Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

Nguyễn Anh Trung

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HỖ TRỢ HIỆU
QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2017


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN CHIẾN TRINH

Phản biện 1:
……………………………………………………………………………
Phản biện 2:
…………………………………………………………………………..
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại khoa học và công nghệ bùng nổ theo từng ngày, nhu cầu sử dụng
các hệ thống viễn thông ngày càng cao. Vì vậy, đòi hỏi các kĩ thuật thu thập, xử lý và
truyền dữ liệu phải chính xác và nhanh chóng. Để đáp ứng được nhu cầu đó thì cần
phải phát triển một hệ thống truyền thông không dây kết hợp với sự đa dạng hoá các
loại hình dịch vụ. Để giải quyết được nhu cầu đó, người ta đã phát triển hệ thống mạng
cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN). Mạng WSN tạo ra môi trường
giao tiếp giữa các thiết bị thông minh hay giữa các thiết bị thông minh với con người
hoặc các hệ thống viễn thông khác. Một lĩnh vực nổi bật của mạng cảm nhận không
dây (WSN) là sự kết hợp việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị
nhỏ. Thông qua mạng lưới (Mesh Networking Protocols), những thiết bị này tạo ra
một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý.
Từ những thách thức đó, theo định hướng của người hướng dẫn khoa học học
viên lựa chọn đề tài: " NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HỖ TRỢ HIỆU
QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN " làm nội dung nghiên cứu cho luận văn
cao học. Luận văn tập trung trực tiếp vào Giao thức ADV Mac trong mạng cảm biến
không dây
Nội dung của luận văn gồm ba chương, trong đó:
Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chương II: Giao thức MAC hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN
Chương III: Giao thức ADV Mac trong mạng cảm biến không dây
Học viên xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. NGUYỄN CHIẾN TRINH đã
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình hoàn thành luận văn này. Học viên hi
vọng sau khi thực hiện xong, luận văn có thể là một tài liệu tham khảo có giá trị cho
nhưng người tìm hiểu, nghiên cứu về mạng cảm biến WSN.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY
1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây
WSN (Wireless Sensor Network) [5], tiếng Việt gọi là mạng cảm biến không
dây. Có thể hiểu đơn giản mạng WSN là mạng liên kết các node bằng sóng vô
tuyến, trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền, có
số lượng lớn và phân bố khá rộng. Lưu lượng dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp
và không liên tục, thông thường thời gian 1 node mạng ở trạng thái nghỉ lớn hơn
trạng thái hoạt động rất nhiều, do vậy cần có giải pháp tiết kiệm năng lượng tối đa.
Hơn nữa, các node mạng còn phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, được bố
trí ngẫu nhiên nên có thể di chuyển làm thay đổi cấu hình mạng, vì thế đòi hỏi các
node mạng phải có khả năng tự động cấu hình và thích nghi.
Mạng WSN là một trong những công nghệ mới phát triển nhanh chóng nhất, với
nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và
giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe...
Mạng WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng vô tuyến. Trong đó,
mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và
truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành
thấp và có số lượng lớn được phân bố một cách không có hệ thống trên phạm vi
rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế, thời gian hoạt động lâu dài.

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng WSN

1


1.2. Các thiết bị cảm biến khôg dây
Các thiết bị chính tạo ra mạng cảm biến không dây [1]:

Hình 1.3: Sơ đồ mạng cảm biên không dây cơ bản

 Bộ xử lý năng lượng thấp:
 Bộ nhớ / Lưu trữ:
 Bộ thu phát vô tuyến:
 Các sensor (Cảm biến):
 Hệ thống định vị địa lý GPS
 Nguồn năng lượng:
1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.3.1. Node cảm biến
Một node cảm biến được cấu tạo bởi 3 thành phần cơ bản sau: vi điều khiển,
sensor, bộ phát radio.
1.3.2. Mạng cảm nhận
1.4. Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây
WSN bao gồm các node cảm biến nhỏ gọn, thích ứng được với môi trường khắc
nghiệt. Những node cảm biến này, cảm nhận môi trường xung quanh, sau đó gửi
những thông tin thu được đến trung tâm để xử lý theo ứng dụng. Các node không
những có thể liên lạc với các node xung quanh nó, mà còn có thể xử lý dữ liệu thu
được trước khi gửi đến các node khác. WSN cung cấp rất nhiều những ứng dụng
hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống. [4]

2


 Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường
 Các ứng dụng trong y tế
 Các ứng dụng trong gia đình
 Hệ thống giao thông thông minh
 Ứng dụng trong quân sự, an ninh
 Ứng dụng trong thương mại
1.5 Vấn đề thách thức của mạng Wireless Sensor Networks (WSN)

Một số trong những thách thức lớn mà cản trở việc phổ biến của WSNs bao gồm:
- Năng lượng hạn chế
- Chịu lỗi
- Tính năng
- An ninh
1.6. Vấn đề tiết kiệm năng lượng mạng cảm biến không dây
Mạng không dây đã có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, nó mang lại cho con
người những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực mà ít cần đến các hoạt động
trực tiếp của con người. Những kết quả đạt được là do khả năng hoạt động độc lập
của từng nút mạng. Để hoạt động độc lập hoàn toàn, mỗi nút mạng luôn luôn đi kèm
với một nguồn năng lượng để nuôi chúng. Và việc tiết kiệm nguồn năng lượng này
để kéo dài thời gian hoạt động của nút mạng là vô cùng cần thiết. Yêu cầu này làm
xuất hiện một hướng mới cho nghiên cứu của con người đó là: tiết kiệm tiêu thụ
năng lượng cho nút mạng không dây. Đây là một hướng lớn có tầm quan trọng và
đang được thực hiện thông qua những nghiên cứu, thử nghiệm, ....
Mục tiêu quan trọng nhất của các nghiên cứu này là tìm ra được tất cả những
yếu tố có thể tác động để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Và thông qua các yếu tố
đó sẽ thực hiện tác động để tiết kiệm năng lượng. Vậy ta phải có chế độ hoạt động
và chế độ ngủ, chế độ ngắt điện sao cho tiết kiệm năng lượng đến mức thấp nhất có
thể.
1.6.1. Nguyên nhân của việc lãng phí năng lượng:
- Khi một node nhận nhiều hơn 1 gói tại cùng thời điểm, các gói này được
gọi là “collided packet” thậm chí khi chúng xảy ra đồng thời từng phần (không hoàn
chỉnh). Tất cả các gói nguyên nhân là do xung đột thì phải loại bỏ và yêu cầu truyền
lại các gói này. Vì vậy, làm tăng mức tiêu thụ năng lượng.
3


- Việc nghe lỏm (Overhearing): nghĩa là 1 node nhận được các gói mà đích
đến không phải là nó mà là các node khác.

- Phí tổn gói điều khiển (Control packet overhead): việc gửi và nhận các gói
điều khiển sẽ làm tiêu thụ năng lượng quá nhiều, trừ các gói dữ liệu có ích có thể
được truyền
- Một trong những nguyên nhân chính của việc lãng phí năng lượng là “idle
listening”: nghĩa là lắng nghe 1 kênh rãnh để có thể nhận lưu lượng mà không gửi đi
- Nguyên nhân cuối cùng là “overemitting”: đó là do sự truyền của 1 bản tin
khi node đích là không sẵn sàng (ready)
Vì các nhân tố trên nên 1 giao thức MAC được thiết kế hợp lí để ngăn chặn các
lãng phí năng lượng đó.
1.6.2. Các yếu tố tác động làm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.
* Quá trình tiêu thụ năng lượng.
- Ta cần tìm hiểu quá trình tiêu hao năng lượng trong mỗi nút. Với mỗi nút,
ta cần nghiên cứu 2 chế độ năng lượng cơ bản.
+ Chế độ hoạt động.
+ Chế độ nghỉ.
Với sóng vô tuyến: Có tốc độ dữ liệu cao.
Tuy nhiên, quá trình tiêu hao năng lượng lại khác nhau tuỳ theo mô hình mạng,
khoảng cách, mật độ nút, tần số làm việc, thực tế sử dụng.
Vấn đề quan trọng đặt ra là làm thế nào để nút mạng có thể giảm cường độ dòng
cần sử dụng ở mỗi chế độ đồng thời nó có thể trở về 1 trong 3 chế độ 1 cách linh
hoạt để tránh sự lãng phí, tăng thời gian sử dụng nguồn. Một số giao thức chọn
đường, quản lý công suất và trao đổi số liệu đã được thiết kế cho WSN với yêu cầu
quan trọng nhất là
1.6.3. Năng lượng việc báo hiệu trong truy nhập môi trường (PAMAS):
1.6.4. Lập lịch ngủ:
Các kĩ thuật lập lịch ngủ có thể chia thành 2 loại:
- Lập lịch ngủ đồng bộ
- Lập lịch ngủ không đồng bộ

4

1.7 Kết luận chương 1
Chương đầu tiên này học viên đã giới thiệu các khái niệm và tính chất đặc
thù của mạng cảm biến không dây WSN, những thách thức cụ thể đã được thảo luận
1 cách toàn diện. Chương này cũng đã liệt kê các ứng dụng dịch vụ của mạng cảm
biến không dây và một số các thách thức trong mạng cảm biến không dây để có cái
nhìn tổng thể về mạng cảm biến không dây.

5


CHƯƠNG II: GIAO THỨC MAC HỖ TRỢ HIỆU QUẢ NĂNG
LƯỢNG TRONG MẠNG WSN
Chương này nghiên cứu về các giao thức Mac trong mạng WSN, đặc điểm
và nguyên tắc hoạt động của các giao thức định tuyến này. Những nội dung chính
gồm:
2.1 Các giao thức Mac trong mạng cảm biến không dây
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 cấu trúc như mạng adhoc. Chúng phải tự tổ chức để hình thành một mạng không dây đa chặng. 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) đã được phát triển để giúp
đỡ mỗi nút quyết định khi nào và làm sao để truy nhập kênh. Vấn đề này giống như
định vị kênh hoặc đa truy nhập. Lớp MAC được xem xét bình thường như một lớp
con của lớp liên kết dữ liệu trong 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.
Một số giao thức điều khiển truy cập phương tiện (MAC) đã được đề xuất cho
mạng cảm biến không dây (WSNs). Bắt đầu từ việc năng lượng là một hạn chế lớn
cho WSNs, rất nhiều các giao thức MAC đã được thiết kế với mục tiêu giảm thiểu
tiêu thụ năng lượng nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất như độ trễ gói và tỷ lệ giao
hàng. Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu việc tiết kiệm năng lượng của giao
thức MAC cho WSNs. Hầu hết các giao thức MAC có thể được phân loại như các
giao thức cơ bản và giao thức MAC TDMA.
2.2 Giao thức MAC dựa trên TDMA
TDMA giao thức được căn cứ trên việc đặt và lập lịch [12], [13], [21]. Trong
giao thức này \, mỗi nút cuối cùng có thể truyền tải dữ liệu của nó. Điều này được

6


thực hiện bằng cách đặt khe thời gian cho các nút. Do đó, các giao thức TDMA
ngăn chặn va chạm và có giới hạn về độ trễ đầu cuối. Các giao thức này tiết kiệm
năng lượng khi mạng được nạp là rất cao và tất cả các khe cắm được dùng. Tuy
nhiên, các giao thức TDMA dựa trên bị các vấn đề về đồng bộ hóa. Các nút trong
các giao thức như vậy cần phải được đồng bộ chặt chẽ, hình thành các cụm truyền
thông. Nó không phải là dễ dàng để duy trì đồng bộ giữa 10 nút, đặc biệt là trong
một mạng lưới rộng lớn. Ngoài ra, khi các nút mới tham gia mạng lưới hoặc các nút
rời mạng, nó không dễ dàng để tự động thay đổi độ dài khung và phân khe trong
một cụm. Hơn nữa, việc phát triển một kế hoạch hiệu quả với một mức độ cao của
tái sử dụng kênh là rất khó khăn.
2.1.1 (LEACH) Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp
LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp, dựa trên
thuật toán phân nhóm, trong đó, các nút có thể phân bố ngẫu nhiên, và tự hình thành
cụm (sefl configuring cluster formation). Nút chủ cụm có chức năng điều khiển các
nút trong cụm gửi dữ liệu đến nó theo một chu kỳ nhất định. Tại nút chủ, dữ liệu sẽ

được thu thập và xử lý ở nhiều mức độ khác nhau, tùy thuộc vào từng ứng dụng,
trước khi gửi tới trạm gốc [7] [10].
Quá trình cảm biến và truyền thông trong giao thức LEACH được thiết kế thích
hợp nhằm giảm tối thiểu năng lượng tiêu hao cho nút không phải là nút chủ. Khi các
nút chủ biết được tất cả nút thành viên trong cụm của nó, nó sẽ gửi bản tin định thời
TDMA để thông báo cho mỗi nút chính xác khi nào thì thực hiện nhiệm vụ cảm
biến và truyền dữ liệu đến nút chủ. Cơ chế này cho phép nút thông thường sẽ tồn tại
ở trạng thái nghỉ (Sleep State) trong phần lớn thời gian, chỉ khi đến thời điểm phải
thực hiện nhiệm vụ cảm biến và gửi dữ liệu thì nút mới phải hoạt động. Hơn nữa,
dùng bản tin TDMA cho việc truyền dữ liệu còn giúp tránh được hiện tượng xung
đột (collision) xảy ra trong cụm.
2.1.2 Năng lượng các cụm TDMA (PACT)
Năng lượng các cụm TDMA hoặc PACT [16] sử dụng phân nhóm thụ động như
Leach để tạo ra một mạng đường trục với cụm đứng đầu và các nút cửa ngõ để
thông tin liên lạc, như thể hiện trong hình.
Tuy nhiên, không giống như Leach, Việc chọn lựa của một cụm trưởng dựa trực
tiếp trên mức độ mạnh của một nút. Các nút cửa ngõ cho phép truyền thông giữa
các cụm được diễn ra. Cụm đầu thu thập dữ liệu từ các thành viên nhóm và chuyển
dữ liệu vào sink. Các nút là thành viên của hai hoặc nhiều cụm có thể được bầu làm

7


nút cửa ngõ Vai trò của cổng và cụm đứng đầu nhóm là hoán đổi cho nhau và phụ
thuộc vào mức công suất của các nút.
2.1.3 TDMA tự ổn định (SS-TDMA)
TDMA Tự Ổn định hoặc SS-TDMA [9] là một giao thức TDMA được thiết kế
để phát song và ứng dụng hội tụ. Các giao thức có thể bắt đầu từ bất kỳ cụm riêng
biệt nào và phục hồi cho các trạm từ nơi giao tiếp va chạm có thể đạt được giữa các
cảm biến. Tất cả lưu lượng trong một chuỗi cố định được lên kế hoạch vòng (ví dụ,

bắc, nam, đông, tây) để đảm bảo truyền tải va chạm. SS-TDMA sử dụng các mối
quan hệ giữa các phạm vi can thiệp và phạm vi giao tiếp của các nút để có được một
ước tính số lượng các nút trong phạm vi can thiệp mà không cần phải có cùng số
lượng khe cắm. Cảm biến chỉ hoạt động trong khe thời gian quy định. Trong các
khe còn lại, các cảm biến sẽ không làm việc để tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên,
ứng dụng của SS-TDMA bị hạn chế bởi vì nó được giới hạn chỉ có topo dạng lưới.
2.1.4 Node-Activation Multiple Access (NAMA)
NAMA hoặc Node-Activation Multiple Access [8] được dựa trên độ phân giải
liên quan đến khu vực (NCR) [8] và kích hoạt nút. Đây là một chương trình ghép
kênh phân chia thời gian. Trong NAMA, một hàm băm được thực hiện tại mỗi nút,
hàm băm này có một chuỗi đặc biệt là đầu vào và một ưu tiên ngẫu nhiên cho mỗi
nút được tạo ra. Các đầu vào đặc biệt là sự liên kết của của nút và số khe thời gian,
và như vậy với những thay đổi khe cắm khác nhau sẽ cho các ưu tiên khác
nhau. Nếu một nút có ưu tiên cao nhất trong phạm vi hai khe, nó được phép chuyển
và các nút còn lại ở trạng thái im lặng. Như vậy, NCR cho phép mỗi nút chọn nút
chiến thắng để truy cập kênh xác định.
2.1.5 Giao thức truy cập trung bình nhẹ (L-MAC)
Giao thức truy cập trung bình nhẹ hoặc L-MAC [10] sử dụng một cơ chế TDMA
để cung cấp một môi trường các nút có thể giao tiếp với nhau và không va
chạm. Bởi sự truy cập TDMA theo lịch trình cho sẵn và trong một khung cố định
chiều dài, mỗi node sẽ sở hữu cho mình một khe cắm. Một nút có thể sử dụng khe
cắm của nó để gửi dữ liệu đến một nút bên cạnh trong một khung. Một nút phát ra
một danh sách của tất cả các khe chiếm đóng trong khu vực một hop của nó. Điều
này cho phép các nút mới lựa chọn các khe cắm không bị va chạm duy nhất trong
hai hop của chúng. Hạn chế chính của L-MAC là nhàn rỗi-nghe overhead là đáng
kể, như các nút phải lắng nghe các phần kiểm soát của tất cả các khe trong một

8

khung để cho phép các nút tham gia vào mạng hoặc để nhận hoặc truyền dữ
liệu. Ngoài ra, L-MAC là chủ yếu phù hợp cho các mạng mật độ thấp.
2.1.6 Truyền tải thích ứng với truy cập trung bình (Trama)
Trama hoặc truyền tải thích ứng với truy cập trung bình [13] là một giao thức
TDMA dựa trên sự phân phối. Trong Trama, thời gian được chia thành truy cập
ngẫu nhiên và khe truy cập theo lịch trình. Các nút thu thập thông tin các nút bên
cạnh bằng cách trao đổi các gói tín hiệu nhỏ trong khoảng thời gian truy cập ngẫu
nhiên. Trong [13], tỷ lệ chiều dài của các truy cập ngẫu nhiên và các chu kỳ truy
cập theo lịch trình được thiết lập đến 72: 10.000. Thời gian truy cập các chu kỳ theo
lịch trình được thể hiện qua các slot. Mỗi slot được gọi là một khe cắm truyền và
được sở hữu bởi một nút trong mỗi khu vực. Chủ sở hữu của một khe cắm được xác
định bởi một hàm băm sử dụng ID nút và số khe là tham số của nó. Trong thời hạn
truy cập theo lịch trình, mỗi nút phải gửi lịch trình của mình một lần trong mỗi
khoảng thời gian được dự kiến. Trong [13], tỷ lệ chiều dài của một khoảng thời gian
lịch trình và một thời gian truy cập theo lịch trình được thiết lập là 1:10. Vào đầu
mỗi khoảng thời gian lịch trình, một nút sẽ tính toán các khe chiến thắng. Khe cắm
cuối cùng mà một nút giành chiến thắng được trong khoảng thời gian biểu được
dành riêng cho việc truyền biểu đồ của nút cho khoảng thời gian kế tiếp. Phần còn
lại được sử dụng để trao đổi dữ liệu, nếu có.
Vì vậy, khi một nút truyền lịch trình của mình, tất cả các nút trong vùng lân cận
của nó ở trạng thái thức. Năng lượng tiêu thụ là do phụ thuộc nhiều vào số lượng
của một-hop lân cận, tức là, mật độ mạng lưới
.
2.3. Giao thức Mac dựa trên sự cạnh tranh
Các giao thức dựa trên việc cạnh tranh được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản,
mạnh mẽ và linh hoạt của chúng. Các giao thức này đòi hỏi ít hoặc không đồng bộ
đồng hồ và không có thông tin về topo chung. Chức năng điều phối phân phối IEEE
802.11 (DCF) [11] là một ví dụ về giao thức dựa trên sự cạnh tranh. Nó được sử
dụng rộng rãi bởi tính đơn giản và mạnh mẽ của mình đối với vấn đề thiết bị đầu
cuối ẩn. Tuy nhiên, vì nghe nhàn rỗi, việc tiêu thụ năng lượng sử dụng MAC này là

rất cao, như các nút thường ở chế độ nhàn rỗi. Ngoài ra, tại tải trọng cao, giao thức
MAC cạnh tranh dựa trên hoạt động kém vì số lượng va chạm cao. PAMAS [19] đã
thực hiện một cải tiến tiết kiệm năng lượng bằng cách chuyển các nút tắt trong thời

9


gian một gói tin truyền nếu chúng không phải là đích định tuyến của gói tin. Tuy
nhiên, PAMAS không làm giảm việc nghe nhàn rỗi.
2.3.1. Sensor-MAC
S-MAC 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.

a. Thực hiên 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.

b. Lược đồ cơ bản
Mỗi nút cảm biển 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. 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 2.6: Lược đồ S-MAC

10


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.

c. 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.
Rất hiếm khi xảy ra các nút phải duy trì nhiều thời gian biểu. Các nút sẽ cố gắng
chọn một thời gian biểu đã tồn tại trước khi tự chọn cho mình một thời gian biểu
độc lập. Mặt khác, xảy ra trường hợp các nút lân cận thất bại trong việc khám phá,
phát hiện ra nhau tại thời điểm ban đầu do xung đột khi quảng bá thời gian biểu, thì
chúng vẫn có thể tìm thấy nhau trong chu kỳ kế tiếp.
Một tùy chọn khác để cho những nút trên vùng biên chấp nhận duy nhất một
thời gian biểu là chấp nhận cái đến trước tiên. Khi nó biết thời gian biểu khác mà

một số nút lân cận của nó theo, nó có thể vẫn còn nói chuyện với chúng. Tuy nhiên,
với những gói quảng bá, nó cần gửi hai lần với hai thời gian biểu khác nhau. Ưu
điểm của phương pháp này là các nút nằm trong vùng biên sẽ có cùng chu kỳ nghe
ngủ với những nút khác.

d. Thực hiện đồng bộ
Lược đồ thức/ngủ yêu cầu sự đồng bộ giữa những nút trong vùng lân cận. Việc
các nút trong vùng lân cận định kỳ cập nhật lẫn nhau thời gian biểu của chúng là
cần thiết để ngăn ngừa sự sai lệch thời điểm của chu kỳ nghe/ngủ.
Việc cập nhật thời gian biểu được thực hiện bằng trao đổi gói tin đồng bộ
SYNC. Gói tin SYNC rất ngắn, và bao gồm địa chỉ của nút gửi và thời điểm chuyển
sang trạng thái ngủ tiếp theo của nó.
Để một nút nhận được cả những gói đồng bộ lẫn những gói dữ liệu, chúng ta
chia khoảng thức (active time) của nó thành hai phần. Phần đầu tiên để nhận những
gói tin đồng bộ, phần hai để nhận những gói RTS (Hình 2.8). Mỗi phần được chia
tiếp thành nhiều khe thời gian cho những nút gửi để thực hiện cảm nhận sóng mang.
Ví dụ, nếu một nút gửi muốn gửi một gói tin đồng bộ thì nó khởi động cảm nhận
sóng mang khi nút nhận bắt đầu nghe. Nó ngẫu nhiên lựa chọn một khe thời gian để
kết thúc cảm nhận sóng mang. Nếu nó không phát hiện ra bất kỳ sự truyền nào vào
khoảng cuối khe, thì nó chiếm được đường truyền và bắt đầu gửi gói tin đồng bộ
11


của nó ở tại thời điểm ấy. Việc thực hiện truyền gói dữ liệu cũng được thực hiện
tương tự.

e. Tránh xung đôt và nghe thừa
Tránh xung đột là một nhiệm vụ cơ bản của giao thức MAC. S-MAC sử dụng
một lược đồ tránh xung đột trên nền cạnh tranh. Khi một nút phát đi một gói tin, gói
tin đó được thu bởi tất cả các nút lân cận của nó mặc dù chỉ một trong số chúng là

nút nhận, đó chính là nghe thừa. Phải nghe thừa làm cho giao thức MAC trên nền
cạnh tranh kém hiệu quả về tiết kiệm năng lượng hơn so với những giao thức
TDMA, vậy nên nó cần phải tránh.

f. Tránh xung đột
Khi nhiều nút có nhu cầu gửi số liệu vào cùng một thời điểm, chúng cần cạnh
tranh để quyết định một nút được quyền gửi (chiếm đường truyền). Trong số những
giao thức cạnh tranh, 802.11 thực hiện rất tốt việc tránh xung đột. S- MAC sử dụng
các kỹ thuật như chuẩn 802.11, bao gồm cảm nhận sóng mang vật lý, cảm nhận
sóng mang ảo lẫn thực hiện trao đổi RTS/CTS.

g. Tránh nghe thừa
Ở chuẩn 802.11, mỗi nút duy trì trạng thái nghe cho việc truyền tới tất cả các nút
lân cận của nó để thực hiện có hiệu quả việc cảm nhận sóng mang ảo. Kết quả là
mỗi nút phải nghe thừa nhiều gói không gửi cho nó. Đây là một trong những
nguyên nhân chính cho việc tiêu phí năng lượng không cần thiết, đặc biệt khi mật
độ nút lớn và lưu lượng mạng tăng.
S-MAC được thiết kế với mục tiêu cố gắng tránh nghe thừa bằng cách để cho
những nút có khả năng gây nhiễu không tham gia vào quá trình truyền phát dữ liệu,
chuyển sang trạng thái ngủ sau khi chúng nhận được một gói RTS hoặc CTS. Khi
những gói dữ liệu luôn dài hơn gói tin điều khiển, cách tiếp cận là ngăn cản các nút
lân cận nghe thừa những gói dữ liệu dài và sử dụng gói tin ACK theo sau.

h. Xử lý thông điêp
Truyền dữ liệu dài trong một gói tin thì chi phí cho việc truyền lại khi chỉ có một
vài bít lỗi trong lần truyền đầu tiên là rất cao. Tuy nhiên, nếu chúng ta chia nhỏ
thông điệp vào trong nhiều gói nhỏ độc lập, chúng ta phải xử lý quá nhiều gói tin
điều khiển do vậy độ trễ truyền sẽ tăng.
S-MAC xử lý vấn đề trên bằng cách chia nhỏ thông điệp dài thành nhiều phân
đoạn nhỏ và truyền chúng trong một cụm (burst) nhưng chỉ sử dụng một gói tin

12


RTS và một gói tin CTS. Chúng chiếm dụng đường truyền truyền tất cả các đoạn.
Mỗi lần một đoạn dữ liệu được truyền, nơi gửi đợi một xác nhận ACK từ nơi nhận.
Nếu nó không nhận được ACK, nó sẽ mở rộng thời gian chiếm dụng đường truyền
cho đủ một phân đoạn nữa, và truyền lại ngay phân đoạn dữ liệu hiện thời.
2.3.2 Time out-MAC
Mặc dù thực hiện giảm tiêu hao năng lượng bằng việc giảm thời gian chờ nghe
qua giải pháp thực hiện chu trình thức/ngủ cố định, nhưng giải pháp này của SMAC chưa đạt hiệu quả tối ưu. S-MAC có 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 yêu cầu về độ trễ cho phép và độ lớn bộ đệm. Độ lớn thời
gian thức phụ thuộc chủ yếu trên tốc độ phát sinh thông điệp: nó phải đủ lớn để nút
cảm biến có thể phát đi tất cả các thông điệp của nó trong khoảng thời gian thức.
Trong khi yêu cầu độ trễ và không gian bộ đệm nói chung là cố định thì tốc độ phát
sinh thông điệp thường thay đổi. Để đảm bảo tất cả các thông điệp được phát như
mong muốn, nút cảm biến phải được cài đặt một thời gian thức sao cho có thể xử lý
ở mức thông lượng cao nhất. Nhưng khi thông lượng xuống thấp thì thời gian thức
sẽ không được sử dụng tối ưu và do đó năng lượng sẽ bị lãng phí do vấn đề nghe
khi rỗi (idle listening).
Giao thức điều khiển truy nhập T-MAC (Timeout-MAC) do hai tác giả Tijs van
Dam và Koen Langendoen, khoa Công nghệ thông tin và các hệ thống, Trường đại
học công nghệ Delft, Hà Lan, giới thiệu tại Hội nghị quốc tế về các hệ thống mạng
cảm biến nhúng lần thứ nhất tại Los Angeles, Mỹ, năm 2003 (Sensys’03), là sự cải
tiến S-MAC để khắc phục nhược điểm trên. Ý tưởng mới của giao thức T-MAC là
giảm bớt thời gian nghe khi rỗi bằng việc truyền tất cả các thông điệp trong những
cụm (burst) có độ dài thay đổi tùy theo, và thực hiện ngủ giữa các cụm, xác định
một cách mềm dẻo độ dài tối ưu thời gian thức theo sự thay đổi của lưu lượng
đường truyền.

a. Phân nhóm và đồng bô
Đồng bộ khung thời gian được thực hiện qua sự hình thành phân nhóm ảo như
được mô tả trong giao thức S-MAC. Khi một nút cảm biến bắt đầu quá trình hoạt
động của mình, nó bắt đầu bằng việc đợi và nghe. Nếu nó không nghe thấy gì trong
một khoảng thời gian nhất định, thì nó tự chọn cho mình một lịch làm việc và
truyền một gói tin đồng bộ SYNC chứa đựng thời gian khởi tạo của khung tiếp theo
trong lịch làm việc. Nếu nút cảm biến trong thời gian khởi động nghe thấy một gói

13


tin đồng bộ từ nút khác, thì nó sẽ theo lịch làm việc trong gói tin đồng bộ đó và
quảng bá gói tin đồng bộ tương ứng của chính mình.

b. Thưc hiện gửi RTS và chon TA trong T-MAC
T-MAC cần bổ sung một số đặc tính so với S-MAC để thực hiện sự điều chỉnh
tối ưu thời gian thức.
1, Khoảng cạnh tranh cố định (Fixed contention interval)
2, Thử phát lại RTS
3, Xác định khoảng TA
2.3.2 ADV-MAC:
Một số giao thức Medium Access Control (MAC) và các dự án giảm thiểu
tiêu thụ năng lượng đã được đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Ví dụ, SensorMAC (S-MAC) đã được đề xuất để giảm tiêu thụ năng lượng qua các bước thực
hiện trong một chu kỳ hoạt động. Với lưu lượng tùy biến, chu kỳ nhiệm vụ cố định
của S-MAC lãng phí năng lượng khi sensor thu thập thông tin cùng với độ trễ cao
hơn và thông lượng thấp hơn so với một chu kỳ nhiệm vụ thích ứng. Timeout-MAC
(T-MAC) được giới thiệu như một chu kỳ nhiệm vụ thích ứng để xử lý lưu lượng
tùy biến. Tuy nhiên, các sensor không tham gia trao đổi dữ liệu thì năng lượng tiêu
thụ là nguyên nhân giá trị thời gian chờ của các sensor này thay đổi liên tục. ADVMAC là một giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây được giới thiệu nhằm

loại bỏ việc lãng phí năng lượng bằng cách giới thiệu các khái niệm về ưu điểm cho
việc kết nối dữ liệu. ADV- MAC giảm thiểu năng lượng bị mất khi sensor thu thập
thông tin trong khi duy trì một chu kỳ nhiệm vụ thích ứng để xử lý lưu lượng tùy
biến. Ngoài ra, ADV-MAC cho phép năng lượng MAC truyền tải mutilcast. So sánh
chi tiết giao thức ADV-MAC với S-MAC và T-MAC thì các kết quả cho thấy
ADV-MAC hiệu quả xử lý các tình huống lưu lượng tùy biến và cung cấp tăng đáng
kể so với S-MAC và T-MAC về năng lượng (giảm tới 45%) trong khi faring cũng
như T-MAC về sản lượng và độ trễ.

14


2.4 Các giao thức MAC lai
Giao thức MAC lai để cho các nút truy cập trung bình của sự tranh chấp tùy
thuộc vào tải lưu lượng cũng như cấu hình giao thức. IEEE 802.15.4 [6] và Z-MAC
[22] là hai giao thức MAC lai nổi tiếng.
2.4.1 IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4 [6] là tiêu chuẩn IEEE cho các mạng truyền thông không dây
công suất thấp. IEEE 802.15.4 là một giao thức dựa trên cụm mà chia mạng thành
các cụm điều khiển bởi cụm đầu.
2.4.2 Z-MAC
Z-MAC [22] là một giao thức lai trong đó các nút truy cập trung bình với
một sự kết hợp của sự tranh dựa và truy cập tranh miễn phí. Thời gian trong ZMAC được chia thành các khe. Mỗi một khe này được gán cho các nút trong một
cách như vậy mà không có hai nút trong một khu phố truyền thông hai-hop được
giao cùng một khe cắm. Nhiệm vụ này được thực hiện bằng cách sử DRAND [18],
một phân TDMA thuật toán phân khe. Số lượng các nút trong khu phố hai hop của
một nút xác định khoảng thời gian hoặc khoảng thời gian (trong số khe) mà tại đó
các nút sở hữu một khe. Trong Z-MAC, một nút có thể hoạt động theo một trong
hai chế độ: mức tranh thấp (LCL) hoặc mức tranh cao (HCL). Một nút vào chế độ
HCL chỉ khi nó nhận được một hoặc cụ thể hơn thông báo tranh chấp (ECN) từ các

nút lân cận trong giai đoạn cuối cùng. Nếu không, theo mặc định, nút ở chế độ
LCL. Khi một nút nhận thông tin từ các nút lân cận, nó sẽ gửi một thông báo tranh
chấp (ECN) đến nút đó.
2.5 Kết luận chương 2
Như đã thấy từ phần phân tích này, các giao thức MAC khác nhau nhằm mục
đích cải thiện một tham số hiệu suất. Các giao thức này nhằm mục đích để bảo tồn
năng lượng, đưa ra một tỷ lệ thấp hơn với các gói có độ trễ cao hơn hoặc hạn chế
trong một cấu trúc liên kết cụ thể. Trong luận văn, ta đã thấy hiệu quả năng lượng
của giao thức MAC cũng như hiệu suất tổng thể của nó được nâng cấp bằng cách
áp dụng các kỹ thuật quảng cáo. Những cải tiến và những hạn chế được thực hiện
theo các kịch bản mạng khác nhau.

15


CHƯƠNG III: GIAO THỨC ADV-MAC TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
3.1. Thiết kế tổng quan ADV MAC
Một số giao thức Medium Access Control (MAC) và các dự án giảm thiểu
tiêu thụ năng lượng đã được đề xuất cho mạng cảm biến không dây. ADV-MAC,
một giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây được giới thiệu nhằm loại bỏ
việc lãng phí năng lượng bằng cách giới thiệu các khái niệm về ưu điểm cho việc
kết nối dữ liệu
3.1.1 Cơ bản hoạt động của ADV-MAC

Hình 3.1: Ví dụ về ADV-MAC, T-MAC và giao tiếp S-MAC.

16

Vị trí các nút đích được chỉ ra bởi tất cả các ADV-MAC có chữ cái sau các
gói tin. Nếu bỏ qua việc nghe khi nhàn rỗi của giao thức T-MAC, các nút sẽ ở trạng
thái ngủ ở các khu vực mở và ba giao thức thời gian bắt đầu hoạt động của mình với
một khoảng thời gian SYNC, nó sẽ được sử dụng để đồng bộ hóa các cụm ảo của
nút. Mỗi khung trong S-MAC bao gồm một chiều dài SYNC cố định, một giai đoạn
dữ liệu chiều dài cố định và một giai đoạn ngủ phụ thuộc vào chu kỳ nhiệm vụ. TMAC cũng có chiều dài khoảng thời gian SYNC là cố định, nhưng độ dài của thời
gian dữ liệu và độ dài thời gian ngủ phụ thuộc vào các điều kiện truyền tải lưu
lượng. Trong khi giai đoạn dữ liệu của S-MAC và T-MAC được bắt đầu sau thời
gian SYNC, ADV-MAC được hiểu là một khoảng thời gian ngắn hay được gọi là
giai đoạn quảng cáo (giai đoạn ADV) trước khi đến giai đoạn dữ liệu. Thời gian
quảng cáo được sử dụng để truyền các gói quảng cáo (gói ADV), có chứa các thông
tin của người nhận. Do đó ADV-MAC có một khoảng thời gian SYNC độ dài cố
định và một giai đoạn ADV có độ dài cố định, tiếp theo là một khoảng thời gian dữ
liệu và một giai đoạn ngủ có độ dài thay đổi. Cần lưu ý rằng trong khi các dữ liệu và
thời gian ngủ đều là biến trong ADV-MAC và T-MAC, tổng thời gian khung hình
là cố định. Ngoài ra, không giống như S-MAC, ADV-MAC không có một giai đoạn
nhiệm vụ cố định. Tùy thuộc vào lưu lượng truyền tải dự kiến, có thể thay đổi tổng
chiều dài khung cũng như độ dài của giai đoạn ADV trước khi triển khai các hệ
thống mạng.
Trong giai đoạn ADV nếu một nút có bất kỳ dữ liệu nào để gửi nó sẽ gửi gói
ADV. Nhiều nút có thể gửi các gói ADV trong giai đoạn ADV. Nếu gói ADV được
nhận bởi người nhận mong muốn của nó, nút đó sẽ nhận thức được rằng có dữ liệu
cấp phát cho nó. Như vậy, sau khi kết thúc giai đoạn ADV, chỉ có các nút đó gửi
gói ADV và các máy thu kế tiếp nhận được gói tin ADV thành công và sẽ được
đánh thức trong khoảng thời gian của dữ liệu. Lưu ý rằng không bản tin xác thực
nào được gửi cho các gói ADV. Vì lý do này, trong trường hợp của một vụ va chạm
ADV, các nút có gói va chạm sẽ không biết về sự va chạm của nó và sẽ ở trạng thái
thức (khi nhận định trước đó của nó ở trạng thái ngủ).
Sau giai đoạn ADV, từ khi bắt đầu giai đoạn dữ liệu các nút gửi gói ADV sẽ
tranh chấp trong môi trường trung gian bằng cách lắng nghe các phương tiện trong

một khoảng thời gian ngẫu nhiên và sau đó gửi một gói RTS. Nút chiến thắng trong
môi trường trung gian hoàn tất việc trao đổi dữ liệu của nó, các nút có thể gửi nhiều
gói tin. Khi một nút giành được chiến thắng trong môi trường trung gian, nó không
cần phải gửi gói dữ liệu RTS cho tất cả các gói dữ liệu, nó chỉ gửi các gói dữ liệu và

17


người nhận trả lời lại với một gói tin ACK. Vì các gói RTS và CTS chứa thời gian
của toàn bộ thời gian trao đổi, các nút còn lại sẽ trì hoãn việc gửi dữ liệu cho đến
khi kết thúc trao đổi dữ liệu như trong IEEE 802.11 [11] và đi vào trạng thái ngủ
trong khoảng thời gian đó. Sau khi đã trao đổi dữ liệu qua lại, các nút ở trạng thái
thức bắt đầu tranh chấp trong môi trường trung gian. Các nút có gói ADV va chạm
cũng sẽ cố gắng gửi đi gói RTS. Tuy nhiên, theo kịch bản dự kiến các nút sẽ ở trạng
thái ngủ, và các nút cuối cùng sẽ được đi vào trạng thái ngủ sau khi thời gian chờ
gói tin CTS. Các nút này sẽ được thử lại trong khung tiếp theo. Trong các mạng
multihop, có thể có các thiết bị đầu cuối ẩn. Trong trường hợp như vậy, một người
gửi có thể không nhận được trả lời từ người nhận dự kiến của mình trong một
khoảng thời gian timeout CTS và sẽ đi vào trạng thái ngủ, thậm chí cả khi nó truyền
các gói ADV thành công. Nếu một nút không truyền tải thành công gói dữ liệu của
nó trong một khung sau khi truyền tải gói RTS, nó sẽ không cố gắng để truyền lại
trong cùng một khung nhưng nó sẽ thử lại trong khung tiếp theo.
Như hình 3.1 cho thấy, S-MAC có tổng năng lượng tiêu thụ và kích thước
khung được thiết lập cho cả ba giao thức. Tuy nhiên, điều này sẽ cùng với giá trị
thông lượng thấp và độ trễ cao, chính vì vậy các nút trong S-MAC chỉ có thể truyền
tải một gói tin trong mỗi khung. Để cải thiện độ trễ và thông lượng phải thêm chu
kỳ nhiệm vụ cho S-MAC. Theo giao thức S-MAC, thời gian hoạt động là cố
định. Như vậy, tăng chu kỳ nhiệm vụ có nghĩa là thời gian ngủ và tổng thời gian
khung hình sẽ ngắn hơn. Nút trong S-MAC sẽ ở trạng thái thức thường xuyên hơn,
dẫn đến khung hình nhiều hơn trong cùng một thời điểm. Do đó, các nút sẽ sử dụng

năng lượng nhiều hơn để có được thông lượng tốt và độ trễ cao hơn. Đối với TMAC, các nút không cần thiết cho việc trao đổi dữ liệu khi ở trạng thái thức và lãng
phí năng lượng. ADV-MAC cung cấp mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất trong khi
đạt được thông lượng cao và độ trễ thấp.
Mặc dù ADV-MAC cho biết thêm một khoảng thời gian mới sau khoảng thời
gian SYNC, việc tiêu thụ năng lượng của ADV-MAC không lớn hơn so với S-MAC
và T-MAC ngay cả trong khi tải lưu lượng thấp. Lý do là như sau, xem xét các
trường hợp không có truyền tải lưu lượng với tất cả ba giao thức có cùng độ dài
khung. Nếu giai đoạn dữ liệu của S-MAC, thời gian chờ của T-MAC và thời gian
ADV của ADV- MAC có cùng thời gian, năng lượng tiêu thụ sẽ là như nhau trong
mọi trường hợp. Điều này là do sau khoảng thời gian SYNC, tất cả các nút trong SMAC sẽ thức trong giai đoạn dữ liệu, tất cả các nút thức trong thời gian chờ TMAC và tất cả các nút trong ADV-MAC sẽ thức trong giai đoạn ADV. Các giai

18


đoạn ADV phải bằng thời gian Timeout được đưa ra trong [20] ADV-MAC cho
việc tiêu thụ năng lượng thấp nhất cho thông lượng và độ trễ so với S-MAC và TMAC.
ADV-MAC sử dụng cùng một phương pháp cho cụm ảo và đồng bộ hóa như
trong S-MAC [23] và T-MAC [20]. ADV-MAC cũng sử dụng cả cụm ảo và vật lý
để tránh va chạm như S-MAC [23].
3.1.2 Cơ chế cạnh tranh trong ADV-MAC
Trong ADV-MAC một cơ chế cạnh tranh hai cấp được tiến hành. Các nút sở
hữu gói dữ liệu để gửi đầu tiên sẽ có cạnh tranh trong việc nhận thông báo của nó
trong giai đoạn ADV, và trong khoảng thời gian dữ liệu sau đó, các nút sẽ cạnh
tranh để gửi các gói dữ liệu của nó. Các cơ chế cạnh tranh của cả hai giai đoạn
ADV cũng như giai đoạn dữ liệu được mô tả trong phần này.

a, ADV theo chu kỳ
Thời gian quảng cáo được chia thành nhiều khe thời gian. Khi bắt đầu của
thời gian quảng cáo, nếu một node có bất kỳ dữ liệu để gửi đi, nó sẽ chọn ngẫu
nhiên một khe và bắt đầu lắng nghe kênh cho đến khi khe thời gian của nó đến

được. Nếu không có truyền tải gói ADV xảy ra khi khe thời gian của nó đến, nó sẽ
truyền tải gói ADV của nó.

b, Chu kỳ dữ liệu cạnh tranh
Ý tưởng chính của phương pháp ADV cạnh tranh cũng được sử dụng trong
cạnh tranh kỳ dữ liệu. Cho  là khoảng thời gian của giai đoạn dữ liệu và Sdata là
khoảng thời gian của các cửa sổ tranh chấp được sử dụng trước mỗi lần truyền dữ
liệu trong các khe đơn vị. Các nút truyền trong giai đoạn ADV, chọn một khe ra
khỏi Sdata và thiết lập bộ đếm thời gian của nó với khoảng thời gian cho đến khe mà
nó đã chọn. Khi bộ đếm thời gian của một nút đạt giá trị 0, nút bắt đầu trao đổi dữ
liệu bằng cách gửi một gói RTS. Khi kết thúc quá trình truyền tải tất cả các nút nghe
truyền dẫn sẽ hủy bộ tính giờ của chúng và chọn khe mới trong Sdata. Quá trình này
được lặp lại cho đến khi tất cả các nút truyển tải kết thúc hoặc kết thúc giai đoạn
truyền tải dữ liệu.
3.1.3 Vấn đề ngủ sớm của T-MAC
Các giao thức T-MAC có vấn đề cơ bản gọi là vấn đề ngủ sớm [20]. Giả sử
nút A có dữ liệu cho nút B và nút A không cạnh tranh vì nó nghe thấy một RTS
hoặc CTS từ một trao đổi dữ liệu khác. Nếu nút B ra khỏi phạm vi của đường truyền

19


này, nó sẽ bị time out và ở trạng thái ngủ trước khi nút A có thể gửi dữ liệu của
nó. Điều này sẽ dẫn đến việc thời gian trễ tăng và làm giảm giá trị thông lượng. Vấn
đề ngủ sớm cũng có thể xảy ra nếu người nhận không thể trả lời lại với một CTS vì
nó nghe thấy được một RTS / CTS đang trao đổi với một trao đổi dữ liệu khác.
Tuy nhiên, giao thức ADV-MAC vốn không xảy ra vấn đề ngủ sớm. Trong
suốt thời gian hoạt động của ADV-MAC, chỉ có các nút được chỉ định như các nút
thu dự định trong gói ADV ở trạng thái thức. Nếu nó lắng nghe được việc trao đổi
dữ liệu giữa các nút khác (thông qua RTS hoặc CTS), nó chỉ cần đi vào trạng thái

ngủ trong suốt thời gian của việc trao đổi dữ liệu và ở trạng thái thức một lần nữa để
lắng nghe các phương tiện. Nếu nó không nghe thấy bất cứ điều gì, nó sẽ vẫn ở
trạng thái thức với RTS, vì nó đã biết được mục tiêu làm việc từ lúc đầu.
3.1.4 MAC Multicasting
Trong S-MAC và T-MAC, việc quảng bá diễn ra mà không có bất kỳ cơ chế
RTS / CTS, và các gói dữ liệu được gửi trực tiếp. Có thể có những tình huống mà
các nguồn sẽ quảng bá các loại dữ liệu khác nhau và mỗi nút nhận sẽ quan tâm đến
một kiểu dữ liệu cụ thể. Ví dụ, có thể các nút được trang bị cảm biến khác nhau,
quảng bá và đo cảm biến riêng của nó như các gói riêng biệt, nghiã là các nút chỉ
quan tâm một số loại dữ liệu cảm biến. Trong ứng dụng này LMS- MAC có thể
kích hoạt tính năng tiết kiệm năng lượng đáng kể. Khi các nút trong S-MAC và TMAC không nhận biết được loại dữ liệu đang được quảng bá, tất cả các nút sẽ nhận
được dữ liệu đang được quảng bá ngay cả khi nó không quan tâm đến hình thái loại
dữ liệu, do đó năng lượng sẽ bị lãng phí. Trong ADV-MAC, gói ADV có thể có một
vùng chứa các loại dữ liệu đang được gửi đi. Chỉ có các nút quan tâm đến những
loại dữ liệu sẽ ở trạng thái thức trong giai đoạn dữ liệu. Điều này cho phép hiệu quả
multicast đơn hop ở MAC và tiết kiệm một lượng lớn năng lượng.
3.1.5 Năng lượng tiêu thụ
Năng lượng tiêu thụ của ba giao thức có thể được tính toán xấp xỉ với các
trường hợp đơn giản. Với giá trị truyền dẫn, tiếp nhận và tiêu thụ năng lượng nhàn
rỗi đều xấp xỉ như nhau, Theo MicaZ và Tmote Sky tiêu hao năng lượng
[5][7]... Xem xét trường hợp của N nút trong một cluster ảo và tất cả đều nằm trong
phạm vi truyền dẫn của nhau.

20


a, S-MAC
Cho p là chu kỳ nhiệm vụ và tsim thời gian truyền. Nếu w là tín hiệu truyền,
tiếp nhận hoặc không nghe, sau đó tổng năng lượng tiêu thụ mỗi nút trong tsim giây
được tính như

 Smac  wpt sim

(3.1)

b, T-MAC
Để tính toán tổng mức tiêu thụ năng lượng trong T-MAC, đầu tiên chúng ta
hãy tính toán tổng thời gian dành cho giao thức bởi tất cả các nút trong cluster
ảo. Chúng tôi xem xét T-MAC với việc lắng nghe. Hãy để Ns là số các nguồn tin
trong mạng lưới mỗi khi truyền tải một gói trong t giây. Tổng thời gian thức trong
thời gian SYNC và thời gian chờ cuối cùng của tất cả các nút N trong thời gian mô
phỏng là
NNc (tsync  tTA )

(3.2)

Bảng 3.1: ADV-MAC: Ký hiệu sử dụng
Số lượng, lượng

ký hiệu

Tổng Time Simulation

tsim

Tx / Rx / Idle Listening Power

w

Số nút

N

Số Nguồn Nodes

Ns

Số khung hình / chu kỳ trong t sim

Nc

Số gói tin trao đổi trong t sim

Np

Thời gian Sync

tsim

Thời hạn Thời gian chờ

TTA

Thời hạn thời gian ADV

tADV

Thời hạn thời gian Contention Trung bình

t cw

Thời hạn kiểm soát gói (RTS, CTS, ACK, ADV)
Thời hạn của gói dữ liệu

tcontrol
t data
p

Duty Cycle (%)

21