Xem mẫu
- Đề Xuất Giao Thức MAC Ưu Tiên Mới Đảm Bảo
QoS Cho Mạng Cảm Biến Không Dây Đa Sự Kiện
Nguyễn Thị Thu Hằng, Nguyễn Chiến Trinh và Nguyễn Tiến Ban
Khoa Viễn Thông I,
Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
Email: hangntt@ptit.edu.vn.com, trinhnc@ptit.edu.vn, bannt@ptit.edu.vn
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giao thức MAC gây xung đột làm giảm tỷ lệ truyền thành công cũng như kéo
ưu tiên sử dụng beacon tránh đầu cuối ẩn và cơ chế CSMA/CA dài thời gian do truyền lại sau cạnh tranh.
dựa trên mức ưu tiên để giảm xung đột cho các sự kiện yêu cầu Để giải quyết vấn đề truyền ưu tiên nhiều loại gói tin quan
mức độ ưu tiên khác nhau trong mạng cảm biến không dây đa sự trọng, đảm bảo trễ nhỏ và tỷ lệ truyền gói tốt, trong bài báo này
kiện. Kết quả mô phỏng cho thấy mạng cảm biến sử dụng giao
chúng tôi đề xuất giao thức MAC ưu tiên cho mạng cảm biến
thức đề xuất đáp ứng được yêu cầu đa sự kiện đa mức ưu tiên, cụ
thể là giảm được thời gian trễ cho các loại gói tin, đảm bảo tỷ lệ không dây đa sự kiện kết hợp cơ chế beacon và cơ chế
truyền gói thành công tốt hơn và giảm năng lượng tiêu thụ trung CSMA/CA theo mức ưu tiên của gói tin (PMME – Priority
bình khi có nhiều sự kiện đồng thời xuất hiện so với giao thức MAC for MultiEvent wireless sensor network). Đóng góp của
QAEE từ 10 đến 50%, giảm so với giao thức MPQ khoảng 6-9%. bài báo như sau:
- Đề xuất sự kết hợp giữa cơ chế beacon và cơ chế
Keywords- MAC ưu tiên, CSMA/CA, mạng cảm biến không dây CSMA/CA theo các mức ưu tiên gói tin khác nhau.
đa sự kiện. - Thực hiện mô phỏng giao thức đề xuất PMME để đánh
giá và so sánh với hai giao thức QAEE và MPQ về khả
I. GIỚI THIỆU năng đáp ứng yêu cầu của các sự kiện có mức ưu tiên
Trong các mạng cảm biến không dây đa sự kiện có nhiều khác nhau trong mạng cảm biến không dây đa sự kiện.
loại sự kiện được phân loại theo mức độ ưu tiên. Mức độ ưu Bài báo được tổ chức tiếp như sau: phần II mô tả cơ chế
tiên cao thường là các sự kiện nghiêm trọng hoặc có tính khẩn hoạt động và phân tích những ưu nhược điểm của hai giao thức
cấp xảy ra trong mạng như báo cháy trong nông lâm nghiệp, rò MAC có xét mức ưu tiên là QAEE và MPQ. Phần III giới thiệu
rỉ khí độc trong công nghiệp, báo bão, động đất trong dự báo giao thức MAC đề xuất PMME với hai cơ chế cải tiến. Phần IV
khí tượng. Mức độ ít nghiêm trọng hơn thường là các sự kiện đưa ra kết quả mô phỏng và đánh giá. Phần V là kết luận của
đo đạc theo chu kỳ như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, cường độ sáng bài báo.
[1, 2].
II. NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
Những sự kiện có mức độ ưu tiên cao thường yêu cầu chất
lượng dịch vụ (QoS-Quality of Service) cao hơn sự kiện thông Một vài nghiên cứu đã được thực hiện để đảm bảo QoS cho
thường, cần đảm bảo truyền nhanh hơn, có thể đáp ứng thời mạng cảm biến không dây đa mức ưu tiên.
gian thực, độ tin cậy cao hơn để đảm bảo thông tin chính xác QAEE là giao thức cho phép bên nhận được khởi hoạt. Nó xem
đồng thời yêu cầu việc truyền thông phải hiệu quả về năng xét hai mức ưu tiên của gói tin là cao và thấp và cho gói tin có
lượng. độ ưu tiên cao được truyền nhanh hơn so với gói tin có độ ưu
Đã có nhiều giải pháp đảm bảo QoS đề xuất cho mạng cảm tiên thấp. Trong giao thức này, nút nhận sẽ thức dậy theo chu
biến không dây sử dụng kỹ thuật MAC. SMAC [3] và TMAC kỳ đều đặn để nhận gói tin gửi từ các nút gửi. Sau khi thức dậy,
[4] tập trung vào việc tiết kiệm năng lượng trong mạng, RI- nút sẽ lắng nghe môi trường truyền trong khoảng thời gian đảm
MAC [5] cải thiện hiệu năng mạng là trễ và tỷ lệ truyền gói, bảo là Tg và sau đó sẽ gửi Wakeup-Beacon để báo cho các nút
ERI-MAC là giao thức do bên nhận khởi hoạt và sử dụng kỹ gửi biết. Sau khi truyền Wakeup-Beacon nút sẽ chờ trong một
thuật ghép nhiều gói nhỏ thành gói lớn trước khi truyền đi để khoảng thời gian Tw để nhận toàn bộ các Tx-Beacon (có thêm
tiết kiệm năng lượng [6], Priority-based QoS có xét tới độ ưu
tiên gói trong mạng song yêu cầu đồng bộ giữa các nút [7], trường ưu tiên) của các nút gửi. Các nút gửi Tx-Beacon sẽ chèn
QAEE cũng xét ưu tiên gói tin và có hai mức độ ưu tiên gói là bit thông tin về độ ưu tiên của gói tin và trường NAV (Network
cao vào thấp [8], MPQ có xét tới bốn mức độ ưu tiên cho gói Allocation Vector). Sau đó, nút sẽ đợi Rx-Beacon có bổ sung
tin [9]. trường NAV từ nút nhận. Trong khi đó, nút nhận nhận được
Những giải pháp trên còn có hạn chế là chưa đáp ứng yêu nhiều Tx-Beacon với nhiều mức ưu tiên khác nhau sẽ chọn bên
cầu đa mức ưu tiên hoặc có ưu tiên gói tin nhưng vẫn còn để gửi dựa trên mức ưu tiên gói cao nhất. Sau đó, nó quảng bá Rx-
gói ưu tiên phải chờ đợi một khoảng thời gian nhất định cho tới Beacon mang địa chỉ của bên gửi có mức độ ưu tiên cao nhất
hết cửa sổ tranh chấp để được chọn gửi ưu tiên, đặc biệt trong được chọn. Dựa trên việc nhận Rx-Beacon này, nút được chọn
những tình huống khẩn cấp sẽ có nhiều gói cùng cạnh tranh gửi sẽ được phép gửi dữ liệu trong khi các nút khác sẽ không
123
- hoạt động trong thời gian này. Ở chu kỳ sau khi có cạnh tranh hai, việc gán giá trị p khá cứng nhắc và không thực tế khi
thì các nút có dữ liệu chưa được gửi sẽ thức dậy và lại tiếp tục phải biết chính xác số nút gửi cạnh tranh.
cạnh tranh một cách ngẫu nhiên như trước. Hình 1 mô tả hoạt Với những nhược điểm còn tồn tại của hai giao thức QAEE và
động truyền thông này trong đó SIFS (Short Interframe Space) MPQ, chúng tôi thấy cần tiếp tục cải tiến giao thức MAC để có
là khoảng thời gian yêu cầu để xử lý một gói tin và chuyển thể cải thiện hơn nữa hiệu năng của mạng, khắc phục được
trạng thái vô tuyến của nút cảm biến. những nhược điểm nêu trên.
QAEE có một vài nhược điểm. Thứ nhất, nó chỉ xét hai mức
ưu tiên gói là cao (1) và thấp (0). Thứ hai, nút nhận phải chờ III. GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN CHO MẠNG CẢM
tới khi nó nhận toàn bộ Tx-Beacon từ các nút gửi thì mới tiến BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN PMME
hành gửi Rx-Beacon cho phép gửi dữ liệu. Điều này có nghĩa Để có thể đạt được chất lượng truyền thông theo mức ưu tiên,
là ngay cả khi bên nhận đã nhận được Tx-Beacon có mức ưu giao thức MAC do chúng tôi đề xuất có hai thay đổi so với
tiên cao nhất rồi thì nó vẫn phải chờ cho tới khi hết thời gian giao thức QAEE và MPQ. Một là rút ngắn thời gian chờ để
Tw . Vì vậy nút gửi dù có mức ưu tiên cao hơn vẫn phải chờ được quyền gửi gói tin dữ liệu, khi nút nhận nhận được bản tin
đợi và những nút khác cũng phải tiêu tốn thời gian trong khi Tx-Beacon từ bất kỳ nút gửi nào thì nút nhận sẽ gửi bản tin Rx-
chờ nhận được Rx-Beacon. Thứ ba, sau khi truyền xong dữ liệu Beacon chấp nhận cho nút gửi đầu tiên sau khi gửi Wakeup-
thì các nút còn lại (chưa gửi được dữ liệu) lại tiếp tục cạnh Beacon được gửi bản tin dữ liệu, đồng thời Rx-Beacon này
tranh ngẫu nhiên trong cửa sổ cạnh tranh tiếp theo và gây nên cũng có ý nghĩa là thông báo cho các nút gửi khác tạm ngủ
sự lãng phí năng lượng. trong thời gian nút nhận nhận dữ liệu. Hai là, để có thể ưu tiên
nhận gói theo mức độ ưu tiên của gói tin, giao thức MAC đề
Tw Chấp nhận Tx-Beacon có mức xuất cho phép các nút gửi có cơ chế gửi lại yêu cầu gửi Tx-
ưu tiên cao nhất khi hết Tw
Beacon với tần suất xuất gửi sau mỗi khe thời gian tỷ lệ với
TX: RX: RX: Tx:
Nút nhận Tg Wakeup Tx Tx Rx TX: mức độ ưu tiên của gói tin.
Beacon Beacon Beacon Beacon RX: DATA SIFS ACK
(p=0) (p=1) (tới N1)
A. CÁC MỨC ƯU TIÊN
Thức dậy
Giao thức MAC ưu tiên đề xuất phân biệt 4 loại gói tin có mức
ưu tiên khác nhau như Bảng 1:
RX: TX: RX:
Wakeup Tx Rx TX: DATA RX:
Nút gửi 1 Nghe
Beacon Beacon Beacon SIFS ACK Bảng 1. Các mức ưu tiên gói
(N1) (p=1) (tới N1)
Phân loại dữ liệu Mức ưu tiên
Gói được tạo
ra Khẩn cấp 4
RX: TX: RX: Ưu tiên cao nhất 3
Wakeup Tx
Nút gửi 2 Nghe
Beacon Beacon
Rx
Beacon Ưu tiên 2
(N2) Ngủ, NAV+ thời gian ngẫu nhiên
(p=0) (tới N1) Không ưu tiên 1
Gói được tạo
ra
TX: Phát RX: Nhận B. KHUÔN DẠNG CÁC BẢN TIN BEACON
Giao thức MAC đề xuất sử dụng khuôn dạng chung của các
Hình 1. Mô tả hoạt động truyền thông của giao thức QAEE-MAC bản tin theo chuẩn IEEE 802.15.4 cho bản tin Wakeup-Beacon,
Tx-Beacon và Rx-Beacon với một số trường đặc biệt được tô
MPQ đã cải tiến hơn so với QAEE khi có xét tới bốn mức ưu đậm như trong Hình 2.
tiên khác nhau và giảm trễ đáng kể cho gói tin có độ ưu tiên
cao nhất bằng cách bên nhận khi đã nhận được yêu cầu truyền FC SA FCS Wakeup-Beacon
Tx-Beacon có mức ưu tiên cao nhất rồi thì cho phép gửi xác
nhận Rx-Beacon để truyền dữ liệu luôn mà không phải chờ cho
FC SA DA Priority NAV FCS Tx-Beacon
tới khi hết thời gian Tw . Các gói tin có độ ưu tiên thấp hơn thì
vẫn phải chờ cho tới hết Tw . Giao thức MPQ còn có thêm cơ
FC SA DA NAV FCS Rx-Beacon
chế CSMA/CA p-persistent với giá trị p được gán bằng tỷ lệ
nghịch của số nút gửi ns để có thể dàn đều việc gửi Tx- FC: Frame Control FCS: Frame Check Sequence
Beacon giúp giảm bớt xung đột. SA: Source Address DA: Destination Address
Tuy nhiên MPQ vẫn còn có một vài hạn chế. Thứ nhất, chỉ gói NAV: Network Allocation Vector
tin có độ ưu tiên cao nhất mới được xử lý sớm, còn lại các gói Hình 2. Khuôn dạng các bản tin Beacon
tin có độ ưu tiên thấp hơn vẫn phải chờ tới khi hết thời gian
chờ Tw thì mới được xem xét để gửi. Như vậy những nút có gói SA là địa chỉ nguồn mang dữ liệu cần gửi tới đích có địa chỉ
DA. Trong bản tin Wakeup-Beacon, SA là địa chỉ nút thu, bản
tin ưu tiên nhưng chưa phải có mức ưu tiên cao nhất cũng phải
tin này sử dụng để phát quảng bá ra môi trường xung quanh
tiêu tốn thời gian trong khi chờ nhận được Rx-Beacon. Thứ
nên không có địa chỉ đích DA cụ thể. Trong bản tin Tx-
Beacon, SA là địa chỉ của nút có dữ liệu cảm biến muốn gửi đi,
124
- DA là địa chỉ nút thu, Priority mang thông tin về mức ưu tiên o Nếu prand lớn hơn giá trị pn thì chờ sau một
của dữ liệu cảm biến cần gửi. Trong Rx-Beacon, SA là địa chỉ
của nút muốn nhận dữ liệu, DA là địa chỉ nút có dữ liệu cảm khe thời gian rồi lại cảm nhận lại kênh truyền.
biến được chọn cho phép gửi. o Trong đề xuất của nhóm tác giả, để phù hợp
với sự khác biệt về mức độ ưu tiên của dữ liệu
C. HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC PMME của các sự kiện khác nhau, có thể gán giá trị
Hình 3 mô tả hoạt động truyền thông của giao thức PMME đề pn khác nhau theo tuyến tính, mức ưu tiên
xuất với hai cơ chế cải tiến là cơ chế chấp nhận Tx-Beacon
sớm nhất và cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ càng cao, giá trị pn càng lớn.
ưu tiên của gói tin. i (1)
pi ,n n
Cơ chế chấp nhận Tx-Beacon sớm nhất
j
j 1
Để giảm thời gian chờ đợi trong cửa sổ cạnh tranh sau khi nút
nhận gửi Wakeup-Beacon, giao thức PMME sử dụng cơ chế
gửi phản hồi chấp nhận nút gửi Tx-Beacon sớm nhất bằng việc Trong đó i là mức ưu tiên, n là số mức ưu
gửi bản tin Rx-Beacon ngay sau đó. Bản tin này đồng thời cũng tiên.
thông báo luôn cho các nút gửi khác biết để không gửi dữ liệu Nếu tỷ lệ gói tin có mức ưu tiên khác nhau
trong khoảng thời gian NAV sắp tới. Như vậy giao thức này sẽ gửi từ lớp mạng xuống là như nhau thì ta có
rút ngắn thời gian chờ Tw so với hai giao thức QAEE và MPQ, thêm điều kiện ràng buộc là tổng các giá trị
đồng thời việc gửi sớm Rx-Beacon cũng giúp các nút gửi khác pi phải bằng 1 để tránh xung đột các bản
không tranh chấp môi trường truyền trong thời gian sau đó nên tin yêu cầu gửi Tx-Beacon như sau:
giúp tiết kiệm năng lượng cho toàn mạng. n
Tw
Chấp nhận Tx-Beacon đầu tiên
và gửi luôn Rx-Beacon
p
i 1
i ,n 1 (2)
TX: RX: Tx: Nếu kênh truyền bận thì nút tiếp tục cảm nhận môi
Nút nhận Tg Wakeup
Beacon
Tx Rx
Beacon SIFS Beacon RX: DATA SIFS
TX:
ACK trường truyền sau thời gian trễ của lớp vật lý để cảm
(tới N1)
nhận chính xác môi trường truyền dẫn có bận hay
Thức dậy không (CCA check delay) và quay lại bước so sánh ở
trên.
RX: TX: RX:
Nút gửi 1 Nghe Wakeup Tx Rx TX: DATA RX:
Beacon Beacon Beacon SIFS ACK
(N1) (tới N1)
Khe thời gian (time slot) Chờ sau CCA
Gói được tạo cho p-persistent theo
ra mức ưu tiên check delay
Cảm nhận
RX: RX:
Wakeup Rx kênh truyền
Nút gửi 2 Nghe
Beacon Beacon Ngủ, NAV+ thời gian ngẫu Bận
(N2)
(tới N1) nhiên có xét mức ưu tiên
Rỗi
Gói được tạo TX: Phát RX: Nhận
ra
Hình 3. Mô tả hoạt động truyền thông của giao thức PMME
Chờ sau Số ngẫu nhiên
time slot t N prand ≤ pn
(pn ~ mức độ ưu tiên)
Cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên của
gói tin Y
Để ưu tiên gói tin có mức ưu tiên cao hơn gói tin có mức ưu
tiên thấp, trong giao thức PMME chúng tôi thay đổi cơ chế Truyền
CSMA p-persistent cho việc gửi bản tin Tx-Beacon với p Tx-Beacon
thay đổi theo mức độ ưu tiên của gói tin dữ liệu tương ứng
(Hình 4). Với cơ chế này, nếu nút gửi nhận được Rx-Beacon Hình 4. Cơ chế CSMA p-persistent theo mức độ ưu tiên gói tin trong
cho phép nút được gửi dữ liệu, nó sẽ cảm nhận kênh truyền để PMME
quyết định có gửi dữ liệu hay không.
Nếu kênh truyền rỗi nó sẽ so sánh số gieo ngẫu nhiên Như vậy bản tin Tx-Beacon của gói tin có độ ưu tiên cao sẽ có
prand và so sánh với giá trị xác suất pn (tỷ lệ với mức xác suất xuất hiện lớn hơn so với bản tin Tx-Beacon của gói tin
độ ưu tiên của gói tin, mức độ ưu tiên càng cao thì có độ ưu tiên thấp hơn, như vậy tỷ lệ chấp nhận cho nút gửi gói
tin có mức độ ưu tiên cao sẽ cao hơn.
pn càng lớn):
o Nếu prand nhỏ hơn hoặc bằng giá trị pn thì
nút sẽ truyền Tx-Beacon.
125
- IV. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG DỰA TRÊN MÔ PHỎNG m
ET Pk tk (4)
Trong phần này, chúng tôi thực hiện mô phỏng đánh giá giao k 1
thức MAC đề xuất PMME với hai giao thức QAEE và MPQ
dựa trên phần mềm mô phỏng Castalia 3.3 [10] và Trong đó m biểu diễn số lượng các trạng
OMNeT++4.6 [11] sử dụng chuẩn thiết bị thu phát CC2420 thái, k là trạng thái vô tuyến (có bốn trạng
[12] . thái: trạng thái phát, trạng thái nhận, trạng
Bảng 2 là những thông số chính thiết lập trong chương trình thái nghe và trạng thái ngủ). Pk là công suất
mô phỏng. Các nút cảm biến có dữ liệu để gửi (từ 1 đến 7 nút)
được rải ngẫu nhiên trong môi trường cảm biến, nút thu đặt ở tiêu thụ năng lượng ở trạng thái k và tk là
trung tâm. Mỗi nút sẽ gửi dữ liệu với tốc độ là 1 gói/giây với tỷ thời gian tồn tại của trạng thái k .
lệ gói có mức độ ưu tiên khác nhau ở các nút là tương đương
nhau.
Trễ gói trung bình: Trễ gói được tính bằng tổng
Bảng 2. Các thông số mô phỏng thời gian để truyền gói từ nút nguồn tới nút đích.
Ở cả ba giao thức thời gian trễ được tính bằng
Parameter Value
Kích thước trường cảm biến 10m x 10m
tổng thời gian thành phần: thời gian trễ truyền lan,
Số lượng nút gửi dữ liệu 1-7 thời gian nút gửi có gói dữ liệu chờ khi nhận được
Băng thông 250kb/s Wakeup-Beacon tới khi nó gửi gói yêu cầu Tx-
Kích thước gói Wakeup-Beacon 6 byte Beacon (nếu xung đột thì lại gửi lại yêu cầu và
Kích thước gói Tx-Beacon 14 byte làm kéo dài thời gian trễ), thời gian chờ nhận được
Kích thước gói Rx-Beacon 13 byte Rx-Beacon tương ứng (thời gian này có thể kéo
Tiêu đề lớp MAC 11 byte dài thêm NAV nếu có gói khác được truyền), thời
Giới hạn tối đa bộ đệm MAC 32 gói gian gửi được gói dữ liệu và các thời gian chuyển
Số lần gửi yêu cầu truyền gói dữ liệu 10 đổi trạng thái khác. Trễ gói trung bình là trung
tối đa ở lớp MAC maxTxRetries bình trễ của các gói nhận được ở đích ở công thức
Tiêu đề lớp ứng dụng 5 byte (3).
Kích thước gói DATA 28 byte o Công thức tính trễ gói trung bình Davr
Kích thước gói ACK 11 byte
CCA Check Delay 0,128ms được tính như sau:
Time slot 0,32ms N
Tiêu đề khung vật lý 6 byte
5ms
D i
Tw Davr i 1 (5)
Khoảng thời gian nút nhận cảm nhận 6,7ms N
trước khi phát WakeupBeacon (Tg)
Trong đó N , Di lần lượt là tổng số gói đích
Thời gian lắng nghe trước khi phát 17ms
dữ liệu nhận được và trễ của gói thứ i mà đích đã
pn (n=1-4) Mức ưu tiên×0,1 nhận.
Tốc độ gửi dữ liệu của các nút 1 gói/giây Tỷ lệ truyền gói thành công: Được tính bằng tỷ
Tỷ lệ trung bình từng loại gói 1/số mức ưu tiên
số của tổng số gói nhận được ở nút đích N R
Số mẫu chạy 5 mẫu/kịch bản
(không tính số gói trùng lặp) trên tổng số gói gửi
Những tham số hiệu năng được đánh giá trong mô phỏng
của chúng tôi: từ nguồn N S .
Hiệu quả tiêu thụ năng lượng: Hiệu quả tiêu thụ
NR
năng lượng được đánh giá là tỷ lệ nghịch của năng Psuccess 100% (6)
lượng tiêu thụ trung bình cho việc truyền thành NS
công một bít dữ liệu (µj/bit). Như vậy năng lượng
tiêu thụ càng ít thì hiệu quả tiêu thụ càng cao. A. HIỆU QUẢ TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG
o Công thức tính năng lượng tiêu thụ trung Hình 5 cho thấy năng lượng tiêu thụ trung bình để truyền thành
bình E được tính như sau: công một bit dữ liệu với ba giao thức MAC tương ứng là
ET QAEE, MPQ và PMME. Có thể thấy khi số lượng nút gửi tăng
E (3) lên thì năng lượng tiêu thụ trung bình khi sử dụng giao thức
TR DS QAEE tăng lên nhanh trong khi với giao thức MPQ và PMME
thì năng lượng tiêu thụ trung bình chỉ tăng rất chậm. Năng
Trong đó ET, TR và DS lần lượt là tổng năng
lượng tiêu thụ trung bình của mạng sử dụng PMME giảm được
lượng tiêu thụ, tổng số gói nhận được và kích
10% đến 50% so với QAEE khi số nút gửi tăng từ 2 đến 10 và
thước gói tin dữ liệu tính theo bit.
giảm được 6-9% so với MPQ trong điều kiện mô phỏng. Điều
Tổng năng lượng tiêu thụ được tính bằng:
126
- này có được là do PMME sử dụng kết hợp cơ chế tránh xung
đột p-persistent và việc xác nhận Rx-Beacon sớm ngay khi
nhận được Tx-Beacon đầu tiên làm giảm thời gian thức vô ích
và như vậy sẽ giúp tiết kiệm năng lượng cho mạng.
a) So sánh trễ gói trung bình chung các loại gói
Hình 5. Năng lượng tiêu thụ trung bình (µj/bit)
B. TRỄ GÓI TRUNG BÌNH
Trễ gói trung bình ở nút thu được thể hiện trong Hình 6a. Có
thể thấy khi số lượng nút gửi càng tăng thì thời gian để gói tới
được đích sẽ càng kéo dài do có nhiều gói cùng gửi và sẽ xảy
ra xung đột trên đường truyền. QAEE sử dụng Tw để có thể
nhận đồng thời nhiều yêu cầu gửi rồi mới phân loại yêu cầu
theo thứ tự ưu tiên và chấp nhận gói gửi có mức ưu tiên cao
nhất, như vậy nó sẽ phải tiêu tốn thêm thời gian để nhận hết
yêu cầu. Ngoài ra, vì các khung Tx-Beacon sẽ cạnh tranh môi b) So sánh trễ gói trung bình của các loại gói ưu tiên khác nhau
trường truyền nên sẽ xảy ra xung đột dẫn đến việc phải truyền
lại khung. Và vì không phân biệt độ ưu tiên khi gửi yêu cầu Hình 6. Thời gian trễ trung bình của gói tin sử dụng giao thức PMME
nên xác suất xung đột sẽ cao ngay cả ở chu kỳ gửi kế tiếp. Với so với sử dụng giao thức QAEE và MPQ
giải pháp đề xuất PMME, việc nhận yêu cầu gửi đầu tiên sẽ
giảm đáng kể độ trễ so với Tw của QAEE và MPQ, hơn nữa sử C. TRỄ GÓI THEO MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA GÓI TIN
dụng cơ chế tránh xung đột p-persistent sẽ giúp giãn xung đột
của các yêu cầu gửi Tx-Beacon, hiệu quả việc gửi dữ liệu tăng,
cơ chế này tránh được việc gửi đi gửi lại nhiều lần yêu cầu gửi
Tx-Beacon trước khi gói dữ liệu thực sự được truyền đi và như
vậy cũng sẽ làm giảm trễ gửi gói trung bình.
Hình 6b cho thấy trễ trung bình của các gói tin có mức độ ưu
tiên khác nhau ở cả ba giao thức MAC. Có thể thấy các gói tin
có mức ưu tiên cao sẽ có độ trễ nhỏ hơn so với các gói có mức
ưu tiên thấp. Độ trễ của các loại gói tin ưu tiên chạy giao thức
PMME là tốt nhất so với các gói tin chạy giao thức QAEE và
MPQ khi số nút cạnh tranh tăng, Trễ truyền gói của cả ba giao
thức đều tăng theo mức độ ưu tiên của gói tin. QAEE và MPQ
giả định chặt là p bằng tỷ lệ nghịch của số nút gửi, khi số nút
gửi là 1 thì xác suất gửi Tx-Beacon luôn bằng 1 và gói gửi
không trì hoãn, trong khi đó PMME không phân biệt giá trị p
với số nút gửi khác nhau và bị trì hoãn với thời gian theo xác Hình 7. Thời gian trễ trung bình của gói tin với các mức ưu tiên khác
suất. Thực tế không thể biết chính xác số nút gửi dữ liệu đồng nhau (ms)
thời ở những thời điểm khác nhau nên giả định của PMME
hợp lý hơn.
127
- Trễ gói theo mức độ ưu tiên của gói tin PMME thể hiện trong PMME. Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức đề xuất đã cải
Hình 7. Có thể thấy ở PMME gói có mức độ ưu tiên càng cao thiện đáng kể độ trễ truyền gói trung bình cho tất cả các sự
thì trễ gói càng nhỏ và ngược lại. Hiệu quả này có được là do kiện, các sự kiện yêu cầu mức ưu tiên cao có độ trễ thấp hơn so
chúng tôi đã áp dụng cơ chế p-persistent với p thay đổi theo với các sự kiện yêu cầu mức ưu tiên thấp và tăng tỷ lệ truyền
mức độ ưu tiên của gói tin. Gói tin có độ ưu tiên cao sẽ bị trì gói thành công nhờ sử dụng cơ chế tránh xung đột linh hoạt
hoãn ít hơn so với gói có độ ưu tiên thấp, kết hợp với cơ chế theo mức độ ưu tiên của gói tin và cơ chế gửi phản hồi Rx-
nhận Tx-Beacon đến sớm nhất, thời gian trễ trung bình của các Beacon so với hai giao thức MAC có xét tới mức độ ưu tiên
loại gói được giảm đi đáng kể so với các gói tin gửi theo cơ chế của các nghiên cứu trước đây là QAEE và MPQ. Năng lượng
QAEE và MPQ. Khi số nút gửi cạnh tranh càng cao thì độ phân tiêu thụ cũng được giảm đáng kể khi sử dụng cơ chế gửi phản
biệt sẽ càng rõ. Tuy nhiên do ảnh hưởng của giá trị truyền lại hồi Rx-Beacon tới nút gửi sớm nhất kết hợp với lịch thức ngủ
cho phép (maxTxRetries), nhiều khung Tx-Beacon sau khi thử linh hoạt theo mức độ ưu tiên của sự kiện.
truyền hết số lần cho phép sẽ bị hủy, trong khi đó thời gian trễ Mục tiêu hướng tới của nhóm nghiên cứu là kết hợp xử lý ưu
gói chỉ tính với các gói tới được đích nên cũng làm giảm mức tiên ở lớp MAC và lớp định tuyến để cải thiện hơn nữa hiệu
độ phân biệt trễ của các loại gói tin. năng cho mạng cảm biến không dây đa sự kiện đa bước.
D. TỶ LỆ TRUYỀN GÓI THÀNH CÔNG LỜI CẢM ƠN
Nhóm nghiên cứu xin cảm ơn quỹ Motorola Solutions
Foundation đã cấp học bổng Motorola và tài trợ một phần cho
những nghiên cứu của nhóm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. Liu, X. Zhu, C. Ma, L. Zhang, “Multiple event detection in wireless
sensor networks using compressed sensing,” in Proc. ICT, Ayia Napa,
Cyprus, May 8-11, 2011, pp. 27-32, DOI: 10.1109/CTS.2011.5898935
[2] S. Abdullah, S. Bertalan, S. Masar, A. Coskun, I. Castle, “A wireless
sensor network for early forest fire detection and monitoring as a
decision factor in the context of a complex integrated emergency
response system,” in IEEE Workshop EESMS, Milan, Italy, Jul. 24-25,
2017, DOI: 10.1109/ EESMS.2017.8052688
[3] W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, “An energy-efficient MAC protocol for
wireless sensor networks,” in: Proc. 21st Annu. Joint Conf. IEEE
Comput. Commun. Societies, New York, USA, Jun. 23-27, pp. 1567-
1576, 2002. DOI: 10.1109/INFCOM.2002.1019408
Hình 8. Tỷ lệ truyền gói thành công của mạng sử dụng các giao thức [4] W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, “Medium access control with
QAEE, MPQ và PMME coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks,”
IEEE/ACM Trans. Netw. (ToN), vol. 12, no. 3, pp. 493-506, 2004. DOI:
Hình 8 cho thấy tỷ lệ truyền gói thành công của cả ba giao thức 10.1109/TNET.2004.828953
QAEE, MPQ và PMME. Có thể thấy giao thức MAC ưu tiên [5] Y. Sun, O. Gurewitz, D.B. Johnson, “RI-MAC: A receiver-initiated
asynchronous duty cycle MAC protocol for dynamic traffic loads in
đề xuất PMME giúp mạng hoạt động hiệu quả hơn với tỷ lệ wireless sensor networks, ” in: Proc. 6th ACM Conf. Embedded Netw.
truyền gói thành công cao hơn so với giao thức QAEE và Sensor Syst., USA, pp.1-14, 2008. DOI: 10.1145/1460412.1460414
MPQ. Việc sử dụng cơ chế p-persistent giúp mạng tránh được [6] K. Nguyen, V.H. Nguyen, D.D. Le, Y. Ji, D.A. Duong, S. Yamada, ERI-
những xung đột không đáng có do sử dụng cơ chế trì hoãn gói MAC, “An energy-harvested receiver-initiated MAC protocol for
gửi theo xác suất. Khi số lượng nút gửi tăng lên thì với QAEE wireless sensor networks,” Int. J. Distrib. Sensor Netw., vol. 10, no. 5,
pp.1-8, 2014. DOI: 10.1155/2014/514169
mức độ xung đột sẽ tăng lên khiến tỷ lệ truyền gói thành công
[7] S. C. Kim, J. H. Jeon, and H. J. Park, “QoS aware energy-efficient
giảm xuống. Số lần gửi lại yêu cầu truyền gói là giới hạn và (QAEE) MAC protocol for energy harvesting wireless sensor networks,”
thời gian sống của gói tin cũng không cho phép việc gửi lại in Proc. Int. Conf. Hybrid Information Technology, South Korea, pp. 41-
được thực hiện nhiều lần dẫn đến sau nhiều lần yêu cầu gửi 48, 2012. DOI: 10.1007/978-3-642-32645-5_6
không thành công gói sẽ không thể tới đích trước hạn. [8] H. Kim and S.-G. Min, “Priority-based QoS MAC protocol for wireless
sensor networks,” in Proc. IEEE Int. Symp. Parallel & Distributed
PMME tránh được xung đột yêu cầu gửi do việc gửi sớm Rx- Processing, Italy, May 23-29, pp. 1-8, 2009. DOI:
Beacon, do vậy nó cũng giúp gói tin được chuyển tiếp tới đích 10.1109/IPDPS.2009.5161184
với xác suất cao hơn, như vậy giúp tỷ lệ truyền gói thành công [9] S. Sarang, M. Drieberg, A. Awang, “Multi-priority based QoS MAC
cao. Với việc giãn các yêu cầu gửi theo xác suất kết hợp với protocol for wireless sensor networks,” in: Proc. 7th IEEE Int. Conf.
việc nhận Tx-Beacon và gửi Rx-Beacon báo xác nhận nút được Syst. Eng. and Technol. (ICSET), Shah Alam, Malaysia, Oct. 2-3, pp.
54-58, 2017. DOI: 10.1109/ICSEngT.2017.8123420
gửi sớm, PMME đã nâng cao hiệu quả truyền gói, giúp gia tăng
[10] A. Boulis, “Castalia: A simulator for wireless sensor networks and body
tỷ lệ truyền gói thành công cao hơn hẳn QAEE và cải thiện hơn area networks,” NICTA: National ICT Australia, 2011.
so với MPQ. [11] A. Varga, OMNeT++ user manual version 4.6, OpenSim Ltd, 2014.
[12] Texas Instruments. “CC2420 single-chip 2.4 GHz RF transceiver,”
V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Available [Online]: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2420.pdf (Truy
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất và mô phỏng giao thức nhập gần nhất vào ngày 23/9/2018).
MAC ưu tiên cho mạng cảm biến không dây đa sự kiện
128
nguon tai.lieu . vn
