Cỏc giao thức điều khiển truy nhập được thiết kế cho mạng cảm biến khụng dõy cú thể được chia thành 4 lớp: giao thức truy nhập ngẫu nhiờn
(ramdom access); giao thức truy nhập theo lịch (scheduled access); giao thức truy nhập theo khung thời gian (frame-based access) và loại cuối cựng là sự kết hợp của ba loại trờn gọi là giao thức lai (hybrid).
Hỡnh 3.1. Nguyờn tắc phõn loại những giao thức MAC theo tổ chức thời gian và sự phỏt triển lịch sử.
Cỏc giao thức truy nhập ngẫu nhiờn, hay giao thức kiểu CSMA, cú cơ chế vận hành đơn giản nhất, tiến hành cạnh tranh giành quyền truy nhập kờnh, khụng cú sự phõn chia thời gian. Cỏch loại giao thức này giảm tiờu thụ năng lượng là giảm bớt nghe khi rỗi bằng cỏch: cỏc nỳt cảm biến thực hiện ngủ trong hầu hết thời gian nhưng vẫn định kỳ thực hiện kiểm tra kờnh truyền, khi một nỳt muốn thực hiện truyền dữ liệu, nú đỏnh thức tất cả cỏc lõn cận bằng cỏch truyền một tớn hiệu đỏnh thức đủ dài để bao đủ kỳ kiểm tra kờnh của cỏc nỳt lõn cận. Cỏc giao thức truy nhập theo lịch thời gian cú cỏch tiếp cận phức
tạp hơn, nú chia thời gian thành những khe, yờu cầu cỏc nỳt cảm biến đồng bộ thời gian theo một lịch chung nào đú sao cho chỳng cú thể cựng nhau thức giấc tại điểm bắt đầu của mỗi khe thời gian, tiến hành trao đổi dữ liệu khi sẵn sàng, và sau đú trở về trạng thỏi ngủ trong phần cũn lại của khe. Cỏc giao thức truy nhập theo khung thời gian hoạch định sự truy nhập kờnh một cỏch chi tiết. Thời gian được chia thành những khung chứa đựng một số cố định những khe thời gian và chỉ rừ cặp nỳt phỏt/nỳt nhận trờn một khe thời gian, cỏc nỳt cảm biến chỉ cần nghe những khe thời gian đú mà ở đú chỳng là nỳt nhận dự định.
3.2.1. Giao thức truy nhập ngẫu nhiờn
Tiờu biểu cho loại giao thức này là LPL (Low-Power Listening) và Preamble Sampling. Đõy là hai giao thức cựng sử dụng lược đồ "nghe mức thấp" (low-level listening) được giới thiệu độc lập bởi Hill và El - Hoiydi. Ở đõy cỏc nỳt cảm biến trong mạng cú thể định kỳ tiến hành thăm dũ kờnh truyền đảm bảo tiết kiệm năng lượng mà khụng mất bất kỳ thụng điệp nào. í tưởng bắt đầu của mỗi thụng điệp với một loại "tớn hiệu bỏo bận" (busy tone) để bỏo động những nỳt nhận tiềm tàng về một thụng bỏo đang tới. Những nỳt cảm biến cảm nhận được tớn hiệu bỏo bận sẽ giữ thành phần vụ tuyến ở trạng thỏi bật đến kết thỳc của thụng bỏo. Bằng cỏch làm cho õm bỏo bận dài hơn khoảng thời gian ngủ, nỳt gửi được đảm bảo đỏnh thức được nỳt nhận dự định. Một cỏch tiện lợi để thực hiện õm bỏo bận là kộo dài tớn hiệu đồng bộ (preamble).
Hỡnh 3.2. Nghe mức thấp (Low-Power Listening): phần tớn hiệu đồng bộ đủ dài cho phộp định kỳ thăm dũ ở nỳt nhận.
Hỡnh 3.2 minh họa lược đồ định kỳ thăm dũ, với lược đồ này cỏc nỳt cảm biến sẽ giảm được thời gian nghe khi rỗi. Khi cú số lượng nỳt nhận trong mạng nhiều hơn nỳt gửi, lưu lượng trong mạng ở mức thấp thỡ lược đồ này làm giảm đỏng kể năng lượng tiờu thụ.
Ngoài hai giao thức trờn cỏc giao thức khỏc được xếp vào loại này là B- MAC, X-MAC, WiseMAC, CSMA-MPS mà đặc điểm chung là làm sao phải giảm bớt, tối thiểu chiều dài tớn hiệu đồng bộ đỏnh thức, nguyờn nhõn làm tiờu hao năng lượng.
Một cỏch tiếp cận khỏc để giảm xử lý thụng tin điều khiển khi trong trạng thỏi chờ là trang bị cho những nỳt cảm biến thành phần vụ tuyến cụng suất thấp phỏt tớn hiệu đỏnh thức. Khi cỏc nỳt cảm biến ở trạng thỏi ngủ thỡ thành phần vụ tuyến thu, phỏt số liệu được tắt. Chỳng cú thể phỏt hiện yờu cầu truyền phỏt dữ liệu bằng thành phần vụ tuyến đỏnh thức, sau đú thành phần vụ tuyến thu, phỏt số liệu được bật để nhận thụng điệp. Nhận một tớn hiệu đỏnh thức khụng yờu cầu giải mó phức tạp, do vậy cú thể sử dụng một thành phần vụ tuyến đơn giản tiờu thụ rất ớt năng lượng. Với cỏch tiếp cận này ta cú hai giao thức là STEM (Sparse Topology and Energy Management) và
Rate EST.
3.2.2. Giao thức truy nhập theo lịch
Giao thức truy nhập theo lịch là sự phõn lớp của giao thức truy nhập ngẫu nhiờn, nhưng khỏc ở chỗ nú thực hiện tiết kiệm năng lượng bằng việc phõn chia thời gian hoạt động của cỏc nỳt thành một chu trỡnh thức/ngủ (active/sleep). Thời gian được chia nhỏ thành những khe thời gian, và cỏc nỳt cảm biến “tỉnh giấc” tại điểm bắt đầu của mỗi khe thời gian thực hiện truyền, phỏt dữ liệu (nếu cú yờu cầu).
Ở giao thức loại này, khả năng xảy ra xung đột là cao, vỡ tất cả cỏc truyền thụng được tập hợp và nhúm lại vào trong phần thức của một khe thời gian. Vỡ vậy, cỏch giải quyết vấn đề cạnh tranh sao cho cú hiệu quả được ưu tiờn, cho dự vấn đề này dẫn đến phải gia tăng xử lý thụng tin điều khiển một cỏch tương đối.
Hỡnh 3.3. Chu trỡnh thức/ngủ của giao thức truy nhập theo lịch.
Tiờu biểu cho nhúm giao thức truy nhập theo lịch thời gian là S-MAC (Sensor - MAC) và T- MAC (Timeout - MAC). Giao thức S-MAC sử dụng chu trỡnh nhiệm vụ cố định (fixed duty-cycle) đơn giản, cú hiệu quả trong việc giảm thời gian nghe khi rỗi (idle listening), do đú giảm xử lý thụng tin điều khiển. Phần phức tạp ở giao thức này là sự đồng bộ của cỏc nỳt cảm biến dựa trờn cấu trỳc khe thời gian cơ bản. T-MAC được phỏt triển nhằm khắc phục một số hạn chế của S-MAC. Khụng sử dụng một chu trỡnh nhiệm vụ cố định như S-MAC, T-MAC hoạt động theo cơ chế timeout, sẽ tự động làm thớch nghi chu trỡnh nhiệm vụ với lưu lượng thực tế. Cả T-MAC và S-MAC sẽ được trỡnh bày kỹ trong Chương 4.
Một giao thức đỏng chỳ ý khỏc cũng được xếp vào nhúm cỏc giao thức truy nhập theo lịch thời gian là SCP-MAC (Synchronized Channel Polling - MAC), được xõy dựng trờn sự kết hợp ưu điểm của kỹ thuật thăm dũ kờnh và việc kỹ thuật hoạch định. Tương tự như kỹ thuật nghe mức thấp (LPL), SCP đặt cỏc nỳt vào trong trạng thỏi ngủ khụng trao đổi dữ liệu, và chỳng thực hiện định kỳ kiểm tra kờnh. Nhưng khụng giống LPL, SCP-MAC tiến hành đồng bộ việc thăm dũ đối với tất cả cỏc nỳt lõn cận. Ưu điểm chớnh của đồng bộ húa thăm dũ là một tớn hiệu đỏnh thức ngắn cú thể được gửi để đỏnh thức một nỳt. Tớn hiệu đỏnh thức ngắn làm giảm đỏng kể xử lý thụng tin điều khiển so với việc kộo dài tớn hiệu đồng bộ trong LPL.
Hỡnh 3.4 minh họa lược đồ đỏnh thức và truyền dữ liệu của SCP-MAC. Khi một nỳt cú một gúi tin cần gửi, nú đợi trong trạng thỏi ngủ cho đến thời điểm dành cho việc thăm dũ kờnh tại nỳt nhận. Nú sẽ gửi một tớn hiệu ngắn đỏnh thức kớch hoạt nỳt nhận. Trước khi gửi, nú thực hiện cảm ứng súng mang trong cửa sổ cạnh tranh CW1 (Hỡnh 3.4). Giống như những giao thức
CSMA tiờu biểu, cỏc nỳt cảm biến ngẫu nhiờn lựa chọn một khe trong một cửa sổ cạnh tranh cố định để giảm bớt khả năng xảy ra xung đột. Nếu phỏt hiện kờnh đang trong trạng thỏi chờ rỗi, nú sẽ gửi tớn hiệu đỏnh thức. Nếu khụng, nú trở về trạng thỏi ngủ và sẽ thực hiện thăm dũ kờnh bỡnh thường. Sau khi nỳt gửi đỏnh thức nỳt nhận, nú vào cửa sổ cạnh tranh thứ hai CW2. Nếu nỳt vẫn cũn phỏt hiện ra kờnh nhàn rỗi trong pha cạnh tranh thứ hai, thỡ nú bắt đầu gửi dữ liệu.
Hỡnh 3.4. Truyền dữ liệu với kỹ thuật đồng bộ thời điểm thăm dũ kờnh
Chia ra từng pha cạnh tranh đạt được xỏc suất xung đột thấp hơn, thời gian cạnh tranh ngắn hơn. Xỏc suất xung đột là tỉ lệ nghịch với cỡ của cửa sổ cạnh tranh. Một khi hai pha độc lập, chỳng cú sự thực hiện tốt hơn đơn pha trờn cựng khe thời gian. Ngoài cơ chế đỏnh thức và cạnh tranh, SCP-MAC cũn cú nhiều giải thuật tối ưu, vớ dụ lựa chọn RTS-CTS, trỏnh nghe thừa, thớch ứng nghe, …
3.2.3.Giao thức truy nhập theo khung thời gian
Lớp giao thức MAC thứ ba, hay cũn gọi là nhúm giao thức trờn nền TDMA, thực hiện nhúm những khe thời gian vào trong những khung và hoạch định chi tiết nỳt nào gửi trong khe thời gian nào. Lợi thế của giao thức loại này là khụng xuất hiện xung đột và do đú tiờu hao năng lượng (vỡ nghe khi rỗi và nghe thừa) cú thể được giảm bớt đỏng kể. Khi những xỏc định rừ cặp nỳt phỏt/nỳt nhận trờn một khe thời gian, cỏc nỳt cảm biến chỉ cần nghe những khe thời gian giành cho nú, khụng cần phải nghe ở tất cả cỏc khe thời gian. Khi chỉ xỏc định những nỳt gửi, cỏc nỳt cảm biến phải nghe trong tất cả cỏc khe thời gian, nhưng vẫn cú giảm tiờu hao năng lượng bởi việc tắt thành phần vụ tuyến sau khi nhận được phần tiờu đề của gúi tin MAC. Trong cả hai
phương ỏn, nghe khi rỗi cú thể được giảm bớt bằng việc kiểm tra liệu khe thời gian được sử dụng hoặc khụng.
PEDAMACS (Power Efficient and Delay Aware Medium) là phương phỏp TDMA cho phộp sử dụng tối đa tài nguyờn của trạm gốc trong mạng cảm biến đa bước nhảy. PEDAMACS giả thiết rằng nỳt gốc cú thành phần vụ tuyến với cụng suất lớn để phỏt đến tất cả nỳt trong mạng. Điều này cho phộp nỳt gốc tiến hành đồng bộ và hoạch định việc thu và phỏt của cỏc nỳt. Khi hầu hết cỏc nỳt cảm biến khụng thể phỏt trực tiếp đến nỳt gốc thụng tin yờu cầu truyền thụng, PEDAMACS cú một thủ tục khởi tạo đặc biệt. Nỳt gốc đầu tiờn thiết lập một cõy kết nối và sau đú cỏc nỳt thụng bỏo trở lại cấu hỡnh kết nối của chỳng với cỏc nỳt lõn cận (nỳt cha, nỳt con, và những nỳt khỏc) và tốc độ trao đổi dữ liệu (bỏo cỏo định kỳ). Tất cả thụng tin này được truyền đến nỳt gốc, do đú nú biết được đầy đủ topo của mạng (mọi liờn kết) và cú thể tớnh toỏn được một lịch biểu đảm bảo phi xung đột cho toàn bộ mạng. Lịch biểu này được phỏt quảng bỏ tới toàn mạng và những nỳt cảm biến trong mạng sẽ nhận và gửi dữ liệu theo lịch biểu đú. Để thớch ứng với thay đổi cấu hỡnh kết nối do cú sự di chuyển của cỏc nỳt, PEDAMACS kớch hoạt tiến trỡnh cập nhật lại cấu hỡnh mạng, cho phộp cỏc nỳt thụng bỏo sự thay đổi kết nối chỳng với cỏc nỳt lõn cận.
Trong giao thức truy nhập cú thớch ứng lưu lượng TRAMA (TRaffic Adaptive Medium Access) cỏc nỳt cảm biến quảng bỏ thụng tin về lưu lượng được chuyển qua chỳng cũng như những định danh của cỏc nỳt lõn cận. Qua việc quan sỏt những bỏo cỏo này, một nỳt sẽ biết được thụng tin về cỏc nỳt lõn cận trong hai chặng quanh nú, thụng tin đú được sử dụng để tớnh toỏn một lịch biểu phi xung đột (bằng một hàm băm phõn tỏn) xỏc định nỳt phỏt cho mỗi khe thời gian dựa vào định danh nỳt và số thứ tự khe thời gian. Thụng tin lưu lượng tải của chặng lõn cận được sử dụng để xỏc định ưu tiờn cho nỳt bận nhất. Để giảm bớt nghe thừa, nỳt gửi gửi kốm trong mỗi gúi thụng tin ở dạng bitmap về những nỳt nhận kế tiếp mà nú lập kế hoạch để gửi trong 100 khe tiếp theo. Nếu lưu lượng thực tế thấp hơn đỏnh giỏ ban đầu được quảng bỏ tới cỏc nỳt lõn cận, một nỳt cú thể xúa yờu cầu gửi bằng cỏch đặt giỏ trị 0 ở phần
cũn lại của bitmap. Điều này cho phộp những nỳt khỏc nắm cú khả năng giới hạn để điều chỉnh những dao động lưu lượng.
Khi thụng tin lưu lượng cần để quảng bỏ tới mọi khe thời gian để thực hiện hàm lập lịch biểu, giao thức TRAMA phải xử lý khỏ nhiều thụng tin điều khiển. Phiờn bản cải tiến tiếp theo là giao thức FLAMA (FLow-Aware Medium Access) cho phộp nõng cao sự ổn định của bỏo cỏo định kỳ bằng một cơ chế trả lời khi được yờu cầu (pull-based). Thay vỡ quảng bỏ những thụng tin về lưu lượng, những nỳt bõy giờ chỉ trả lời dựa trờn những yờu cầu phỏt sinh khi một luồng được thiết lập, do vậy sẽ giảm bớt đỏng kể việc xử lý thụng tin điều khiển.
Giao thức LMAC (Lightweight MAC) sử dụng một cơ chế chọn lọc khe thời gian phõn tỏn dựa vào thụng tin hai chặng lõn cận, nhưng khụng giống TRAMA và FLAMA, lịch biểu được lập ra khụng phụ thuộc vào số thứ tự của khe thời gian. Bờn cạnh việc tớnh toỏn đơn giản, LMAC cũn cho phộp tối giản số lần chuyển chế độ thu phỏt của một nỳt, bởi vỡ trong thời gian trong đú thành phần vụ tuyến khụng được sử dụng.
Hỡnh 3.5. Lựa chọn khe bởi LMAC, mỗi nỳt cảm biến được đỏnh dấu bởi thứ tự khe thời gian và một dóy bớt
Mỗi nỳt sở hữu một khe thời gian cú độ dài cố định, trong đú nú luụn luụn truyền phần tiờu đề cú thể kốm theo dữ liệu. Tiờu đề cú nhiều trường, bao gồm địa chỉ trạm đớch và độ dài của dữ liệu payload. Khụng giống đa số
cỏc giao thức MAC khỏc, việc nhận đỳng dữ liệu trong giao thức LMAC khụng được biờn nhận bởi nỳt nhận, việc này được xử lý ở những giao thức lớp trờn.
Để thực thi chớnh sỏch cho một nỳt mới gia nhập mạng, mỗi tiờu đề chứa một dóy bit trỡnh bày chi tiết những khe thời gian nào bị chiếm giữ bởi nỳt lõn cận của nỳt phỏt (chủ nhõn của khe thời gian). Bằng cỏch thực hiện phộp OR cỏc dóy bớt của tất cả cỏc tiờu đề trong một khung, một nỳt mới cú thể dễ dàng xỏc định khe thời gian nào vẫn cũn sẵn cú trong khu lõn cận hai bước nhảy quanh nú. Nú ngẫu nhiờn lựa chọn một trong số những khe đú để sở hữu và bắt đầu gửi những tiờu đề để thụng bỏo. Sẽ xảy ra sự kiện ngẫu nhiờn hai nỳt mới cựng chọn một khe tại một thời điểm sẽ xảy ra xung đột, cỏc tiờu đề sẽ bị lỗi. Một nỳt lõn cận quan sỏt được điều này sẽ thụng tin quảng bỏ số thứ tự của khe thời gian liờn quan như một phần của tiờu đề của nú, thụng bỏo cho những trạm mới này biết để dừng và thử lần nữa.
Cơ chế chọn lọc khe thời gian của LMAC cú một hạn chế. Số những nỳt trong bất kỳ khu lõn cận hai bước nhảy ngắn nào khụng thể vượt hơn số khe thời gian trong một khung, và vỡ vậy cần cố định trước sự triển khai. Chọn một số lớn khe thời gian trờn một khung dẫn tới việc dự phũng quỏ mức và làm lóng phớ những khe thời gian và gia tăng xử lý thụng tin điều khiển (dóy bit lớn), việc chọn một số thấp cú thể hạn chế những nỳt tham gia trong quỏ trỡnh triển khai. Bằng việc cho phộp cho những nỳt được đũi hỏi nhiều khe thời gian trờn một khung trong giao thức AI-LMAC (Adaptive
Information-centric LMAC), vấn đề trờn phần nào được giải quyết. Nú cũng cho phộp tăng thụng lượng đạt được bởi việc cấp phỏt nhiều khe thời gian hơn cho những nỳt gần nỳt gốc. Để tin cậy, quyết định dành bao nhiờu khe cho một nỳt cụ thể được để lại cho giao thức lớp trờn. (AI-) LMAC là một giao thức trờn nền khung thuần nhất, đơn giản mà thực hiện tốt vấn đề tiết kiệm năng lượng tiờu thụ.
3.2.4. Cỏc giao thức lai và xu hướng thiết kế giao thức MAC
Ở phần trờn chỳng ta đó thấy được ba cỏch tiếp cận khỏc nhau để tạo ra những giao thức MAC hiệu năng phỏt triển từ những ý tưởng đơn giản như
thực hiện chu kỳ thức/ngủ của S-MAC tới đồng bộ kết hợp thăm dũ kờnh như SCP-MAC. Tất cả đều hướng vào giải quyết vấn đề nghe khi rỗi (idle listening) là nguồn chớnh của việc gia tăng xử lý thụng tin điều khiển. Điều này đó nhắc những nhà thiết kế chỳ ý tới mặt trỏi của việc tập trung quỏ nhiều vào vấn đề tiết kiệm năng lượng mà khụng để ý tới vấn đề khả năng thực