Chương 3: Điều khiển truy nhập môi trường
3.2 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến
3.2.1 Các giao thức MAC không theo lịch trình
3.2.1.1 Các giao thức MAC nhiều bộ thu phát
Việc sử dụng nhiều bộ thu phát trên mỗi nút cảm biến có thể làm tăng năng lượng tiêu thụ trong mạng, một trong những cách khắc phục là mỗi bộ thu phát có thể hoạt động ở chu kì thấp hơn so với một bộ thu phát duy nhất bằng cách chia các yêu cầu truyền thông của nút giữa các bộ thu phát. Khi sử dụng nhiều bộ thu phát cho phép nút cảm biến tăng băng thông hoặc là rút ngắn thời gian phản ứng.
Một hệ thống nhiều bộ thu phát phải có năng lực xử lí để tiếp nhận và xử lí dữ liệu từ nhiều kênh. Vì thế các hệ thống nhiều bộ thu phát yêu cầu các cơ chế truyền thông hiệu năng cao hơn và khả năng của các processor cao hơn là các hệ thống chỉ có một bộ thu phát. Cuối cùng việc thêm nhiều bộ thu phát và một bộ xử lí mạnh hơn có thể làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng thể nhưng yêu cầu thiết kế nút cảm biến bao gồm một nguồn năng lượng mà cung cấp đủ cho tất cả các thiết bị phần cứng hoạt động cùng nhau. Để thực hiện nhiều bộ thu phát các giao thức MAC khả thi, giao thức và thiết bị thiết kế phải vượt qua được mất mát năng lượng trong các bộ thu phát mà phát sinh độc lập khi sử dụng và đấu tranh với việc thêm vào các nút cảm biến phức tạp và chi phí.
PAMAS
PAMAS viết tắt của Power Aware Multi Access with Signaling là một- giao thức đầu tiên được đề xuất cho các mạng Ad oc, cố gắng để bảo tồn năng lượng bằng -h hoạt động với 2 bộ thu phát: một cho thông điệp dữ liệu và một cho thông điệp điều khiển. Bằng cách tách thông điệp chuyển qua các thiết bị có thể tránh được các xung đột v i một lượng thông điệp lớn hơn và tiết kiệm năng lượng trong khi sử dụng để ớ truyền lại hoặc là nghe trộm.
Hình 3.1: Truyền tải dữ liệu trong PAMAS
Có lẽ nhược điểm lớn nhất của PAMAS liên quan tới yêu cầu nhiều radio.
Nhiều radio trên một thiết bị sẽ làm tăng rất nhiều năng lượng tiêu thụ và chi phí thiết bị cho các mạng cảm biến. Hơn nữa điều khiển truy nhập vào hai phương tiện truyền thông không dây sẽ làm tăng độ phức tạp của giao thức MAC. Thông điệp kích thước nhỏ hiện diện hầu hết trong các mạng cảm biến cũng làm giảm lợi ích của việc tách dữ liệu và điều khiển truyền tải. Tuy nhiên những ý tưởng đã được đề xuất trong PAMAS có thể làm việc với các mạng cảm biến với các thông điệp dữ liệu lớn nếu nút cảm biến và các bộ thu phát thiết kế có thể giảm chi phí của bộ thu phát được thêm vào.
3.2.1.2 Giao thức MAC nhiều đường đi
Một phương pháp đơn giản hóa lớp MAC là truyền th ng điệp sau một thời gian ô trễ nhất định, loại bỏ các điều khiển thông điệp và nhận biết sóng mang giúp giảm chi phí liên quan tới các hoạt động đó. Tuy nhiên để tăng xác suất phân phát thông điệp nhiều bản sao của mỗi thông điệp có thể được quảng bá qua mạng. Cơ chế đợi gửi tin
cung cấp chức năng chính cho giao thức MAC và phải giảm rủi ro của xung đột. Các giao thức theo đây là một hướng tiếp cận với việc chuyển tiếp nhiều bản sao của mỗi thông điệp tới đích.
• SRBP (Simple Random Backoff Protocol): giao thức chờ gửi tin ngẫu nhiên đơn giản, với chức năng đơn giản truyền tải một thông điệp sau khi khởi tạo ngẫu nhiên một thời gian chờ gửi tin.
• ARBP (Adaptive Random Backoff Protocol): là giao thức chờ gửi tin ngẫu nhiên thích nghi, cố gắng để cải thiện hiệu năng bằng cách xem xét mật độ cảm biến trong vùng cục bộ và điều kiện lưu lượng hiện tại.
• RARBP (Range Adaptive Random Backoff Protocol ): cố gắng làm giảm độ trễ truyền tin bằng cách đưa ra các nút cảm biến từ transmitter với xác suất cao hơn trước đó. Để làm điều này, nút cảm biến lựa chọn ngẫu nhiên một giá trị backoff cho mỗi thông điệp từ bmin ( bmax bmin)des
T T T
+ − R và độ lệch chuẩn 1/ dl ở đó des
tương ứng với ước lượng khoảng cách từ transmitter trước tới nút chuyển tiếp và các nút cảm biến có thể truyền thông với khoảng cách lên tới R.
Các giao thức trên có thể xảy ra các xung đột trong quá trình truyền tải mặc dù các thuật toán chờ gửi tin đã được đề xuất, để làm giảm xác suất va chạm, thời gian chờ có thể tăng lên làm tăng độ trễ thông điệp đặc biệt trong các mạng dày đặc hoặc các mạng sinh ra một lượng dữ liệu lớn. Mặt khác việc truyền tải cùng một thông điệp theo nhiều đường đi cũng có thể gây ra tắc nghẽn trong mạng, các giao thức này được sử dụng tốt nhất trong các mạng có lưu lượn nhẹ.
3.2.1.3 Các giao thức MAC trung tâm sự kiện
Các ứng dụng mạng cảm biến có nhiều yêu cầu ứng dụng khác nhau và mẫu lưu lượng vì thế các giao thức MAC có thể bảo tồn hầu hết năng lượng bằng các cải tiến riêng trong từng mạng. Ví dụ, một mạng cảm biến phát hiện mục tiêu sẽ có thông
lượng rất thấp với mọi thời gian nhưng có thể tạo ra một khối lượng lớn dữ liệu khi một sự kiện quan tâm xảy ra. Một giao thức MAC mà hoạt động trên cơ các giả định về lưu lượng liên tục sinh ra có thể lãng phí năng lượng khi mạng cảm biến không có mục tiêu. Các giao thức theo đây xem xét các yêu cầu ứng dụng để điều khiển năng lượng mở rộng bằng cách chuyển tiếp lưu lượng.
CC-MAC (Correlation based Collaborative MAC): giao thức MAC cộng tác cơ - sở tương quan cố gắng bảo tồn năng lượng trong khi thực hiện các yêu cầu ứng dụng bằng cách tận dụng các hiểu biết về các nút cảm biến đặt cạnh nhau tạo ra các phép đo tương quan.
CC-MAC tự bản thân nó đã bao gồm hai thành phần: Event MAC (E MAC), - thành phần mà lọc các phép đo nút cảm biến để giảm lưu lượng và Network MAC (N- MAC) thành phần chuyển tiếp các phép đo đã được lọc tới sink của mạng.
3.2.1.4 Encounter-Based MAC Protocols
Các giao thức MAC đặc biệt là các giao thức không theo lịch trình đối mặt với những thách thức của việc đánh thức các nút cảm biến mà phải truyền thông. Trong một giao thức MAC không theo lịch trình, các nút cảm biến có thể không biết lịch trình ngủ của các nút lân cận vì thế chúng phải thăm dò bằng cách nào đó với các thông điệp cho tới khi nút lân cận thức giấc. Khi truyền thông các nút cảm biến đụng độ nhau trong thời gian chúng bắt đầu truyền thông điệp. Tiết kiệm năng lượng được cung cấp bởi các giao thức MAC encounter-based bằng cách chỉ đồng bộ các nút cảm biến lân cận khi cần thiết và chỉ trong thời gian truyền tải.
STEM : một nút cảm biến đánh thức một nút lân cận bằng cách truyền tải hoặc là các thông điệp báo hiệu lặp lại (repeated beacon messages) STEM-B hoặc là một xung đánh thức (wakeup-tone) STEM T. -
B-MAC
Hình 3.2: Truyền tải dữ liệu trong MACB-
Tương tự như STEM-T giao thức Berkeley MAC (B-MAC) sử dụng một tone để đánh thức các lân cận đang ngủ. Trong B-MAC nút cảm biến độc lập với lịch trình ngủ dựa trên chu kì làm việc của mục tiêu trong mạng cảm biến. Vì các nút cảm biến hoạt động trên các lịch trình độc lập, B-MAC sử dụng tiêu đề (preambles) rất dài cho truyền tải thông điệp.
WiseMAC
Hình 33. : Truyền tải dữ liệu trong WiseMAC
Một giao thức tương tự WiseMAC được phát triển cùng thời gian với B-MAC, sử dụng các kĩ thuật tương tự nhưng cố gắng giảm năng lượng tiêu thụ bằng cách các nút cảm biến ghi nhớ các độ lệch lấy mẫu của các lân cận. Một trường mở rộng trong gói tin ACK cho phép nút cảm biến báo cho các nút lân cận của chúng thời gian cho tới khi kênh tiếp theo của chúng lấy mẫu.
CSMA-MPS (CSMA Minimal Preamble Sampling)-
Các nhà nghiêu cứu cố gắng cải thiện năng lượng và độ trễ qua B-MAC và WiseMAC trong sự phát triển của CSMA với tối thiểu hóa lấy mẫu tiêu đề trong giao thức CSMA-MPS. Trong CSMA-MPS thay vì truyền tải một tiêu đề dài nút nguồn luân
phiên truyền các thông điệp điều khiển nhỏ và lắng nghe một phản ứng từ nút nhận rất giống với STEM-B.
Hình 3.4: Truyền tải dữ liệu trong CSMA-MPS 3.2.1.5 Tóm tắt các giao thức MAC không theo lịch trình
Như là các thảo luận ở trên, các giao thức MAC không theo lịch trình tận dụng sự đơn giản để giảm thiểu tài nguyên sử dụng trong một nút cảm biến. Tuy nhiên chúng thường cung cấp ít chức năng hơn là c c giao thức theo lịch trình vì thế các giao á thức khác phải thực hiện các yêu cầu cần thiết. Phối hợp các nút lân cận cho truyền thông một vấn đề tiềm ẩn được giải quyết trong các giao thức MAC theo lịch trình trở thành chức năng chủ yếu của các giao thức không theo lịch trình. Những người dùng cuối mà yêu cầu rất đơn giản các giao thức MAC vì ràng buộc tài nguyên hoặc chỉ yêu cầu giới hạn chức năng có thể tìm một giao thức MAC không lịch trình là một sự lựa chọn tốt nhất.
Bảng 3.1: Tóm tắt các giao thức MAC không theo lịch trình
Loại giao thức Tóm tắt Ưu điểm Nhược điểm
Nhiều bộ thu
phát Chia sẻ dữ liệu và điều khiển lưu lượng trên các bộ thu phát khác nhau
Giảm xung đột với các thông điệp dữ liệu dài
Chi phí phần cứng và tài nguyên năng lượng
Nhiều đường đi Chuyển tiếp các thông
điệp theo nhiều đường Giao thức đơn giản Xung đột nhiều hơn thông thường, thông điệp được chuyển tiếp nhiều lần
Event-centered Quản lí lưu lượng dựa trên yêu cầu của ứng dụng
Lọc dư thừa dữ liệu, cảm nhận
chính xác
framework
Tính toán tham số và phân tán toàn cục
Encounter-
based Các tone mốc báo hoặc
dự đoán truyền thông Giao thức đơn giản, sử dụng chỉ khi cần thiết
Nhiều hoặc các thông điệp điều khiển dài được gửi trên một thông điệp dữ liệu