Thiết kế lớp liên kết dữ
liệu cho mạng cảm biến
không dây
PGS. TS.Vương Đạo Vy Trường ĐH Công nghệ, ĐHQG Hà
Nội
Liên quan đến mạng cảm biến không dây WSN (Wireless
Sensor Network) tác giả và các cộng sự đã có một số bài viết
cho tạp chí trong nhiều số phát hành trước đây, bài này nhằm
giới thiệu cấu trúc các lớp chức năng của mạng, đặc biệt ở
lớp liên kết dữ liệu (data link layer).
Đây là lớp quan trọng, có ảnh hưởng quyết định đến việc tiêu
thụ năng lượng từng nút mạng và vì vậy ảnh hưởng đến thời
gian sống của toàn mạng WSN. Tìm hiểu vấn đề này, giúp
chúng ta có tầm nhìn chi tiết hơn về thiết kế nút mạng WSN
theo tinh thần đồng thiết kế sử dụng FPGA để đạt mục tiêu
tiết kiệm năng lượng.
1. Các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)
MAC là chức năng quan trọng được hỗ trợ bởi lớp liên kết dữ
liệu - data link. Thủ tục MAC được phân thành nhiều loại
khác nhau dựa trên những nguyên tắc khác nhau. Một số theo
hướng tập trung: trạm cơ sở điều khiển thâm nhập; Một số
theo hướng phân tán; một số lại sử dụng một kênh duy nhất,
một số sử dụng nhiều kênh; Một số sử dụng các cách điều
khiển thâm nhập ngẫu nhiên khác nhau; một số lại sử dụng
hội thoại và lập lịch. Chúng nhằm tối ưu các thông thông số:
công suất, độ trễ, thông lượng, độ đồng đều, chất lượng dịch
vụ, nhiều loại dịch vụ. Một cơ cấu MAC có mức tiêu thụ
năng lượng siêu thấp đã được trình bày [1]. Trong đó một số
kỹ thuật đã được sử dụng. Băng thông được đổi lấy hiệu quả
công suất, đồng thời vứt bỏ các dư thừa để tiết kiệm năng
lượng. Thuật giải là phân tán và không yêu cầu đồng bộ. Nhu
cầu là thiết kế MAC trong lớp liên kết dữ liệu sao cho thu
được tiêu thụ năng lượng thấp hơn.
Bây giờ xem xét một thực tế, đó là đề án PICO-RADIO, thiết
kế mạng vô tuyến Pico tại trung tâm nghiên cứu không dây
Berkeley (BWRC), đó là mạng ad-hoc không dây, công suất
siêu thấp. Theo dự án, tiêu thụ công suất mỗi nút mạng là
100µW, giá thành không đến 50 cents, kích thước 1cm3.
Tiêu thụ công suất giảm thiểu trong toàn mạng. Như vậy
công suất không chỉ tối ưu cho một lớp riêng, và không chỉ
cho một nút mạng mà cho toàn mạng. Tất cả các nút mạng
phải có cùng một tập thủ tục và chúng đều được thiết kế
nhằm tiết kiệm năng lượng. Lớp ứng dụng cấu hình theo yêu
cầu của ứng dụng. Thí dụ để điều khiển môi trường nhà ở,
phải có nút thực hiện chức năng bất kỳ trong 4 loại chức
năng sau: nút điều khiển, nút cảm nhận, nút chấp hành và nút
giao diện. Nút điều khiển đòi hỏi dữ liệu từ nút cảm nhận.
Dựa vào thông tin nhận được nó ra lệnh cho nút chấp hành
thực hiện thao tác. Nút giao diện dùng để giám sát trạng thái
mạng. Nó còn được dùng như một gateway đối với mạng
khác, thí dụ Internet. Việc xếp các chức năng vào cấu trúc vật
lý không nhất thiết là một-một. Thí dụ nút điều khiển và nút
cảm nhận có thế ở trong cùng một nút vật lý.
Lớp mạng sử dụng cơ cấu phân tuyến đa bước nhảy dựa vào
xác suất chuyển tiếp. Có nhiều đường dẫn trong quá trình
phát hiện tuyến, nhưng xác suất nhận tuyến bất kỳ tỉ lệ ngược
với năng lượng tiêu thụ trên đường dẫn đó. Có nghĩa là xác
suất chọn đường rất cao nếu năng lượng trên tuyến đó là tối
thiểu, những đường khác thỉnh thoảng có thể sử dụng và có
thể chọn tuyến khác khi mạng được bổ sung thêm nút mạng.
Trong hầu hết thời gian tuyến tối ưu sẽ được sử dụng, tuy
nhiên khi có nút hỏng trên tuyến thì chọn tuyến thay thế. Khi
thiết kế như vậy cần quảng bá thông tin về thay đổi cấu hình