truyền thông thời gian thực
5.2 Giao thức đa kênh cây cơ sở
Hiện nay có nhiều đề xuất về giao thức đa kênh lớp MAC, các giao thức này yêu cầu hoặc là phải có nhiều radio thu phát ở mỗi nút hoặc là cần nhiều loại thông điệp điều khiển cho việc điều phối kênh. Tuy nhiên chúng không phù hợp với mạng
các ứng dụng trong WSN. Đầu tiên mỗi thiết bị cảm biến thường được trang bị với một radio thu phát, nó không thể thực hiện các chức năng trên nhiều tần số cùng một lúc.
Thứ hai là dải thông trong mạng WSN là rất bị giới hạn và kích thước của gói dữ liệu là nhỏ, vì thế gói tin thương lượng kênh không thể được bỏ qua như là chi phí nhỏ.
Hiện nay MMSN, TMMAC và MCMAC là 3 giao thức MAC đa kênh được thiết kế đặc biệt cho mạng WSN. Tất cả đều cố gắng chỉ định các kênh khác nhau cho các nút trong trong hai nút lân cận để tránh nhiễu. Chúng ta gọi đó là các nút cơ sở trong giao thức đa kênh. Mô phỏng cho kết quả là chúng cải thiện được hiệu năng của mạng WSN so với các giao thức đơn kênh. Tuy nhiên, với sơ đồ phân kênh nút cơ sở, một nút thông thường có một kênh cho downstream và upstream. Trong luồng multi- hop, các nút phải chuyển kênh để nhận và chuyển tiếp dữ liệu nó có thể gây ra việc thường xuyên phải chuyển kênh và các nguy cơ mất dữ liệu Để tránh việc mất gói tin, giao thức nút cơ sở sử dụng vài điều chỉnh hoặc lên lịch để điều phối chương trình chuyển đổi kênh và truyền dữ liệu giữa các nút với các kênh khác nhau. Cả ba giao thức kể trên đều sử dụng các khe thời gian để phối hợp truyền tin đi. Chúng bao gồm:
1) Một số lượng lớn các kênh trực giao (orthogonal chanels) cần thiết để chỉ định trong mạng dày đặc.
2) Chúng yêu cầu chính xác thời gian đồng bộ hóa tại các nút
3) Độ trễ chuyển đổi kênh và lập lịch không thể bỏ qua vì các kênh được chuyển đổi thường xuyên và đặc biệt là thông lượng dữ liệu cao.
4) Các giao thức này thường rất phức tạp chúng yêu cầu nhiều tài nguyên ở các nút
Mọi giao thức đa kênh cho mạng WSN có hai thành phần chính: phân kênh (channel assignment) và phối hợp truyền tải (transmission coordination). Như đã nói ở trên đa kênh thực sự ảnh hưởng tới giao thức nút cơ sở trong cả hai thành phần. Chúng ta cũng thấy rằng các mạng cảm biến có một mô hình chi phối thông lượng, thông lượng dữ liệu thu thập (data collection), ở đó có nhiều luồng thông tin tạo ra ở các nút
cảm biến cùng đổ về trạm cơ sở (base station). Hiện nay phần lớn dữ liệu thu thập xây - dựng theo cấu trúc cây kết nối với trạm cơ sở và các nút sau đó chuyển tiếp các gói tin theo các cây. Tuy nhiên với một kênh đơn, xung đột khi truyền dữ liệu trong cây và tắc nghẽn luồng ở các nút làm giảm đang kể hiệu năng của mạng. Dựa trên những quan sát trên chúng ta đề xuất một giao thức đa kênh cây cơ sở cho tập dữ liệu ứng dụng trong mạng WSN. Ý tưởng của việc sử dụng đa kênh là trước tiên phân chia toàn bộ mạng thành các cây con có đỉnh rời rạc tất cả có nút là các trạm cơ sở và phân chia các kênh khác nhau cho mỗi kênh con, và sau đó chuyển tiếp mỗi luồng chỉ theo các cây con tương ứng như trong hình 6.3.
Tần số 1 Tần số 2 Tần số 3
Hình 5.3: Giao thức đa kênh cây cơ sở Tính ưu việt của TMCP ở chỗ:
- TMCP có thể làm việc không cần đồng bộ thời gian.
- Về mặt hiệu năng, vì nó chuyển nhượng các kênh khác nhau trong các cây con, nó có thể tăng thông lượng của mạng và làm giảm sự mất mát các gói tin bằng cách loại trừ các nhiễu trong cây và khai thác các luồng song song giữa các cây con.
TMCP có 3 thành phần:
- Nhận dạng kênh (Channel Detection CD)–
- Chuyển nhượng kênh (Channel Assignment – CA)
- Truyền thông dữ liệu (Data Communication DC).–
CD module đã có sẵn trong các kênh trực giao nó được sử dụng trong môi trường hiện tại. Để làm điều đó, 2 nút được sử dụng để lấy mẫu chất lượng liên kết của mỗi kênh bằng cách truyền các gói tin với nhau sau đó giữa tất cả các link có chất lượng tốt không phải là kênh kề được lựa chọn. Từ đây chúng ta có k kênh. Nhận được k kênh trực giao, CA module phân chia toàn bộ mạng thành k cây con và chuyển nhượng mỗi kênh riêng cho từng cây. Đây là phần quan trọng của TMCP.
Mục đích của việc phân chia là làm giảm các nguy cơ gây nhiễu nhiều nhất có thể. Chúng ta có thể thấy rằng sau khi phân chia, các nhiễu trong mạng ban đầu được chia thành 2 bộ phận, một là nhiễu dọc theo các cây khác nhau được gọi là intertree (nhiễu giữa các cây), nhiễu này bị loại trừ bới việc chuyển giao các kênh trực giao khác nhau cho mỗi cây con, và bộ phận còn lại là nhiễu giữa các nút trong một cây được gọi là intra-tree interference. Bởi vì chúng ta chuyển giao cùng một kênh cho tất cả các nút trong cùng một cây, nhiễu trong cây không thể tránh được và nó trở thành nút thắt cổ chai với hiệu năng của mạng. Vì thể mục đích của việc phân chia mạng là chia thành các cây con, trong mỗi cây có nhiễu intra tree thấp. -
Sau khi chuyển giao các kênh, DC quản lí dữ liệu thu thập được từ mỗi cây. Khi một nút muốn gửi thông tin tới trạm cơ sở, nó chỉ upload các gói tin theo cây con mà nó thuộc về. Ở đây chúng ta giả sử rằng trạm cơ sở được trang bị với nhiều radio nhận mỗi radio làm việc trên một kênh khác nhau. Chúng ta có thể thấy rằng DC là rất đơn giản và không cần đồng bộ thời gian, các trạm cơ sở cũng có thể làm việc với cấu trúc mạng này để thực hiện dữ liệu phổ biến. Khi trạm cơ sở muốn gửi lệnh hoặc cập nhật mã nó có thẻ gửi các gói tin qua tất cả các bộ thu pháts và sau đó các gói tin sẽ đi theo từng cây con để tới tất cả các nút trong mạng.