Chương 3: Điều khiển truy nhập môi trường
3.2 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến
3.2.2 Các giao thức MAC theo lịch trình
3.2.2.3 Các giao thức MAC dựa trên sự phân cụm
• Đầu tiên chia sẻ thông tin cục bộ cung cấp sự cân bằng giữa phân tán trạng thái toàn cục, nó sẽ tiêu thụ rất nhiều năng lượng cho bản chất động của các mạng
cảm biến, và thuật toán tham lam mà tối ưu các nút cảm biến hoạt động độc lập với các nút khác. Phân cụm cũng cho phép các giao thức mở rộng dễ dàng hơn vì giao thức có thể xem một cluster như là một thực thể đơn.
• Thứ hai phân cụm có thể phân biệt lưu lượng cục bộ từ lưu lượng toàn cục để bảo tồn năng lượng. Tập hợp dữ liệu và tác vụ nút cảm biến yêu cầu lưu lượng cục bộ trong khi chuyển tiếp thông điệp yêu cầu lưu lượng qua đường ranh giới cụm.
• Cuối cùng phân cụm có thể cho phép các nút cảm biến thực hiện vài chức năng như là đồng bộ hóa, trên phạm vi cục bộ mà sẽ tiêu thụ quá nhiều năng lượng trên phạm vi toàn cục.
Tuy nhiên các lợi ích trên đến từ việc phối hợp các chi phí thông điệp. Các cluster head, là các nút mà quản lí các cluster, phải phối hợp các nút cảm biến để đảm bảo cluster giảm năng lượng tiêu thụ ở mức trung bình. Các giao thức thường xoay vòng chức năng cluster head trong các nút cảm biến để phân phối đồng đều bổ sung năng năng lượng tiêu thụ gây ra bởi hoạt động quản lí. Nút năng động hơn phức tạp giao thức phân nhóm vì thông tin cluster và các thuật toán phân chia cluster head phải thích nghi với việc triển khai lại hoặc là nút cảm biến chết. Thiết kế giao thức phân cụm phải tính đến sự cân bằng giữa thường xuyên sửa đổi cụm thế nào, quy mô của việc sửa đổi và năng lượng tiết kiệm có thể từ việc sửa đổi cụm. Các giao thức theo sau phân cụm các nút để tận dụng sự bảo tồn năng lượng.
Các giao thức phân cụm tiêu biểu là:
LEACH
Giao thức phân cụm phân cấp thích nghi năng lượng thấp (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy - LEACH). Để bảo tồn năng lượng LEACH nhóm các nút cảm biến vào trong các cụm ở đó một nút đặc biệt gọi là cluster head phối hợp các cluster và chuyển tiếp dữ liệu được sinh ra trong cluster. Để cân bằng năng lượng tiêu
thụ trong mạng, vai trò của cluster head được xoay vòng giữa các nút trong một cụm khi cluster head hiện tại tiêu thụ năng lượng thấp hơn các nút khác.
GANGS
Giao thức GANGS cũng nhóm các nút cảm biến thành các cluster nhưng không giống như giao thức LEACH, GANGS sử dụng một một giao thức đấu tranh không rõ ràng cho việc truyền thông trong nội cụm và TDMA cho truyền tải giữa các cluster head. Hình 3.10 (b) minh họa cơ chế truyền thông trong GANGS. GANGS không giả sử các nút có thể truyền thông với trạm cơ sở, vì thế các cluster head phải tạo ra một xương sống (routing backbone) định tuyến trong mạng cảm biến sử dụng một giao thức định tuyến riêng biệt. GANGS tạo ra các cluster trong hai pha:
• Bầu ra cluster head
• Kết nối các cluster với nhau
(a) Truyền thông trong LEACH (b) Truyền thông trong GANGS
Cluster Head Nút cảm biến
Cluster Head Nút cảm biến Truyền thông Intra-Cluster
(One Spreading Sequence per Cluster) Truyền thông Inter-Cluster (One Spreading Sequence)
Truyền thông Intra-Cluster (Truy nhập ngẫu nhiên) Truyền thông Inter-Cluster (Truy nhập TDMA)
Hình 3.7: So sánh truyền thông giữa LEACH và GANGS Group TDMA
Giao thức phân cụm thứ ba Group TDMA cố gắng hạn chế xung đột và cung cấp sử dụng kênh cao nhất bằng cách chia các nút vào trong các nhóm mà có thể truyền thông đồng thời. Nó làm việc này bằng cách tổ chức các cụm của các nút cảm biến dựa
trên thông tin topology xung quanh các nút đích và phân chia các khe TDMA vào các nhóm khác nhau của các nút vì thế xung đột giữa các nhóm không xảy ra.
Nút nhóm 1 Nút nhóm 2 Nút nhóm 3 Nút nhận
Hình 3.8: Group TDMA Receiver Based Grouping- S-MAC
Giao thức Sensor MAC (S MAC), có lẽ hầu hết được nghiên cứu giao thức - MAC theo lịch trình cho các mạng cảm biến và mở rộng nó trong các công việc về sau.
Tương tự các giao thức trước đây, S MAC phân cụm các - nút cảm biến nhưng làm điều đó bằng cách đồng bộ hóa các lịch trình ngủ của các nút lân cận. Vì thế S MAC tạo ra - các cluster ảo, không phải các cluster chặt chẽ. S-MAC cung cấp một số ưu điểm để sử dụng trong mạng cảm biến.
• Đầu tiên đồng bộ hóa lỏng lẻo các nút tối thiểu hóa vấn đề phối hợp các nút cho truyền thông và có thể cung cấp đồng bộ hóa đầy đủ và chức năng phân cụm cho các giao thức khác. Chia sẻ chức năng sinh ra mốc báo cũng phân tán năng lượng tiêu thụ đồng đều trên toàn mạng.
• Thứ hai, giao thức đòi hỏi rất ít các tài nguyên xử lí vượt ra ngoài các giao thức MAC cơ bản nhất. Duy trì lịch trình và đồng bộ hóa có thể xảy nhanh chóng với mõi khoảng thời gian báo hiệu. S MAC cũng đòi hỏi các cài tài nguyên vừa phải - như là bộ nhớ cho độ lệch lịch trình và các timer cho thức giấc.
• Cuối cùng, S-MAC quy mô đơn giản vì các nút không yêu càu bất cứ sự phối hợp trên quy mô rộng nào. S-MAC chỉ phố hợp các lân cận sử dụng các thông
điệp báo hiệu, vì thế các nút không phải chuyển tiếp hoặc là chia sẻ một lượng lớn thông tin trạng thái.
Tuy nhiên S-MAC có một số nhược điểm, vài điểm được các nhà nghiên cứu cố gắng giải quyết trong các giao thức tiếp sau đây:
• Đầu tiên các nút có thể áp dụng vài lịch trình với hiệu quả gấp bội chu kì làm việc của nút cảm biến.Các tác giả giảm số lượng nút áp dụng nhiều lịch trình nhưng không thể loại bỏ khả năng không có phân chia mạng cảm biến. Khi thời gian sống của mạng tiến nhanh hơn các nút này có thể chết nhanh hơn và gây ra phân đoạn với các biên của các cluster ảo.
• Nhược điểm thứ hai đến từ chu kì làm việc tĩnh của S-MAC. Các nút có thể không thay đổi chu kì làm việc của chúng dựa trên lưu lượng hoặc là điều kiện mật độ và vì thế có thể tiêu thụ nhiều năng lượng hơn được yêu cầu hoặc giới hạn hiệu năng của các giao thức. Người dùng cuối có thể đặt chu kì làm việc dựa trên các yêu cầu ứng dụng mong muốn nhưng S-MAC không áp dụng để thay đổi các điều kiện.
• Cuối cùng S-MAC không cố gắng để điều khiển kích thước cluster ảo trên toàn mạng. Thay đổi kích thước các cluster có vài ảnh hưởng đến hiệu năng của giao thức. Các cluster lớn giảm số lượng của nút mà phải tham gia vào nhiều lịch trình nhưng tăng độ trễ thông điệp .
S-MAC không cung cấp người dùng với khả năng điều khiển kích thước cluster ảo.
Các giao thức theo sau cố gắng cải thiện S MAC trong khi sử dụng các lợi ích được - cung cấp bởi S-MAC.
Các biến thể của S-MAC bao gồm DSMAC, TMAC, ACMAC và MSMAC.
(a) Định dạng Frame trong SMAC
(d) Định dạng Frame trong ACMAC (b) Định dạng Frame trong DSMAC
(c) Định dạng Frame trong TMAC
Thời gian active Thời gian ngủ
Ngủ
Ngủ
Ngủ
Ngủ Ngủ
Ngủ
Ngủ Ngủ
Đồng bộ và truyền tải dữ liệu
Ngủ
Thời gian timeout Thời gian timeout
Active trên kênh Không Active trên kênh