I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) là một hệ thống gồm nhiều nút cảm biến nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, được phân bố rộng rãi để thu thập và truyền dữ liệu. Các nút này thường hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và có thời gian hoạt động lâu dài. Mạng cảm biến không dây đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như y tế, quân sự, và môi trường. Các nút cảm biến giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể kết nối với người dùng cuối thông qua Internet hoặc các mạng không dây khác.
1.1. Khái niệm và ứng dụng
Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến có khả năng thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các ứng dụng điển hình bao gồm thu thập dữ liệu, giám sát môi trường, và y học. Các nút cảm biến thường được phân bố rải rác trong trường cảm biến và giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến. Sink đóng vai trò trung tâm, thu thập dữ liệu từ các nút và truyền đến người dùng cuối.
1.2. Thách thức ở cấp độ nút
Các thách thức chính ở cấp độ nút bao gồm tiết kiệm năng lượng, kích thước vật lý nhỏ gọn, và giá thành thấp. Tiết kiệm năng lượng là yếu tố quan trọng vì các nút thường sử dụng pin hoặc nguồn năng lượng thấp. Kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp giúp triển khai mạng với quy mô lớn. Các nhà thiết kế phần cứng và phần mềm cần tối ưu hóa để giảm tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu quả hoạt động.
II. Giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC
Lớp MAC (Medium Access Control) đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý truy cập kênh truyền và tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Các giao thức MAC được thiết kế để giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách tối ưu hóa thời gian hoạt động và ngủ của các nút. Các giao thức này được chia thành hai loại chính: đồng bộ thời gian và không đồng bộ thời gian. Các giao thức đồng bộ thời gian yêu cầu các nút đồng bộ hóa thời gian hoạt động, trong khi các giao thức không đồng bộ thời gian cho phép các nút hoạt động độc lập.
2.1. Giao thức đồng bộ thời gian
Các giao thức đồng bộ thời gian như TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol) yêu cầu các nút đồng bộ hóa thời gian hoạt động. Điều này giúp giảm thời gian hoạt động của các nút và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, việc đồng bộ hóa thời gian có thể gây ra độ trễ và tăng độ phức tạp của hệ thống.
2.2. Giao thức không đồng bộ thời gian
Các giao thức không đồng bộ thời gian như ContikiMAC và XMAC cho phép các nút hoạt động độc lập mà không cần đồng bộ hóa thời gian. Các giao thức này sử dụng cơ chế LPL (Low Power Listening) để giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách tối ưu hóa thời gian ngủ và hoạt động của các nút.
III. Mô phỏng và đánh giá giao thức lớp MAC
Để đánh giá hiệu suất của các giao thức MAC, tác giả sử dụng công cụ mô phỏng Cooja trên hệ điều hành Contiki. Các kịch bản mô phỏng được thiết kế để đánh giá hiệu năng của các giao thức ContikiMAC và XMAC trong môi trường mạng cảm biến không dây. Các thước đo đánh giá bao gồm tỷ lệ chuyển phát thành công, công suất tiêu thụ trung bình, và số lần thay đổi nút cha trung bình.
3.1. Công cụ mô phỏng Cooja
Cooja là công cụ mô phỏng mạnh mẽ cho mạng cảm biến không dây, cho phép mô phỏng các giao thức MAC trên hệ điều hành Contiki. Công cụ này cung cấp môi trường mô phỏng thực tế để đánh giá hiệu năng của các giao thức trong các kịch bản khác nhau.
3.2. Kết quả đánh giá
Kết quả mô phỏng cho thấy ContikiMAC có hiệu suất tốt hơn XMAC về tỷ lệ chuyển phát thành công và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, XMAC có ưu điểm về độ trễ thấp hơn. Các kết quả này giúp đưa ra khuyến nghị phù hợp khi áp dụng các giao thức MAC trong các ứng dụng thực tế.
