Nghiên cứu về hiệu quả năng lượng của một số giao thức điều khiển thâm nhập môi trường trong mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




PHẠM MẠNH TOÀN






NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA MỘT
SỐ GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI
TRƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY




Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70


LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Vương Đạo Vy







Hà Nội - 2009


- 4 -
MỤC LỤC

Trang
Trang phụ bìa 2
Lời cam đoan 3
Mục lục 4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6
Danh mục các bảng 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8
MỞ ĐẦU 9
Chương 1 - TỔNG QUAN 11
1.1. Mạng cảm biến không dây 11
1.1.1. Khái niệm 11
1.1.2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 12
1.2.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây 14

1.2. Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC 17
Chương 2 - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19
2.1. Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến
không dây 19
2.1.1. Tránh xung đột 19
2.1.2. Hiệu quả năng lượng 19
2.1.3. Khả năng thích ứng và biến đổi được 19
2.1.4. Khả năng sử dụng kênh 19
2.1.5. Độ trễ 20
2.1.6. Thông lượng 20
2.1.7. Công bằng 20
2.2. Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng 21
2.2.1. Xung đột 21
2.2.2. Nghe khi rỗi 21
2.2.3. Nghe thừa 21
2.3. Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây 22
2.3.1. CSMA 22
2.3.2. Sensor-MAC 25
2.3.3. Time out-MAC 33
Chương 3 - PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG OMNET++ 41
3.1. OMNET++ 41


- 5 -
3.1.1. Giới thiệu 41
3.1.2. Các thành phần chính của OMNET++ 41
3.1.3. Ứng dụng 41
3.2. Mô hình trong OMNET++ 42
3.2.1. Cấu trúc phân cấp của các module 42

3.2.2. Kiểu module 42
3.2.3. Message, cổng, liên kết 43
3.2.4. Mô hình truyền gói tin 44
3.2.5. Tham số 45
3.3. Sử dụng OMNET++ 45
3.3.1. Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng 45
3.3.2. Hệ thống file 47
3.4. Ngôn ngữ NED 48
3.4.1. Các chỉ dẫn import 48
3.4.2. Khai báo các kênh 48
3.4.3. Khai báo các module đơn giản 49
3.4.4. Khai báo các module kết hợp 50
3.4.5. Khai báo mạng 51
Chương 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG
LƯỢNG CỦA CSMA, S-MAC, T-MAC 53
4.1. Thiết lập mô hình mô phỏng 53
4.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá 55
KẾT LUẬN 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
PHỤ LỤC 62

- 6 -
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
mã
CTS
Clear to Send
Sẵn sàng nhận
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
tần số
FRTS
Future Request to Send
Yêu cầu gửi sớm
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập đường
truyền
RTS

Request to Send
Yêu cầu gửi
S-MAC
Sensor-MAC
Giao thức S-MAC
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
T-MAC
Timeout-MAC
Giao thức T-MAC
WSN
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không dây

- 7 -
DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 4.1. Thông số tiêu thụ điện của nút cảm biến EYES
53
Bảng 4.2. Tiến trình mô phỏng giao thức CSMA
55
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng giao thức CSMA
55
Bảng 4.4. Tiến trình mô phỏng giao thức S-MAC
56
Bảng 4.5. Kết quả mô phỏng giao thức S-MAC
56
Bảng 4.6. Tiến trình mô phỏng giao thức T-MAC
56
Bảng 4.7. Kết quả mô phỏng giao thức T-MAC
57
Bảng 4.8. Tổng hợp kết quả mô phỏng
57

- 8 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang
Hình 1.1. Thành phần của một nút cảm biến
15
Hình 1.2. Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến.
16
Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.
17
Hình 2.1. Ba trạng thái của CSMA/CD
23
Hình 2.2. Thời gian cần thiết để truyền một khung
23
Hình 2.3. Phát hiện xung đột khi truyền tin
24
Hình 2.4. Xử lý khung xung đột
24
Hình 2.5. Lược đồ S-MAC
26
Hình 2.6. Đồng bộ giữa các nút
26
Hình 2.7. Quan hệ định thời giữa một nút nhận và các nút gửi
29
Hình 2.8. Thực hiện tránh nghe thừa
31
Hình 2.9. Lược đồ cơ bản T-MAC với thời gian thức thay đổi
33
Hình 2.10. Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản
36
Hình 2.11. Hiện tượng ngủ sớm
37

Hình 2.12. Thực hiện gửi sớm
38
Hình 2.13. Thực hiện ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy
39
Hình 3.1. Các module đơn giản và kết hợp
42
Hình 3.2. Các kết nối
43
Hình 3.3. Truyền message
44
Hình 4.1. Nút cảm biến EYES
53
Hình 4.2. Ma trận 100 nút cảm biến phân bố đều nhau
54
Hình 4.3. Dòng điện tiêu thụ trung bình ứng với từng giao thức thay đổi
theo tốc độ phát sinh gói tin
57
Hình 4.4. So sánh T-MAC-oa với T-MAC-oa-frts
58

- 9 -
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng cảm biến
được phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến không dây
(wireless sensor network).
Mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng nghìn, thậm chí hàng
triệu thiết bị cảm biến (sensors) thông minh, được trang bị một bộ xử lý, một bộ
nhớ dung lượng nhỏ và các cảm biến để đo ánh sáng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ.
Mạng cảm biến liên hệ bằng sóng vô tuyến, tiêu thụ cực ít năng lượng, hoạt
động liên tục trong mọi điều kiện, môi trường.
Để thiết kế và thực hiện các mạng cảm biến, nhiều vấn đề điều khiển được
đặt ra, phải được nghiên cứu, giải quyết tối ưu, phù hợp với đặc thù của mạng
cảm biến không dây, ví dụ: điều khiển truy nhập mạng không dây, định tuyến,
điều khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các thiết bị cảm biến. Nghiên cứu, đánh
giá một số cơ chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây có ý nghĩa lý
luận và thực tiễn.
Mục tiêu chính của luận văn là cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng cảm
biến không dây; nguyên tắc hoạt động một số cơ chế điều khiển truy nhập mạng
cảm biến không dây; phân tích, đánh giá hiệu quả năng lượng của một số cơ chế
điều khiển trên.
Ngoài bốn chương chính, bố cục luận văn còn có các phần mở đầu, kết
luận và tài liệu tham khảo. Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày
trong các chương, đánh giá các kết quả đã đạt được, đồng thời đưa ra các định
hướng nghiên cứu, phát triển tiếp theo. Nội dung các chương được tóm tắt như
sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, kiến trúc

mạng cảm biến, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến, một số vấn
đề đặt ra trong cơ chế điểu khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến.
Chương 2 trình bày nguyên nhân gây nên sự lãng phí năng lượng trong
mạng cảm biến không dây; nghiên cứu một số thủ tục điều khiển thâm nhập môi
trường điển hình trong mạng cảm biến không dây, các thủ tục đó bao gồm
CSMA, Sensor-MAC và Time out - MAC.
Chương 3 giới thiệu bộ chương trình mô phỏng đang được sử dụng rộng
rãi trong lĩnh vực viễn thông OMNet++. Luận văn sử dụng OMNet++ để mô
phỏng phương thức hoạt động của các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường
ở trên.


- 10 -
Chương 4 thực hiện mô phỏng, ghi nhận kết quả và đánh giá hiệu quả sử
dụng năng lượng của các thủ tục CSMA, Sensor - MAC, Time out - MAC bằng
bộ chương trình OMNet++.
Mặc dù đã rất cố gắng, song luận văn còn những hạn chế nhất định, tác
giả rất mong nhận được những góp ý để vấn đề nghiên cứu này ngày càng được
hoàn thiện hơn. Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Vương Đạo
Vy, người thầy hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình thực hiện luận văn
này, xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã dạy và giúp đỡ trong suốt quá trình
học tập tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.

- 11 -
Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1. Mạng cảm biến không dây
1.1.1. Khái niệm
Một mạng cảm biến [ 3 ] bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được
phân bố cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng. Vị trí của
các nút cảm biến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước, điều này cho phép

các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp. Điều đó cũng
có nghĩa là các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng
tự tổ chức. Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng
phối hợp giữa các nút cảm biến. Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên
trong. Thay vì gửi đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để
thực hiện các tính toán đơn giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu
cầu.
Những ứng dụng của mạng cảm biến đòi hỏi nó phải có những kỹ thuật
đặc biệt hơn so với các kỹ thuật áp dụng cho các mạng không dây phi cấu trúc
(mạng ad hoc). Mặc dù nhiều giao thức và giải thuật đã được thiết kế cho những
mạng ad hoc không dây truyền thống, nhưng chúng chưa thỏa mãn những đặc
tính và yêu cầu ứng dụng của mạng cảm biến. Để thấy được điểm này, ta hãy
xem xét sự khác nhau giữa mạng cảm biến và mạng ad hoc:
 Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so
với những nút trong mạng ad hoc.
 Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn.
 Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động.
 Topo mạng cảm biến thay đổi rất thường xuyên.
 Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá (broadcast)
trong khi mà đa số các mạng ad hoc là điểm - điểm (point-to-point).
 Những nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và
bộ nhớ.
 Những nút cảm biến có thể không có định danh toàn cầu (global ID).
Khi số lượng lớn những nút cảm biến được triển khai mật độ dày thì
những nút lân cận phân bố rất gần lẫn nhau, vì vậy truyền thông đa bước nhảy
trong mạng cảm biến phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước
nhảy truyền thống. Hơn nữa, năng lượng phục vụ truyền dữ liệu có thể để ở mức


- 12 -

thấp, chủ yếu dành cho các hoạt động chuyển đổi, xử lý. Truyền thông đa bước
nhảy cũng khắc phục có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa
trong giao tiếp không dây.
Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là
mức độ tiêu thụ điện phải thấp. Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm
biến là có hạn và nói chung là không thể thay thế. Bởi vậy, trong khi các mạng
truyền thống tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những
giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng.
Chúng phải có những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ
của mạng hay thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao.
Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác
nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh,
cảm biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao
quanh đa dạng như:
 nhiệt độ,
 độ ẩm,
 sự chuyển động của phương tiện,
 điều kiện ánh sáng,
 sức ép,
 sự ô nhiễm,
 mức độ ồn,
 sự có mặt hoặc không những loại đối tượng nhất định,
 những đặc trưng hiện thời như tốc độ, hướng, và kích thước một
đối tượng.
Những nút cảm biến có thể được sử dụng cho cảm biến liên tục, phát hiện
sự kiện, định danh sự kiện, cảm biến vị trí, và điều khiển cục bộ thiết bị khởi
động
1.1.2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Những đặc tính của mạng cảm biến hứa hẹn một phạm vi ứng dụng rộng
rãi với một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể như: an ninh quốc phòng, y tế, môi

trường, thương mại… Có thể hình dung trong tương lai, những mạng cảm biến
không dây sẽ là một phần gắn liền với cuộc sống nhiều hơn so với những máy
tính cá nhân hiện nay.


- 13 -
Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, với những đặc tính triển khai nhanh,
tự tổ chức và độ thứ lỗi cao cho phép mạng cảm biến trở thành một thành phần
trong hệ thống C4ISRT (Command, Control, Communications, Calculation,
Intelligence, Surveillance, Reconnaissance, and Targeting - hỗ trợ ra mệnh lệnh,
điều khiển, truyền thông, tính toán, tình báo, giám sát theo dõi, trinh sát và mục
tiêu). Vì mạng cảm biến dựa vào sự triển khai dày đặc những nút cảm biến có
chi phí thấp và sẵn có, sự hỏng hóc, ngừng hoạt động của vài nút do những hoạt
động thù địch không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động quân sự như cảm biến
truyền thống. Một số ứng dụng quân sự khác của mạng cảm biến có thể kể đến
như hỗ trợ giám sát lực lượng, thiết bị và quân nhu một cách thân thiện; theo dõi
trận địa; do thám lực lượng và trận địa đối phương; xác định mục tiêu; đánh giá
tổn thất sau trận chiến; do thám và xác định tấn công hóa sinh hoặc hạt nhân.
Trong lĩnh vực môi trường, mạng cảm biến được sử dụng để theo dõi
chuyển động của những động vật hoang dã cần giám sát, nghiên cứu hoặc bảo
vệ, theo dõi những động vật nhỏ như sâu, bọ; theo dõi những yếu tố môi trường
ảnh hưởng đến gieo trồng và chăn nuôi; tình trạng tưới tiêu; theo dõi môi trường
trái đất, sinh học bên trong lòng biển, đất, và khí quyển; phát hiện cháy rừng;
nghiên cứu thời tiết hoặc địa vật lý; cảnh báo lũ lụt; nghiên cứu bản đồ sinh học
phức tạp của môi trường và nghiên cứu sự ô nhiễm.
Trong lĩnh vực y tế, mạng cảm biến cung cấp những công cụ hỗ trợ giao
tiếp cho người tàn tật; theo dõi bệnh nhân; hỗ trợ chẩn đoán; quản trị thuốc trong
bệnh viện; giám sát từ xa dữ liệu vật lý của con người; kiểm tra và theo dõi bác
sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện. Mỗi bệnh nhân có thể được gắn kết các nút
cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ, một nút cảm

biến xác định nhịp tim, trong khi nút khác đang xác định huyết áp. Bác sĩ có thể
cũng mang một nút cảm biến cho phép những bác sĩ khác định vị bên trong
phạm vi bệnh viện. Việc những nút cảm biến có thể được gắn tới từng loại
thuốc, những bệnh nhân có nút cảm biến xác định những dị ứng của họ và yêu
cầu thuốc tương ứng thì sẽ tránh được việc chỉ định thuốc sai.
Trong lĩnh vực ứng dụng gia đình, khi công nghệ phát triển, những nút và
những thành phần phát sinh cảm biến nhỏ gọn có thể được trang bị bên trong
những đồ dùng gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, và thiết bị VCRs.
Những nút cảm biến này tương tác với nhau và với bên ngoài có thể nối mạng
qua Internet hoặc vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý từ xa thiết bị đồ dùng dễ
dàng hơn.


- 14 -
Trong lĩnh vực thương mại, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc
theo dõi chất lượng sản phẩm; xây dựng văn phòng thông minh; điều khiển môi
trường trong những tòa nhà; điều khiển robot trong những nhà máy sản xuất tự
động; sản xuất đồ chơi tương tác; xây dựng bảo tàng tương tác; điều khiển tự
động hóa; giám sát thảm hoạ; điều khiển thiết bị khởi động; thiết bị chống mất
cắp ô tô…Ví dụ trong những tòa nhà văn phòng, điều hoà không khí và nhiệt độ
hầu hết là điều khiển tập trung, vì vậy nhiệt độ bên trong một phòng có thể giảm
hoặc tăng một vài độ, một mặt có thể ấm hơn mặt khác vì có duy nhất một điều
khiển trong phòng và luồng không khí từ hệ thống trung tâm thì không phải là
phân tán bằng nhau. Một hệ thống mạng cảm biến vô tuyến phân tán có thể được
thiết đặt để điều khiển luồng khí và nhiệt độ trong các bộ phận khác nhau của
phòng. Công nghệ này được đánh giá có thể giảm bớt đáng kể mức độ tiêu thụ
điện năng.
Một ví dụ khác, trong tương lai trẻ em sẽ có khả năng tương tác trực tiếp
với những hiện vật trong bảo tàng. Những đối tượng, hiện vật này sẽ có thể trả
lời, đáp ứng qua va chạm hoặc giọng nói, qua đó giúp các em có sự hiểu biết

hơn về chúng.
1.1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.1.3.1. Nút cảm biến
Một nút cảm biến [ 5 ] được cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản như hình
1.1 gồm: Bộ phận cảm biến (Sensing Unit), bộ phận xử lý (Processing Unit), bộ
phận thu phát (Transceiver Unit) và bộ phận cung cấp năng lượng (Power Unit).
Ngoài ra, chúng cũng có thể có những thành phần bổ sung phụ thuộc ứng dụng
như: Hệ thống định vị (Location Finding System); Bộ phận phát điện (Power
Generator) và bộ phận quản lý di động (Mobilizer).
Bộ phận cảm biến thường bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận
chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter -
ADCs). Tín hiệu tương tự được sản sinh bởi những thành phần cảm biến dựa
vào quan sát hiện tượng được chuyển đổi tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó
được chuyển tới bộ phận xử lý. Bộ phận xử lý thường liên quan đến một bộ
phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau
khác để thực hiện nhiệm vụ cảm biến được định trước. Bộ phận thu phát kết nối
nút với mạng. Một trong những thành phần quan trọng của một nút cảm biến là
bộ phận cung cấp quản lý năng lượng. Bộ phận này có thể được hỗ trợ bởi một
bộ phận tiếp thu năng lượng như pin mặt trời. Nút cảm biến còn có thể có những
bộ phận nhỏ khác phụ thuộc từng ứng dụng cụ thể.


- 15 -

Hình 1.1. Thành phần của một nút cảm biến
Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi
hỏi kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao, vì vậy, các nút cảm biến thường
có hệ thống định vị vị trí. Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, nút cảm biến có thể
được trang bị một bộ phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó được
yêu cầu để thực hiện nhiệm vụ định trước.

Tất cả những bộ phận cần phải tích hợp trong một mô đun cỡ hộp diêm.
Kích thước yêu cầu đôi khi phải nhỏ hơn một 1cm
3
. Ngoài kích thước, nút cảm
biến phải thỏa mãn yêu cầu:
 Tiêu thụ điện cực nhỏ,
 Hoạt động được ở mật độ cao,
 Có chi phí sản xuất thấp và không thiết yếu,
 Không có định danh và thực hiện tự quản trị,
 Thích ứng với 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
cho những nút. Vì kích thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến cũng trở
thành một tài nguyên khan hiếm.
1.1.3.2. Mạng cảm biến
Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến. Mỗi nút
cảm biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút
gốc. Việc chọn đường tới nút gốc theo đa bước nhảy được minh hoạ trong Hình
1.2. Nút gốc có thể liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ
tinh. Việc thiết kế mạng cảm biến như mô tả trong Hình 1.2 phụ thuộc vào nhiều
yếu tố như khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu


- 16 -
hình mạng cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ
công suất.

Hình 1.2. Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến
Kiến trúc giao thức [ 3 ] được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến ở
Hình 1.2 được trình bày trong Hình 1.3. Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa

công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công
suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến.
Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền
tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản
lý nhiệm vụ. Lớp vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, phát và thu. Vì môi
trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy
nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối
thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận. Lớp mạng
quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp
truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Tuỳ
theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được
xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Ngoài ra, các phần quản lý công suất, di
chuyển và nhiệm vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực
hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những phần này giúp các nút cảm biến
phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ công suất tổng thể thấp hơn.
Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm
biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin
từ một nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Cũng vậy,
khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút
lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các
bản tin chọn đường. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm
biến. Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm


- 17 -
biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của
các nút cảm biến lân cận. Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút
cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện. Phần
quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến
trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều

phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút
cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của
nó. Những phần quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc
cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu
trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.


Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
1.2. Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC
Mạng cảm biến không dây là loại mạng đặc biệt với số lượng lớn nút cảm
biến được trang bị bộ vi xử lý, thành phần cảm biến và thành phần quản lý sóng
vô tuyến. Các nút cảm biến cộng tác với nhau để hoàn thành một nhiệm vụ
chung. Trong nhiều ứng dụng, các nút cảm biến sẽ được triển khai phi cấu trúc
như mạng ad hoc. Chúng phải tự tổ chức để hình thành một mạng không dây đa
bước nhảy. Thách thức chung trong mạng không dây là vấn đề xung đột do hai
nút gửi dữ liệu cùng lúc trên cùng kênh truyền. Giao thức điều khiển truy nhập
đường truyền (MAC) [ 1, 2, 3 ] đã được phát triển để giúp đỡ mỗi nút quyết định
khi nào và làm sao để truy nhập kênh. Vấn đề này cũng được biết như sự định vị
kênh hoặc đa truy nhập. Lớp MAC được xem xét bình thường như một lớp con
Lớp ứng dụng
Phần quản lý công suất
Lớp truyền tải
Lớp mạng
Lớp liên kết số liệu
Lớp vật lý
Phần quản lý di chuyển
Phần quản lý nhiệm vụ


- 18 -

của lớp liên kết dữ liệu trong chồng giao thức mạng. Những giao thức MAC đã
nghiên cứu rộng rãi trên những lĩnh vực truyền thống của truyền thông tiếng nói
và dữ liệu không dây. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division
multiple Access - TDMA), Đa truy nhập phân chia theo tần số (Frequency
Division Multiple Access - FDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (Code
Division Multiple Access - CDMA) là những giao thức MAC được sử dụng
rộng rãi trong những hệ thống truyền thông tế bào hiện đại. Ý tưởng cơ bản của
các phương pháp trên là sẽ tránh xung đột bởi việc chia nhỏ kênh truyền thành
những kênh truyền con, các nút sẽ phân chia truy nhập các kênh truyền con đó.
Việc phân chia kênh được thực hiện theo thời gian, tần số hoặc theo mã. Những
kênh truyền con này không ảnh hưởng lẫn nhau, những giao thức MAC này
được phân vào nhóm phi xung đột (collision-free). Lớp giao thức MAC khác
dựa trên sự cạnh tranh dành quyền truy nhập trên một kênh dung chung, kết quả
trong sự phối hợp xác suất có điều kiện, không cần cấp phát sẵn kênh truyền.
Xung đột có thể xảy ra trong thời gian thủ tục cạnh tranh trong những hệ thống
như vậy. Những ví dụ cổ điển của những giao thức MAC trên nền cạnh tranh
bao gồm ALOHA và đa truy nhập cảm ứng sóng mang (CSMA). Trong giao
thức ALOHA, một nút đơn giản truyền một gói khi nó được phát sinh (pure
ALOHA) hoặc tại khe sẵn có tiếp theo (slotted ALOHA). Những gói tin va
chạm với nhau được vứt bỏ và sẽ được truyền lại. Trong CSMA, một nút thăm
dò trước khi phát, nếu nó phát hiện ra kênh bận, thì nó dừng lại và thử lại sau đó.
Giao thức CSMA đã được nghiên cứu rộng rãi, hiện nay nó là nền tảng của
nhiều chuẩn mở rộng gồm IEEE 802.11. Mạng cảm biến khác với mạng dữ liệu
không dây truyền thống trên một vài khía cạnh. Trước hết, đa số các nút trong
những mạng cảm biến hoạt động dựa trên nguồn điện pin, và rất khó để nạp điện
cho những nguồn pin của tất cả các nút. Thứ hai, những nút thường được triển
khai trong một kiểu cách đặc biệt phi cấu trúc; chúng phải tự tổ chức hình thành
một mạng truyền thông. Ba là, nhiều ứng dụng cần phải sử dụng số lượng lớn
những nút, và mật độ nút sẽ thay đổi tại những địa điểm và thời gian khác nhau,
với cả những mạng mật độ thưa lẫn những nút với nhiều lân cận. Cuối cùng, đa

số các lưu thông trong mạng được thúc đẩy bởi những sự kiện cảm ứng, phân bố
không đều và rất co cụm. Tất cả những đặc trưng này cho thấy những giao thức
MAC truyền thống không thích hợp cho những mạng cảm biến không dây nếu
không có những sự cải biến.





- 19 -
Chương 2 - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1. Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây
2.1.1. Tránh xung đột
Tính tránh xung đột (Collision Advoidance) [ 1, 2 ] là một yêu cầu cơ bản
của tất cả các giao thức MAC, nó xác định khi nào một nút có thể truy nhập
đường truyền và thực hiện trao đổi dữ liệu.
2.1.2. Hiệu quả năng lượng
Tính hiệu năng (Energy Efficiency) [ 1, 2 ] là một trong những thuộc tính
quan trọng nhất những giao thức MAC mạng cảm biến. Như đã đề cập ở trên, đa
số các nút cảm biến hoạt động bằng pin, rất khó để thay đổi hoặc nạp điện lại
cho pin của những nút này. Thực tế, nhiều mục đích thiết kế của những mạng
cảm biến được xây dựng bằng những nút đủ rẻ để vứt bỏ hơn là nạp lại. Trong
tất cả các trường hợp, việc kéo dài cả cuộc đời của mỗi nút là một vấn đề then
chốt. Dù với nền tảng phần cứng nào, năng lượng cho thu phát sóng vô tuyến là
nguồn tiêu thụ năng lượng chính. Lớp MAC trực tiếp điều khiển hoạt động thu
phát sóng vô tuyến, và sự tiêu thụ năng lượng của nó như thế nào ảnh hưởng
đáng kể tới cả cuộc đời của nút.
2.1.3. Khả năng thích ứng và biến đổi được

Tính biến đổi được và khả năng thích ứng (Scalability and Adaptivity) là
những thuộc tính liên quan của một giao thức MAC điều tiết những sự thay đổi
trong kích thước mạng, mật độ và topo mạng. Nhiều nút có thể không hoặc
ngừng hoạt động trong thời gian dài; vài nút mới có thể tham gia về sau; một vài
nút khác có thể di chuyển tới những vị trí khác. Một giao thức MAC tốt cần phải
điều tiết những sự thay đổi như vậy một cách hợp lý. Tính biến đổi được và khả
năng thích ứng để thay đổi trong kích thước, mật độ và topo mạng là những
thuộc tính quan trọng, bởi vì những mạng cảm biến được triển khai phi cấu trúc
và thường hoạt động trong những môi trường không chắc chắn.
2.1.4. Khả năng sử dụng kênh
Sự sử dụng kênh (Channel utilization) phản chiếu toàn bộ băng thông của
kênh được dùng trong truyền thông ra sao, nó cũng được đề cập như sự sử dụng
băng thông hoặc dung lượng kênh truyền. Đó là một vấn đề quan trọng đối với
hệ thống điện thoại tế bào hoặc mạng cục bộ không dây (WLANs), khi băng
thông là tài nguyên quý giá nhất trong những hệ thống như vậy và các nhà cung
cấp dịch vụ đều muốn càng nhiều người dùng càng tốt. Mặt khác, số những nút


- 20 -
hoạt động trong mạng cảm biến chủ yếu về được xác định bởi loại ứng dụng. Sự
sử dụng kênh thường là một mục tiêu thứ nhì trong những mạng cảm biến.
2.1.5. Độ trễ
Độ trễ (Latency) đó là sự trì hoãn một nút gửi có một gói tin để gửi cho
đến khi gói tin được nhận thành công bởi nút nhận. Trong mạng cảm biến, sự
quan trọng của độ trễ phụ thuộc vào ứng dụng. Trong những ứng dụng như giám
sát hoặc theo dõi, các nút cảm biến không hoạt động phần lớn thời gian cho đến
khi một sự kiện nào đó được phát hiện. Những ứng dụng này có thể thường bỏ
qua sự trễ thông điệp bổ sung nào đó, bởi vì tốc độ mạng nhanh hơn tốc độ của
một đối tượng vật lý. Tốc độ cảm biến đối tượng đặt một ranh giới trên về tốc độ
phản ứng mà mạng phải đạt được. Trong khoảng thời gian không có sự kiện cảm

ứng, có rất ít dữ liệu trao đổi trong mạng. Sự trễ ở mức nhỏ hơn một giây cho
một khởi tạo một thông báo sau thời kỳ nhàn rỗi thì không quan trọng bằng sự
tiết kiệm năng lượng và thời gian hoạt động của thiết bị. Nhưng ngược lại, sau
khi cảm biến xác định được sự kiện, hoạt động với độ trễ thấp thành quan mục
tiêu quan trọng.
2.1.6. Thông lượng
Thông lượng (Throughput) đề cập tới số lượng của dữ liệu chuyển thành
công từ một nơi gửi đến một nơi nhận trong một khoảng thời gian cho trước.
Nhiều nhân tố ảnh hưởng đến thông lượng, bao gồm hiệu quả của sự tránh xung
đột, sự sử dụng kênh, độ trễ, và xử lý thông tin điều khiển. Giống với độ trễ, sự
quan trọng của thông lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng. Những ứng dụng cảm
biến mà yêu cầu vòng đời lâu thường chấp nhận độ trễ nhiều hơn và thông lượng
thấp hơn.
Một thuộc tính liên quan gọi là goodput, thể hiện thông lượng được đo chỉ
bởi dữ liệu được nhận bởi nơi nhận mà không có bất kỳ lỗi nào.
2.1.7. Công bằng
Fairness thể hiện khả năng những người dùng, những nút hoặc những
ứng dụng khác nhau cùng nhau chia sẻ kênh truyền một cách công bằng. Nó là
một thuộc tính quan trọng trong mạng tiếng nói hoặc những mạng dữ liệu truyền
thống, một khi mỗi người dùng mong muốn một cơ hội như nhau để gửi hoặc
nhận dữ liệu cho những ứng dụng của chính mình. Tuy nhiên, trong những mạng
cảm biến, tất cả các nút hợp tác cho một nhiệm vụ chung đơn lẻ. Ở tại thời điểm
đặc biệt, một nút có thể có nhiều dữ liệu hơn để gửi so với các nút khác, như
vậy, hơn là đối xử với mỗi nút công bằng, thành công được đo bởi sự thực hiện


- 21 -
của ứng dụng, Và độ fairness đối với từng nút hoặc từng người dùng trở nên ít
quan trọng hơn.
Tóm lại, các vấn đề nêu ở trên là những thuộc tính thể hiện những đặc

trưng của một giao thức MAC. Đối với mạng cảm biến không dây, những yếu tố
quan trọng nhất là sự tránh xung đột có hiệu quả, hiệu quả năng lượng, tính biến
đổi và thích ứng được với mật độ và số lượng nút. Những thuộc tính khác là thứ
yếu.
2.2. Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng
2.2.1. Xung đột
Sự xung đột (Collision) [ 1, 2 ] là nguyên nhân đầu tiên gây tiêu phí năng
lượng. Khi hai gói được truyền cùng thời điểm sẽ xảy ra xung đột, chúng bị
hỏng và phải được loại bỏ. Yêu cầu truyền lại gói tin sau đó sẽ làm phát sinh sự
tiêu hao năng lượng. Do đó tất cả các giao thức MAC cố gắng tránh xung đột
bằng mọi cách.
2.2.2. Nghe khi rỗi
Nguyên nhân thứ hai gây tiêu hao năng lượng là vấn đề nghe khi rỗi (Idle
Listening) [ 1, 2 ]. Nó xảy ra khi thành phần sóng vô tuyến thực hiện “nghe”
kênh xem có dữ liệu không để nhận. Sự tiêu hao này đặc biệt cao trong những
ứng dụng mạng cảm biến, nơi không có dữ liệu trao đổi trong thời gian không có
sự kiện được cảm biến. Nhiều giao thức MAC (như CSMA và CDMA) luôn
luôn nghe kênh khi hoạt động dù không có dữ liệu để gửi. Chi phí chính xác của
vấn đề nghe khi rỗi phụ thuộc vào phần cứng và chế độ hoạt động thành phần
sóng vô tuyến. Đa số các mạng cảm biến được thiết kế để hoạt động trong thời
gian dài và các nút cảm biến cũng sẽ trong ở trạng thái nghe khi rỗi một thời
gian dài. Trong những trường hợp như vậy, nghe khi rỗi là một yếu tố chính
trong vấn đề tiêu thụ năng lượng của thành phần sóng vô tuyến.
2.2.3. Nghe thừa
Nguyên nhân thứ ba là vấn đề nghe thừa (overhearing) [ 1, 2 ] xuất hiện
khi một nút nhận được những gói tin mà được dành cho những nút khác. Phải
nghe thừa những lưu thông không cần thiết, không giành cho mình có thể là một
nhân tố chính gây tiêu hao năng lượng khi lưu lượng, tải truyền tăng và mật độ
phân bố nút cao.
Nguyên nhân cuối cùng mà chúng ta xem xét là sự xử lý gói tin điều

khiển. Sự gửi, nhận, và nghe những gói tin điều khiển cũng tiêu thụ năng lượng.
Khi những gói điều khiển không trực tiếp chuyên chở dữ liệu, chúng cũng làm
giảm goodput.


- 22 -
Một giao thức MAC thiết kế cho mạng cảm biến phải đạt được yêu cầu
tiết kiệm năng lượng bởi việc điều khiển thành phần sóng vô tuyến để tránh hoặc
giảm bớt tiêu phí năng lượng do những nguyên nhân trên. Việc tắt thành phần
sóng vô tuyến khi nó 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 xét tất
cả các nguồn làm tiêu phí năng lượng, không phải là chỉ là thành phần sóng vô
tuyến.
2.3. Các giao thức MAC trong mạng cảm nhận không dây
2.3.1. CSMA
Các giao thức mà trong đó các trạm làm việc lắng nghe đường truyền
trước khi đưa ra quyết định mình phải làm gì tương ứng với trạng thái đường
truyền đó được gọi là các giao thức có “cảm nhận” đường truyền (carrier sense
protocol). Cách thức hoạt động của CSMA [ 3 ] như sau: lắng nghe kênh
truyền, nếu thấy kênh truyền rỗi thì bắt đầu truyền khung, nếu thấy đường truyền
bận thì trì hoãn lại việc gởi khung.
Thế nhưng trì hoãn việc gởi khung cho đến khi nào?
Có ba giải pháp:
- 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.
- Theo dõi kiên trì với xác suất p (P-persistent CSMA): Nếu đường truyền
bận, tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi rồi thì truyền gói tin với xác suất
bằng p.

Dễ thấy rằng giao thức CSMA cho dù là theo dõi đường truyền kiên trì
hay không kiên trì thì khả năng tránh xung đột vẫn tốt hơn là ALOHA. Tuy thế,
xung đột vẫn có thể xảy ra trong CSMA.
Tình huống phát sinh như sau: khi một trạm vừa phát xong thì một trạm
khác cũng phát sinh yêu cầu phát khung và bắt đầu nghe đường truyền. Nếu tín
hiệu của trạm thứ nhất chưa đến trạm thứ hai, trạm thứ hai sẽ cho rằng đường
truyền đang rảnh và bắt đầu phát khung. Như vậy xung đột sẽ xảy ra.
Hậu quả của xung đột là: khung bị mất và toàn bộ thời gian từ lúc xung
đột xảy ra cho đến khi phát xong khung là lãng phí.
Bây giờ phát sinh vấn đề mới: các trạm có quan tâm theo dõi xem có xung
đột xảy ra không và khi xung đột xảy ra thì các trạm sẽ làm gi?


- 23 -
CSMA/CD (CSMA với cơ chế theo dõi xung đột) về cơ bản là giống như
CSMA: lắng nghe trước khi truyền. Tuy nhiên CSMA/CD có hai cải tiến quan
trọng là: phát hiện xung đột và làm lại sau xung đột.

Hình 2.1. CSMA/CD có thể ở một trong ba trạng thái:
tranh chấp, truyền, rảnh
Phát hiện xung đột: Trạm vừa truyền vừa tiếp tục dò xét đường truyền.
Ngay sau khi xung đột được phát hiện thì trạm ngưng truyền, phát thêm một dãy
nhồi (dãy nhồi này có tác dụng làm tăng cường thêm sự va chạm tín hiệu, giúp
cho tất cả các trạm khác trong mạng thấy được sự xung đột), và bắt đầu làm lại
sau xung đột.
CSMA/CD, cũng giống như các giao thức trong LAN khác, sử dụng mô
hình quan niệm như trong hình sau:
Tại thời điểm t
0
, một trạm đã phát xong khung của nó. Bất kỳ trạm nào

khác có khung cần truyền bây giờ có thể cố truyền thử. Nếu hai hoặc nhiều hơn
các trạm làm như vậy cùng một lúc thì sẽ xảy ra xung đột. Xung đột có thể được
phát hiện bằng cách theo dõi năng lượng hay độ rộng của xung của tín hiệu nhận
được và đem so sánh với độ rộng của xung vừa truyền đi.

Hình 2.2. Thời gian cần thiết để truyền một khung


- 24 -
Bây giờ ta đặt ra câu hỏi: Sau khi truyền xong khung (hết giai đoạn
truyền), trạm sẽ bỏ ra thời gian tối đa là bao lâu để biết được là khung của nó đã
bị xung đột hoặc nó đã truyền thành công?

Hình 2.3. Phát hiện xung đột khi truyền tin
Gọi thời gian này là “cửa sổ va chạm” và ký hiệu nó là T
w
. Phân tích sau
đây sẽ cho ra câu trả lời.

Hình 2.4. Xử lý khung xung đột
Hình 2.2 sẽ mô phỏng chi tiết về thời gian phát khung giữa hai trạm A và
B ở hai đầu mút xa nhất trên đường truyền tải.Đặt T
prop
là thời gian lan truyền tín
hiệu giữa hai đầu mút xa nhau nhất trên đường truyền tải.
- Tại thời điểm t, A bắt đầu phát đi khung dữ liệu của nó.
- Tại t+T
prop
- ε, B phát hiện kênh truyền rảnh và phát đi khung dữ liệu
của nó.

- 25 -
- Tại t+ T
prop
, B phát hiện sự xung đột.
- Tại t+2T
prop
- ε, A phát hiện sự xung đột.
Theo phân tích trên, thì T
w
= 2T
prop
Việc hủy bỏ truyền khung ngay khi phát hiện có xung đột giúp tiết kiệm
thời gian và băng thông, vì nếu cứ tiếp tục truyền khung đi nữa, khung đó vẫn
hư và vẫn phải bị hủy bỏ.
Làm lại sau khi xung đột: Sau khi bị xung đột, trạm sẽ chạy một thuật
toán gọi là back-off dùng để tính toán lại lượng thời gian nó phải chờ trước khi
gởi lại khung. Lượng thời gian này phải là ngẫu nhiên để các trạm sau khi quay
lại không bị xung đột với nhau nữa.
- Kỳ hạn mà trạm phải chờ trước khi thử lại một lần truyền mới là M*T
w
.
- Khi n đạt đến giá trị 16 thì hủy bỏ việc truyền khung. (Trạm đã chịu
đựng quá nhiều vụ xung đột rồi, và không thể chịu đựng hơn được nữa)
2.3.2. Sensor-MAC
S-MAC [ 1 ] được giới thiệu bởi các tác giả: Wei Ye, Jonh Heidermann,
Deborah Estrin tại Hội nghị INFOCOM lần thứ 21, năm 2002. 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. S-MAC 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 khi rỗi (idle listening), xung đột (collision),
nghe thừa (overhearing) và xử lý thông tin điều khiển (overhead). Để đạt được
mục đích như thiết kế, S-MAC được thiết kế gồm có ba vấn đề chính: thực hiện
chu kỳ thức - ngủ; tránh xung đột và nghe thừa; xử lý thông điệp.
2.3.2.1. Thực hiện chu kỳ thức/ngủ
Trong những ứng dụng của mạng cảm biến, nút cảm biến thường ở trạng
thái nhàn rỗi trong phần lớn thời gian nếu không xuất hiện sự kiện cảm biến.
Thực tế tốc độ trao đổi dữ liệu rất thấp do vậy không cần thiết để các nút cảm
biến ở trạng thái thức trong tất cả 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. Ví dụ, trong chu kỳ một giây, nút cảm biến ở trạng thái ngủ nửa giây và ở
trạng thái nghe ở nửa giây còn lại thì chu trình hoạt động giảm bớt tới 50%. Như
vậy có thể tiết kiệm được 50% năng lượng.
a, Lược đồ cơ bản
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 “nói chuyện” với nó.


- 26 -
Trong thời gian ngủ, nút cảm biến tắt bộ phận thu phát vô tuyến và đặt thời gian
để quay về trạng thái thức.
Khoảng thời gian cho việc thức và ngủ có thể được lựa chọn theo những
ứng dụng khác nhau.

Hình 2.5. Lược đồ S-MAC
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 10
5
lần thời gian lệch. So sánh với lược đồ TDMA với khe thời gian rất nhỏ,
yêu cầu điều kiện đồng bộ giữa các nút lân cận không khắt khe bằng. 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. Hai nút lân cận A và B có
thể có lịch khác nhau vì chúng tiến hành đồng bộ với những nút khác nhau, C và
D (Hình 2.6).

Hình 2.6. Đồng bộ giữa các nút. Hai nút lân cận A, B có lịch khác nhau vì A
đồng bộ với C, B đồng bộ với 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 2.6, 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


- 27 -
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
tôpô 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 tôpô.
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.
b, Tiến trình lựa chọn và duy trì lịch làm việc
Trước khi mỗi nút bắt đầu chu kỳ thức/ngủ, nó 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 t
d
và phát quảng bá lại thời gian biểu này, và thông
báo rằng nó sẽ ngủ sau t - t
d
giây nữa. Sở dĩ phải đợi ngẫu nhiên khoảng thời

gian t
d
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
chính nó và của nút lân cận). Nó quảng bá thời gian biểu của nó trước khi
chuyển sang trạng thái ngủ.