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 Thơng I,
Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng
Email: , ,
gây xung đột làm giảm tỷ lệ truyền thành công cũng như kéo
dài thời gian do truyền lại sau cạnh tranh.
Để giải quyết vấn đề truyền ưu tiên nhiều loại gói tin quan
trọng, đảm bảo trễ nhỏ và tỷ lệ truyền gói tốt, trong bài báo này
chúng tơi đề xuất giao thức MAC ưu tiên cho mạng cảm biến
không dây đa sự kiện kết hợp cơ chế beacon và cơ chế
CSMA/CA theo mức ưu tiên của gói tin (PMME – Priority
MAC for MultiEvent wireless sensor network). Đóng góp của
bài báo như sau:
- Đề xuất sự kết hợp giữa cơ chế beacon và cơ chế
CSMA/CA theo các mức ưu tiên gói tin khác nhau.
- Thực hiện mơ phỏng giao thức đề xuất PMME để đánh
giá và so sánh với hai giao thức QAEE và MPQ về khả
năng đáp ứng yêu cầu của các sự kiện có mức ưu tiên
khác nhau trong mạng cảm biến không dây đa sự kiện.
Bài báo được tổ chức tiếp như sau: phần II mô tả cơ chế
hoạt động và phân tích những ưu nhược điểm của hai giao thức
MAC có xét mức ưu tiên là QAEE và MPQ. Phần III giới thiệu
giao thức MAC đề xuất PMME với hai cơ chế cải tiến. Phần IV
đưa ra kết quả mô phỏng và đánh giá. Phần V là kết luận của
bài báo.

Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giao thức MAC
ưu tiên sử dụng beacon tránh đầu cuối ẩn và cơ chế CSMA/CA
dựa trên mức ưu tiên để giảm xung đột cho các sự kiện yêu cầu

mức độ ưu tiên khác nhau trong mạng cảm biến không dây đa sự
kiện. Kết quả mô phỏng cho thấy mạng cảm biến sử dụng giao
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
truyền gói thành cơng tốt hơn và giảm năng lượng tiêu thụ trung
bình khi có nhiều sự kiện đồng thời xuất hiện so với giao thức
QAEE từ 10 đến 50%, giảm so với giao thức MPQ khoảng 6-9%.
Keywords- MAC ưu tiên, CSMA/CA, mạng cảm biến không dây
đa sự kiện.

I.

GIỚI THIỆU

Trong các mạng cảm biến khơng dây đa sự kiện có nhiều
loại sự kiện được phân loại theo mức độ ưu tiên. Mức độ ưu
tiên cao thường là các sự kiện nghiêm trọng hoặc có tính khẩn
cấp xảy ra trong mạng như báo cháy trong nơng lâm nghiệp, rị
rỉ khí độc trong cơng nghiệp, báo bão, động đất trong dự báo
khí tượng. Mức độ ít nghiêm trọng hơn thường là các sự kiện
đo đạc theo chu kỳ như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, cường độ sáng
[1, 2].
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
thường, cần đảm bảo truyền nhanh hơn, có thể đáp ứng thời
gian thực, độ tin cậy cao hơn để đảm bảo thơng tin chính xác
đồng thời yêu cầu việc truyền thông phải hiệu quả về năng
lượng.
Đã có nhiều giải pháp đảm bảo QoS đề xuất cho mạng cảm
biến không dây sử dụng kỹ thuật MAC. SMAC [3] và TMAC

[4] tập trung vào việc tiết kiệm năng lượng trong mạng, RIMAC [5] cải thiện hiệu năng mạng là trễ và tỷ lệ truyền gói,
ERI-MAC là giao thức do bên nhận khởi hoạt và sử dụng kỹ
thuật ghép nhiều gói nhỏ thành gói lớn trước khi truyền đi để
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],
QAEE cũng xét ưu tiên gói tin và có hai mức độ ưu tiên gói là
cao vào thấp [8], MPQ có xét tới bốn mức độ ưu tiên cho gói
tin [9].
Những giải pháp trên cịn có hạn chế là chưa đáp ứng yêu
cầu đa mức ưu tiên hoặc có ưu tiên gói tin nhưng vẫn cịn để
gói ưu tiên phải chờ đợi một khoảng thời gian nhất định cho tới
hết cửa sổ tranh chấp để được chọn gửi ưu tiên, đặc biệt trong
những tình huống khẩn cấp sẽ có nhiều gói cùng cạnh tranh

II.

NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Một vài nghiên cứu đã được thực hiện để đảm bảo QoS cho
mạng cảm biến không dây đa mức ưu tiên.
QAEE là giao thức cho phép bên nhận được khởi hoạt. Nó xem
xét hai mức ưu tiên của gói tin là cao và thấp và cho gói tin có
độ ưu tiên cao được truyền nhanh hơn so với gói tin có độ ưu
tiên thấp. Trong giao thức này, nút nhận sẽ thức dậy theo chu
kỳ đều đặn để nhận gói tin gửi từ các nút gửi. Sau khi thức dậy,
nút sẽ lắng nghe môi trường truyền trong khoảng thời gian đảm
bảo là Tg và sau đó sẽ gửi Wakeup-Beacon để báo cho các nút
gửi biết. Sau khi truyền Wakeup-Beacon nút sẽ chờ trong một
khoảng thời gian Tw để nhận toàn bộ các Tx-Beacon (có thêm
trường ưu tiên) của các nút gửi. Các nút gửi Tx-Beacon sẽ chèn

bit thông tin về độ ưu tiên của gói tin và trường NAV (Network
Allocation Vector). Sau đó, nút sẽ đợi Rx-Beacon có bổ sung
trường NAV từ nút nhận. Trong khi đó, nút nhận nhận được
nhiều Tx-Beacon với nhiều mức ưu tiên khác nhau sẽ chọn bên
gửi dựa trên mức ưu tiên gói cao nhất. Sau đó, nó quảng bá RxBeacon mang địa chỉ của bên gửi có mức độ ưu tiên cao nhất
được chọn. Dựa trên việc nhận Rx-Beacon này, nút được chọn
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
thì các nút có dữ liệu chưa được gửi sẽ thức dậy và lại tiếp tục
cạnh tranh một cách ngẫu nhiên như trước. Hình 1 mơ tả hoạt
động truyền thơng này trong đó SIFS (Short Interframe Space)
là khoảng thời gian yêu cầu để xử lý một gói tin và chuyển
trạng thái vô tuyến của nút cảm biến.
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
tới khi nó nhận tồn bộ Tx-Beacon từ các nút gửi thì mới tiến
hành gửi Rx-Beacon cho phép gửi dữ liệu. Điều này có nghĩa
là ngay cả khi bên nhận đã nhận được Tx-Beacon có mức ưu
tiên cao nhất rồi thì nó vẫn phải chờ cho tới khi hết thời gian
Tw . Vì vậy nút gửi dù có mức ưu tiên cao hơn vẫn phải chờ
đợi và những nút khác cũng phải tiêu tốn thời gian trong khi
chờ nhận được Rx-Beacon. Thứ ba, sau khi truyền xong dữ liệu
thì các nút cịn lại (chưa gửi được dữ liệu) lại tiếp tục cạnh
tranh ngẫu nhiên trong cửa sổ cạnh tranh tiếp theo và gây nên
sự lãng phí năng lượng.
Tw

Tg

Nút nhận

TX:
Wakeup
Beacon

RX:
Tx
Beacon
(p=0)

hai, việc gán giá trị p khá cứng nhắc và khơng thực tế khi
phải biết chính xác số nút gửi cạnh tranh.
Với những nhược điểm còn tồn tại của hai giao thức QAEE và
MPQ, chúng tôi thấy cần tiếp tục cải tiến giao thức MAC để có
thể cải thiện hơn nữa hiệu năng của mạng, khắc phục được
những nhược điểm nêu trên.
III.

Để có thể đạt được chất lượng truyền thông theo mức ưu tiên,
giao thức MAC do chúng tơi đề xuất có hai thay đổi so với
giao thức QAEE và MPQ. Một là rút ngắn thời gian chờ để
được quyền gửi gói tin dữ liệu, khi nút nhận nhận được bản tin
Tx-Beacon từ bất kỳ nút gửi nào thì nút nhận sẽ gửi bản tin RxBeacon chấp nhận cho nút gửi đầu tiên sau khi gửi WakeupBeacon được gửi bản tin dữ liệu, đồng thời Rx-Beacon này
cũng có ý nghĩa là thơng báo cho các nút gửi khác tạm ngủ
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
xuất cho phép các nút gửi có cơ chế gửi lại yêu cầu gửi TxBeacon với tần suất xuất gửi sau mỗi khe thời gian tỷ lệ với

mức độ ưu tiên của gói tin.

Chấp nhận Tx-Beacon có mức
ưu tiên cao nhất khi hết Tw
RX:
Tx
Beacon
(p=1)

Tx:
Rx
Beacon
(tới N1)

RX: DATA

TX:
SIFS ACK

A. CÁC MỨC ƯU TIÊN
Giao thức MAC ưu tiên đề xuất phân biệt 4 loại gói tin có mức
ưu tiên khác nhau như Bảng 1:

Thức dậy

Nút gửi 1
(N1)

Nghe


RX:
Wakeup
Beacon

TX:
Tx
Beacon
(p=1)

RX:
Rx
Beacon SIFS
(tới N1)

TX: DATA

RX:

Bảng 1. Các mức ưu tiên gói

ACK

Phân loại dữ liệu
Khẩn cấp
Ưu tiên cao nhất
Ưu tiên
Khơng ưu tiên

Gói được tạo
ra

Nút gửi 2
(N2)

Nghe

Gói được tạo
ra

RX:
Wakeup
Beacon

TX:
Tx
Beacon
(p=0)

TX: Phát

RX:
Rx
Beacon
(tới N1)

GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN CHO MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN PMME

Ngủ, NAV+ thời gian ngẫu nhiên

Mức ưu tiên

4
3
2
1

B. KHUÔN DẠNG CÁC BẢN TIN BEACON
Giao thức MAC đề xuất sử dụng khuôn dạng chung của các
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 tơ
đậm như trong Hình 2.

RX: Nhận

Hình 1. Mơ tả hoạt động truyền thơng của giao thức QAEE-MAC

MPQ đã cải tiến hơn so với QAEE khi có xét tới bốn mức ưu
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
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
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 cịn có thêm cơ
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 TxBeacon giúp giảm bớt xung đột.
Tuy nhiên MPQ vẫn cịn có một vài hạn chế. Thứ nhất, chỉ gói
tin có độ ưu tiên cao nhất mới được xử lý sớm, còn lại các gói
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
tin ưu tiên nhưng chưa phải có mức ưu tiên cao nhất cũng phải
tiêu tốn thời gian trong khi chờ nhận được Rx-Beacon. Thứ


FC

SA

FCS

FC

SA

DA

Priority

FC

SA

DA

NAV

FC: Frame Control
SA: Source Address

Wakeup-Beacon
NAV

FCS Tx-Beacon


FCS

Rx-Beacon

FCS: Frame Check Sequence
DA: Destination Address
NAV: Network Allocation Vector

Hình 2. Khn dạng các bản tin Beacon

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 này sử dụng để phát quảng bá ra môi trường xung quanh
nên khơng có địa chỉ đích DA cụ thể. Trong bản tin TxBeacon, 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
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
biến được chọn cho phép gửi.

o
o

C. HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC PMME
Hình 3 mơ tả hoạt động truyền thơng của giao thức PMME đề
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
ưu tiên của gói tin.

Nếu prand lớn hơn giá trị pn thì chờ sau một
khe thời gian rồi lại cảm nhận lại kênh truyền.
Trong đề xuất của nhóm tác giả, để phù hợp
với sự khác biệt về mức độ ưu tiên của dữ liệu
của các sự kiện khác nhau, có thể gán giá trị
pn khác nhau theo tuyến tính, mức ưu tiên
càng cao, giá trị

pi ,n 

Cơ chế chấp nhận Tx-Beacon sớm nhất

Tg

Nút nhận

TX:
Wakeup
Beacon

n

TX:
ACK

Thức dậy


Nút gửi 1
(N1)

Nghe

RX:
Rx
Beacon SIFS
(tới N1)

TX:
Tx
Beacon

TX: DATA

Nghe

Gói được tạo
ra

RX:
Wakeup
Beacon

TX: Phát

RX:
Rx
Beacon

(tới N1)

(2)

RX:
ACK

Cảm nhận
kênh truyền
Ngủ, NAV+ thời gian ngẫu
nhiên có xét mức ưu tiên

Chờ sau CCA
check delay
Bận

Rỗi

RX: Nhận

Hình 3. Mơ tả hoạt động truyền thông của giao thức PMME

Chờ sau
time slot t

Cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên của
gói tin

N


Số ngẫu nhiên
prand ≤ pn

(pn ~ mức độ ưu tiên)

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
CSMA p-persistent cho việc gửi bản tin Tx-Beacon với p
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
cho phép nút được gửi dữ liệu, nó sẽ cảm nhận kênh truyền để
quyết định có gửi dữ liệu hay khơng.
 Nếu kênh truyền rỗi nó sẽ so sánh số gieo ngẫu nhiên
prand và so sánh với giá trị xác suất pn (tỷ lệ với mức
độ ưu tiên của gói tin, mức độ ưu tiên càng cao thì
pn càng lớn):
o

1

Nếu kênh truyền bận thì nút tiếp tục cảm nhận mơi
trường truyền sau thời gian trễ của lớp vật lý để cảm
nhận chính xác mơi trường truyền dẫn có bận hay
khơng (CCA check delay) và quay lại bước so sánh ở
trên.

Khe thời gian (time slot)
cho p-persistent theo

mức ưu tiên

Gói được tạo
ra
Nút gửi 2
(N2)

RX:
Wakeup
Beacon

i ,n

i 1

SIFS

j

p


RX: DATA

(1)

Trong đó i là mức ưu tiên, n là số mức ưu
tiên.
Nếu tỷ lệ gói tin có mức ưu tiên khác nhau
gửi từ lớp mạng xuống là như nhau thì ta có

thêm điều kiện ràng buộc là tổng các giá trị
pi phải bằng 1 để tránh xung đột các bản
tin yêu cầu gửi Tx-Beacon như sau:

Chấp nhận Tx-Beacon đầu tiên
và gửi luôn Rx-Beacon

RX:
Tx:
Tx
Rx
Beacon SIFS Beacon
(tới N1)

i
n

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
gửi bản tin Rx-Beacon ngay sau đó. Bản tin này đồng thời cũng
thông báo luôn cho các nút gửi khác biết để không gửi dữ liệu
trong khoảng thời gian NAV sắp tới. Như vậy giao thức này sẽ
rút ngắn thời gian chờ Tw so với hai giao thức QAEE và MPQ,
đồng thời việc gửi sớm Rx-Beacon cũng giúp các nút gửi khác
không tranh chấp môi trường truyền trong thời gian sau đó nên
giúp tiết kiệm năng lượng cho tồn mạng.
Tw


pn càng lớn.

Truyền
Tx-Beacon

Hình 4. Cơ chế CSMA p-persistent theo mức độ ưu tiên gói tin trong
PMME

Như vậy bản tin Tx-Beacon của gói tin có độ ưu tiên cao sẽ có
xác suất xuất hiện lớn hơn so với bản tin Tx-Beacon của gói tin
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.

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

Trong phần này, chúng tôi thực hiện mô phỏng đánh giá giao
thức MAC đề xuất PMME với hai giao thức QAEE và MPQ

dựa trên phần mềm mô phỏng Castalia 3.3 [10] và
OMNeT++4.6 [11] sử dụng chuẩn thiết bị thu phát CC2420
[12] .
Bảng 2 là những thơng số chính thiết lập trong chương trình
mơ 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
trung tâm. Mỗi nút sẽ gửi dữ liệu với tốc độ là 1 gói/giây với tỷ
lệ gói có mức độ ưu tiên khác nhau ở các nút là tương đương
nhau.

Trong đó m biểu diễn số lượng các trạng
thái, k là trạng thái vơ tuyến (có bốn trạng
thái: trạng thái phát, trạng thái nhận, trạng
thái nghe và trạng thái ngủ). Pk là công suất
tiêu thụ năng lượng ở trạng thái k và tk là
thời gian tồn tại của trạng thái k .


Bảng 2. Các thơng số mơ phỏng
Parameter
Kích thước trường cảm biến
Số lượng nút gửi dữ liệu
Băng thơng
Kích thước gói Wakeup-Beacon
Kích thước gói Tx-Beacon
Kích thước gói Rx-Beacon
Tiêu đề lớp MAC
Giới hạn tối đa bộ đệm MAC
Số lần gửi yêu cầu truyền gói dữ liệu
tối đa ở lớp MAC maxTxRetries

Tiêu đề lớp ứng dụng
Kích thước gói DATA
Kích thước gói ACK
CCA Check Delay
Time slot
Tiêu đề khung vật lý

Tw
Khoảng thời gian nút nhận cảm nhận
trước khi phát WakeupBeacon (Tg)
Thời gian lắng nghe trước khi phát
dữ liệu
pn (n=1-4)
Tốc độ gửi dữ liệu của các nút
Tỷ lệ trung bình từng loại gói
Số mẫu chạy

Value
10m x 10m
1-7
250kb/s
6 byte
14 byte
13 byte
11 byte
32 gói
10
5 byte
28 byte
11 byte

0,128ms
0,32ms
6 byte
5ms

Davr 

6,7ms

i 1

i

N

nhận được và trễ của gói thứ
nhận.

Mức ưu tiên×0,1
1 gói/giây
1/số mức ưu tiên
5 mẫu/kịch bản

ET
TR  DS

D

(5)


Trong đó N , Di lần lượt là tổng số gói đích

17ms



Hiệu quả tiêu thụ năng lượng: Hiệu quả tiêu thụ
năng lượng được đánh giá là tỷ lệ nghịch của năng
lượng tiêu thụ trung bình cho việc truyền thành
cơng một bít dữ liệu (µj/bit). Như vậy năng lượng
tiêu thụ càng ít thì hiệu quả tiêu thụ càng cao.
o Cơng thức tính năng lượng tiêu thụ trung
bình E được tính như sau:

E

Trễ gói trung bình: Trễ gói được tính bằng tổng
thời gian để truyền gói từ nút nguồn tới nút đích.
Ở cả ba giao thức thời gian trễ được tính bằng
tổng thời gian thành phần: thời gian trễ truyền lan,
thời gian nút gửi có gói dữ liệu chờ khi nhận được
Wakeup-Beacon tới khi nó gửi gói u cầu TxBeacon (nếu xung đột thì lại gửi lại yêu cầu và
làm kéo dài thời gian trễ), thời gian chờ nhận được
Rx-Beacon tương ứng (thời gian này có thể kéo
dài thêm NAV nếu có gói khác được truyền), thời
gian gửi được gói dữ liệu và các thời gian chuyển
đổi trạng thái khác. Trễ gói trung bình là trung
bình trễ của các gói nhận được ở đích ở cơng thức
(3).
o Cơng thức tính trễ gói trung bình Davr

được tính như sau:
N

Những tham số hiệu năng được đánh giá trong mơ phỏng
của chúng tơi:


(4)

k 1

i mà đích đã

Tỷ lệ truyền gói thành cơng: Được tính bằng tỷ
số của tổng số gói nhận được ở nút đích N R
(khơng tính số gói trùng lặp) trên tổng số gói gửi
từ nguồn N S .

Psuccess 

NR
100%
NS

(6)

A. HIỆU QUẢ TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG
Hình 5 cho thấy năng lượng tiêu thụ trung bình để truyền thành
công một bit dữ liệu với ba giao thức MAC tương ứng là
QAEE, MPQ và PMME. Có thể thấy khi số lượng nút gửi tăng

lên thì năng lượng tiêu thụ trung bình khi sử dụng giao thức
QAEE tăng lên nhanh trong khi với giao thức MPQ và PMME
thì năng lượng tiêu thụ trung bình chỉ tăng rất chậm. Năng
lượng tiêu thụ trung bình của mạng sử dụng PMME giảm được
10% đến 50% so với QAEE khi số nút gửi tăng từ 2 đến 10 và
giảm được 6-9% so với MPQ trong điều kiện mơ phỏng. Điều

(3)

Trong đó ET, TR và DS lần lượt là tổng năng
lượng tiêu thụ, tổng số gói nhận được và kích
thước gói tin dữ liệu tính theo bit.
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 vơ 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 GĨI 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 mơi
trường truyền nên sẽ xảy ra xung đột dẫn đến việc phải truyền
lại khung. Và vì khơng phân biệt độ ưu tiên khi gửi yêu cầu
nên xác suất xung đột sẽ cao ngay cả ở chu kỳ gửi kế tiếp. Với
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
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 ln bằng 1 và gói gửi
khơng trì hỗn, trong khi đó PMME khơng phân biệt giá trị p
với số nút gửi khác nhau và bị trì hỗn với thời gian theo xác
suất. Thực tế khơng thể biết chính xác số nút gửi dữ liệu đồng
thời ở những thời điểm khác nhau nên giả định của PMME
hợp lý hơn.


b) So sánh trễ gói trung bình của các loại gói ưu tiên khác nhau
Hình 6. Thời gian trễ trung bình của gói tin sử dụng giao thức PMME
so với sử dụng giao thức QAEE và MPQ

C. TRỄ GÓI THEO MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA GĨI TIN

Hình 7. Thời gian trễ trung bình của gói tin với các mức ưu tiên khác
nhau (ms)

127


PMME. Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức đề xuất đã cải
thiện đáng kể độ trễ truyền gói trung bình cho tất cả các sự
kiện, các sự kiện yêu cầu mức ưu tiên cao có độ trễ thấp hơn so
với các sự kiện yêu cầu mức ưu tiên thấp và tăng tỷ lệ truyền
gói thành cơng nhờ sử dụng cơ chế tránh xung đột linh hoạt
theo mức độ ưu tiên của gói tin và cơ chế gửi phản hồi RxBeacon so với hai giao thức MAC có xét tới mức độ ưu tiên
của các nghiên cứu trước đây là QAEE và MPQ. Năng lượng
tiêu thụ cũng được giảm đáng kể khi sử dụng cơ chế gửi phản
hồi Rx-Beacon tới nút gửi sớm nhất kết hợp với lịch thức ngủ
linh hoạt theo mức độ ưu tiên của sự kiện.
Mục tiêu hướng tới của nhóm nghiên cứu là kết hợp xử lý ưu
tiên ở lớp MAC và lớp định tuyến để cải thiện hơn nữa hiệu
năng cho mạng cảm biến không dây đa sự kiện đa bước.

Trễ gói theo mức độ ưu tiên của gói tin PMME thể hiện trong
Hình 7. Có thể thấy ở PMME gói có mức độ ưu tiên càng cao
thì trễ gói càng nhỏ và ngược lại. Hiệu quả này có được là do
chúng tơi đã áp dụng cơ chế p-persistent với p thay đổi theo

mức độ ưu tiên của gói tin. Gói tin có độ ưu tiên cao sẽ bị trì
hỗn ít hơn so với gói có độ ưu tiên thấp, kết hợp với cơ chế
nhận Tx-Beacon đến sớm nhất, thời gian trễ trung bình của các
loại gói được giảm đi đáng kể so với các gói tin gửi theo cơ chế
QAEE và MPQ. Khi số nút gửi cạnh tranh càng cao thì độ phân
biệt sẽ càng rõ. Tuy nhiên do ảnh hưởng của giá trị truyền lại
cho phép (maxTxRetries), nhiều khung Tx-Beacon sau khi thử
truyền hết số lần cho phép sẽ bị hủy, trong khi đó thời gian trễ
gói chỉ tính với các gói tới được đích nên cũng làm giảm mức
độ phân biệt trễ của các loại gói tin.

LỜI CẢM ƠN

D. TỶ LỆ TRUYỀN GĨI THÀNH CƠNG

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. 15671576, 2002. DOI: 10.1109/INFCOM.2002.1019408
[4] W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, “Medium access control with
coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks,”
IEEE/ACM Trans. Netw. (ToN), vol. 12, no. 3, pp. 493-506, 2004. DOI:
10.1109/TNET.2004.828953
[5] Y. Sun, O. Gurewitz, D.B. Johnson, “RI-MAC: A receiver-initiated
asynchronous duty cycle MAC protocol for dynamic traffic loads in
wireless sensor networks, ” in: Proc. 6th ACM Conf. Embedded Netw.
Sensor Syst., USA, pp.1-14, 2008. DOI: 10.1145/1460412.1460414
[6] K. Nguyen, V.H. Nguyen, D.D. Le, Y. Ji, D.A. Duong, S. Yamada, ERIMAC, “An energy-harvested receiver-initiated MAC protocol for
wireless sensor networks,” Int. J. Distrib. Sensor Netw., vol. 10, no. 5,
pp.1-8, 2014. DOI: 10.1155/2014/514169
[7] S. C. Kim, J. H. Jeon, and H. J. Park, “QoS aware energy-efficient
(QAEE) MAC protocol for energy harvesting wireless sensor networks,”
in Proc. Int. Conf. Hybrid Information Technology, South Korea, pp. 4148, 2012. DOI: 10.1007/978-3-642-32645-5_6
[8] H. Kim and S.-G. Min, “Priority-based QoS MAC protocol for wireless
sensor networks,” in Proc. IEEE Int. Symp. Parallel & Distributed
Processing,
Italy,
May
23-29,
pp.
1-8,
2009.
DOI:
10.1109/IPDPS.2009.5161184
[9] S. Sarang, M. Drieberg, A. Awang, “Multi-priority based QoS MAC
protocol for wireless sensor networks,” in: Proc. 7th IEEE Int. Conf.
Syst. Eng. and Technol. (ICSET), Shah Alam, Malaysia, Oct. 2-3, pp.

54-58, 2017. DOI: 10.1109/ICSEngT.2017.8123420
[10] A. Boulis, “Castalia: A simulator for wireless sensor networks and body
area networks,” NICTA: National ICT Australia, 2011.
[11] A. Varga, OMNeT++ user manual version 4.6, OpenSim Ltd, 2014.
[12] Texas Instruments. “CC2420 single-chip 2.4 GHz RF transceiver,”
Available [Online]: (Truy
nhập gần nhất vào ngày 23/9/2018).

Hình 8. Tỷ lệ truyền gói thành cơng của mạng sử dụng các giao thức
QAEE, MPQ và PMME

Hình 8 cho thấy tỷ lệ truyền gói thành công của cả ba giao thức
QAEE, MPQ và PMME. Có thể thấy giao thức MAC ưu tiên
đề xuất PMME giúp mạng hoạt động hiệu quả hơn với tỷ lệ
truyền gói thành cơng cao hơn so với giao thức QAEE và
MPQ. Việc sử dụng cơ chế p-persistent giúp mạng tránh được
những xung đột khơng đáng có do sử dụng cơ chế trì hỗn gói
gửi theo xác suất. Khi số lượng nút gửi tăng lên thì với QAEE
mức độ xung đột sẽ tăng lên khiến tỷ lệ truyền gói thành cơng
giảm xuống. Số lần gửi lại yêu cầu truyền gói là giới hạn và
thời gian sống của gói tin cũng khơng cho phép việc gửi lại
được thực hiện nhiều lần dẫn đến sau nhiều lần u cầu gửi
khơng thành cơng gói sẽ khơng thể tới đích trước hạn.
PMME tránh được xung đột yêu cầu gửi do việc gửi sớm RxBeacon, do vậy nó cũng giúp gói tin được chuyển tiếp tới đích
với xác suất cao hơn, như vậy giúp tỷ lệ truyền gói thành cơng
cao. Với việc giãn các u cầu gửi theo xác suất kết hợp với
việc nhận Tx-Beacon và gửi Rx-Beacon báo xác nhận nút được
gửi sớm, PMME đã nâng cao hiệu quả truyền gói, giúp gia tăng
tỷ lệ truyền gói thành cơng cao hơn hẳn QAEE và cải thiện hơn
so với MPQ.

V.

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất và mô phỏng giao thức
MAC ưu tiên cho mạng cảm biến không dây đa sự kiện

128