Chuẩn IEEE 802.15.4 MAC thiết kế cho cỏc vựng mạng khụng dõy cỏ nhõn tốc độ thấp (LR-WPAN), bao gồm cỏc ứng dụng cảm nhận được gắn vào. Hầu hết cỏc đặc điểm của nú dành cho kớch hoạt mode bỏo hiệu trong topo hỡnh sao.
Ở mode kớch hoạt bỏo hiệu ở mạng hỡnh sao, IEEE 802.15.4 MAC sử dụng cấu trỳc siờu khung trong hỡnh 2.2. Một siờu khung được xỏc định bởi tớn hiệu bỏo hiệu chu kỳ được gửi bởi bộ phối hợp PAN. Trong khoảng thời gian siờu khung cú một pha tớch cực cho giao dịch giữa cỏc nỳt, phối hợp PAN và pha khụng tớch cực nú cú thể điều chỉnh phụ thuộc vào chu kỳ năng lương mong muốn. Thời điểm tớch cực cú 16 khe bao gồm 3 phần : phần bỏo hiệu, thời điểm thõm nhập tranh chấp(CAP) và thời điểm xung đột tự do(CFP) điều này cho phộp cấp phỏt cỏc khe đảm bảo thời gian (GTS). Sự xuất hiện miền đụng độ tự do cho phộp dành riờng cho lập lịch thõm nhập. Cỏc nỳt giao dịch chỉ trờn cỏc khe đảm bảo thời gian, cỏc nỳt cũn lại cú thể ngủ và chỉ cần tỉnh dậy trước khi chỳng được gỏn vào cỏc khe GTS. Giao dịch trong thời điểm CAP là thuật toỏn CSMA-CA đơn giản nú cho phộp một thời điểm nhỏ giảm tiờu thụ năng lượng lắng nghe kờnh rỗi. Đỏnh giỏ giao thức này là sự thay đổi của nú và cỏc thụng số cú thể được thiết lập.
Trờn lý thuyết chuẩn IEEE 802 cú thể sử dụng cho cỏc topo khỏc, mode kớch hoạt bỏo hiệu khụng xỏc định được chỳng.
Hỡnh 2.2 Cấu trỳc siờu khung IEEE 802.15.4 MAC 2.3 Hiệu quả năng lƣợng trong cỏc giao thức MAC
Hiệu quả năng lượng đạt được trong cỏc giao thức MAC bởi việc tắt mỏy thu sang chế độ ngủ khi cú thể để tiết kiệm tiờu thụ năng lượng.
2.3.1 Quản lý năng lƣợng trong IEEE 802.11
Cú nhiều cỏch lựa chọn về quản lý năng lượng trong kiến trỳc 802.11. Cỏc nỳt thụng bỏo cho cỏc Access point biết khi nào chỳng muốn đi vào trạng thỏi ngủ để mà bất kỳ bản tin nào muốn gửi tới chỳng sẽ được đưa vào bộ đệm AP. Cỏc nỳt sẽ thức dậy một cỏch định kỳ để kiểm tra bản tin bộ đệm. Vỡ vậy năng lượng sẽ được tiết kiệm tối đa.
2.3.2 Thõm nhập mụi trƣờng cảm nhận nguồn với tớn hiệu (PAMAS)
PAMAS là một phần mở rộng của kỹ thuật MACA, nơi tớn hiệu RTS/CTS thực hiện trờn một kờnh vụ tuyến riờng biệt từ việc trao đổi dữ liệu. Nú là một trong những giao thức MAC cảm nhận năng lượng đầu tiờn đưa ra cho cỏc mạng khụng dõy đa hop. Trong PAMAS, cỏc nỳt sẽ tắt mỏy thu súng (đi vào trạng thỏi ngủ) bất kỳ khi nào chỳng khụng nhận hoặc gửi thành cụng. Đặc biệt khi chỳng đi vào trạng thỏi ngủ chỳng vẫn nghe được một lan truyền lõn cận tới nỳt khỏc, hoặc chỳng xỏc định qua kờnh tớn hiệu điều khiển RTS/CTS, tớn hiệu mà nỳt lõn cận nhận được. Khoảng thời gian ngủ sẽ được đặt vào độ dài của phiờn truyền đang diễn ra được hiện thị bởi tớn hiệu điều khiển nhận được của kờnh thứ cấp. Nếu một phiờn truyền được bắt đầu trong khi một nỳt trong trạng thỏi ngủ, trước khi bị đỏnh thức, nỳt gửi cỏc tớn hiệu thăm dũ tới để xỏc định khoảng thời gian truyền và bao lõu nú cú thể quay lại trạng thỏi ngủ. Trong PAMAS, một nỳt chỉ cú thể đặt vào trạng thỏi ngủ khi nú bị cấm nhận hoặc truyền theo bất kỳ đường nào, để cho chất lượng trễ /thụng lượng của mạng khụng lỗi. Tuy nhiờn cú một vấn đề quan tõm là tổn hao năng lượng trong chế độ thu nhàn rỗi (tức là điều kiện để một nỳt khụng cú gúi nào gửi và khụng cú tớn hiệu nào trờn kờnh truyền).
2.3.3 Mức tối thiểu hoỏ chi phớ năng lƣợng thu nhàn rỗi.
Trong khi PAMAS cung cấp cỏc cỏch để tiết kiệm năng lượng , năng lượng cú thể tiết kiệm hơn nữa bởi việc giảm chế độ rảnh nhận. Yếu tố chớnh của vấn đề này là cho phộp bộ nhận ngủ trong phần lớn thời gian, trong khi vẫn đảm bảo một nỳt được đỏnh thức và nhận khi một gúi truyền đến nú. Dựa trờn nền tảng cơ sở của cỏc phương phỏp giải quyết vấn đề này, cú 2 loại cạnh tranh cơ bản cho cỏc giao thức MAC mạng cảm nhận.
Phương phỏp tiếp cận đầu tiờn là việc khụng đồng bộ hoàn toàn và trả lời sử dụng một bộ nhận hoặc kỹ thuật lắng nghe cụng suất thấp cú chu kỳ để đảm bảo rằng bộ nhận được đỏnh thức mỗi khi cú tin truyền tới. Phương phỏp tiếp cận thứ hai, với nhiều biến thể khỏc nhau, sử dụng chu trỡnh lập lịch ngủ chu kỳ cho cỏc nỳt. Hầu hết cỏc bộ lập lịch kết hợp với một phương thức, đú là cỏc bộ truyền nhận biết về thời gian khi cỏc bộ nhận của chỳng được đỏnh thức.
2.4 Kỹ thuật ngủ khụng đồng bộ
Trong cỏc kỹ thuật này , cỏc nỳt thường giữ tỉ lệ chế độ ngủ mặc định, về chỉ thức dậy trong một thời gian ngắn để kiểm tra cỏc lưu lượng và gửi nhận bản tin.
2.4.1. Đỏnh thức mỏy thu thứ cấp.
Cỏc nỳt cần kớch hoạt chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng khi chỳng khụng cú giao dịch và được đỏnh thức khi cần cú cỏc liờn lạc cần thiết. Giải phỏp đầu tiờn là một phần cứng trang bị cho mỗi nỳt cảm nhận với 2 mỏy thu. Trong mỗi phần cứng thiết kế, mỏy thu sơ cấp là mỏy thu dữ liệu chớnh, phần cũn lại đặt ở chế độ ngủ mặc định. Mỏy thu thứ cấp là mỏy thu thức dậy cụng suất thấp được giữ nguyờn hầu hết thời gian. Nếu mỏy thu thức giấc của một nỳt, nhận được tớn hiệu thức giấc của nỳt khỏc, nú sẽ trả lời bằng việc thức dậy mỏy thu chớnh và bắt đầu nhận. Điều này đảm bảo rằng mỏy thu sơ cấp chỉ được kớch hoạt khi nỳt cú dữ liệu gửi và nhận.Giả định cơ bản để thỳc đẩy cho vấn đề này là thiết kế của nú, khi tớn hiệu thức giấc khụng cần phải xử lý tớn hiệu phức tạp, nú cú thể được thiết kế tiờu thụ cụng suất thấp. Tuy nhiờn một vấn đề được đặt ra là tất cả cỏc nỳt trong miền quảng bỏ tớn hiệu của cỏc nỳt truyền cú thể bị đỏnh thức.
2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu cụng suất thấp.
El Hoiydi và Hill và Culler phỏt triển độc lập cơ cấu giống nhau việc đỏnh thức cỏc mỏy thu ngủ. Trong kỹ thuật này, đề cập đến mẫu mở đầu hoặc lắng nghe cụng suất thấp, bộ nhận thức giấc cú chu kỳ để cảm nhận kờnh truyền. Nếu khụng cú tớn hiệu truyền nú sẽ tiếp tục ngủ. Nếu một nỳt muốn truyền, nú gửi một tớn hiệu ưu tiờn đầu tiờn để truyền gúi. Trước khi phỏt hiện ra tớn hiệu đầu, nỳt nhận sẽ thay đổi tới chế độ nhận tớch cực đầy đủ. Kỹ thuật được minh hoạ ở hỡnh 2.3.
Tớn hiệu thức giấc cú thể được gửi với giao diện gúi mức cao; tuy nhiờn một phương thức tiếp cận hiệu quả cao hơn là việc thực thi điều này trực tiếp trờn lớp vật lý – vỡ vậy tớn hiệu thức giấc cú thể khụng dài hơn xung RF. Nỳt dũ sau đú chỉ kiểm tra
năng lượng mỏy thu trờn kờnh để xỏc định khi nào tớn hiệu hiện hữu. Hill và Culler đó tranh luận điều này cú thể giảm bộ nhận kiểm tra chu trỡnh hoạt động thấp bằng 0.00125%, cho phộp thời gian sống tăng gấp 2000 lần so với một việc đỏnh thức gúi cựng mức(từ 1 tuần lờn 38 năm). Chỳng ta chỳ ý là biếu đồ này cú khả năng đỏnh thức cỏc bộ nhận cú thể trong một miền lõn cận của bộ truyền đưa ra, tuy nhiờn cỏc cơ chế này như là một thụng tin trong tiờu đề cú thể sử dụng đặt chỳng quay trở lại trạng thỏi ngủ nếu khụng cú giao dịch nào cho chỳng.
Hỡnh 2.3 Kỹ thuật lắng nghe cụng suất thấp của mẫu mào đầu. 2.4.3 WiseMAC
Mẫu mở đầu lắng nghe cụng suất thấp cú một khả năng thiếu sút : mẫu mở đầu mà dài làm làm cho giảm thụng lượng và tiờu thụ năng lượng cả bộ nhận và bộ gửi. Giao thức WiseMAC được thiết lập trước tớn hiệu mào đầu để sửa nhược điểm này. Việc sử dụng thờm cỏc gúi ACK.
Mỗi nỳt sẽ học nhiều lần mẫu chu kỳ của cỏc nỳt hàng xúm, và sử dụng cỏc thụng tin này để gửi mẫu đỏnh thức ngắn tới kịp thời gian. Khoảng thời gian của mẫu được xỏc định bởi độ lệch của xung đồng hồ kể từ mẫu đồng bộ cuối cựng.
Giả sử Tw là thời điểm mẫu nhận, độ lệch xung đồng hồ, và L là khoảng thời gian giữa cỏc giao tiếp, vỡ vậy khoảng thời gian của mẫu cần chỉ khi :
Cỏc gúi trong WiseMAC chứa hơn một bit (điều này đó núi trong chuẩn IEEE 802.11 giao thức tiết kiệm năng lượng) bộ truyền sử dụng để phỏt tớn hiệu tới bộ nhận nếu nú cần bộ nhận nhận tin.
2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER)
Giống như mẫu lắng nghe/mào đầu tiết kiệm năng lượng là kỹ thuật TICER/RICER. Trong đú bộ truyền khởi động chu trỡnh nhận (TICER) hỡnh 6.4(a), như là trong lắng nghe cụng suất thấp, cỏc nỳt nhận sẽ thức giấc cú chu kỳ và quan sỏt kờnh cho cỏc tớn hiệu từ bộ phỏt đến (điều này là yờu cầu đỏnh thức để gửi tớn hiệu RTS). Bộ
Preamble Send data message
Preamble sampling Active to receive message Sender Receive R S
gửi sẽ gửi chuỗi tớn hiệu RTS trong một thời gian ngắn khi nú quột kờnh truyền. Khi bộ nhận phỏt hiện ra một tớn hiệu RTS, nú sẽ trả lời lại với một tớn hiệu CTS. Nếu bộ nhận phỏt hiện một tớn hiệu CTS tương ứng với RTS của nú, nú sẽ bắt đầu truyền cỏc gúi. Do vậy vấn đề khỏc nhau cơ bản của mẫu mào đầu là trong TICER bộ gửi sẽ gửi một chuỗi tớn hiệu ngắn quóng thay vỡ một mẫu đơn lẻ dài, và đợi một tớn hiệu rừ ràng từ bộ nhận trước khi truyền dữ liệu.
Hỡnh 2.4(a) Ngủ khụng đồng bộ sử dụng TICER
Hỡnh 2.4(b) Ngủ khụng đồng bộ sử dụng RICER
Trong kỹ thuật bộ khởi động nhận chu trỡnh (RICER), tranh chấp trong hỡnh 2.4(b), một nỳt nhận thức dậy cú chu kỳ để thực hiện một quan sỏt 3 pha gửi tớn hiệu đỏnh thức quan sỏt tuần tự. Một nguồn muốn đỏnh thức truyền và ở trạng thỏi quỏn sỏt. Khi nú nghe nghe tớn hiệu thức giấc từ bộ nhận, nú bắt đầu truyền dữ liệu. Bộ nhận trong trạng thỏi quan sỏt sẽ xem xột phần bắt đầu của gúi dữ liệu cũn lại cho đến khi gúi được nhận hoàn thành.
Tuy nhiờn, một vấn đề chi tiết gắn với kỹ thuật TICER/RICER là trong khi tớn hiệu đỏnh thức phức tạp RTS/CTS rất dễ bổ sung ở mức gúi cao hơn, nú cú thể thờm khú khăn để thực hiện tớn hiệu tương tự RF cụng suất thấp. Điều này buộc tớn hiệu truyền tới bộ nhận đỳng, bộ nhận cần tự nú xỏc định duy nhất tới bộ truyền.
Sender Receive Receive R S RTS RTS RTS CTS Data Sleep Sleep Sleep Sender Receive Receive R S
Beacon Beacon Beacon Data Sleep
2.4.5 Giao thức MAC tỏi cấu hỡnh
Một bổ sung của lớp giao thức MAC cụng suất thấp khả năng tỏi cấu hỡnh cao và giao thức B-MAC. Nú cung cấp một giới hạn thiết lập chức năng lừi và một giao diện cho phộp cỏc thành phần lừi được chỉnh và cấu hỡnh phụ thuộc vào lớp cao hơn. Lừi của B-MAC bao gồm cỏc đặc điểm sau cú thể bật tắt và sử dụng trong bất kỳ kết hợp nào thoả món :
Lắng nghe cụng suất thấp, thực thi kỹ thuật đỏnh thức mào đầu cơ bản thoả món cỏc điều trờn, nú cho phộp cỏc nỳt ngủ ở chế độ mặc định, giỳp cho bảo tồn năng lượng . Sự khỏc nhau giữa khoảng thời gian mẫu kờnh và khoảng thời gian khởi đầu cú thể được chọn bởi lớp cao hơn.
Đỏnh giỏ kờnh sạch (CCA), xỏc định liệu kờnh cú bận hay khụng bởi việc kiểm tra mẫu gần kề và sử dụng kỹ thuật dũ tiếp cận ngoài. Nếu tớnh năng CCA bị tắt, một giao thức lập lịch cú thể được bổ sung trờn B- MAC. Nếu nú được kớch hoạt, khoảng thời gian sau đú (trong trường hợp kờnh bận) cú thể được chọn bởi cỏc lớp cao hơn. CCA sử dụng cho lắng nghe cụng suất thấp.
Tớn hiệu (ACK: Nếu ACK được kớch hoạt, một đỏp ứng sẽ được gửi bổ sung sau khi nhận gúi unicast.
Cỏc thành phần B-MAC ROM RAM
Basic B-MAC 3046 166
Basic B-MAC L
PL 4092 170
Basic B-MAC LPL ACK 4386 172
Basic B-MAC LPL AC
K RTS/CTS 4616 277
Hỡnh 2.5 Cỏc thành phần của B-MAC và cỏc thiết bị bộ nhớ của chỳng.
Cỏc tớn hiệu đặt trước kờnh RTS/CTS cú thể được bổ sung trờn B-MAC sử dụng giao diện điều khiển của nú, nhưng nú khụng là một phần lừi của B-MAC
Việc đơn giản hoỏ, hiệu quả và khả năng cấu hỡnh của B-MAC (hỡnh 2.5) cú nghĩa là nú giống như việc sử dụng nhiều tiện ớch. Một thoả món của B-MAC là thiết kế trong một modun trỡnh diễn và cung cấp chức năng lừi. Điều này dễ dàng bổ sung giao thức MAC phức tạp hơn trờn B-MAC, bao gồm nhiều chu trỡnh ngủ cơ bản và cỏc giao thức lập lịch tự do tranh chấp.
2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ
2.5.1 Sensor MAC (S-MAC)
Giao thức S-MAC là giao thức MAC khụng dõy thiết kế cho WSN. Như trỡnh bày ở hỡnh 2.6 , nú sử dụng chu trỡnh tuần hoàn mỗi nỳt ngủ và thức sau một khoảng thời gian, Cỏc chu trỡnh hoạt động của bộ lập lịch ngủ lắng nghe giả sử giống nhau ở tất cả cỏc nỳt, đảm bảo giảm tiờu tốn năng lượng. Trong khi khởi động, cỏc nỳt cũn lại sẽ thức và đợi một thời điểm ngẫu nhiờn để lắng nghe cho cỏc bản tin cung cấp lịch lắng nghe ngủ của một trong những hàng xúm của chỳng. Nếu chỳng khụng nhận được bản tin nào, nú sẽ trở thành cỏc nỳt đồng bộ, lựa chọn bộ lập lịch của chỳng và quảng bỏ chỳng tới cỏc hàng xúm của chỳng. Cỏc nỳt nghe cỏc lịch của hàng xúm và chấp nhận cỏc lịch đú gọi là nỳt chuyển tiếp. Một số nỳt biờn hoặc chấp nhận
O n Off O n Off …….. O n Off O n Off O n Off O n Off
Hỡnh 2.6 Chu trỡnh hoạt động ngủ thức trong S-MAC
nhiều lịch hoặc chấp nhận lịch của một hàng xúm ( để mà phõn phỏt cỏc bản tin thành cụng, cỏc nỳt biờn cần biết lịch của tất cả hàng xúm ). Cỏc nỳt truyền cú chu kỳ cỏc lịch này để thụng bỏo cho cỏc nỳt mới tham gia vào mạng. Mặc dự cỏc nỳt phải trao đổi gúi định kỳ với hàng xúm để đồng bộ, điều này khụng phải mối lo lắng chớnh do thời điểm lắng nghe cú đặc thự rất rộng so với độ lệch của xung đồng hồ. Cỏc lịch ngủ khụng được chuyển tiếp trong khi truyền dữ liệu. Một mở rộng của biểu đồ S- MAC cơ bản gọi là nghe thớch ứng cho phộp cỏc thời điểm tớch cực được biến đổi chiều dài, để làm giảm độ ngủ trễ của một số mở rộng.
Ngoài ra từ một lịch ngủ, S-MAC giống như cạnh tranh thõm nhập mụi trường trong IEEE 802.11, ở đú nú sử dụng gúi RTS/CTS. Cả bộ cảm nhận súng mang vật lý và bộ cảm nhận súng mang ảo đều dựa vào NAV được sử dụng. S-MAC thực hiện lắng nghe xa, nhờ đú giao diện cỏc nỳt được gửi để ngủ với điều kiện là NAV khỏc khụng (NAV trong 802.11, được đặt trước việc nhận của cỏc gúi RTS/CTS tương ứng với phiờn truyền). Vỡ thế S-MAC cung cấp viờc phõn mảnh từng phần của cỏc gúi dữ liệu lớn thành cỏc gúi nhỏ, với tất cả cỏc gúi nhỏ đú chỉ cú trao đổi RTS/CTS được sử dụng.
Chỳ ý rằng tiết kiệm năng lượng trong S-MAC là mở rộng tiềm năng ý nghĩa của ngủ trễ : một gúi đi qua mạng sẽ cần dừng lại (một vài hope, phụ thuộc vào việc cài đặt) trong khi thởi ngủ của cỏc nỳt trung gian.