3.1.1. Những yếu tố ảnh hưởng khi thiết kế mạng cảm biến.
Thiết kế mạng cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm: sự thứ lỗi; tớnh biến đổi được; giỏ thành sản xuất; mụi trường hoạt động; topo mạng; mụi trường truyền; và tiờu thụ điện năng,... chỳng như một nguyờn tắc mang tớnh định hướng khi thiết kế một giao thức hoặc một giải thuật cho những mạng cảm biến.
Độ thứ lỗi, nỳt cảm biến rất dễ hỏng hoặc ngừng hoạt động do hết pin. Sự ngừng hoạt động của một số nỳt cảm biến khụng được ảnh hưởng tới nhiệm vụ toàn bộ mạng cảm biến. Đõy là vấn đề tin cậy hoặc vấn đề chịu đựng lỗi. Sự chịu đựng lỗi là khả năng chống đỡ những hoạt động mạng cảm biến mà khụng cú bất kỳ ngắt quóng nào do những sự thất bại nỳt cảm biến.
Chỳ ý rằng những giao thức và những giải thuật cú thể được thiết kế để hướng vào mức chịu đựng lỗi yờu cầu bởi mạng cảm biến. Nếu mụi trường nơi những nỳt cảm biến được triển khai cú nhiễu nhỏ, thỡ những giao thức cú thể cởi mở hơn. Mức chịu đựng lỗi phụ thuộc vào những ứng dụng khỏc nhau của những mạng cảm biến. Những lược đồ phải phỏt triển ứng dụng cho mạng cảm biến luụn phải chỳ ý đến vấn đề này.
Tớnh biến đổi được, số lượng nỳt cảm biến được triển khai để nghiờn cứu một hiện tượng cú thể ở mức độ hàng trăm hoặc hàng nghỡn. Những lược đồ giao thức mới phải cú khả năng làm việc với số lượng lớn cỏc nỳt, được triển khai với mật độ cao. Mật độ cú thể chỉ là vài nỳt đến hàng trăm nỳt trong một vựng cảm biến cú thể cú đường kớnh nhỏ hơn 10m. Mật độ nỳt phụ thuộc vào ứng dụng được triển khai.
Giỏ thành sản xuất, khi mạng cảm biến với một số lượng lớn nỳt cảm biến, giỏ thành của một nỳt rất quan trọng để quyết định giỏ thành toàn bộ
mạng. Nếu giỏ thành để triển khai mạng cảm biến đắt hơn khi triển khai những cảm biến truyền thống, thỡ mạng cảm biến khụng đỏng triển khai, do đú giỏ thành sản xuất của mỗi nỳt cảm biến phải được giữ ở mức thấp.
Topo mạng cảm biến, phần lớn những nỳt cảm biến được triển khai tại những địa điểm khú quản lý, cỏc nỳt cảm biến thường khú quản trị, dễ hỏng, do vậy vấn đề bảo trỡ topo mạng cảm biến là một nhiệm vụ khú khăn. Việc triển khai cỏc nỳt cảm biến ở mật độ cao đũi hỏi sự nghiờn cứu, xử lý bảo trỡ topo mạng một cỏch hợp lý.
Mụi trường triển khai, những nỳt cảm biến được triển khai mật độ dày rất gần hoặc trực tiếp bờn trong hiện tượng để quan sỏt. Bởi vậy, thụng thường chỳng làm việc trong những khu vực xa xụi mà con người khú cú thể tới được. Chỳng cú thể đang làm việc bờn trong cỗ mỏy lớn, dưới đỏy đại dương, trờn bề mặt của đại dương trong khu vực bóo lớn, trong mụi trường ụ nhiễm… Cỏc mụi trường triển khai khỏc nhau đũi hỏi cỏc nỳt cảm biến phải được thiết kế phự hợp cho mụi trường mà chỳng sẽ được triển khai.
Mụi trường truyền thụng, trong một mạng cảm biến đa bước nhảy, việc kết nối truyền thụng giữa cỏc nỳt được thực hiện trong mụi trường khụng dõy. Những mối liờn kết này cú thể được hỡnh thành bởi súng rađiụ, hồng ngoại hoặc quang học. Để hoạt động của mạng cảm biến mang tớnh phổ biến toàn cầu, mụi trường truyền được chọn cũng phải phổ biến tương tự.
Mức độ tiờu thụ điện năng, nỳt cảm biến khụng dõy là một thiết bị điện tử rất nhỏ, cú thể chỉ được trang bị với một nguồn điện cú hạn. Trong một số trường hợp, việc thay thế nguồn cung cập điện năng là bất khả thi, vỡ vậy tuổi thọ của một nỳt cảm biến phụ thuộc chủ yếu vào tuổi thọ của pin. Trong một mạng cảm biến đa bước nhảy, mỗi nỳt cảm biến vừa thực hiện chức năng khởi phỏt dữ liệu vừa thực hiện định tuyến dữ liệu. Việc khụng thực hiện đỳng chức năng của một vài nỳt cú thể gõy làm tụpụ mạng thay đổi và cú thể yờu cầu định tuyến, và tổ chức lại mạng. Do vậy, quản lý và sử dụng năng lượng càng trở nờn quan trọng.
Trong những mạng ad hoc và di động khỏc, tiờu thụ điện là một yếu tố quan trọng trong thiết kế, nhưng khụng phải quan trọng nhất, đơn giản vỡ nguồn cung cấp năng lượng cú thể được thay thế, cỏch nhỡn nhấn mạnh về đảm bảo chất lượng dịch vụ hơn là về hiệu suất sử dụng năng lượng. Tuy nhiờn trong những mạng cảm biến, hiệu năng là một nhõn tố quan trọng, trực tiếp ảnh hưởng sự tồn tại của mạng. Giao thức cho ứng dụng đặc biệt cú thể được thiết kế đảm bảo cõn bằng giữa cỏc nhõn tố khỏc như độ trễ, thụng lượng với hiệu năng.
3.1.2. Yờu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến
Những giao thức MAC bị ảnh hưởng bởi một số thuộc tớnh ràng buộc. Thiết kế giao thức MAC cần đạt được sự cõn bằng giữa những ràng buộc đú.
Tớnh trỏnh xung đột (Collision Advoidance) là một yờu cầu cơ bản của tất cả cỏc giao thức MAC, nú xỏc định khi nào một nỳt cú thể truy nhập đường truyền và thực hiện trao đổi dữ liệu.
Tớnh hiệu năng (Energy Efficiency) là một trong những thuộc tớnh quan trọng nhất những giao thức MAC mạng cảm biến. Như đó đề cập ở trờn, đa số cỏc nỳt cảm biến hoạt động bằng pin, rất khú để thay đổi hoặc nạp điện lại cho pin của những nỳt này. Thực tế, nhiều mục đớch thiết kế của những mạng cảm biến được xõy dựng bằng những nỳt đủ rẻ để vứt bỏ hơn là nạp lại. Trong tất cả cỏc trường hợp, việc kộo dài cả cuộc đời của mỗi nỳt là một vấn đề then chốt. Dự với nền tảng phần cứng nào, năng lượng cho thu phỏt súng vụ tuyến là nguồn tiờu thụ năng lượng chớnh. Lớp MAC trực tiếp điều khiển hoạt động thu phỏt súng vụ tuyến, và sự tiờu thụ năng lượng của nú như thế nào ảnh hưởng đỏng kể tới cả cuộc đời của nỳt.
Tớnh biến đổi được và khả năng thớch ứng (Scalability and Adaptivity)
là những thuộc tớnh liờn quan của một giao thức MAC điều tiết những sự thay đổi trong kớch thước mạng, mật độ và topo mạng. Nhiều nỳt cú thể khụng hoặc ngừng hoạt động trong thời gian dài; vài nỳt mới cú thể tham gia về sau; một vài nỳt khỏc cú thể di chuyển tới những vị trớ khỏc. Một giao thức MAC tốt cần phải điều tiết những sự thay đổi như vậy một cỏch hợp lý. Tớnh biến
đổi được và khả năng thớch ứng để thay đổi trong kớch thước, mật độ và topo mạng là những thuộc tớnh quan trọng, bởi vỡ những mạng cảm biến được triển khai phi cấu trỳc và thường hoạt động trong những mụi trường khụng chắc chắn.
Sự sử dụng kờnh (Channel utilization) phản chiếu toàn bộ băng thụng của kờnh được dựng trong truyền thụng ra sao, nú cũng được đề cập như sự sử dụng băng thụng hoặc dung lượng kờnh truyền. Đú là một vấn đề quan trọng đối với hệ thống điện thoại tế bào hoặc mạng cục bộ khụng dõy (WLANs), khi băng thụng là tài nguyờn quý giỏ nhất trong những hệ thống như vậy và cỏc nhà cung cấp dịch vụ đều muốn càng nhiều người dựng càng tốt. Mặt khỏc, số những nỳt hoạt động trong mạng cảm biến chủ yếu về được xỏc định bởi loại ứng dụng. Sự sử dụng kờnh thường là một mục tiờu thứ nhỡ trong những mạng cảm biến.
Độ trễ(Latency) đú là sự trỡ hoón một nỳt gửi cú một gúi tin để gửi cho đến khi gúi tin được nhận thành cụng bởi nỳt nhận. Trong mạng cảm biến, sự quan trọng của độ trễ phụ thuộc vào ứng dụng. Trong những ứng dụng như giỏm sỏt hoặc theo dừi, cỏc nỳt cảm biến khụng hoạt động phần lớn thời gian cho đến khi một sự kiện nào đú được phỏt hiện. Những ứng dụng này cú thể thường bỏ qua sự trễ thụng điệp bổ sung nào đú, bởi vỡ tốc độ mạng nhanh hơn tốc độ của một đối tượng vật lý. Tốc độ cảm biến đối tượng đặt một ranh giới trờn về tốc độ phản ứng mà mạng phải đạt được. Trong khoảng thời gian khụng cú sự kiện cảm ứng, cú rất ớt dữ liệu trao đổi trong mạng. Sự trễ ở mức nhỏ hơn một giõy cho một khởi tạo một thụng bỏo sau thời kỳ nhàn rỗi thỡ khụng quan trọng bằng sự tiết kiệm năng lượng và thời gian hoạt động của thiết bị. Nhưng ngược lại, sau khi cảm biến xỏc định được sự kiện, hoạt động với độ trễ thấp thành quan mục tiờu quan trọng.
Thụng lượng (Throughput) đề cập tới số lượng của dữ liệu chuyển thành cụng từ một nơi gửi đến một nơi nhận trong một khoảng thời gian cho trước. Nhiều nhõn tố ảnh hưởng đến thụng lượng, bao gồm hiệu quả của sự trỏnh xung đột, sự sử dụng kờnh, độ trễ, và xử lý thụng tin điều khiển. Giống với độ trễ, sự quan trọng của thụng lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng.
Những ứng dụng cảm biến mà yờu cầu vũng đời lõu thường chấp nhận độ trễ nhiều hơn và thụng lượng thấp hơn.
Một thuộc tớnh liờn quan gọi là goodput, thể hiện thụng lượng được đo chỉ bởi dữ liệu được nhận bởi nơi nhận mà khụng cú bất kỳ lỗi nào.
Fairness thể hiện khả năng những người dựng, những nỳt hoặc những ứng dụng khỏc nhau cựng nhau chia sẻ kờnh truyền một cỏch cụng bằng. Nú là một thuộc tớnh quan trọng trong mạng tiếng núi hoặc những mạng dữ liệu truyền thống, một khi mỗi người dựng mong muốn một cơ hội như nhau để gửi hoặc nhận dữ liệu cho những ứng dụng của chớnh mỡnh. Tuy nhiờn, trong những mạng cảm biến, tất cả cỏc nỳt hợp tỏc cho một nhiệm vụ chung đơn lẻ. Ở tại thời điểm đặc biệt, một nỳt cú thể cú nhiều dữ liệu hơn để gửi so với cỏc nỳt khỏc, như vậy, hơn là đối xử với mỗi nỳt cụng bằng, thành cụng được đo bởi sự thực hiện của ứng dụng, Và độ fairness đối với từng nỳt hoặc từng người dựng trở nờn ớt quan trọng hơn.
Túm lại, cỏc vấn đề nờu ở trờn là những thuộc tớnh thể hiện những đặc trưng của một giao thức MAC. Đối với mạng cảm biến khụng dõy, những yếu tố quan trọng nhất là sự trỏnh xung đột cú hiệu quả, hiệu quả năng lượng, tớnh biến đổi và thớch ứng được với mật độ và số lượng nỳt. Những thuộc tớnh khỏc là thứ yếu.
3.1.3. Đặc tớnh hiệu năng trong những giao thức MAC
Đặc tớnh hiệu năng là một trong những yờu cầu quan trọng nhất trong thiết kế mạng cảm biến khụng dõy. Thiết kế một giao thức MAC hiệu năng, chỳng ta phải cho trả lời cõu hỏi: những nguyờn nhõn gõy ra sự lóng phớ năng lượng. Cú những nguyờn nhõn chớnh sau đõy:
Sự xung đột (Collision) là nguyờn nhõn đầu tiờn gõy tiờu phớ năng lượng. Khi hai gúi được truyền cựng thời điểm sẽ xảy ra xung đột, chỳng bị hỏng và phải được loại bỏ. Yờu cầu truyền lại gúi tin sau đú sẽ làm phỏt sinh sự tiờu hao năng lượng. Do đú tất cả cỏc giao thức MAC cố gắng trỏnh xung đột bằng mọi cỏch.
Nguyờn nhõn thứ hai gõy tiờu hao năng lượng là vấn đề nghe khi rỗi (Idle Listening). Nú xảy ra khi thành phần súng vụ tuyến thực hiện “nghe” kờnh xem cú dữ liệu khụng để nhận. Sự tiờu hao này đặc biệt cao trong những ứng dụng mạng cảm biến, nơi khụng cú dữ liệu trao đổi trong thời gian khụng cú sự kiện được cảm biến. Nhiều giao thức MAC (như CSMA và CDMA) luụn luụn nghe kờnh khi hoạt động dự khụng cú dữ liệu để gửi. Chi phớ chớnh xỏc của vấn đề nghe khi rỗi phụ thuộc vào phần cứng và chế độ hoạt động thành phần súng vụ tuyến. Đa số cỏc mạng cảm biến được thiết kế để hoạt động trong thời gian dài và cỏc nỳt cảm biến cũng sẽ trong ở trạng thỏi nghe khi rỗi một thời gian dài. Trong những trường hợp như vậy, nghe khi rỗi là một yếu tố chớnh trong vấn đề tiờu thụ năng lượng của thành phần súng vụ tuyến.
Nguyờn nhõn thứ ba là vấn đề nghe thừa (overhearing) xuất hiện khi một nỳt nhận được những gúi tin mà được dành cho những nỳt khỏc. Phải nghe thừa những lưu thụng khụng cần thiết, khụng giành cho mỡnh cú thể là một nhõn tố chớnh gõy tiờu hao năng lượng khi lưu lượng, tải truyền tăng và mật độ phõn bố nỳt cao.
Nguyờn nhõn cuối cựng mà chỳng ta xem xột là sự xử lý gúi tin điều khiển. Sự gửi, nhận, và nghe những gúi tin điều khiển cũng tiờu thụ năng lượng. Khi những gúi điều khiển khụng trực tiếp chuyờn chở dữ liệu, chỳng cũng làm giảm goodput.
Một giao thức MAC thiết kế cho mạng cảm biến phải đạt được yờu cầu tiết kiệm năng lượng bởi việc điều khiển thành phần súng vụ tuyến để trỏnh hoặc giảm bớt tiờu phớ năng lượng do những nguyờn nhõn trờn. Việc tắt thành phần súng vụ tuyến khi nú chưa được cần đến là một chiến lược quan trọng cho việc tiết kiệm năng lượng. Một lược đồ quản lý năng lượng đầy đủ phải xem xột tất cả cỏc nguồn làm tiờu phớ năng lượng, khụng phải là chỉ là thành phần súng vụ tuyến.