Tiêu Thụ Năng Lượng Khi Nghe Thông Tin Thừa (Overhearing)

Nghe khi rỗi xảy ra khi thành phần thu phát sóng vô tuyến thực hiện “nghe” kênh xem có dữ liệu từ sự kiện môi trường hoặc từ các nút trong mạng không thể nhận. Bởi vậy, việc đảm bảo hạn chế tiêu thụ năng lượng trong quá trình này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng WSN. Đây là vấn đề được xác định là gây lãng phí năng lượng lớn nhất trong WSNs. Bởi vì, một nút bất kỳ không thể biết được khi nào có thông tin, dữ liệu gửi cho mình. Bởi vậy, nút này phải duy trì năng lượng cho thiết bị thu phát trong tất cả lần nhận thông tin, kể cả những thông tin không phải gửi đến cho mình. Trong một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thời gian để nghe khi nhàn rỗi có thể chiếm đến trên 99%, còn lại 1% là để dành cho việc nhận và gửi dữ liệu [3]

2.2.3. Tiêu thụ năng lượng khi nghe thông tin thừa (Overhearing)

Do sự chồng chéo vùng phủ sóng của thiết bị thu phát tín hiệu. Nên khi nhiều nút cùng cảm nhận được một sự kiện gần tương đồng thì nhiều dữ liệu gần như trùng lặp về nội dung sẽ được truyền tới các nút khác hoặc tới nút Sink. Do đó, những nút này sẽ thực hiện các giai đoạn truyền thông (thu, nhận, xử lý tín hiệu) và cần tiêu tốn năng lượng nhất định. Hơn nữa, mặc dù gói tín được định tuyến trước, nhưng những nút trong phạm vi chồng chéo vẫn nghe được thông tin này. Cho nên, chúng cũng sẽ tiêu tốn một năng lượng nhất định cho việc này. Hiện tượng này được gọi là nghe thừa - nghe thông tin thừa.

Nghe thừa xuất hiện khi một nút nhận được những gói tin mà không dành cho mình, mà phải nghe những thông tin lưu thông không cần thiết, không dành cho mình. Đây cũng là một nguyên nhân gây lãng phí năng lượng. Đặc biệt, với những mật độ phân bố cao, lưu lượng lớn, truyền tải lớn thì năng lượng nghe thông tin thừa gây ra tiêu hao năng lượng càng lớn.

Ngoài những nguyên nhân chính trên, chúng ta còn thấy rằng cấu hình mạng WSN là động. Do đó, việc đồng bộ hóa, đồng bộ với sự gia nhập của nút

mới cũng như đồng bộ lại khi có sự thay đổi (thêm/bớt nút). Khi đó, năng lượng cấp cho việc xử lý này cũng chiếm đáng kể trong quá trình tồn tại của mạng WSNs.

2.2.4. Xử lý các gói tin điều khiển

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 97 trang tài liệu này.

Các gói tín điều khiển bao gồm việc gửi, nhận nghe các gói tin này của nút. Dù các gói tin điều khiển không chuyên chở dữ liệu nhưng nó cũng làm tiêu thụ năng lượng đáng kể của nút mạng. Một giao thức MAC thiết kế cho mạng cảm biến không dây cần giải quyết được các nguyên nhân trên bằng việc điều khiển các thành phần sóng vô tuyến để tránh hoặc giảm bớt tiêu hao năng lượng.

2.3. Các mục tiêu thiết kế giao thức MAC trong WSN

Mạng WSN được chia thành 04 lớp, trong đó lớp chịu trách nhiệm về điều khiển truy nhập môi trường là lớp MAC. Giao thức MAC được thiết kế với mục tiêu điều khiển sao cho các nút có thể truy cập vào đường truyền với chi phí năng lượng là nhỏ nhất. Trong giao thức MAC truyền thống được thiết kế với mục tiêu đó là tối đa thông lượng (throughput), tối thiểu độ trễ (latence) và cung cấp sự công bẳng (fairness). Còn với giao thức MAC trong mạng WSN thì bên cạnh các mục tiêu trên, chúng còn phải đạt được mục tiêu tối thiểu tiêu thụ năng lượng, phục vụ yêu cầu thông lượng thấp và độ trễ cao. Dưới đây là các mục tiêu thiết kế giao thức MAC trong mạng WSNs.

2.3.1. Tránh xung đột - tắc nghẽn tín hiệu (Collision advoidance - Obstruction)

Như chúng ta đã biết, sự lãng phí năng lượng một phần là do xung đột đường truyền tín hiệu. Hai gói tin của 2 nút trong mạng được truyền cùng thời điểm thì sẽ xảy ra xung đột, chúng bị hỏng và bị loại bỏ. Cho nên, khi yêu cầu truyền lại gói tin lần nữa sẽ làm hao phí thêm năng lượng của nút. Tuy nhiên

có thể khi đó cả 2 nút cùng được yêu cầu truyền lại cùng một thời điểm nên rất có thể xảy ra xung đột một lần nữa. Điều này sẽ gây ra sự tắc nghẽn trong môi trường truyền khi mà 2 nút cứ cố gắng truyền lại mãi. Nếu cứ tiếp tục như vậy thì hao phí năng lượng sẽ là rất lớn vì việc thực hiện phát tín hiệu là công việc gây tiêu tốn năng lượng nhất của một nút. Do đó, tất cả các giao thức MAC đều phải cố gắng tránh gây ra xung đột bằng mọi cách để làm tăng hiệu quả năng lượng. Tức là hạn chế có hai nút cùng sử dụng đường truyền trong cùng một thời điểm. Điều này đòi hỏi giao thức MAC phải quyết định lúc nào được truy nhập vào đường truyền để thực hiện trao đổi dữ liệu trong một thời điểm xác định.

2.3.2. Sử dụng năng lượng hiệu quả (Energy efficient)

Trong WSNs, nguồn cung cấp năng lượng cho các nút cảm biến là pin. Do đó, việc phân phối năng lượng cho các thành phần trong nút phải hợp lý, cũng như phân phối hoạt động phù hợp cho các thành phần này sẽ tiết kiệm phần lớn năng lượng. Đó chính là sử dụng năng lượng hiệu quả. Bởi vậy, nếu giảm thời gian radio sử dụng công suất cao cũng là giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng.

2.3.3. Khả năng mở rộng và thích ứng (Scalability and adaptivity)

Với đặc thù là kích thước và mật độ nút mạng cảm biến có thể thay đổi và cần đảm bảo khả năng tự cấu trúc lại topo mạng. Bên cạnh đó, với tác động của môi trường, sự di chuyển của nút mạng, gia nhập hay rời khỏi mạng của nút,… được diễn ra một cách phi chu kỳ. Do đó, một giao thức MAC cần phải quản lý linh hoạt và hiệu quả các vấn đề này.

2.3.4. Hiệu quả sử dụng kênh

Vấn đề bùng nổ tín hiệu/dữ liệu trong một thời điểm - nhiều nút cảm biến cùng có nhu cầu truyền dữ liệu, dẫn tới khả năng đáp ứng đồng thời của kênh

truyền gặp nhiều khó khăn. Vì vậy, khi thiết kế giao thức MAC phải quan tâm đến việc sao cho kênh truyền được sử dụng tối đa khi có sự bùng nổ thông tin, và tránh được trường hợp nhu cầu truyền tín hiệu cao mà kênh lại rỗi do nút mạng khó truy cập được vì xung đột tín hiệu. Như vậy, việc bố trí kênh truyền hợp lý sẽ tạo thuận lợi cho việc truyền thông, kéo theo năng lượng tiêu hao cho việc truyền lại sẽ giảm, tăng hiệu quả năng lượng truyền thông.

2.3.5. Độ trễ

Độ trễ là thời gian từ thời điểm bắt đầu truyền một gói tin đến khi nó nhận được thành công gói tin đó. Giao thức MAC nằm trong tầng trung gian, dữ liệu được trao đổi từ tầng ứng dụng lần lượt qua các tầng sau đó tới tầng chứa giao thức MAC và cuối cùng tới tầng vật lý rồi truyền trên môi trường truyền thông để tới đích. Do đó, để sử dụng năng lượng hiệu quả và thích ứng được điều kiện đó thì việc thiết kế giao thức MAC cần xác định một độ trễ phù hợp nhằm giải quyết sao cho hiệu quả năng lượng là tốt nhất.

2.3.6. Thông lượng (Throughput)

Thông lượng là một số lượng dữ liệu truyền thành công giữa nút gửi và nút nhận trên một đơn vị thời gian nhất định. Điều này phụ thuộc vào loại ứng dụng. Tuy nhiên, cũng có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới thông lượng như xung đột, độ trễ, kênh truyền hay tín hiệu điều khiển,… Do đó, khi ta hạn chế được các yếu tố ảnh hưởng sẽ tăng cường thông lượng cho mạng và đồng thời tiết kiệm được lãng phí năng lượng.

2.3.7. Sự công bằng

Là sự chia sẻ và sử dụng kênh truyền như nhau giữa các nút mạng, ứng dụng hay những người dùng khác nhau. Đây là vấn đề khá quan trọng trong các mạng truyền thông thông thường. Tuy nhiên, với mạng cảm biến không dây thì sự phân bố không xác định và tùy thuộc vào loại ứng dụng mà có thể một thời

điểm có thể có nhiều nút cùng có sự cảm biến đối với các sự kiện khác nhau. Cho nên, nhu cầu gửi thông tin cho các nút sẽ khác nhau.

2.4. Giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh

Giao thức MAC dựa trên cạnh tranh chủ yếu dựa trên phương pháp đa truy cập có cảm nhận song mang và tránh xung đột (CSAM/CA - Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Ý tưởng chính là nghe trước khi truyền. Mục đích của cảm nhận sóng mang là để phát hiện ra kênh truyền có đang bận hay rỗi. Giao thức MAC dựa trên cạnh tranh có 6 loại là S-MAC, T-MAC, DMAC, TEEM, UMAC và BMAC.

2.4.1. Giao thức S-MAC (Sensor - MAC)

2.4.1.1. Giới thiệu giao thức S-MAC

S-MAC được giới thiệu vào năm 2002 bởi [4]. SMAC là một trường hợp của đa phân chia thời gian thuần túy được xây dựng trên nền tảng của các giao thức cạnh tranh như 802.11, S-MAC cố gắng kế thừa sự linh hoạt, tính khả biến của giao thức trên nền cạnh tranh trong khi cải tiến tính hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng đa bước nhảy. Giao thức này cố gắng giảm bớt tiêu thụ năng lượng từ tất cả các nguồn được xác định là nguyên nhân gây tiêu hao năng lượng, đó là: nghe nhàn rỗi (idle listening), xung đột (collision), nghe lỏm (overhearing) và xử lý thông tin điều khiển (overhead). Để đạt được mục đích như thiết kế, S-MAC được thiết kế gồm có 3 thành phần chức năng chính: chu kỳ thức - ngủ, tránh xung đột, nghe lỏm và xử lý thông điệp.

2.4.1.2. Chu kỳ thức - ngủ

Trong những ứng dụng của WSN, chu kỳ thức ngủ gồm 2 phần đó là: Phần thức (active) và phần ngủ (Sleep). Trong phần thức thì thiết bị thu phát tín hiệu sẽ được bật và cung cấp năng lượng cao phục vụ truyền, nhận và xử lý dữ liệu. Trong phần ngủ thì nút cảm biến sẽ tắt các thiết bị thu phát để bảo tồn

năng lượng. Nếu không xuất hiện sự kiện cảm biến thì các nút cảm biến thường ở trạng thái nhàn rỗi trong phần lớn thời gian. S-MAC được thiết kế để giảm bớt thời gian thức bằng cách để cho nút cảm biến định kỳ chuyển sang trạng thái ngủ. Khi đó, năng lượng của nút mạng sẽ được tiết kiệm một cách đáng kể do ở trong trạng thái ngủ nó sẽ tiêu tốn năng lượng ít hơn rất nhiều so với khi hoạt động.

Lược đồ hoạt động cơ bản của S-MAC như hình 2.1.

Hình 2.1. Lược đồ giao thức S-MAC

Qua hình 2.1, mỗi nút cảm biến chuyển vào trạng thái ngủ trong một khoảng thời gian, sau đó tỉnh dậy và nghe xem liệu có nút nào muốn truyền tín hiệu tới nó. Trong thời gian ngủ, nút cảm biến tắt bộ phận thu phát vô tuyến và đặt thời gian để quay về trạng thái thức. Việc này tạo thành một chu kỳ là chu kỳ thức - ngủ và khoảng thời gian cho việc thức và ngủ có thể được lựa chọn theo những ứng dụng khác nhau. Lược đồ trên yêu cầu có định kỳ sự đồng bộ giữa các nút cảm biến trong vùng tránh sai lệch thời gian. Ở đây có thể sử dụng hai kỹ thuật để đồng bộ thời gian: Thứ nhất, chúng trao đổi các thông số thời gian qua các gói tin timestamps, thời gian được đồng bộ là tương đối. Thứ hai, tăng khoảng thời gian nghe lên đáng kể so với thời gian bị sai lệch do lỗi. Ví dụ, khoảng thời gian nghe là 0.5s gấp 105 lần thời gian lệch. Như vậy yêu cầu điều kiện đồng bộ giữa các nút lân cận trong S-MAC không quá khắt khe. Tất cả các nút cảm biến đều tự do lập lịch cho mình chu kỳ thức-ngủ. Tuy nhiên, để giảm bớt phải xử lý những gói tin điều khiển, tốt hơn là để cho các nút trong vùng đồng bộ cùng nhau. Có nghĩa là chúng thức cùng lúc và chuyển sang trạng thái ngủ cùng lúc. Nhưng cũng cần chú ý trong một mạng đa bước nhảy không

phải tất cả các nút lân cận có thể đồng bộ hóa cùng nhau.Chẳng hạn, hai nút lân cận A và B có thể có lịch trình khác nhau vì chúng tiến hành đồng bộ với các nút khác nhau, như C, D trong hình 2.2.

Hình 2.2. Đồng bộ giữa các nút A,B với C,D.

Các nút cảm biến trao đổi với nhau thông tin lịch làm việc của chúng bằng cách phát quảng bá cho tất cả các nút lân cận hiện thời. Điều này bảo đảm rằng tất cả các nút trong vùng vẫn có thể nói chuyện được với nhau dù chúng có lịch làm việc khác nhau. Ví dụ trong Hình 2.2, nếu nút A muốn nói chuyện với nút B, nó chỉ cần đợi cho đến khi B ở trạng thái thức. Nếu có nhiều nút trong vùng lân cận muốn nói chuyện với một nút, thì chúng cần tiến hành cạnh tranh chiếm đường truyền khi nút nhận ở trạng thái thức. Cơ chế cạnh tranh dành quyền truy nhập cũng giống chuẩn IEEE 802.11, sử dụng gói tin RTS (Request to Send) và CTS (Clear to Send). Nút nào gửi gói tin RTS ra trước sẽ giành quyền truy nhập và nút nhận sẽ trả lời với một gói CTS. Sau đó chúng bắt đầu sự truyền dữ liệu, lúc này chúng không tuân theo lịch làm việc trước đó của chúng cho đến khi chúng kết thúc truyền dữ liệu.

Đặc trưng khác của lược đồ trên là nó hình thành những nút vào trong cấu trúc liên kết phẳng. Các nút cảm biến trong vùng lân cận tự do nói chuyện với nhau bất kể lịch làm việc nào mà chúng có. Các nút được đồng bộ tự hình thành một nhóm ảo. Lược đồ này khá dễ để làm thích nghi đối với mạng có thay đổi cấu trúc liên kết.

Mặt trái của lược đồ là sự gia tăng độ trễ do duy trì chu kỳ ngủ (sleep) của mỗi nút. Hơn nữa, độ trễ có thể tích lũy qua mỗi chặng (hop), nên yêu cầu

giới hạn độ trễ của ứng dụng tạo ra giới hạn thời gian ngủ trong chu kỳ làm việc của các nút cảm biến.

Tiến trình lựa chọn và duy trì lịch làm việc được thực hiện như sau: Trước khi bắt đầu chu kỳ thức-ngủ, mỗi nút cần phải chọn một lịch biểu làm việc (khi nào thức, khi nào ngủ) và trao đổi lịch này với các nút lân cận. Mỗi nút duy trì một bảng lưu giữ tất cả các thời gian biểu của các nút lân cận mà nó biết. Quy trình chọn thời gian biểu của mỗi nút như sau:

Bước 1: Đầu tiên nút cảm biến nghe trong một khoảng thời gian nhất định. Nếu nó không nghe thấy thời gian biểu từ nút khác, nó chọn ngẫu nhiên một khoảng thời gian để bắt đầu ngủ và tức thời quảng bá thời gian biểu của nó trong thông điệp SYNC, thông điệp này thông báo rằng nó sẽ ngủ sau khoảng thời gian t giây. Chúng ta gọi một nút trên là nút đồng bộ (synchronizer), nó đã tự chọn cho mình một thời gian biểu độc lập và những nút khác sẽ phải đồng bộ theo nó.

Bước 2: Nếu một nút nhận được một thời gian biểu của một nút lân cận trước khi tự chọn cho mình thì nó sẽ lấy thời gian biểu đó thiết lập thời gian biểu cho mình. Ta gọi nút như vậy là nút đồng bộ theo (follower). Sau đó nó đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên td và phát quảng bá lại thời gian biểu này, và thông báo rằng nó sẽ ngủ sau t - td giây nữa. Sở dĩ phải đợi ngẫu nhiên khoảng thời gian td để tránh xung đột, vì nhiều khả năng có nhiều nút đồng bộ theo một nút, khi quảng bá lại thời gian biểu của mình cùng một thời điểm sẽ xảy ra xung đột.

Bước 3: Nếu một nút nhận được một thời gian biểu khác sau khi nó lựa chọn và quảng bá thời gian biểu của mình, nó sẽ chấp nhận cả hai (Ví dụ, nó sẽ lập lịch cho nó tỉnh dậy tại những thời điểm trong cả hai thời gian biểu, của