Mỗi nút của mạng có thể hoạt động độc lập để tiến hành đo các thông số khác nhau của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng, độ ồn, … Thay vì gửi số liệu thô tới nút đích thì
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Định nghĩa
Mạng cảm biến không dây (WSN) là một hệ thống phân tán bao gồm nhiều nút cảm biến liên kết với nhau qua sóng vô tuyến Các nút này thường là thiết bị nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, và có khả năng tự tổ chức, giúp đo lường và truyền thông tin môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng và độ ồn Thay vì gửi dữ liệu thô, các nút cảm biến có thể xử lý thông tin đơn giản trước khi truyền tải Mạng cảm biến không dây được phát triển để thu thập dữ liệu môi trường tại các điểm xác định trong thời gian cụ thể, nhằm phát hiện xu hướng và quy luật vận động của môi trường.
Các thành phần của mạng cảm biến không dây
Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến gồm 4 thành phần chính:
Bộ phận cảm biến bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC) Cảm biến thu thập thông tin từ môi trường và tạo ra tín hiệu tương tự, sau đó tín hiệu này được chuyển đổi sang dạng số thông qua bộ ADC trước khi được gửi đến đơn vị xử lý.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với một bộ lưu trữ nhỏ, có nhiệm vụ quản lý các thủ tục để các nút kết hợp với nhau, từ đó thực hiện các nhiệm vụ đã được định sẵn.
- Bộ phận truyền nhận (Transceiver unit): kết nối nút với mạng
Bộ nguồn là thành phần thiết yếu của nút mạng, cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động của nút Ngoài ra, tùy thuộc vào mục đích sử dụng, các nút cảm biến có thể được trang bị thêm nhiều thành phần khác.
Hệ thống định vị là yếu tố quan trọng trong kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng, vì nó yêu cầu độ chính xác cao về vị trí Để đạt được điều này, các nút cảm biến cần được trang bị bộ phận định vị.
Bộ phận quản lý di động (Mobilizer) có thể được tích hợp vào nút cảm biến, tùy thuộc vào ứng dụng, để quản lý chuyển động khi cần thực hiện các nhiệm vụ đã được định trước.
- Bộ thu phát nguồn (Power Generator): bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận tiếp năng lượng như pin mặt trời
Hình 1.1: Cấu tạo nút cảm biến
Mô đun này tích hợp tất cả các bộ phận trong kích thước nhỏ gọn, chỉ bằng hộp diêm hoặc nhỏ hơn 1cm³ Nó cần đáp ứng các yêu cầu như tiêu thụ năng lượng rất thấp, hoạt động ở mật độ cao, giá thành hợp lý, khả năng tự hoạt động và thích ứng linh hoạt với sự biến đổi của môi trường.
Những nút cảm biến thường là không tác động được, tuổi thọ của một mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của những nguồn cung cấp năng lượng
Vì kích thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến cũng trở thành một tài nguyên khan hiếm
1.2.2 Mạng cảm biến: a Mạng cảm biến: Bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút này thường được phân bố trong trường cảm biến Mỗi nút có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút gốc bằng việc chọn đường theo đa bước nhảy Nút gốc có thể liên lạc với nơi quản lý nhiệm vụ thông qua mạng Internet hoặc vệ tinh Việc thiết kế mạng cảm biến không dây khác hẳn các mạng truyền thống khác do các nút cảm biến có giới hạn về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: khả năng chịu lỗi, khả năng mở rộng, giá thành sản xuất, rằng buộc về phần cứng, cấu hình mạng, môi trường hoạt động, phương tiện truyền dẫn, sự tiêu thụ năng lượng
Kiến trúc giao thức mạng cảm biến được trình bày trong hình 1.3, bao gồm các lớp và mặt phẳng quản lý Những mặt phẳng này giúp các nút cảm biến làm việc hiệu quả, định tuyến dữ liệu trong mạng không dây và chia sẻ tài nguyên giữa các nút.
Hình 1.3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
- Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu
- Lớp liên kết dữ liệu: có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy cập đường truyền và điều khiển lỗi
- Lớp mạng: quan tâm đến việc chọn đường dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải
Lớp truyền tải đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì luồng số liệu cho các ứng dụng mạng cảm biến Lớp này cần thiết khi hệ thống dự kiến sẽ được truy cập qua Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
- Lớp ứng dụng: tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp này
Mặt phẳng quản lý công suất đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển sử dụng công suất của nút cảm biến Khi mức công suất của nút cảm biến giảm, nó sẽ phát tín hiệu tới các nút lân cận để thông báo về tình trạng công suất thấp, từ đó không thể tham gia vào các bản tin chọn đường Công suất còn lại sẽ được ưu tiên dành cho các hoạt động quan trọng khác.
Ph ầ n qu ả n lý côn g su ấ t
Lớp liên kết dữ liệu
Ph ầ n qu ả n lý di chu yể n Ph ầ n qu ả n lý nhi ệ m v ụ
Mặt phẳng quản lý di chuyển đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút, giúp các nút theo dõi các nút hàng xóm xung quanh Nhờ vào chức năng này, các nút cảm biến có thể tối ưu hóa công suất hoạt động của mình trong khi vẫn thực hiện nhiệm vụ một cách hiệu quả.
Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ trong mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong việc cân bằng và sắp xếp các nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng xác định Không cần thiết tất cả các nút cảm biến phải thực hiện nhiệm vụ cùng một lúc, dẫn đến việc một số nút có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn tùy thuộc vào mức công suất của chúng Điều này tạo ra hai cấu trúc đặc trưng trong mạng cảm biến, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về hình dạng lẫn chức năng Các nút giao tiếp với sink qua multihop, sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm nhận vai trò bộ tiếp sóng cho nhiều nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn sử dụng cùng một tần số để truyền dữ liệu, điều này cho phép chia sẻ thời gian hiệu quả, nhưng chỉ khi có nguồn chia sẻ đơn lẻ như thời gian hoặc tần số.
Hình 1.4: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến
Trong kiến trúc tầng, các cụm được thiết lập cho phép các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu theo phương thức single hop hoặc multihop, tùy thuộc vào kích thước của cụm, đến một nút chủ Hệ thống này hình thành một cấu trúc cấp bậc, trong đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ cụ thể đã được quy định.
Cấu trúc tầng của mạng cảm biến bao gồm các chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút Các chức năng này được phân chia theo cấp độ: cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm biến, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng đảm nhiệm việc phân phối dữ liệu.
Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến với các loại cảm biến khác nhau có thể được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau trong các lĩnh vực như an ninh - quốc phòng, môi trường, y tế, gia đình, công nghiệp và thương mại.
* Ứng dụng trong an ninh - quốc phòng:
- Giám sát, phát hiện và thu thập thông tin về sự di chuyển, vũ khí, chất nổ… của đối phương
- Phát hiện phóng xạ hạt nhân
- Bảo vệ an ninh cho các công trình trọng yếu
- Điều khiển tự động, kích hoạt các thiết bị quân sự, vũ khí, robot…
- Giám sát an ninh trong các khu dân cư, thương mại…
- Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh
* Ứng dụng trong bảo vệ môi trường:
- Theo dõi, nghiên cứu giám sát động vật hoang dã cần được bảo vệ
- Theo dõi các yếu tố thời tiết như mưa bão, lụt lội, động đất, nước biển dâng… để kịp thời cảnh báo phòng tránh giảm nhẹ thiệt hại
- Phát hiện các yếu tố gây ảnh hưởng tới môi trường như ô nhiễm, chất thải, hóa chất độc hại…
Theo dõi sức khỏe bệnh nhân là rất quan trọng, giúp hỗ trợ quá trình chẩn đoán và điều trị hiệu quả Đồng thời, việc này cũng đảm bảo kịp thời cảnh báo cho bác sĩ và nhân viên y tế khi có sự cố xảy ra.
- Giám sát dịch bệnh trong vùng dịch
* Ứng dụng trong gia đình:
- Điều khiển từ xa các thiết bị trong gia đình
- Giám sát tự động, cảnh báo an ninh cho gia đình từ xa khi có các vấn đề như cháy nổ, xâm nhập trái phép…
* Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, thương mại:
- Điều khiển, quản lý tự động các khâu trong quá trình sản xuất sản phẩm
- Giám sát qúa trình sản xuất, chất lượng nguyên vật liệu hay sản phẩm, kiểm soát môi trường làm việc, quản lý nhân viên
- Cảnh báo, tự động xử lý các yếu tố nguy hiểm gây mất an toàn lao động
- Xây dựng văn phòng thông minh
- Quản lý cầu đường, các công trình xây dựng, các hệ thống viễn thông…
- Kiểm soát mức tiêu thụ điện năng, nước, khí gas, nguyên vật liệu…
Ưu điểm, nhược điểm của mạng cảm biến không dây
- Mạng cảm biến không dây có tính linh hoạt cao, không bị rằng buộc cố định về phân bố địa lý,
- Dễ triển khai, sử dụng trên những vùng có diện tích lớn và địa hình phức tạp
Việc bổ sung hoặc thay thế các thiết bị trong mạng trở nên dễ dàng mà không cần phải cấu hình lại toàn bộ cấu trúc liên kết của mạng.
Chi phí triển khai lắp đặt mạng cảm biến không dây ngày càng giảm nhờ vào các tiến bộ công nghệ, giúp giảm giá thành và kích thước của các nút cảm biến.
Theo dõi và giám sát các thay đổi môi trường theo thời gian thực giúp hệ thống kịp thời cảnh báo và xử lý các tình huống bất lợi có thể xảy ra.
Việc sử dụng công nghệ để thay thế cho sự giám sát của con người trong các môi trường nguy hiểm và độc hại không chỉ giảm bớt sức lực và nhân lực mà còn đảm bảo hiệu quả cao trong công việc.
Mạng cảm biến không dây vẫn còn tồn tại những hạn chế cơ bản cần phải khắc phục sau:
- Tốc độ đường truyền chưa cao
- Khả năng bị nhiễu và mất thông tin trên các vùng có địa hình xấu là lớn
- Khả năng tính toán, bộ nhớ lưu trữ của nút cảm biến còn rất giới hạn
- Giao thức quản lý mạng phức tạp
- Đặc biệt là sự hạn chế về năng lượng sử dụng, công suất phát trong mạng.
Kết luận
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực như an ninh, môi trường, y tế, gia đình và sản xuất Tầm quan trọng của mạng cảm biến trong cuộc sống hiện đại được nhấn mạnh, cùng với việc nhận diện các ưu điểm để áp dụng hiệu quả cho các ứng dụng mới Đồng thời, những nhược điểm cần khắc phục, đặc biệt là vấn đề năng lượng, sẽ được nghiên cứu trong các giao thức điều khiển thâm nhập môi trường (MAC) nhằm nâng cao khả năng hoạt động của mạng cảm biến không dây.
GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG
Các thông số cần quan tâm khi thiết kế giao thức MAC cho WSN
Khi thiết kế giao thức MAC cho mạng không dây truyền thống, có nhiều thông số cần xem xét; tuy nhiên, trong mạng cảm biến không dây (WSN), chúng ta chỉ tập trung vào một số vấn đề quan trọng.
Độ trễ là thời gian cần thiết để gói dữ liệu được xử lý trước khi phát thành công, và mức độ quan trọng của nó phụ thuộc vào ứng dụng của mạng cảm biến Các ứng dụng giám sát và theo dõi thường yêu cầu độ trễ rất thấp Trong giai đoạn chưa phát hiện sự kiện, việc tiết kiệm năng lượng được ưu tiên hơn độ trễ, do mạng hoạt động ở chế độ nghỉ với ít dữ liệu trao đổi Tuy nhiên, khi sự kiện đã được cảm biến, mạng cảm biến cần hoạt động với độ trễ tối thiểu để đảm bảo hiệu quả.
Thông lượng (Throughput) là số lượng dữ liệu được chuyển thành công từ nơi gửi đến nơi nhận trong một khoảng thời gian nhất định, thường được đo bằng thông điệp trên giây hoặc bit trên giây Trong giao thức MAC của mạng không dây truyền thống, việc tối đa hóa thông lượng kênh truyền với độ trễ thấp là rất quan trọng Tuy nhiên, trong mạng cảm biến (WSN), tầm quan trọng của thông lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng Đối với các ứng dụng cảm biến yêu cầu thời gian sống của mạng dài, giao thức MAC cần chấp nhận độ trễ cao hơn và giảm thông lượng.
Độ chắc chắn (Robustness) trong mạng cảm biến không dây (WSN) là sự kết hợp giữa tin cậy, linh động và các yêu cầu phụ thuộc khác, phản ánh khả năng của giao thức trong việc xử lý lỗi và thông tin sai lệch Tuy nhiên, việc đạt được độ chắc chắn trong WSN là một thách thức lớn do ảnh hưởng của các yếu tố gây hư hỏng đường truyền và các nút trong mạng.
Khả năng mở rộng (Scalability) là yếu tố quan trọng của hệ thống, cho phép đáp ứng các thay đổi về kích thước mạng, mật độ và cấu trúc liên kết Trong mạng cảm biến không dây (WSN), các nút có thể tự tổ chức và bổ sung thêm vào mạng, bao gồm cả việc thay thế các nút không hoạt động Do đó, một giao thức MAC hiệu quả cần điều tiết những thay đổi này một cách hợp lý Điều này đặc biệt quan trọng trong thiết kế giao thức MAC cho WSN, nơi hoạt động trong môi trường không chắc chắn với số lượng nút lớn, có thể lên tới hàng triệu Việc nhóm các nút cảm biến thành các cluster giúp nâng cao khả năng mở rộng của các giao thức MAC.
Tính ổn định của hệ thống mạng đề cập đến khả năng sử dụng băng thông và dung lượng kênh truyền trong thời gian dài mà không gặp sự cố Một giao thức MAC ổn định cần phải quản lý tải tức thời hiệu quả để tránh đạt tới giới hạn dung lượng kênh Hệ thống được coi là ổn định nếu lưu thông dữ liệu không bị tắc nghẽn ngay cả khi tải tăng cao.
Sự công bằng trong mạng không dây (WSN) là khả năng các nút và ứng dụng chia sẻ kênh truyền một cách công bằng, giúp mỗi người dùng có cơ hội gửi và nhận dữ liệu như nhau Tuy nhiên, trong WSN, các nút hợp tác cho một nhiệm vụ chung, dẫn đến việc một nút có thể cần gửi nhiều dữ liệu hơn vào những thời điểm nhất định Do đó, việc duy trì sự công bằng giữa các nút trở nên ít quan trọng hơn, tùy thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng.
Hiệu quả năng lượng là yếu tố quan trọng hàng đầu trong thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây (WSN) vì các nút cảm biến hoạt động bằng pin, việc thay thế hoặc sạc lại chúng trên diện rộng là rất khó khăn Mục tiêu chính khi thiết kế mạng cảm biến thường là sử dụng các nút giá rẻ, dễ thay thế hơn là sạc lại, do đó kéo dài tuổi thọ của mỗi nút là vấn đề then chốt Các nút cảm biến tiêu tốn năng lượng chủ yếu cho việc thu phát sóng vô tuyến, vì vậy thiết kế giao thức MAC cần chú trọng đến hiệu quả năng lượng, ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian sống của các nút cũng như toàn bộ mạng.
Khi thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây (WSN), hai yếu tố quan trọng nhất cần chú ý là hiệu quả năng lượng và khả năng mở rộng Các thông số khác có thể được xem là thứ yếu và không cần ưu tiên hàng đầu.
Các nguyên nhân gây ra sự lãng phí năng lượng
Xung đột và tắc nghẽn trong mạng là nguyên nhân chính gây lãng phí năng lượng, xảy ra khi hai gói tin từ hai nút được truyền đồng thời, dẫn đến việc chúng bị hỏng và phải truyền lại Việc yêu cầu truyền lại không chỉ tiêu tốn năng lượng mà còn có thể gây ra xung đột lần nữa nếu cả hai nút tiếp tục cố gắng truyền cùng lúc Tình trạng này tạo ra tắc nghẽn trong môi trường truyền, làm tăng mức tiêu thụ năng lượng do việc phát tín hiệu là hoạt động tốn kém nhất Do đó, tất cả các giao thức MAC cần phải tìm cách tránh xung đột để nâng cao hiệu quả năng lượng cho các nút mạng.
Nghe lỏm trong mạng cảm biến không dây (WSN) xảy ra khi một nút nhận được gói tin không dành cho mình, dẫn đến việc tiêu tốn năng lượng không cần thiết Mặc dù mức tiêu hao năng lượng khi nhận gói tin thấp hơn so với phát sóng, nhưng vẫn gây ra sự hao hụt đáng kể Do đó, việc nghe lỏm các gói tin không cần thiết là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng của nút.
Nghe nhàn rỗi (Idle listening) là hiện tượng xảy ra khi thiết bị nghe kênh liên tục để kiểm tra xem có dữ liệu nào không, nhằm đảm bảo không bỏ lỡ gói tin nào Trong các mạng cảm biến không dây, dữ liệu chỉ được phát đi khi có sự kiện xảy ra, dẫn đến việc không có dữ liệu trong khoảng thời gian dài Hành động nghe nhàn rỗi kéo dài này gây ra sự tiêu hao năng lượng đáng kể.
Xử lý các gói tin điều khiển (overhead) là quá trình gửi và nhận các gói tin này từ nút mạng Mặc dù các gói tin điều khiển không chứa dữ liệu, nhưng chúng vẫn tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể của nút mạng.
Một giao thức MAC dành cho mạng cảm biến không dây (WSN) cần phải khắc phục các vấn đề liên quan bằng cách quản lý hiệu quả các thành phần sóng vô tuyến, nhằm giảm thiểu tiêu hao năng lượng.
Các giao thức MAC trong WSN
2.3.1 CSMA (Đa truy cập cảm biến sóng mang):
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) là giao thức cho phép các trạm làm việc lắng nghe trạng thái của đường truyền trước khi quyết định gửi dữ liệu Khi kênh truyền rỗi, các trạm sẽ bắt đầu truyền khung; ngược lại, nếu kênh đang bận, việc gửi khung sẽ bị trì hoãn Tuy nhiên, việc trì hoãn này không thể kéo dài vô hạn, do đó, ba giải pháp đã được đề xuất để xác định thời điểm kênh truyền trở nên rỗi.
- Theo dõi không kiên trì (Non-persistent CSMA): Nếu đường truyền bận, đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi tiếp tục nghe lại đường truyền
- Theo dõi kiên trì (persistent CSMA): Nếu đường truyền bận, tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi rồi thì truyền gói tin với xác suất bằng 1
Trong phương pháp P-persistent CSMA, người dùng cần theo dõi kiên trì với xác suất p Khi đường truyền đang bận, người dùng tiếp tục lắng nghe cho đến khi đường truyền trở nên rỗi rãi, sau đó sẽ tiến hành truyền gói tin với xác suất p.
Trong giao thức CSMA, có thể xảy ra vấn đề khi một nút đang phát dữ liệu thì một nút khác cũng bắt đầu gửi yêu cầu phát khung Nếu tín hiệu từ nút đầu tiên chưa đến nút thứ hai, nút thứ hai sẽ nghĩ rằng đường truyền đang rỗi và bắt đầu phát khung, dẫn đến xung đột và làm mất khung dữ liệu Điều này không chỉ gây lãng phí thời gian từ khi xung đột xảy ra cho đến khi khung phát xong mà còn tạo ra một thách thức mới: các nút cần theo dõi xung đột và xác định hành động cần thực hiện sau khi phát hiện xung đột.
Giao thức mở rộng CSMA/CD (Đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột) được phát triển từ CSMA, với cơ chế lắng nghe trước khi truyền nhưng cải tiến khả năng phát hiện và xử lý xung đột Xung đột được nhận diện thông qua việc theo dõi năng lượng hoặc độ rộng của xung tín hiệu nhận được so với xung đã truyền Sau khi xảy ra xung đột, nút sẽ thực hiện thuật toán back-off để tính toán thời gian chờ trước khi gửi lại khung, với thời gian này được xác định ngẫu nhiên nhằm tránh xung đột giữa các nút khi quay lại.
* Vấn đề nút ẩn, nút hiện:
CSMA truyền thống không thể cảnh báo về miền đụng độ và không hoạt động hiệu quả trong các mạng không dây, chủ yếu do hai vấn đề lớn: vấn đề các nút ẩn và vấn đề các nút hiện.
Vấn đề các nút ẩn minh hoạ ở hình 2.1(a), ở đây nút A truyền tới nút B
Nút C, nằm ngoài sóng của nút A, nhận thấy kênh truyền tới nút A đang rảnh và bắt đầu truyền tới nút B Trong tình huống này, CSMA không thể phát hiện xung đột do A và C ẩn với nhau.
Vấn đề nút được minh họa qua hình 2.1 (b), trong đó nút B đang truyền dữ liệu tới nút A, trong khi nút C có gói tin cho nút D Do nút C nằm trong vùng phủ sóng của nút B, nó cảm nhận rằng đường truyền đang bận và không tiến hành truyền Tuy nhiên, lý thuyết cho thấy nút D nằm ngoài vùng phủ sóng của nút B và nút A nằm ngoài vùng phủ sóng của nút C, dẫn đến hai phiên truyền không xảy ra va chạm Việc nút C trì hoãn truyền dữ liệu sẽ gây lãng phí băng thông.
Hình 2.1 Các vấn đề với CSMA căn bản trong môi trường không dây :
Trong mỗi cảm biến, có hai vấn đề quan trọng cần lưu ý: thứ nhất, vấn đề đụng độ gói tin do nút gửi không nhận biết được sự sử dụng đường truyền của nút khác; thứ hai, sự lãng phí cơ hội truyền gói do nhận biết sai lệch trong truyền chống nhiễu Nguyên nhân chính của lỗi này không phải do bộ truyền mà là do bộ thu Do đó, cần thiết phải có một số giao tiếp giữa bộ truyền và bộ nhận để giải quyết những vấn đề này.
S-MAC được giới thiệu bởi các tác giả: Wei Ye, Jonh Heidermann và
Tại Hội nghị INFOCOM lần thứ 21 năm 2002, Deborah Estrin đã giới thiệu S-MAC, một giao thức đa phân chia thời gian thuần túy được xây dựng trên nền tảng các giao thức cạnh tranh như 802.11 S-MAC nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng đa bước nhảy bằng cách giảm thiểu tiêu thụ năng lượng từ các nguồn gây hao tốn như nghe nhàn rỗi, xung đột, nghe lỏm và xử lý thông tin điều khiển Giao thức này tập trung vào ba vấn đề chính: thực hiện chu kỳ thức-ngủ, tránh xung đột và nghe lỏm, cùng với việc xử lý thông điệp một cách hiệu quả.
* Thực hiện chu kỳ thức - ngủ:
Trong những ứng dụng của WSN, 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 nhằm tiết kiệm năng lượng bằng cách cho nút cảm biến chuyển sang trạng thái ngủ định kỳ, giúp giảm thiểu thời gian hoạt động Trong trạng thái ngủ, nút mạng tiêu tốn năng lượng ít hơn nhiều so với khi đang hoạt động, từ đó tiết kiệm đáng kể năng lượng.
Mỗi nút cảm biến chuyển vào trạng thái ngủ trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó tỉnh dậy để kiểm tra xem có nút nào muốn truyền tín hiệu tới nó Trong thời gian ngủ, nút cảm biến sẽ tắt bộ phận thu phát vô tuyến và đặt thời gian để quay lại trạng thái thức Quy trình này tạo thành chu kỳ thức-ngủ, với khoảng thời gian cho việc thức và ngủ có thể được tùy chỉnh theo các ứng dụng khác nhau.
Lược đồ S-MAC yêu cầu sự đồng bộ định kỳ giữa các nút cảm biến để tránh sai lệch thời gian Có hai kỹ thuật đồng bộ hóa: đầu tiên, các nút trao đổi thông tin thời gian qua gói tin timestamps, cho phép đồng bộ tương đối; thứ hai, tăng khoảng thời gian nghe lên đáng kể so với thời gian sai lệch do lỗi, ví dụ, khoảng thời gian nghe là 0.5 giây gấp 10^5 lần thời gian lệch Điều này cho thấy yêu cầu đồng bộ giữa các nút trong S-MAC không quá nghiêm ngặt, cho phép các nút tự do lập lịch thức-ngủ Tuy nhiên, để giảm thiểu việc xử lý các gói tin điều khiển, tốt hơn là các nút trong vùng đồng bộ thức và ngủ cùng lúc Cần lưu ý rằng trong mạng đa bước nhảy, không phải tất cả các nút lân cận đều có thể đồng bộ hóa cùng nhau, vì hai nút lân cận A và B có thể có lịch khác nhau do đồng bộ với các nút khác như C và D.
Các nút cảm biến trong mạng có thể trao đổi thông tin lịch làm việc của chúng thông qua việc phát quảng bá cho các nút lân cận, đảm bảo sự giao tiếp mặc dù có lịch làm việc khác nhau Khi nút A muốn liên lạc với nút B, nó chỉ cần chờ đến khi B ở trạng thái thức Nếu nhiều nút muốn kết nối với một nút, chúng sẽ cạnh tranh để chiếm quyền truy cập, tương tự như chuẩn IEEE 802.11 với các gói tin RTS và CTS Nút gửi RTS trước sẽ giành quyền truy cập, và sau đó, chúng sẽ tiến hành truyền dữ liệu mà không tuân theo lịch làm việc ban đầu cho đến khi hoàn tất Lược đồ này cho phép các nút tự hình thành nhóm ảo, tạo nên cấu trúc liên kết phẳng, giúp dễ dàng thích nghi với những thay đổi trong mạng.
Mặt trái của lược đồ là độ trễ gia tăng do chu kỳ ngủ của mỗi nút, với độ trễ có thể tích lũy qua từng chặng Điều này dẫn đến yêu cầu giới hạn độ trễ của ứng dụng, từ đó tạo ra giới hạn thời gian ngủ trong chu kỳ làm việc của các nút cảm biến.
Trước khi bắt đầu chu kỳ thức-ngủ, mỗi nút cần thiết lập một lịch làm việc rõ ràng và chia sẻ lịch này với các nút lân cận.
Kết luận
Mục đích chính của điều khiển thâm nhập môi trường (Medium Access Control - MAC) trong mạng cảm biến không dây (WSN) là quản lý hiệu quả sóng vô tuyến để tiết kiệm năng lượng cho các nút mạng Chương này sẽ giúp chúng ta hiểu các thông số quan trọng trong thiết kế giao thức MAC và những nguyên nhân dẫn đến hao phí năng lượng trong WSN Ngoài ra, chúng ta cũng sẽ khám phá một số giao thức MAC đã được đề xuất nhằm tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng cho các nút mạng.