Một mô hình giải tích mới đánh giá hiệu năng IEEE 802.15.4 MAC cho mạng cảm biến không dây đa bước

Bài viết đề xuất một mô hình giải tích mới cho mạng đa bước và khả thi tính toán khi phân hoạch thành hai mô hình chuỗi Markov gồm mô hình node và mô hình kênh. Hơn nữa, qua tiếp cận mới này, mô hình có thể mô hình hóa đồng thời cả hai cơ chế không phân kênh và phân kênh mà các tác giả trước chưa thực hiện được
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một mô hình giải tích mới đánh giá hiệu năng IEEE 802.15.4 MAC cho mạng cảm biến không dây đa bước Kỹ thuật điều khiển & Điện tử MỘT MÔ HÌNH GIẢI TÍCH MỚI ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG IEEE 802.15.4 MAC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA BƯỚC Hoàng Trọng Minh1* Tóm tắt: Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 là một tiêu chuẩn phổ biến, đóng vai trò quan trọng trong kiến trúc hạ tầng mạng truyền thông Internet vạn vật (IoT). Sử dụng mô hình giải tích để phân tích và đánh giá hiệu năng mạng có sức hút rất lớn đối với các nhà nghiên cứu và triển khai hệ thống do có được ưu điểm về tính tường minh của đề xuất. Phần lớn các mô hình phân tích IEEE 802.15.4 của các tác giả trước đều tập trung vào mạng đơn bước nhằm cho phép tính toán khả thi. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một mô hình giải tích mới cho mạng đa bước và khả thi tính toán khi phân hoạch thành hai mô hình chuỗi Markov gồm mô hình node và mô hình kênh. Hơn nữa, qua tiếp cận mới này, mô hình có thể mô hình hóa đồng thời cả hai cơ chế không phân kênh và phân kênh mà các tác giả trước chưa thực hiện được. Các kết quả mô phỏng số sẽ chứng minh tính đúng đắn của mô hình đề xuất và đưa ra các mối quan hệ hiệu năng quan trọng của mạng cảm biến không dây gồm thông lượng và công suất tiêu thụ. Từ khóa: Mạng cảm biến không dây, Đa bước, Mô hình giải tích, Hiệu năng mạng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 hiện trở thành chuẩn truyền thông lớp 2 phổ biến trong mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) do một số ưu điểm nổi trội như: tiết kiệm năng lượng, tiêu chuẩn hóa và có độ tin cậy cao [1]. Tùy thuộc vào môi trường ứng dụng, tiêu chuẩn này định nghĩa hai phương thức truy nhập sử dụng không phân khe thời gian (unslotted) và phân khe thời gian (slotted). Trên thực tế, hiệu năng lớp điều khiển truy nhập MAC (Medium Access Control) của mạng không dây rất phức tạp và đóng vai trò tâm điểm ảnh hưởng tới hiệu năng mạng do sự tác động trực tiếp lên chất lượng liên kết. Vì vậy, các nghiên cứu phân tích và đánh giá hiệu năng lớp MAC đã được phát triển rất mạnh mẽ trong một số năm gần đây. Nhằm phân tích hoạt động IEEE 802.15.4 MAC, phần lớn các các giả trước tái sử dụng mô hình hóa từ IEEE 802.11 do có sự tương đồng về cơ chế đa truy nhập tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Các tác giả trong [2] đề xuất mô hình giải tích cho IEEE 802.15.4 trong điều kiện mạng đơn bước và bão hòa. Để phân tích chất lượng liên kết, một mô hình giải tích sử dụng chuỗi Markov 3 chiều kết hợp với hàng đợi M/G/1/K đã được đưa ra trong [3]. Tuy nhiên, với điều kiện không bão hòa, mô hình này đưa ra kết quả phân tán và có độ phức tạp lớn. Theo hướng tiếp cận này, tác giả trong [4] không sử dụng hàng đợi để mở rộng điều kiện ràng buộc nhưng các kết quả mô phỏng vẫn phân kỳ. Hơn nữa, tất cả các mô hình trên đều chỉ tập trung duy nhất vào phương thức hoạt động không phân khe và quá phức tạp khi mở rộng cho điều kiện mạng đa bước [5]. Nhằm phân tích hoạt động của IEEE 802.15.4 trong mạng cảm biến đa bước không dây, các tác giả trong [6] đã đề xuất mô hình giải tích đánh giá hiệu năng trong phương thức không phân khe và đánh giá bằng mô phỏng Monter Carlo. Từ đó, mô hình trong [7] được đề xuất và cải thiện bằng cách kết hợp với lý thuyết hàng đợi trong [3] để ước lượng thông lượng liên kết. Tuy nhiên, các tiếp cận hướng node này dẫn tới độ phức tạp tính toán của ma trận chuyển đổi rất cao [8]. Một hướng tiếp cận phân hoạch mô hình đã được đề xuất trước đây làm giảm được độ phức tạp tính toán nhưng chỉ sử dụng cho IEEE 802.11 [9]. Độ chính xác của mô hình theo tiếp cận này được xác định qua xác suất dài hạn của 74 H. Tr. Minh, “Một mô hình giải tích mới… mạng cảm biến không dây đa bước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ tình trạng kênh. Vì vậy, ràng buộc của mạng cảm biến không dây đa bước như hiện tượng node ẩn được phản ánh thuận tiện qua trạng thái kênh. Dựa trên các nghiên cứu trước đây của chúng tôi [10], một mô hình giải tích mới được đề xuất cho mạng cảm biến không dây đa bước nhằm vượt qua các hạn chế của các nghiên cứu trước. Hiệu năng IEEE 802.15.4 MAC được mô phỏng số và so sánh với các kết quả trước nhằm xác định tính đúng đắn của mô hình và đưa ra các khuyến nghị. Nội dung bài báo được tổ chức như sau: Sau phần mở đầu, mục 2 tóm lược các khía cạnh cơ bản của nguyên tắc truy nhập kênh trong IEEE 802.15.4; Mục 3 trình bày chi tiết các đặc điểm của mô hình giải tích đề xuất; Các kết quả mô phỏng và thảo luận được trình bày trong mục 4; Kết luận và định hướng phát triển tiếp theo của bài báo được trình bày trong mục cuối cùng. 2. NGUYÊN TẮC TRUY NHẬP KÊNH IEEE 802.15.4 2.1. Nguyên tắc truy nhập kênh IEEE 802.15.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 có hai chế độ hoạt động tùy thuộc vào các ứng dụng gồm: truy nhập kênh không có hoa tiêu (chế độ không phân khe thời gian) và chế độ có hoa tiêu (chế độ phân khe thời gian). Các chế độ hoạt động được trình bày vắn tắt dưới đây. 2.1.1. Chế độ đa truy nhập cảm nhận sóng mang không phân khe Trong chế độ này, khi một gói tin đến hàng đợi của một node, node đó khởi tạo một tham số đếm lùi BE (back-off) với giá trị BE  min(2, macMinBE ) và số lượng lần thử bằng 0. Bộ đếm back-off chọn một số ngẫu nhiên trong khoảng giá trị (0, 2 BE  1) và giảm dần 1 đơn vị trong mỗi chu kỳ đếm. Sau khi một node thực hiện xong quá trình đếm lùi, node thực hiện một cơ chế đánh giá kênh CCA (Clear Channel Assessment) để cảm nhận trạng thái kênh. Nếu kênh rỗi, node thực hiện việc gửi gói tin. Nếu kênh bận, node thực hiện thử lại và giá trị bộ đếm tăng thêm 1 đơn vị. Ta có giá trị không đếm lùi NB, NB  macMaxCSMABackoffs (ngầm định là 4 đơn vị) và giá trị đếm lùi BE  aMaxBE (ngầm định là 5 đơn vị). Nếu số lần thử vượt quá giá trị tối đa, gói tin bị hủy bỏ. 2.1.2. Chế độ đa truy nhập c ...