Có một số lĩnh vực chính cần xem xét khi kỹ thuật độ tin cậy cho mạng lưới cảm biến. Nhiều mạng cảm biến hiện tại có tỷ lệ tổn thất cao so với mạng có dây (2% đến 30% đối với các láng giềng hiện nay). Trong khi phát hiện lỗi và điều chỉnh ở lớp vật lý là rất quan trọng, cách tiếp cận ở lớp MAC và cao hơn thích ứng tốt với rất rộng phạm vi tỷ lệ tổn thất được thấy trong các mạng cảm biến và là trọng tâm của chương này. Giao thức lớp MAC có thể cải thiện lớp PHY không đáng tin cậy, và các lớp vận chuyển có thể đảm bảo phân phát. Một câu hỏi quan trọng cho chương này là sự cân bằng giữa thực hiện độ tin cậy ở lớp MAC (nghĩa là bước nhảy tới bước nhảy) với lớp truyền tải, vốn đã được truyền thống liên quan đến độ tin cậy đầu cuối đến đầu cuối. Bởi vì mạng cảm biến các ứng dụng được phân phát, chúng ta cũng xem xét thực hiện độ tin cậy ở lớp ứng dụng. Mục tiêu của chúng ta là giảm thiểu chi phí sửa chữa về truyền tải.
3.2.1 Các lựa chọn thiết kế lớp MAC
Lớp liên kết tự động lặp lại yêu cầu (ARQ) đề cập đến bước nhảy tới bước nhảy phục hồi các khung hình có lỗi lựa chọn thiết kế chính mà chúng ta khảo sát tại lớp
72
MAC là có hay không sử dụng phục hồi lớp liên kết thông qua gói ARQ. Lớp MAC được sử dụng trong đánh giá của chúng ta là 802.11. Các cơ chế độ tin cậy chính cung cấp bởi 802.11 là RTS / CTS, ACK, và lựa chọn khe ngẫu nhiên. RTS / CTS là phương tiện truyền thông kiểm soát truy cập gói tin đó đảm bảo rằng máy phát đơn sẽ được truy cập độc quyền vào một không gian truyền tải chia sẻ. Gói ACK được gửi bởi máy nhận khi nhận được một gói dữ liệu để thông báo cho truyền khi truyền thành công đã xảy ra. Điều này là cơ chế ARQ cơ bản "dừng và chờ" mà thời gian phát và tái truyền khi ACK không đến trong một cửa sổ của kỳ vọng. MAC 802.11 không sử dụng RTS / CTS hoặc ACK cho phát đa hướng và quảng bá truyền dẫn do ACK và CTS "implosion". Nó có, tuy nhiên, cố gắng làm giảm khả năng quảng bá va chạm bằng cách ngẫu nhiên chọn một khe truyền dẫn môi trường nhàn rỗi đã được cảm biến. Khách hàng của lớp MAC này có thể chọn để sử dụng ARQ hay không bằng cách chọn unicast hoặc quảng bá địa chỉ. Chúng ta sử dụng ba chế độ khác nhau khi xem xét lớp MAC ARQ:
Không có ARQ: tất cả các truyền đều được gửi bằng một cuộc gửi ngẫu nhiên thời gian và một quảng bá địa chỉ MAC. Unicast bây giờ là thực hiện bằng cách kiểm tra địa chỉ tại các định tuyến (trong trường hợp của chúng ta khuếch tán).
Truyền như vậy không sử dụng lớp MAC cơ chế độ tin cậy như RTS / CTS và ACK. Trong chế độ này, độ tin cậy hoàn toàn bị trì hoãn cho lớp ứng dụng. Có một số lợi ích có thể cho điều này kế hoạch. Thứ nhất, có một số lượng đáng kể ở trên đầu theo thời gian kết nối với việc trao đổi RTS / CTS và ACK các gói tin được tránh. Thứ hai, các giao thức định tuyến như nỗ lực khuếch tán để chọn chất lượng cao (tỷ lệ lỗi thấp hơn) đường dẫn truyền dữ liệu. Cơ chế độ tin cậy trong 802.11 có thể làm cho con đường nghèo nhìn đáng tin cậy tới các lớp cao hơn.
ARQ luôn luôn: tất cả các truyền đều được gửi qua một dừng và chờ giao thức ARQ với một địa chỉ nút duy nhất. Sự truyền này phương pháp sử dụng RTS / CTS và ACK với thử lại để tăng cường cảm biến độ tin cậy. Khi một nút muốn truyền đạt với nhiều hàng xóm, hàng xóm phải được gửi một unicast gói. Số lần tái truyền
73
ARQ đã cố gắng trước bỏ cuộc là cấu hình được. Phương pháp này cũng có một số lợi ích cho mạng lưới cảm biến. Các gói đi trên các liên kết xác định trong quá trình khám phá tuyến đường sẽ được phân phát với mức cao độ tin cậy, mặc dù sự can thiệp thoáng qua điển hình trong một miền không dây.
Chọn lọc ARQ: kết hợp không có ARQ và ARQ. Trong phần này gói tin đề xuất gửi tới các một láng giềng sử dụng cơ chế ARQ dừng và chờ đợi. Các gói được gửi đến nhiều láng giềng lân cận không có ARQ. Phương pháp này cố kết hợp các lợi ích của ARQ và ARQ không. Các gói dữ liệu và kiểm soát di chuyển trên các đường dẫn được thiết lập là unicast, sử dụng ARQ để tăng độ tin cậy. Các gói được sử dụng trong khám phá tuyến đường là phát sóng tới tất cả các láng giềng mà không có ARQ. Đường dẫn kém là về mặt thống kê không được chọn để tăng cường, và thủ tục định tuyến không phải trả phí cho độ tin cậy.
3.2.2 Các lựa chọn thiết kế lớp truyền tải
Việc truyền dữ liệu lớn hơn mạng MTU là một nhiệm vụ đặc biệt khó khăn trong truyền thông không dây và, cụ thể hơn trong việc khuếch tán trực tiếp. Mặc dù giao thức chẳng hạn như 802.11 có những cơ sở phân mảnh và tái hợp, có giới hạn về kích thước của một thực thể có thể được chia nhỏ, và phân phát bảo đảm không được cung cấp. Một khung mất từ một đối tượng nhị phân lớn (như mã thực thi) có thể làm cho các thực thể dữ liệu vô dụng; do đó, lớp truyền tải các cơ sở được yêu cầu. Các lớp truyền tải truyền thống, như TCP, giả sử nguyên nhân chính gây mất gói là tắc nghẽn. Như vậy, trọng tâm của chúng là kiểm soát tắc nghẽn. Trong mạng cảm biến vấn đề chính là mất gói tin do nhiễu hoặc năng lượng thấp.
Các quyết định thiết kế được kiểm tra bởi chương này cho lớp truyền tải chủ yếu liên quan đến sự cân bằng của bước nhảy tới bước nhảy với chức năng đầu cuối tới đầu cuối. Yêu cầu sửa chữa có thể là được khởi xướng bởi các sink (điểm nhận của người nhận), hoặc bằng mạng các nút trên một đường dẫn đã được thiết lập. Rõ ràng là dạng MAC rằng bất kỳ lớp truyền tải chạy sẽ có một hiệu ứng sâu sắc về mức độ lớp truyền tải thực hiện tốt như thế nào. Phần này trông chỉ ở lớp truyền tải.
74
Hai mô hình lớp truyền tải sẽ được xem xét trong chương này và được sử dụng trong đánh giá của RMST. Hai cơ chế lớp truyền tải là:
Đầu cuối tới đầu cuối lựa chọn yêu cầu NACK: Sự cần thiết phải sửa chữa và việc tạo ra các yêu cầu sửa chữa chỉ diễn ra tại sink. Yêu cầu sửa chữa các mảnh vỡ cụ thể đi trên một đảo ngược đường dẫn từ sink đến nguồn, nơi mà các thiếu dữ liệu được truyền lại.
Bước nhảy tới bước nhảy lựa chọn yêu cầu NACK và sửa chữa từ bộ đệm:
Trong mô hình này, mỗi nút bộ đệm trên phần gia cố đường dẫn từ nguồn tới sink các bộ đệm các đoạn tạo nên một đơn vị dữ liệu lớn hơn. Khi các nút như vậy cảm thấy thiếu đoạn, một yêu cầu sửa chữa sẽ được gửi tới bước nhảy tiếp theo trên đảo ngược hướng về nguồn. Nếu yêu cầu đoạn là trong bộ đệm cục bộ, một đáp ứng được gửi đi. Nếu không, NACK được chuyển tiếp tới bước tiếp theo về phía nguồn.
3.2.3 Các lựa chọn thiết kế lớp ứng dụng
Độ tin cậy cũng có thể được cung cấp ở lớp ứng dụng. Với cảm biến tự động tạo ra dữ liệu định kỳ, rất đơn giản sơ đồ độ tin cậy đơn giản là chờ bộ cảm biến tiếp theo đọc. Phương pháp tiếp cận đơn giản này không khái quát hóa cho đối tượng lớn, tuy nhiên. Thậm chí tỷ lệ tổn thất trên mỗi gói một cách nhanh chóng làm cho các tỷ lệ bao giờ nhận được một đối tượng hoàn chỉnh trên nhiều bước nhảy nhỏ. (Chúng ta phân tích trường hợp này trong phần 5).
Các ứng dụng có thể xử lý cả phân mảnh / tái hợp và nỗ lực cuối cùng để sửa chữa. Trong đánh giá của chúng ta (phần 6) chúng ta đã đưa ra một lược đồ độ tin cậy của lớp ứng dụng (đầu cuối tới đầu cuối xác thực ACK) làm điểm chuẩn cho hiệu quả hoạt động đạt được bằng cách sử dụng khuếch tán tiêu chuẩn để đảm bảo phân phát mà không cần thêm một lớp truyền tải mới.
Đầu cuối tới đầu cuối xác thực ACK: Trong cách tiếp cận này một yêu cầu sink nhận được một thực thể dữ liệu lớn, được phân mảnh tại nguồn. Khi tất cả các mảnh đã đến sink, nó sẽ xóa bỏ yêu cầu. Các nguồn gửi toàn bộ tập hợp các đoạn
75
trong khoảng thời gian tính toán trước (một RTT sau) cho đến khi yêu cầu xóa.
Chúng ta sử dụng mô hình "không vận chuyển" này để đánh giá nếu ở trên đầu được giới thiệu bởi một kế hoạch truyền tải mang lại lợi ích cận biên trong các điều khoản sử dụng năng lượng.