Tối ưu độ tin cậy truyền dữ liệu cho hệ thống nuôi tôm dựa vào nền tảng kết nối vạn vật

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 59 TỐI ƯU ĐỘ TIN CẬY TRUYỀN DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG NUÔI TÔM DỰA VÀO NỀN TẢNG KẾT NỐI VẠN VẬT A NEW SCHEME FOR INTERNET OF THINGS BASED SHRIMP FARMING SYSTEMS TO IMPROVE RELIABLE DATA FORWARDING Nguyễn Xuân Sâm, Nguyễn Hồng Sơn Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông; samnx@ptithcm.edu.vn Tóm tắt - Ứng dụng kết nối vạn vật trở nên cấp thiết và là xu hướng phát triển tất yếu cho nông - ngư nghiệp trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một giao thức lai bằng việc cho phép các nút trung gian tham gia vào quá trình chuyển tiếp các gói mang thông tin để giám sát và cảnh báo cho người quản lý của một đầm nuôi tôm, dựa trên chuẩn EEE 802.11 sử dụng các thiết bị cảm biến có sẵn trên thị trường hiện nay. Việc đề xuất này đảm bảo rằng gói thông tin được truyền từ một nguồn bất kỳ có tối đa cơ hội đến điểm đích trong các điều kiện môi trường truyền thay đổi khác nhau. Nghiên cứu của nhóm tác giả đánh giá hai thông số là hiệu suất truyền gói tin và độ trễ truyền gói tin trung bình từ một điểm nguồn đến điểm đích. Thực thi mô phỏng cho thấy hệ thống đề xuất cho kết quả tốt hơn hệ thống không sử dụng mô hình chuyển tiếp. Abstract - The Fourth Industrial Revolution is offering great opportunities to smart agriculture solutions and internet of things which is now common trends. In this paper, we propose a new scheme to improve reliable data forwarding internet of things based shrimp farming systems by combining relay communications and automatic repeat request mechanism of IEEE 802.11. By this way, there would be a better chance for forwarding packets from a source node to the destination node in fading and shadowing environment. Our experimental results show that the proposed scheme provides a better performance than non-assisted relay communications of IEEE 802.11 in terms of the packet delivery ratio and average end-to-end delay. Từ khóa - hệ thống nuôi tôm (HTNT); kết nối vạn vật (KNVV); độ tin cậy (ĐTC); hiệu suất truyền gói tin (HSTGT); thời gian trung bình truyền gói tin (TGTBTGT). Key words - shrimp farming systems (SFS); Internet of Things (IoT); reliable communications (RC); packet deliverry ratio (PDR); end-to-end delay (E2ED). 1. Mở đầu Hiện nay, nhu cầu ứng dụng kết nối vạn vật (KNVV) trong nông - ngư nghiệp đang là một xu hướng tất yếu. Việc này có ý nghĩa đặc biệt khi xuất khẩu thủy sản trở thành ngành kinh tế dẫn đầu cho xuất khẩu và phát triển kinh tế ở nước ta. Tuy nhiên, một trong những thách thức đối với ngành này là dịch bệnh, mà nguyên nhân chủ yếu đến từ việc thay đổi nhiệt độ, độ mặn và độ pH của nước trong đầm do các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo gây ra. Việc ứng dụng KNVV để tự động hóa các quá trình phát hiện, cảnh báo và điều chỉnh thiết bị cho hệ thống nuôi thủy sản như là bơm thức ăn, thiết bị đóng và mở dòng nước, v.v, không những góp phần tăng năng suất mà còn hạn chế được việc thay đổi các chỉ số bất thường ảnh hưởng đến sinh trưởng của các loài thủy sản. Vì vậy, nhóm tác giả dành sự quan tâm đặc biệt cho phát triển các nghiên cứu ứng dụng KNVV nhằm thu thập thông tin, đưa ra cảnh báo thay đổi nhiệt độ của nước và ngưỡng pH trong đầm tôm, nhằm giảm thiểu các rủi ro cho đầm tôm. Trong bài báo này, biểu diễn mô hình của một đầm nuôi tôm được nhóm tác giả minh họa trong Hình 1. Mô hình này được cắt thành ba lớp, lớp thứ nhất bao gồm các thiết bị cảm biến không dây có tích hợp đầu đo pH và nhiệt độ. Lớp thứ hai bao gồm các điểm truy cập đóng vai trò là các cổng vào ra kết nối với Internet để chuyển tiếp dữ liệu thu thập từ các thiết bị cảm biến đến trung tâm thu thập dữ liệu và thiết bị theo dõi đầu cuối. Lớp thứ ba gồm trung tâm quản lý dữ liệu bao gồm người quản lý đầm tôm, trung tâm tư vấn và phân tích, trung tâm hỗ trợ các dịch vụ chăm sóc thủy sản. Cấu trúc ba lớp này được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu gần đây [1]. Mặc dù cấu trúc ba lớp này đang cung cấp một kết nối thông suốt từ thiết bị cảm biến đến người quản lý cho phép hệ thống thu thập các dữ liệu thay đổi tức thời và người dùng nhận được các cảnh báo mọi lúc và mọi nơi. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là độ tin cậy của các thông tin nhận được để người sử dụng đưa ra các quyết định thay đổi hiện trạng. Ví dụ, nếu có thông tin cảnh báo quá ngưỡng pH ảnh hưởng đến sinh vật, việc thải nước có độ pH cao và bơm nước vào là cần thiết. Quyết định này không những ảnh hưởng đến sự tồn vong của sinh vật trong đầm mà còn thay đổi kế hoạch sản xuất. Hình 1. Mô hình của một đầm nuôi tôm dựa vào KNVV Do đó, thông tin trích xuất từ các dữ liệu do thiết bị cảm biến gửi về phải tin cậy. Tuy nhiên, các thiết bị cảm biến này có thể được đặt dưới mặt nước, trên mặt nước và phân bố vị trí của các thiết bị này có thể bị thay đổi so với thiết kế ban đầu do sự tác động của các điều kiện tự nhiên như gió, dao động của mặt nước. Do đó, các kết nối không dây liên kết từ điểm tạo ra tin (nút nguồn) và điểm nhận tin (nút đích) bị dao động mạnh và không đảm bảo chất lượng cho việc truyền gói tin. Việc tái cấu hình kết nối ở lớp thứ nhất để thích ứng với điều kiện trên là cần thiết, nhằm giảm thiểu sự mất các 60 Nguyễn Xuân Sâm, Nguyễn Hồng Sơn gói tin và đảm bảo việc truyền các gói tin có độ trễ thấp. Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất một giao thức lai ghép bằng việc cho phép các nút trung gian tham gia vào quá trình một nút nguồn gửi các gói tin đến một nút đích cho HTNT. Việc này đảm bảo rằng gói tin được truyền từ một nguồn bất kỳ có tối đa cơ hội đến điểm đích trong các điều kiện môi trường truyền thay đổi khác nhau. Nghiên cứu của nhóm tác giả đóng góp trên một số nội dung sau: Sử dụng giải mã và chuyển tiếp (DaF) để lựa chọn tập nút chuyển tiếp. Khác với các nghiên cứu trước đây, nhóm tác giả chỉ ra sự lựa chọn ngưỡng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR và quan hệ giữa SNR và tỷ số bit lỗi BER trong hệ thống nhóm tác giả thiết kế. Việc này không những có khả năng giảm thiểu việc tranh chấp sử dụng kênh truyền mà còn tạo ra một tập các nút có độ tin cậy cao tham gia vào quá trình chuyển tiếp thông tin. Nhóm tác giả bổ sung gói NACK cho việc thông báo nút đích không tiếp nhận thành công gói tin được gửi trực tiếp từ nút nguồn và kích hoạt quá trình chuyển tiếp gói tin từ các nút chuyển tiếp. Thêm vào đó, nhóm tác giả đề xuất việc chọn nút chuyển tiếp dựa vào việc sửa đổi các gói tin có sẵn tiến trình trong thuật toán tránh xung đột CSMA/CA trong giao thức chuẩn IEEE 802.11. Phần còn lại của nghiên cứu này được tổ chức như sau: Phần hai mô tả các nghiên cứu liên quan gần đây; Phần ba mô tả khung lý thuyết, mô hình toán học, thuật toán và phân tích giao thức đề xuất; Phần bốn mô tả cấu hình mô phỏng, đánh giá và phân tích kết quả mô phỏng; Phần năm là kết luận và đề xuất hướng đi tiếp theo cho nghiên cứu này. 2. Các nghiên cứu liên quan Nghiên cứu [2] về nguồn nước cho các khu vực nuôi trồng thủy sản bị tác động mạnh do sự tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Các thông số bị thay đổi trong một đầm nuôi thủy sản là biên độ dao động nhiệt độ, độ pH, v.v, việc theo dõi chất lượng nước thông qua việc giám sát các thông số trên là cần thiết để giảm thiểu nguy cơ xuất hiện bệnh cho các loài thủy sản. Gần đây, các hệ thống theo dõi những thông số trên đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các đầm nuôi tôm ở ven biển Trung bộ và khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Bảng 1. Tiêu chuẩn chất lượng nước ao nuôi tôm [3] Chất lượng nước Giới hạn thích hợp Mức độ gây độc Yếu tố ảnh hưởng pH 7 - 9 11 tôm chết; 4 - 7 và 9 – 11, tôm chậm lớn Dư thừa thức ăn, mật độ tảo, pH của đất, mưa Nhiệt độ 22 - 32 35 tôm chết; 14-18 tôm bỏ ăn; 18-25 chậm lớn Mùa vụ Trong nghiên cứu [3], các thông số cơ bản cho tiêu chuẩn chất lượng nước được đề xuất trong Bảng 1. Các thiết bị cảm biến hiện có đáp ứng đầy đủ được các thông số được khảo sát. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có những nghiên cứu đầy đủ về việc đưa ra các quyết định hỗ trợ như: xác định lượng nước cần bơm vào hoặc rút ra khỏi đầm, điều chỉnh lượng thức ăn tránh tác động gây hại lên chất lượng nước trong đầm. Trên thực tế, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước trong đầm có thể đa dạng. Để giảm độ phức tạp cho nghiên cứu này, chỉ có hai tham số được xem xét, đó là độ pH và nhiệt độ. Trong các hệ thống cảnh báo phổ thông dựa vào nền tảng KNVV đã được đề xuất sử dụng hiện nay, thiết bị cảm biến đầu cuối sử dụng lõi điều khiển là bộ Arduino Uno dựa trên vi điều khiển Atmega 238P [4], các liên kết không dây sử dụng cho truyền dữ liệu giám sát độ pH và nhiệt độ sử dụng các mô-đun không dây EPS8266 [5] chuẩn IEEE 802.11b/g/n [6]. Cấu hình mạng ở lớp thứ nhất trong mô hình dùng để liên kết điểm thu thập thông tin cảm biến (nút nguồn) và điểm chuyển tin về hệ thống giám sát (nút đích) qua mạng Internet trong lớp thứ nhất thường là mạng hình sao. Ưu điểm của cấu trúc này là đơn giản trong việc triển khai hệ thống. Tuy nhiên, cấu trúc này không những chưa khai thác đầy đủ khả năng hợp tác của các nút trong mạng mà còn không đảm bảo đầy đủ chất lượng cho việc truyền gói tin, vì chất lượng kết nối trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích bị tác động của các điều kiện tự nhiên như gió, dao động của mặt nước. Để đảm bảo độ tin cậy cho việc chuyển các gói tin như là gói tin thông báo pH và nhiệt độ từ nút nguồn đến nút đích, chuẩn IEEE 802.11b/g/n [6] sử dụng các kỹ thuật ARQ và FEC tại lớp MAC để phát hiện các lỗi trong quá trình truyền. Trong các hệ thống có kích cỡ gói tin nhỏ, năng lượng và khả năng xử lý hạn chế, ARQ thường được sử dụng. Trong kỹ thuật ARQ, nếu nút nguồn không nhận được gói tin ACK sau khi gửi gói tin cho nút đích, nút nguồn sẽ truyền lại gói tin trên sau một khoảng thời gian chờ. Phương pháp này có thể cải thiện được độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc sử dụng ARQ không phát huy được tác dụng do chất lượng kênh truyền từ nút nguồn đến nút đích kém. Thêm vào đó, một đặc tính khác của ARQ là việc phát lại gói tin từ nguồn sau một thời gian sẽ gây ra thời gian trễ truyền tin. Gần đây, các mô hình chuyển tiếp sử dụng lý thuyết truyền thông hợp tác (TTHT) [7, 8]. Tùy thuộc vào các chất lượng của dịch vụ của ứng dụng cụ thể, việc kết hợp các mô hình chuyển tiếp trong TTHT có thể tối ưu các mục tiêu đặt ra cho hệ thống kết nối. Trong các mô hình chuyển tiếp đã được công bố, kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF [8] cho phép hệ thống chọn ra những nút chuyển tiếp có tín hiệu thu được là tốt hơn, do việc đưa ra ngưỡng tín hiệu trên nhiễu SNR cho phép máy thu giải mã thành công. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất cho mô hình này là việc chọn nút chuyển tiếp để giảm xung đột truyền tin, trong khi phải đạt được mục tiêu giảm tỷ lệ rớt gói tin thấp nhất. Về cơ bản, việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp trên chỉ có tác dụng khi chất lượng liên kết kênh truyền từ nút nguồn đến nút đích không đảm bảo chất lượng, dẫn đến việc rớt gói tin tại nút đích và việc sử dụng ARQ để truyền lại gói tin tại nút nguồn không hiệu quả. Trong nghiên cứu [9], kỹ thuật lựa chọn một nút chuyển tiếp tốt nhất dựa trên phương pháp DaF được đề xuất. Về cơ bản, kỹ thuật này cho phép tối ưu việc sử dụng năng lượng mạng và chọn được nút chuyển tiếp có tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cực đại. Theo nghiên cứu này, tỷ lệ mất gói sẽ thấp nếu số lượng nút trong mạng tăng. Tuy nhiên, thuật toán tìm nút chuyển tiếp tốt nhất trong nghiên cứu này được xem là phức tạp do việc sử dụng các gói tin báo hiệu để xác định nút chuyển tiếp tốt nhất. Một phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp đơn giản ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 61 hơn được mô tả trong giao thức CoARQ [10], giao thức này được đề xuất để chọn nút chuyển tiếp bằng việc sử dụng các gói RRTS/RCTS và NACK. Gói NACK được gửi từ nút đích đề xuất trợ giúp bằng việc chuyển tiếp, do nó không nhận được gói tin từ nút nguồn. Gói RRTS/RCTS là gói báo hiệu dùng để chọn ra kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến nút đích có chất lượng liên kết tốt nhất. Bằng các tiến trình tuần tự, CoARQ giảm thiểu việc rớt gói tin tại nút đích và tăng thông lượng mạng. Tuy nhiên, nghiên cứu này không chỉ rõ và không giới hạn số lượng các nút trong mạng tham gia quá trình chọn nút chuyển tiếp. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một mô hình lai ghép, nhằm đảm bảo gói thông tin được truyền từ một nguồn bất kỳ có tối đa cơ hội đến điểm đích với độ trễ cho phép. Đề xuất này có ý nghĩa trong việc không thay đổi hiện trạng mà vẫn có thể cải thiện được chất lượng truyền tin của hệ thống có sử dụng chuẩn IEEE 802.11. 3. Tối ưu mô hình đề xuất 3.1. Phương pháp tiếp cận S Rm D R3 R1 Rn R2 Hình 2. Biễu diễn mô hình TTHT sử dụng DaF Mô hình mạng TTHT sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DaF) được mô tả trong Hình 2. Việc truyền tin trong mô hình này được chia thành hai giai đoạn. Giai đoạn một là quá trình truyền gói tin từ nút nguồn (S) đến nút đích (D) và giai đoạn hai là việc chuyển tiếp gói tin trên từ một nút chuyển tiếp (R) đến nút đích (D). Trong mô hình này, có n nút có thể tham gia vào quá trình chuyển tiếp gói tin được truyền từ nút nguồn (S) đến nút đích (D). Bằng cách sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF, có m (m < n) nút trung gian nhận được và giải mã thành công tín hiệu của gói tin trên. Khi một gói tin được truyền từ nút nguồn (S) đến nút đích (D) không được giải mã thành công, nút đích (D) sẽ kích hoạt gói tin NACK gửi bằng giao thức quảng bá. Các nút trung gian thỏa mãn hai điều kiện: (1) đã giải mã thành công gói tin nút nguồn (S) đến nút đích (D) trong giai đoạn một và (2) nhận được gói tin NACK từ nút đích (D) sẽ tham gia vào quá trình cạnh tranh cho việc chuyển tiếp. Bằng cách đề xuất một ngưỡng giá trị SNRth cho tín hiệu nhận được, kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF cho phép máy thu tiến hành giải mã và chuyển tiếp thông tin thu được nếu tín hiệu nhận được có giá trị SNR lớn hơn SNRth. Giá trị SNRth này được xác định dựa vào mối quan hệ giữa yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS), được tính bằng giá trị BER tương ứng cho từng loại điều chế trong phần cứng hệ thống truyền tin và SNR cho từng loại điều chế tương ứng. Ví dụ như chuẩn IEEE 802.11, thường sử dụng phương thức điều chế BPSK và QPSK. Nếu chọn BPSK cho hệ thống, ta có thể xác định SNR đề xuất theo công thức (1): BER = ½*erfc(S/N)½ (1) Trong đó, BER là tỷ số lỗi bít. Dựa vào công thức (1), nếu hệ thống cho trước yêu cầu chất lượng tốt (BER nhỏ) thì SNR sẽ lớn. Trong Hình 3, nhóm tác giả mô tả giá trị lý thuyết cho mối quan hệ này. Theo đó, với một giá trị BER đã cho trước ta có thể xác định một giá trị SNR tương ứng, ta gọi là SNR đề xuất (SNRth). Do yêu cầu BER của các hệ thống khác nhau là khác nhau nên chúng ta cần phải đặt ra yêu cầu trước khi thiết kế hệ thống. Việc thay đổi BER thường được đánh đổi với tiêu chí chi phí, hoặc độ phức tạp của hệ thống. Đối với một hệ thống truyền tin có độ tin cậy cao, yêu cầu giá trị BER lớn hơn 10-5, tương ứng với SNR đề xuất là 8,8 dB cho kiểu điều chế BPSK. Phương pháp tiếp cận này dựa vào sự quan sát tiêu chuẩn chất lượng các đầm tôm trong nghiên cứu [3] với kích cỡ nhỏ, khoảng từ 500x500 (m2) đến 1.000x100 (m2), với sự hiện diện của của các nút và các loại cảm biến không nhiều (khoảng 10 nút), cùng hoạt động. Do đó, việc hợp tác giữa các nút trong việc chia sẻ và tương hỗ đảm bảo mục tiêu đặt ra là tạo ra một tập các nút (lớn hơn một) có độ tin cậy cao tham gia vào quá trình chuyển tiếp thông tin. Việc này không những tạo ra sự thích ứng với các điều kiện thay đổi của môi trường truyền như việc nút nguồn bị che chắn, xê dịch, hoặc nút nguồn bị chìm một phần trong môi trường nước. Hình 3. Quan hệ giữa SNR và BER trong BPSK 3.2. Mô hình toán học Để thuận tiện cho việc thiết kế hệ thống, nhóm tác giả đưa ra mô hình toán học cho mô hình trong Hình 2, trong đó SNR của liên kết giữa nút nguồn và nút đích được ký hiệu SD, SNR của liên kết giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp được ký hiệu SR và SNR của liên kết giữa nút chuyển tiếp và nút đích được ký hiệu RD. Theo nghiên cứu [8], SD, SRi và RiD được tính như sau: 𝛾𝑆𝐷 = 𝑃𝑆|ℎ0| 2 𝑁0 ; 𝛾𝑆𝑅𝑖 = 𝑃𝑆|ℎ𝑆𝑅𝑖| 2 𝑁0 ; 𝛾𝑅𝑖𝐷 = 𝑃𝑅|ℎ𝑅𝑖𝐷| 2 𝑁0 (2) Trong đó, PS và PR là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp, N0 là tạp âm Gauss và h0, hSRi và hRiD là hệ số tăng ích kênh truyền. h0, hSiR và hRiD được tính theo công thức sau: |ℎ0| = 1; |ℎ𝑆𝑅𝑖| = 10 − 𝑃𝐿𝑆𝑅𝑖 (𝑑) 10 ; |ℎ𝑆𝑅𝑖 | = 10 − 𝑃𝐿𝑅𝑖𝐷 (𝑑) 10 (3) với 𝑃𝐿(𝑑) = 𝑃𝐿(𝑑0) + 10𝜇𝑙𝑜𝑔10 𝑑 𝑑0 +  (4) 62 Nguyễn Xuân Sâm, Nguyễn Hồng Sơn Trong đó, công thức (4) được công bố trong nghiên cứu [11], PL(d) là suy hao đường truyền tại vị trí cách nút nguồn với khoảng cách d0,  là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình bằng 0, với độ lệch chuẩn σ và 𝜇 là hệ số suy hao. 3.3. Giao thức đề xuất S DR1 Rm B O Hình 4. Sơ đồ tuần tự trong giao thức đề xuất Để đảm bảo độ tin cậy cao cho quá trình chuyển tiếp thông tin cảm biến thu nhận được từ nút nguồn, nhóm tác giả đề xuất tiến trình tuần tự cho giao thức lai ghép giữa DaF và ARQ, được mô tả trong Hình 4. Trong giao thức này, nhóm tác giả sử dụng bốn pha để mô tả tiến trình chuyển tiếp thông tin tại lớp thứ nhất. Dựa trên giao thức IEEE 802.11, nhóm tác giả bổ sung thêm một số thủ tục sau: Pha thứ nhất: nút nguồn gửi gói tin cho nút đích. Giả sử hệ thống có tồn tại các nút lân cận R(S) = (R1, R2, , Rm) có thể giải mã thành công gói tin, vì vậy chúng tạo thành một tập ứng viên để chuyển tiếp thông tin cho nút nguồn đến nút đích. Tập này được biểu diễn trong công thức (5): 𝑅(𝑆) = { 𝑃𝑆|ℎ𝑆𝑅𝑖| 2 𝑁0 ≥ 𝑆𝑁𝑅𝑡ℎ} (5) Pha thứ 2: Nếu nút đích không nhận được gói tin do nút nguồn gửi hoặc nút đích giải mã không thành công gói tin từ nút nguồn, nút đích sẽ gửi gói tin quảng bá NACK để thông báo cần sự trợ giúp từ các nút lân cận. Một khi các nút thuộc tập R(S) nhận được NACK, nó sẽ chờ sau một thời gian ngẫu nhiên t để phát gói RRTS của nó. Thời gian đếm lùi ngẫu nhiên (BO) được nhóm tác giả đề xuất chọn trong nghiên cứu này là công thức (6): 𝑡backoff = 2 𝑘 − 1 (6) Trong công thức (6), việc chọn k có giá trị lớn sẽ giảm thiểu được các xung đột gói RRTS tại nút đích nhưng sẽ làm tăng thời gian trễ truyền gói tin chuyển tiếp. Ngược lại, nếu chọn k có giá trị nhỏ sẽ hạn chế được các vấn đề nêu trên. Để có thể chọn k có giá trị nhỏ nhưng vẫn đảm bảo được không xảy ra xung đột gói RRTS, kích cỡ của gói tin RRTS nên được hạn chế đến mức tối thiểu. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả giả định việc chọn giá trị k = 2. Để tránh xung đột các gói tin tại nút đích, một nút chuyển tiếp từ tập R(S) phải được chọn ra. Nút được chọn RS phải thỏa mãn hai điều kiện sau: (1) RS R(S) và (2) nút này gửi thông tin RRTS đến nút đích sớm nhất (nút có thời gian đếm lùi ngẫu nhiên là nhỏ nhất). Pha thứ 3: Sau khi nút đích nhận được thông tin yêu cầu gửi chuyển tiếp từ R(S), nút đích sẽ gửi RCTS để thông báo rằng nút đích đã chọn một nút chuyển tiếp RS và đã sẵn sàng nhận gói tin chuyển tiếp từ RS. RS sau khi nhận được gói tin RCTS từ nút đích sẽ thực hiện việc chuyển tiếp gói tin đến nút đích. Pha thứ 4: Nút đích gửi ACK cho toàn mạng để báo quá trình chuyển tiếp thành công. Nếu quá trình chuyển tiếp này không thành công, nút đích lặp lại việc gửi NACK sau một khoảng thời gian lớn hơn tback-off và việc này lặp lại tối đa ba lần trước khi nó hủy bỏ việc nhờ trợ giúp chuyển tiếp. Trong quá trình thực hiện chuyển tiếp và xác nhận gói tin từ nút RS và nút đích, các nút lân cận lại giữ im lặng cho đến khi kết thúc quá trình này. 4. Đánh giá và phân tích kết quả 4.1. Cấu hình cho mô hình đề xuất Hình 5. Mô hình khảo sát (trong ns-2.35) Bảng 2. Thông số mô phỏng Thông số Giá trị Kích thước 500x500 (m2) Số nút 9 Tầm truyền 200 m BER 10-3 và 10-5  3 Tốc độ bít 54 Mbps Gói tin (CBR) 50 byte Giao thức truyền TCP Thời gian mô phỏng 200 s Nhiễu nền (N0) -96 dBm PS = PR 0,28 Watt Nhóm tác giả đề xuất mô hình khảo sát mô hình đầm tôm loại nhỏ với kích cỡ 500x500 (m2). Số lượng thiết bị cảm biến trong đầm là 9 nút và phân bố sao cho nó có thể hoạt động với mạng dạng hình sao (thiết lập khoảng cách từ nút nguồn đến nút đích cách nhau tối đa là 150 m), trong đó nút đích nằm ở trung tâm của mô hình khảo sát này. Để giả định hoạt động của các nút với điều kiện trong môi trường tự nhiên, nơi mà vị trí các nút có thể bị xê dịch 5 m. Mô hình khảo sát này được mô tả trong Hình 5. Để đánh giá và so sánh giao thức đề xuất chuẩn IEEE 802.11g với ARQ, nhóm tác giả chọn BER là 10-3, 10-5. Kích thước gói tin là 50 byte, hệ số suy hao  = 3, các gói tin điều khiển (RRTS/RCTS) được sử dụng kích cỡ mặc định. Sử dụng công cụ mô phỏng là ns-2.35 [12] có sửa đổi (Mac-802.11.cc, WirelessPhy.cc, packet.h và channel.c) từ giao thức IEEE 802.11g. Các thông số sử dụng trong mô hình mô phỏng được mô tả trong Bảng 2. ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 63 4.2. Kết quả mô phỏng và phân tích Để đánh giá và so sánh độ tin cậy truyền tin giữa giao thức đề xuất với IEEE 802.11g sử dụng ARQ, hai thông số được phân tích và so sánh trong nghiên cứu này là: (1) hiệu suất truyền gói tin, dùng để đánh giá số lượng các gói nhận được tại nút đích so với tổng số gói đã gửi cho nút đích; (2) thời gian trung bình truyền gói tin là tổng thời gian để truyền các gói tin từ nút nguồn đến nút đích. • Hiệu suất truyền gói tin Hình 6 so sánh hiệu suất truyền gói tin của giao thức đề xuất và chuẩn IEEE 802.11g có sử dụng ARQ với trường hợp BER =10-3 và BER =10-5. Kết quả cho thấy rằng, trong hai trường hợp khảo sát đều cho kết quả là giao thức đề xuất có hiệu suất truyền gói tin cao hơn chuẩn IEEE 802.11g sử dụng ARQ. Đặc biệt, khi có yêu cầu thay đổi về BER (yêu cầu chất lượng dịch vụ), chuẩn IEEE 802.11 với ARQ có hiệu suất truyền gói tin suy giảm nhanh chóng, trong khi giao thức đề xuất không có thay đổi đáng kể. Nguyên nhân của được kết quả này là do tác động của việc giới hạn tập nút tham gia chuyển tiếp dẫn đến việc giảm xung đột truyền tin tại nút đích. Mặt khác, việc giới hạn không làm giảm khả năng luôn tồn tại (lớn hơn) một nút sẵn sàng để chuyển tiếp gói tin đến nút đích. Hình 6. So sánh độ tin cậy truyền tin giữa giao thức đề xuất với IEEE 802.11g sử dụng ARQ • Thời gian trung bình truyền gói tin Hình 7. So sánh thời gian trung bình truyền gói tin giữa giao thức đề xuất với IEEE 802.11g sử dụng ARQ Kết quả khảo sát thời gian trung bình chuyển 3.903 gói tin với trường hợp BER =10-3 và BER =10-5 được trình diễn trong trong Hình 7. Điểm đáng chú ý là giao thức đề xuất luôn có độ trễ trung bình thấp hơn so với chuẩn IEEE 802.11g sử dụng ARQ, ngay cả khi yêu cầu chất lượng của hệ thống tăng (số nút chuyển tiếp được chọn giảm) thì trung bình trễ của giao thức đề xuất không có biến động lớn. Việc đạt được kết quả này là do giao thức đề xuất đã làm giảm tác động trễ do việc chọn k với giá trị nhỏ. Trong khi đó, chuẩn IEEE 802.11g sử dụng ARQ không có sự đảm bảo việc truyền gói thành công khi khoảng cách giữa nút nguồn và nút đích bị xê dịch. 5. Kết luận 5.1. Kết luận liên quan đến kết quả Sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp thông tin cho phép hệ thống cải thiện hiệu suất truyền tin trong điều kiện môi trường truyền dẫn vô tuyến có thay đổi. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng giao thức đề xuất này không những giảm thiểu việc mất gói tin mà còn đảm bảo được trễ truyền lan từ nguồn đến đích, thỏa mãn tiêu chí truyền với thời gian thực. Vấn đề về năng lượng mạng và tranh chấp kênh truyền không được đề cập trong nghiên cứu này, vì việc thay pin dự phòng cho các thiết bị trong đầm không quá phức tạp và mạng được sử dụng cho việc quan trắc và giám sát các mục tiêu ở trên thường có lưu lượng thấp. 5.2. Hướng phát triển tiếp theo Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả mới chỉ hoàn thiện về mô hình trong phòng thí nghiệm, và việc mô phỏng các giá trị đảm bảo rằng hệ thống sẽ có sai số không quá lớn so với hệ thống được nhóm tác giả thiết kế trong thực tế. Việc khảo sát thực địa để lắp đặt các thiết bị và cấu hình hệ thống sẽ quyết định và đánh giá sự thành công của nghiên cứu lý thuyết mô hình này. Lời cảm ơn: Kết quả nghiên cứu là một phần trong dự án được Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông hỗ trợ về kinh phí. Trân trọng cảm ơn Học viện đã tài trợ cho nhóm tác giả hoàn thành dự án và nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S. C. Mukhopadhyay, and A. Mason, Smart sensors for real-time water quality monitoring, Springer, 2013. [2] P. T. Anh, C. Kroeze, S. R. Bush, and A. P. Mol, “Water pollution by intensive brackish shrimp farming in south-east Vietnam: Causes and options for control”, Agricultural Water Management, Vol. 97, No. 6, 2010, pp. 872-882. [3] N. Đình Tuấn và H. Phú, “Phát triển bền vững vùng nuôi tôm sú ven biển Trà Vinh”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, No. 12, 2017, trang 91. [4] ATmega328P, [5] WiFi Module - ESP8266 , https://www.sparkfun.com/products/13678. [6] I. W. Group, Part11: Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications, ANSI/IEEE Std. 802.11, 1999. [7] A. Nosratinia, T. E. Hunter, and A. Hedayat, “Cooperative communication in wireless networks”, IEEE communications Magazine, Vol. 42, No. 10, 2004, pp. 74-80. [8] J. N. Laneman, D. N. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior”, IEEE Transactions on Information theory, Vol. 50, No. 12, 2004, pp. 3062-3080. [9] Q. A. Hikmat, B. Dai, R. Khaji, and B. Huang, “Performance Analysis of Best Relay Selection in Cooperative Wireless Networks”, Int. J. Future Gener. Commun. Netw, Vol. 8, 2015, pp. 43-56. [10] S. Nischal, and V. Sharma, A cooperative ARQ scheme for infrastructure WLANs, Conference: Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2013 IEEE, pp. 428-433. [11] H. Meyr, M. Moeneclaey, and S. A. Fechtel, Digital communication receivers: synchronization, channel estimation, and signal processing, Wiley Online Library, 1998. [12] The Network Simulator. (BBT nhận bài: 19/01/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/02/2018)