dây
Phần này sẽ phân tích các chế độ năng lƣợng của mạch thu phát vô tuyến nói riêng và nút mạng nói chung cùng các nhân tố ảnh hƣởng đến mức tiêu thụ năng lƣợng của nút trong hệ thống mạng WSN.
Thông thƣờng, thiết bị thu phát vô tuyến hoạt động ở bốn chế độ khác nhau: nghỉ, nhận, truyền và ngủ. Trong chế độ tích cực (gồm truyền và nhận), mạch tiêu tốn năng lƣợng nhiều nhất. Chế độ nghỉ tiêu thụ năng lƣợng ít hơn, tuy nhiên nếu nút mạng ở chế độ tắt nguồn thì việc tiết kiệm năng lƣợng sẽ là triệt để nhất. Do vậy, điều mong muốn là hoàn toàn tắt nút mạng (chế độ ngủ) hơn là để nó trong chế độ tích cực hoặc nghỉ. Tuy nhiên, việc bật, tắt liên tục mạch thu phát radio đôi khi có thể làm năng lƣợng tiêu thụ nhiều hơn là để nguyên nó trong chế độ nghỉ do mất năng lƣợng khởi động. Thêm vào đó, khi kích thƣớc gói tin truyền nhỏ, năng lƣợng chuyển đổi này trở nên lớn hơn năng lƣợng tiêu thụ để truyền và nhận gói tin [9].
Do vậy để có thể tiết kiệm năng lƣợng một cách hiệu quả cho nút mạng, cần áp dụng nhiều giải pháp khác nhau. Ngoài nguyên tắc chuyển chế độ làm việc cho mỗi nút mạng cụ thể, cần thiết phải tính toán khi thiết kế các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng cho toàn bộ mạng WSN. Phần sau của chƣơng này sẽ phân tích một số giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng cho WSN. Sau đây sẽ phân tích khái quát định tính và định lƣợng sự tiêu thụ năng lƣợng trong nút mạng WSN.
Năng lƣợng tiêu thụ của mạch thu phát vô tuyến Eradio có thể tính đơn giản theo công thức sau:
Eradio = [(c Ptx) + b] T [5]
trong đó: c là hệ số năng lƣợng truyền dẫn, b là hằng số offset năng lƣợng, Ptx
là năng lƣợng sử dụng trong truyền tín hiệu và T là thời gian truyền dẫn.
Một công thức khác để tính năng lƣợng tiêu thụ chính xác hơn và phức tạp hơn:
Eradio = [Ptx(Ttx + Ntx Tst) +Pout Ttx] + [Prx (Trx + Nrx Tst] Pidle Tidle [6]
Trong đó:
Ptx/rx là năng lƣợng tiêu thụ khi truyền/nhận tƣơng ứng của bộ thu phát.
Pout là năng lƣợng đầu ra bộ phát, Pout phụ thuộc vào khoảng cách tín hiệu truyền đến đích và địa hình xung quanh.
Pidle là năng lƣợng nút mạng sử dụng trong chế độ nghỉ. Pidle có giá trị nhỏ hơn đáng kể so với Ptx
Ttx/rx là thời gian trung bình mà bộ thu phát đƣợc sử dụng trong mỗi giây. Ttx/rx phụ thuộc vào kích thƣớc gói tin, tốc độ kênh truyền dữ liệu và số trung bình gói tin truyền nhận trong 1 giây.
Tidle là thời gian trung bình trong một giây một nút mạng ở chế độ nghỉ.
Tst là thời gian khởi động của transceiver
Ntx/rx thể hiện số trung bình số lần trong 1 giây bộ thu phát đƣợc bật lên (kích hoạt chế độ truyền nhận). Ntx/rx chủ yếu phụ thuộc vào chế độ truyền nhận của ứng dụng và cơ chế điều khiển truy cập môi trƣờng.
Từ công thức tính năng lƣợng tiêu thụ cho mạch thu phát ở trên, ta thấy để giảm năng lƣợng này, cần phải giảm các yếu tố Ttx/rx, Ptx/rx, có nghĩa là phải giảm càng nhiều càng tốt thời gian nút mạng hoạt động ở chế độ tích cực. Tuy nhiên trong công thức tính toán trên vẫn còn hạn chế là chƣa đƣa ra cụ thể cách tính và giá trị thƣờng gặp của các tham số nhƣ Ptx/rx, Pidle. Tác giả đã cố gắng tìm kiếm các công thức định lƣợng cụ thể biễu diễn sự tiêu thụ năng
lƣợng cho nút mạng nhƣng do tài liệu về WSN còn hạn chế nên chƣa thực hiện đƣợc.
Trong công thức trên, năng lƣợng tiêu thụ đƣợc tính trong trƣờng hợp nút mạng chƣa chịu ảnh hƣởng của các yếu tố khác khi tham gia vào mạng WSN. Sau đây sẽ tổng hợp các nguyên nhân tiêu tốn năng lƣợng cho nút khi hoạt động trong WSN [9]:
- Nguyên nhân thứ nhất gây ra sự lãng phí năng lƣợng là khoảng thời gian mỗi nút mạng hoạt động ở chế độ truyền nhận quá lâu hoặc không hoạt động ở chế độ năng lƣợng thấp. Mạch thu phát luôn luôn bật và nút mạng luôn mất năng lƣợng để duy trì mạch mặc dù nút chỉ thu hoặc phát tín hiệu trong những thời điểm nhất định.
- Thứ hai là overhearing, nghĩa là nút mạng nhận gói tin mà đúng ra đích đến là nút khác.
- Thứ ba là năng lƣợng bị tiêu tốn trong qúa trình gửi và nhận các gói tin điều khiển truy cập môi trƣờng.
- Thứ tƣ là xung đột trong việc truyền đồng thời nhiều gói tin làm khuếch đại tín hiệu nhiễu và do đó gây nên việc truyền lại gói tin. - Nguyên nhân thứ năm là nhiễu sóng vô tuyến từ các hệ thống khác
làm các gói tin bị gián đoạn và cần truyền lại hoặc phải tăng công suất truyền để khắc phục nhiễu đó.
- Cuối cùng, việc chuyển đổi liên tục các mode làm việc, đặc biệt là từ mode ngủ sang mode tích cực dẫn đến tiêu tốn năng lƣợng đáng kể. Nhƣ vậy có thể thấy có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến việc tiêu thụ năng lƣợng của nút mạng cảm nhận. Tuỳ vào mỗi ứng dụng cụ thể và từng
loại nút mạng cụ thể mà có các phƣơng thức hạn chế các yếu tố làm tổn thất năng lƣợng khác nhau.
Tuy nhiên yếu tố quan trọng nhất cần khai thác để đƣa ra các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng là làm giảm khoảng thời gian nút mạng hoạt động trong chế độ tích cực. Đây là đánh giá không chỉ dựa trên quan điểm chủ quan của tác giả mà còn dựa trên phân tích trong nhiều đề tài nghiên cứu mà tác giả tham khảo. Các phần sau của luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu theo hƣớng đó với mục tiêu là viết đƣợc chƣơng trình tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng cụ thể. Tuy nhiên, để có cái nhìn toàn diện, nhiều chiều về vấn đề tiết kiệm năng lƣợng trong WSN thì ngoài lập trình cho một nút mạng cụ thể, việc phân tích các giao thức tiết kiệm năng lƣợng sử dụng cho WSN là hết sức cần thiết.
2.2. Các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm nhận không dây
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});