Nâng cấp Hiệu năng Mạng Cảm Biến

Phần này nhấn mạnh tầm quan trọng của khả năng thích ứng và tính biến đổi (scalability and adaptivity) trong các giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến thường được triển khai một cách phi cấu trúc, mật độ nút thay đổi theo thời gian và không gian, và một số nút có thể ngừng hoạt động hoặc tham gia vào mạng bất cứ lúc nào. Do đó, một giao thức MAC hiệu quả cần phải thích ứng linh hoạt với những thay đổi về kích thước mạng, mật độ nút và cấu trúc topology. Khả năng điều tiết các thay đổi này một cách hợp lý là chìa khóa để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của toàn bộ mạng. Tóm lại, tính biến đổi và khả năng thích ứng là những thuộc tính then chốt cần được thiết kế trong giao thức MAC để đáp ứng yêu cầu của môi trường hoạt động không chắc chắn và động của mạng cảm biến không dây.

Khả năng sử dụng kênh (channel utilization) phản ánh hiệu quả sử dụng băng thông trong truyền thông. Trong các hệ thống khác như mạng di động hoặc WLAN, tối ưu hóa khả năng sử dụng kênh là mục tiêu hàng đầu. Tuy nhiên, trong mạng cảm biến, số lượng nút hoạt động thường phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Vì vậy, tối ưu hóa khả năng sử dụng kênh thường là mục tiêu thứ yếu, nhường chỗ cho các mục tiêu quan trọng khác như tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy. Khía cạnh công bằng (fairness) trong việc chia sẻ kênh cũng được thảo luận. Trong mạng truyền thống, công bằng là rất quan trọng. Nhưng trong mạng cảm biến, với các nút hợp tác cho một nhiệm vụ chung, sự thành công của ứng dụng quan trọng hơn là sự công bằng tuyệt đối giữa các nút. Tức là, một số nút có thể cần truyền nhiều dữ liệu hơn các nút khác để hoàn thành nhiệm vụ.

Độ trễ (latency) là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế giao thức MAC. Tốc độ phản hồi của mạng bị giới hạn bởi tốc độ cảm biến đối tượng. Trong thời gian không có sự kiện, độ trễ thấp không quan trọng bằng tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, khi có sự kiện, độ trễ thấp lại trở nên thiết yếu. Để tiết kiệm năng lượng, các giao thức thường sử dụng kỹ thuật chu kỳ thức/ngủ (sleep/wake cycle). Ví dụ, S-MAC giảm thời gian thức của nút bằng cách để nút chuyển sang trạng thái ngủ định kỳ. Điều này giúp giảm tiêu thụ năng lượng đáng kể. Quản lý thời gian hoạt động và thời gian nghỉ của các nút là rất quan trọng để cân bằng giữa độ trễ và tiết kiệm năng lượng. Một cân nhắc quan trọng khác là sự đồng bộ hóa lịch làm việc giữa các nút lân cận để đảm bảo khả năng giao tiếp hiệu quả.

Nghe thừa (overhearing) là một nguyên nhân chính gây lãng phí năng lượng trong mạng cảm biến, đặc biệt khi mật độ nút cao và lưu lượng dữ liệu lớn. Mỗi nút phải nghe tất cả các gói tin được truyền trong phạm vi, ngay cả khi các gói đó không dành cho nó. S-MAC cố gắng giảm nghe thừa bằng cách để các nút có khả năng gây nhiễu chuyển sang trạng thái ngủ sau khi nhận được gói RTS hoặc CTS. T-MAC, một cải tiến của S-MAC, tiếp tục giải quyết vấn đề nghe thừa bằng cách truyền thông điệp theo cụm (burst) và thực hiện chế độ ngủ giữa các cụm. Phương pháp này linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh thời gian thức tối ưu dựa trên lưu lượng truyền dữ liệu, từ đó giảm đáng kể thời gian nghe rỗi và tiết kiệm năng lượng. Kỹ thuật ‘cảm nhận sóng mang ảo’ (virtual carrier sense) cũng được sử dụng để kiểm soát việc truy cập kênh hiệu quả.

Đoạn văn này giới thiệu ba loại giao thức định tuyến chính được sử dụng trong mạng cảm biến không dây (WSN): định tuyến trung tâm dữ liệu (data-centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol), và định tuyến dựa trên vị trí (location-based protocol). Sự phân loại này dựa trên cách tiếp cận và kiến trúc mà mỗi loại giao thức sử dụng để định tuyến dữ liệu trong mạng. Mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các yêu cầu và đặc điểm khác nhau của ứng dụng. Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của mạng cảm biến, đặc biệt trong bối cảnh các hạn chế về năng lượng và khả năng tính toán của các nút cảm biến. Những thách thức lớn và riêng biệt đối với WSN, liên quan đến đặc tính độc đáo của mạng này, cũng được đề cập đến như là động lực cho sự phát triển của các giao thức định tuyến chuyên biệt.

Directed Diffusion là một giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu, tập trung vào việc tiết kiệm năng lượng bằng cách tối ưu hóa việc truyền và phân bổ thông tin trong WSN. Giao thức này dựa trên việc trao đổi các bản tin giữa các nút cảm biến để xác định các đường truyền dẫn hiệu quả nhất. Đặc điểm nổi bật là khả năng tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink, giúp giảm lượng bản tin truyền dẫn trong mạng và tiết kiệm năng lượng. Cơ chế hoạt động bao gồm việc phát tán các bản tin “interest” từ sink đến các nút cảm biến, nhằm tìm kiếm các nút có dữ liệu phù hợp. Các nút duy trì một “interest cache” để lưu trữ các thông tin về các yêu cầu dữ liệu. Mục tiêu chính của Directed Diffusion là giảm tiêu thụ năng lượng cho mỗi nút trong mạng, đồng thời sử dụng tập trung dữ liệu để hạn chế số lượng bản tin cần truyền.

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một giao thức định tuyến phân cấp, được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong WSN bằng cách tổ chức mạng thành các cụm. Mỗi cụm được quản lý bởi một nút chủ (cluster head) chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các nút thành viên trong cụm và truyền dữ liệu đến trạm cơ sở. LEACH sử dụng kỹ thuật tập trung dữ liệu để giảm sự dư thừa thông tin. Mô phỏng cho thấy LEACH tiết kiệm năng lượng đáng kể, tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm. Giả định tất cả nút chủ truyền đến trạm cơ sở chỉ trong một bước nhảy là không thực tế. Chu kỳ hoạt động của nút chủ cũng là một vấn đề cần cân nhắc, chu kỳ ngắn gây tốn nhiều năng lượng cho việc lựa chọn cụm, chu kỳ dài nhanh chóng làm cạn kiệt năng lượng của nút chủ. Mặc dù vậy, LEACH vẫn được đánh giá cao về khả năng phân bổ năng lượng công bằng giữa các nút trong mạng nhờ cơ chế luân phiên vai trò nút chủ.

Các giao thức định tuyến dựa trên vị trí tận dụng thông tin vị trí của các nút cảm biến để tìm đường đi hiệu quả đến đích. Loại giao thức này phù hợp với các ứng dụng cần tập trung dữ liệu để giảm thiểu việc truyền bản tin đến trạm cơ sở. GAF (Geographic Adaptive Fidelity) tạo ra một lưới ảo để chia vùng bao phủ, giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách để các nút trong vùng không hoạt động ở trạng thái nghỉ. Các nút đại diện trong mỗi vùng lưới sẽ hoạt động như nút chủ, nhưng không thực hiện nhiệm vụ hợp nhất hay tập trung dữ liệu. GEAR (Greedy Energy-Aware Routing) sử dụng estimated cost và learned cost để định tuyến, điều chỉnh đường đi dựa trên năng lượng còn lại và khoảng cách đến đích, đồng thời tránh các “hốc” (hole) trong mạng. Cả GAF và GEAR đều hướng đến mục tiêu tiết kiệm năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng, đặc biệt trong điều kiện mạng có mật độ nút cao.

Mặc dù được đề cập trong phần về giao thức MAC, MERLIN cũng có đặc điểm định tuyến đáng chú ý. MERLIN tích hợp chức năng MAC và định tuyến, sử dụng cơ chế chia vùng thời gian (time-slotted) để điều phối việc truyền dữ liệu. Nó hỗ trợ truyền dữ liệu Upstream, Downstream và phát quảng bá cục bộ. Việc định tuyến gói tin được thực hiện thông qua việc phân bổ thời gian và kênh, dựa trên miền thời gian của mỗi nút. MERLIN không chỉ định địa chỉ nút chuyển tiếp cụ thể, mà sử dụng cơ chế nghe lén để tránh trùng lặp gói tin. Hai bảng lập lịch, bảng V và bảng X, được đề xuất, mỗi bảng có ưu điểm về việc tối ưu hóa việc sử dụng kênh và tránh xung đột. Cơ chế xử lý lỗi và thu hồi gói tin cũng được tích hợp để đảm bảo độ tin cậy.

Giao thức MERLIN nổi bật với kiến trúc tích hợp giữa chức năng MAC (Media Access Control) và định tuyến. Điều này khác biệt so với nhiều giao thức khác, nơi mà hai chức năng này được thiết kế riêng biệt. Việc tích hợp này cho phép tối ưu hóa hiệu quả hơn quá trình truyền dữ liệu, giảm thiểu sự chồng chéo và xung đột giữa các thao tác. MERLIN được thiết kế tối ưu cho việc giao tiếp giữa các nút cảm biến và gateway, hỗ trợ ba loại truyền dữ liệu: Upstream, Downstream và phát quảng bá cục bộ. Kiến trúc này giúp MERLIN linh hoạt và hiệu quả hơn trong việc quản lý lưu lượng dữ liệu và sử dụng các tài nguyên của mạng, đặc biệt trong bối cảnh các hạn chế về năng lượng và khả năng tính toán của mạng cảm biến không dây.

MERLIN sử dụng cơ chế lập lịch thời gian (time-slotted scheduling) để điều phối việc truy cập kênh và truyền dữ liệu. Gateway truyền bảng lập lịch trong pha khởi động, cho phép các nút hoạt động theo chu kỳ. Hai bảng lập lịch được đề xuất: bảng V và bảng X, mỗi bảng có đặc điểm khác nhau. Bảng V ưu tiên tránh va chạm và giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách sắp xếp truyền Upstream và Downstream xen kẽ, cho phép truyền song song giữa các nút ở các vùng khác nhau. Bảng X lại tập trung vào việc tối đa hóa sử dụng kênh, cho phép truyền Upstream và Downstream đồng thời, phù hợp với ứng dụng cần tốc độ cao. Tuy nhiên, bảng X có thể gây ra nhiều va chạm hơn. Sự lựa chọn giữa hai bảng này phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, cân nhắc giữa tốc độ truyền và tiết kiệm năng lượng.

Do hạn chế về độ chính xác của đồng hồ trong các nút cảm biến, MERLIN sử dụng cơ chế đồng bộ hóa lặp lại với gateway. Thông tin thời gian được tích hợp trong mỗi gói tin truyền đi, cho phép các nút ước lượng thời điểm bắt đầu khe và đồng bộ hóa đồng hồ của chúng. Các nút cập nhật đồng hồ đồng bộ hóa từ các nút thuộc miền thời gian thấp hơn, gần gateway hơn, tạo nên một hệ thống đồng bộ hóa tầng. Một nút mới có thể gia nhập mạng một cách đơn giản bằng cách lắng nghe gói tin SYNC, sau đó tự động ước lượng miền thời gian và đồng bộ hóa đồng hồ. Để khắc phục sự thiếu chính xác do nghiêng đồng hồ, MERLIN sử dụng hai phương pháp: truyền gói tin đồng bộ hóa định kỳ và cho phép các nút thức dậy sớm hơn một chút so với thời gian dự kiến. Quá trình gia nhập mạng đơn giản này làm tăng khả năng mở rộng của giao thức.

MERLIN không chỉ định cụ thể địa chỉ nút chuyển tiếp, mà dựa vào cơ chế nghe lén để điều khiển việc truyền gói tin. Các nút nghe lén tin nhắn được truyền qua nút lân cận để xác định và loại bỏ bản sao trùng lặp. Việc phân chia miền thời gian kết hợp với bảng lập lịch cho phép gói tin được chuyển đến gateway gần nhất. Cơ chế burstACK (BACK) và BNACK được sử dụng để xác nhận việc nhận gói tin và xử lý lỗi. Nếu phát hiện lỗi, gói tin sẽ được truyền lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên. Cơ chế sourceID và packetID giúp xác định và thu hồi các gói tin bị mất. Tuy nhiên, thủ tục thu hồi gói tin có thể gây tăng độ trễ. Mục tiêu chính là đảm bảo tính đúng đắn của hoạt động chuyển tiếp, giảm thiểu xung đột và mất gói tin hiệu quả.

Tóm lại, MERLIN là một giao thức tích hợp MAC và định tuyến hiệu quả trong mạng cảm biến không dây. Nó tối ưu hóa giao tiếp giữa các nút và gateway, hỗ trợ các kiểu truyền Upstream, Downstream và phát quảng bá cục bộ. Việc sử dụng cơ chế chia miền thời gian và bảng lập lịch (bảng V và bảng X) cho phép điều phối việc truy cập kênh và truyền dữ liệu hiệu quả, giảm thiểu va chạm và tối ưu hóa sử dụng năng lượng. MERLIN được thiết kế để hoạt động ổn định và đáng tin cậy trong môi trường mạng động và có nhiều hạn chế về tài nguyên.

Phần này giới thiệu về Prowler (Probabilistic Wireless Network Simulator), một mô phỏng mạng không dây có xác suất. Prowler được sử dụng để mô phỏng các hệ thống mạng nhúng, đặc biệt là mạng cảm biến không dây (WSN). Các hệ thống này thường có quy mô lớn, phân tán, và các nút có nguồn năng lượng xử lý hạn chế. Ứng dụng trên nền tảng này chịu ảnh hưởng lớn từ các kênh truyền thông. Mô phỏng Prowler mô phỏng hành vi của thiết bị nhưng không mô phỏng hoàn toàn hiệu ứng trong kênh truyền. Tuy nhiên, trong các kênh truyền không lý tưởng, hiệu năng của ứng dụng bị ảnh hưởng, vì vậy Prowler cần mô phỏng tương tác để cho kết quả chính xác hơn với thực tế. Mô phỏng là cần thiết bởi vì mạng cảm biến có số lượng lớn các nút, việc xây dựng sơ đồ địa chỉ toàn cầu sẽ gây ra lượng mào đầu lớn.

Phần này đề cập đến các thách thức trong việc mô phỏng mạng cảm biến. Do số lượng lớn các nút, việc thiết lập sơ đồ địa chỉ toàn cầu là rất khó khăn và gây tốn nhiều tài nguyên. Dữ liệu trong mạng cảm biến cần được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau và truyền đến sink (điểm thu thập dữ liệu). Các nút cảm biến bị ràng buộc chặt chẽ về năng lượng, tốc độ xử lý và bộ nhớ. Hầu hết các nút trong ứng dụng mạng cảm biến là tĩnh, ngoại trừ một số nút có thể di động. Việc xác định vị trí là rất quan trọng vì dữ liệu thường liên quan đến vị trí. Ngoài ra, còn có sự dư thừa dữ liệu cao do các nút cảm biến thu thập dữ liệu dựa trên cùng một hiện tượng.