Mặc dự thực hiện giảm tiờu hao năng lượng bằng việc giảm thời gian chờ nghe qua giải phỏp thực hiện chu trỡnh thức/ngủ cố định, nhưng giải phỏp này của S-MAC chưa đạt hiệu quả tối ưu. S-MAC cú hai tham số quan trọng: độ lớn của khung thời gian (frame time) và độ dài thời gian thức (active time). Độ lớn khung thời gian bị giới hạn bởi yờu cầu về độ trễ cho phộp và độ lớn bộ đệm. Độ lớn thời gian thức phụ thuộc chủ yếu trờn tốc độ phỏt sinh thụng điệp: nú phải đủ lớn để nỳt cảm biến cú thể phỏt đi tất cả cỏc thụng điệp của nú trong khoảng thời gian thức. Trong khi yờu cầu độ trễ và khụng gian bộ đệm núi chung là cố định thỡ tốc độ phỏt sinh thụng điệp thường thay đổi. Để đảm bảo tất cả cỏc thụng điệp được phỏt như mong muốn, nỳt cảm biến phải được cài đặt một thời gian thức sao cho cú thể xử lý ở mức thụng lượng cao nhất. Nhưng khi thụng lượng xuống thấp thỡ thời gian thức sẽ khụng được sử dụng tối ưu và do đú năng lượng sẽ bị lóng phớ do vấn đề nghe khi rỗi (idle listening).
Giao thức điều khiển truy nhập T-MAC (Timeout-MAC) do hai tỏc giả Tijs van Dam và Koen Langendoen, khoa Cụng nghệ thụng tin và cỏc hệ thống, Trường đại học cụng nghệ Delft, Hà Lan, giới thiệu tại Hội nghị quốc tế về cỏc hệ thống mạng cảm biến nhỳng lần thứ nhất tại Los Angeles, Mỹ,
năm 2003 (Sensys’03), là sự cải tiến S-MAC để khắc phục nhược điểm trờn. í tưởng mới của giao thức T-MAC là giảm bớt thời gian nghe khi rỗi bằng việc truyền tất cả cỏc thụng điệp trong những cụm (burst) cú độ dài thay đổi tựy theo, và thực hiện ngủ giữa cỏc cụm, xỏc định một cỏch mềm dẻo độ dài tối ưu thời gian thức theo sự thay đổi của lưu lượng đường truyền.
4.2.1. Những vấn đề cơ bản
Hỡnh 4.5. Lược đồ cơ bản T-MAC với thời gian thức thay đổi.
Hỡnh 4.5 cho thấy lược đồ cơ bản của giao thức T-MAC. Mỗi nỳt định kỳ tỉnh dậy liờn lạc cỏc nỳt lõn cận, sau đú ngủ tiếp cho đến khi khung tiếp theo. Trong lỳc đú, những thụng điệp mới được đưa vào hàng đợi. T-MAC cũng sử dụng kỹ thuật RTS, CTS, Data, ACK để trỏnh xung đột và truyền số liệu tin cậy.
Một nỳt sẽ được đặt ở chế độ nghe và sẵn sàng thực hiện truyền số liệu khi nú đang ở trong trạng thỏi thức. Trạng thỏi thức sẽ kết thỳc khi khụng cú một sự kiện kớch hoạt (activation event) nào xuất hiện một khoảng thời gian TA. Một sự kiện kớch hoạt là:
+ sự kết thỳc một khung thời gian theo định kỳ. + sự tiếp nhận bất kỳ dữ liệu nào trờn súng vụ tuyến.
+ sự xuất hiện sự kiện cảm biến được phỏt hiện qua thành phần vụ tuyến.
+ sự kết thỳc truyền dữ liệu của một nỳt cú sở hữu gúi dữ liệu hoặc sự biờn nhận ACK;
+ thụng tin về sự kết thỳc trao đổi dữ liệu của cỏc nỳt lõn cận qua nhận được cỏc gúi RTS, CTS.
Thụng số TA xỏc định thời gian tối thiểu cho việc thức chờ nghe trờn một khung thời gian.
Lược đồ timeout chuyển tất cả cỏc giao dịch vào một cụm tại điểm bắt đầu của khung. Khi đú những thụng điệp giữa cỏc thời gian hoạt động phải được đưa vào bộ đệm. Độ lớn của bộ đệm xỏc định cận trờn của độ lớn khung thời gian cực đại.
4.2.2. Phõn nhúm và đồng bộ
Đồng bộ khung thời gian được thực hiện qua sự hỡnh thành phõn nhúm ảo như được mụ tả trong giao thức S-MAC. Khi một nỳt cảm biến bắt đầu quỏ trỡnh hoạt động của mỡnh, nú bắt đầu bằng việc đợi và nghe. Nếu nú khụng nghe thấy gỡ trong một khoảng thời gian nhất định, thỡ nú tự chọn cho mỡnh một lịch làm việc và truyền một gúi tin đồng bộ SYNC chứa đựng thời gian khởi tạo của khung tiếp theo trong lịch làm việc. Nếu nỳt cảm biến trong thời gian khởi động nghe thấy một gúi tin đồng bộ từ nỳt khỏc, thỡ nú sẽ theo lịch làm việc trong gúi tin đồng bộ đú và quảng bỏ gúi tin đồng bộ tương ứng của chớnh mỡnh.
Cỏc nỳt cảm biến thực hiện phỏt lại ngay gúi tin đồng bộ của chỳng. Chỳng thực hiện nghe đầy đủ một khung một cỏch khụng thường xuyờn, vỡ vậy chỳng cú thể phỏt hiện ra sự tồn tại của những thời gian biểu khỏc nhau. Điều này này cho phộp cỏc nỳt mới hoặc cỏc nỳt di động cú thể được chấp nhận gia nhập nhúm đó tồn tại trước đú.
Nếu một nỳt đó cú một thời gian biểu nhưng lại nghe được từ gúi tin đồng bộ một thời gian biểu khỏc (từ nỳt khỏc), thỡ nú chấp nhận cả hai và thực hiện phỏt một gúi tin đồng bộ chứa thời gian biểu của mỡnh để cho cỏc nỳt khỏc biết cú sự tồn tại thời gian biểu đú. Việc chấp nhận cả hai thời gian biểu làm việc cú nghĩa rằng nỳt sẽ cú những sự kiện kớch hoạt ở tại thời điểm bắt đầu của cả hai khung.
Muốn truyền dữ liệu, cỏc nỳt cảm biến phải khởi động tại điểm bắt đầu khoảng thời gian thức quy định trong lịch biểu của chỳng. Tại thời điểm đú, cả cỏc nỳt lõn cận cú cựng thời gian biểu, và cỏc lõn cận mà đó chấp nhận thời gian biểu như sự bổ sung đều ở trạng thỏi thức. Nếu nú thực hiện ở điểm bắt đầu của một khung của nỳt lõn cận, thỡ cú thể nú phỏt trong khi lõn cận của nú vẫn đang trong trạng thỏi ngủ. Với lược đồ này làm cú thể thực hiện quảng bỏ mà chỉ cần phỏt một lần duy nhất.
Lược đồ đồng bộ được mụ tả ở trờn được gọi là quỏ trỡnh phõn nhúm ảo, thỳc đẩy cỏc nỳt hỡnh thành nhúm với cựng thời gian biểu mà khụng bắt buộc thời gian biểu này ỏp dụng tới tất cả cỏc nỳt trong mạng. Nú cho phộp thực hiện quảng bỏ cú hiệu quả, và trỏnh sự duy trỡ thụng tin cỏc nỳt lõn cận.
4.2.3. Thực hiện gửi RTS và chọn TA trong T-MAC
T-MAC cần bổ sung một số đặc tớnh so với S-MAC để thực hiện sự điều chỉnh tối ưu thời gian thức.
4.2.3.1. Khoảng cạnh tranh cố định (Fixed contention interval)
Trong những giao thức trờn nền cạnh tranh, như IEEE 802.11, cỏc nỳt đợi ngẫu nhiờn một khoảng thời gian nhất định, gọi là khoảng thời gian cạnh tranh, sau khi phỏt hiện cú xung đột. Chỉ khi đường truyền rỗi trong thời gian ấy chỳng mới khởi động lại sự truyền. Thụng thường, một lược đồ back-off được sử dụng: khoảng thời gian cạnh tranh tăng thờm khi lưu lượng đường truyền tăng. Lược đồ back-off giảm bớt xỏc suất xảy ra xung đột khi tải tăng cao, trong khi tối thiểu độ trễ khi tải thấp.
Trong giao thức T-MAC, mỗi nỳt truyền cỏc thụng điệp trong hàng đợi của nú vào một cụm tại điểm bắt đầu của khung. Trong thời gian truyền cụm này, đường truyền là bóo hũa: những thụng điệp được truyền ở tốc độ cực đại. Mọi nỳt đều muốn giành quyền truy nhập đường truyền mỗi khi nú gửi một gúi tin RTS. Khoảng cạnh tranh ngày càng tăng thỡ lại khụng cú ớch khi tải phần lớn đó cao và khụng thay đổi. Bởi vậy, sự truyền RTS trong T-MAC bắt đầu bởi việc đợi và nghe một khoảng thời gian ngẫu nhiờn trong phạm vi một khoảng cạnh tranh cố định. Khoảng này được điều chỉnh phự hợp với tải cực
đại. Khoảng thời gian cạnh tranh luụn luụn được sử dụng dự khụng cú xung đột.
Hỡnh 4.6. Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản. Nỳt C nghe được CTS từ nỳt B và sẽ khụng làm phiền giao tiếp giữa A và B. TA phải đủ dài để C cú thể nghe
được phần đầu CTS 4.2.3.2. Thử lại phỏt lại RTS
Khi một nỳt phỏt một gúi tin RTS, nhưng khụng nhận được trở lại một CTS, cú thể một trong ba trường hợp xảy ra:
+ Nỳt nhận khụng nghe được RTS vỡ xung đột, hoặc
+ Nỳt nhận bị ngăn cản trả lời vỡ nghe được RTS hoặc CTS, hoặc + Nỳt nhận đang ngủ.
Khi nỳt gửi khụng nhận cõu trả lời trong khoảng TA, nú cú thể chuyển sang trạng thỏi ngủ. Tuy nhiờn, điều đú cú thể khụng hợp lý trong những trường hợp 1 và 2: sẽ xảy ra hiện tượng nỳt muốn gửi chuyển sang trạng thỏi ngủ trong khi nỳt nhận vẫn thức. Khi trường hợp này xảy ra thậm chớ ở ngay tại thụng bỏo đầu tiờn của khung, thụng lượng giảm đỏng kể. Bởi vậy, một nỳt cần phải cố gắng gửi lại RTS nếu nú khụng nhận được cõu trả lời. Nếu khụng cú cũn sự trả lời sau khi thử lại, nú cần phải từ bỏ ý định truyền và sang trạng thỏi ngủ.
4.2.3.3. Xỏc định khoảng TA
Một nỳt khụng nờn chuyển sang trạng thỏi ngủ trong khi cỏc nỳt lõn cận của nú vẫn cũn trao đổi số liệu, một khi nỳt lõn cận đú cú thể là nỳt nhận của
một thụng bỏo kế tiếp. Khi bắt đầu nhận được gúi tin RTS hoặc CTS của một nỳt lõn cận cũng đủ thực hiện một tỏc vụ kớch hoạt khởi tạo khoảng TA.
Khụng nằm trong vựng lõn cận, nờn một nỳt sẽ khụng nhận được thụng điệp RTS từ một nỳt mà khởi tạo truyền thụng với lõn cận của nú. Khoảng TA phải đủ dài để nhận ớt nhất bắt đầu của gúi CTS (Hỡnh 4.6). Sự quan sỏt này cho chỳng ta một cận dưới của độ dài khoảng TA:
TA > C + R + T
Ở đõy C là chiều dài khoảng cạnh tranh, R là độ dài một gúi RTS, và T là thời gian turn-around (khoảng thời gian ngắn giữa kết thỳc của gúi RTS và sự bắt đầu của gúi CTS). Chọn thời gian TA lớn sẽ làm tăng sự tiờu phớ năng lượng.
4.2.4. Trỏnh nghe thừa
Giao thức S-MAC đưa ra ý tưởng nỳt sẽ sang trạng thỏi ngủ sau khi nghe được một gúi tin RTS hoặc CTS dành cho cho nỳt khỏc. Khi đú nỳt bị ngăn cản việc gửi dữ liệu trong thời gian đú, nú khụng thể tham gia bất kỳ truyền thụng nào và tốt nhất là tắt bộ phận thu phỏt vụ tuyến của nú để tiết kiệm năng lượng.
Trỏnh nghe thừa là một tựy chọn trong giao thức T-MAC để giảm năng lượng tiờu thụ. Tuy nhiờn, chỳng sẽ làm xung đột do thụng tin điều khiển
(overhead collision) cao hơn: một nỳt cú thể khụng nhận được gúi tin RTS và CTS trong khi ngủ và làm phiền giao tiếp nào đú khi nú tỉnh dậy trở lại. Do vậy, lưu lượng cực đại giảm bớt. Mặc dầu việc trỏnh nghe thừa sẽ tiết kiệm điện năng nhưng nú khụng được sử dụng khi muốn đạt băng thụng cực đại.
4.2.5. Truyền thụng bất đối xứng
Do lưu lượng trờn mạng cảm biến phần lớn là đẳng hướng, như dạng truyền thụng từ nhiều nỳt tới nỳt gốc (Notes-to-Sink), nờn T-MAC xuất hiện hiện tượng làm giảm thụng lượng cực đại của mạng. Hiện tượng này được mụ tả như sau (Hỡnh 4.7): Cỏc nỳt từ A đến D hỡnh thành một tế bào với cỏc lõn cận của nú. Cỏc thụng điệp di chuyển từ trờn xuống dưới, như vậy nỳt A chỉ phỏt tới B, B chỉ phỏt tới C, và C chỉ phỏt tới D.
Hỡnh 4.7. Hiện tượng ngủ sớm. D đi ngủ trước khi C gửi một RTS cho nú
Khi nỳt C muốn phỏt dữ liệu tới nỳt D, nú phải tiến hành cạnh tranh, thăm dũ đường truyền để giành quyền phỏt. Việc thăm dũ cú thể khụng tiến hành được vỡ trước đú nú nhận một thụng điệp RTS từ nỳt B, hoặc nghe được thụng điệp CTS từ nỳt B trả lời tới nỳt A.
Khi C khụng tiến hành được việc thăm dũ đường truyền do nhận được thụng điệp RTS từ nỳt B, nú sẽ trả lời B một thụng điệp CTS, D sẽ nghe được thụng điệp này và đặt lịch chuyển sang trạng thỏi thức khi truyền thụng giữa C và B kết thỳc. Tuy nhiờn, nếu C khụng tiến hành được là do nghe được thụng điệp CTS từ B trả lời A (Hỡnh 4.7), nú phải giữ im lặng. Ở trường hợp này, do D khụng biết truyền thụng giữa A và B, khụng nhận được thụng điệp muốn truyền dữ liệu từ C, nú sẽ chuyển sang trạng thỏi ngủ khi thời gian thức theo lịch kết. Chỉ ở tại điểm bắt đầu của khung tiếp theo, nỳt C mới cú cơ hội để thực hiện thăm dũ và tiến hành trao đổi dữ liệu với nỳt D.
Những vấn đề quan sỏt được ở trờn được gọi là hiện tượng ngủ sớm (early sleeping problem), tức là một nỳt chuyển sang trạng thỏi ngủ khi một nỳt lõn cận vẫn thức và muốn trao đổi dữ liệu với nú. Trong dạng truyền thụng từ nỳt đến nỳt gốc, ngủ sớm làm giảm thụng lượng cú thể của T-MAC tới ớt hơn một nửa thụng lượng cực đại của những giao thức truyền thống, hoặc so với S-MAC. Cú hai giải phỏp để khắc phục hiện tượng trờn.
í tưởng của giải phỏp gửi sớm RTS là sẽ để cho nỳt nhận tiềm năng (nỳt D) biết được cú một nỳt muốn gửi dữ liệu cho nú, nhưng đang trong tỡnh trạng phải giữ im lặng để khụng làm ảnh hưởng đến giao tiếp khỏc. Khi một nỳt nghe được một thụng điệp CTS dành cho cho nỳt khỏc, nú ngay lập tức gửi một gúi FRTS (nỳt C trong Hỡnh 4.8). Gúi FRTS chứa thụng tin về độ dài của khối dữ liệu truyền thụng lấy được trong thụng điệp CTS.
Hỡnh 4.8. Thực hiện gửi sớm RTS. Gúi tin FRTS giữ D thức
Một nỳt nhận được gúi tin FRTS thỡ nú biết rằng trong khoảng thời gian t tiếp theo nú sẽ nhận được một thụng điệp RTS, do vậy phải lập lịch thức trước thời gian ấy. Thụng tin thời gian t được lấy trong thụng điệp FRTS. Để thụng điệp FRTS (do C phỏt) khụng gõy nhiễu dữ liệu trao đổi (giữa A và B) theo sau thụng điệp CTS, dữ liệu phải được hoón lại khoảng thời gian truyền FRTS. Để khụng mất kờnh truyền, nỳt khởi tạo RTS ban đầu (Nỳt A) truyền một gúi tin DS (Data-Send). Sau gúi DS, nú ngay lập tức gửi dữ liệu bỡnh thường. FRTS cú cựng kớch thước với DS, nú sẽ chỉ xung đột với gúi DS mà khụng phải với gúi dữ liệu. Gúi DS bị mất, nhưng khụng cú vấn đề gỡ vỡ nú khụng chứa đựng thụng tin.
Với giải phỏp FRTS, độ dài của khoảng thời gian TA phải được tăng thờm một khoảng bằng độ dài thụng điệp CTS. Việc thực hiện giải phỏp gửi sớm RTS sẽ làm tăng thụng lượng cực đại trong truyền thụng đẳng hướng. Tuy nhiờn, vỡ cú DS và FRTS, mức tiờu thụ năng lượng cũng tăng thờm. Cũng
cú thể sử dụng kỹ thuật FRTS trong cỏc dạng truyền thụng khỏc nhưng chỉ khi muốn tăng thụng lượng một cỏch chớnh đỏng. Vỡ khi tải ở mức thấp thỡ tốc độ trao đổi dữ liệu cũng thấp do phải gia tăng xử lý thụng tin điều khiển.
Thực hiện ưu tiờn gửi khi bộ đệm đầy (taking priority on full buffers)
Khi nào bộ đệm truyền/định tuyến của một nỳt gần đầy, thỡ việc gửi sẽ hợp lý hơn là tiếp tục nhận. Khi một nỳt nhận được RTS dành cho nú, ngay lập tức nú gửi gúi RTS của chớnh mỡnh cho nỳt khỏc, thay vỡ việc trả lời với một CTS như bỡnh thường.
Hỡnh 4.9. Thực hiện ưu tiờn gửi khi bộ đệm đầy.
Giải phỏp này cú hai hiệu quả, trước hết khi nỳt C khi trả lời B bằng thụng điệp RTS khi bộ đệm của nú đầy, một mặt nú trả lời B rằng nú khụng muốn nhận, mặt khỏc đồng thời nú cũng thụng bỏo cho D là nú muốn gửi dữ liệu. Như vậy xỏc suất mà vấn để ngủ sớm xảy ra sẽ thấp hơn. Hai là, thực hiện ưu tiờn gửi khi bộ đệm đầy hỡnh thành một giới hạn điều khiển luồng trong mạng cú lợi cho những dạng truyền thụng từ nỳt tới nỳt gốc. Trong Hỡnh 4.9, nỳt B bị ngăn gửi cho đến khi nỳt C cú đủ khụng gian bộ đệm.
Tuy nhiờn, phải cẩn thận khi sử dụng giải phỏp này, nú nguy hiểm trong trường hợp tải cao khi dạng truyền thụng khụng phải là đẳng hướng. Khi những tất cả nỳt trong một mẫu truyền thụng đa hướng bắt đầu giành quyền ưu tiờn, cơ hội cho xung đột tăng nhanh chúng. T-MAC sử dụng một