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<br /> <br /> 59<br /> <br /> TỐI ƯU ĐỘ TIN CẬY TRUYỀN DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG NUÔI TÔM<br /> DỰA VÀO NỀN TẢNG KẾT NỐI VẠN VẬT<br /> A NEW SCHEME FOR INTERNET OF THINGS BASED SHRIMP FARMING SYSTEMS<br /> TO IMPROVE RELIABLE DATA FORWARDING<br /> Nguyễn Xuân Sâm, Nguyễn Hồng Sơn<br /> Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông; samnx@ptithcm.edu.vn<br /> Tóm tắt - Ứng dụng kết nối vạn vật trở nên cấp thiết và là xu hướng<br /> phát triển tất yếu cho nông - ngư nghiệp trong cuộc cách mạng công<br /> nghiệp lần thứ tư. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một<br /> giao thức lai bằng việc cho phép các nút trung gian tham gia vào quá<br /> trình chuyển tiếp các gói mang thông tin để giám sát và cảnh báo cho<br /> người quản lý của một đầm nuôi tôm, dựa trên chuẩn EEE 802.11 sử<br /> dụng các thiết bị cảm biến có sẵn trên thị trường hiện nay. Việc đề xuất<br /> này đảm bảo rằng gói thông tin được truyền từ một nguồn bất kỳ có tối<br /> đa cơ hội đến điểm đích trong các điều kiện môi trường truyền thay đổi<br /> khác nhau. Nghiên cứu của nhóm tác giả đánh giá hai thông số là hiệu<br /> suất truyền gói tin và độ trễ truyền gói tin trung bình từ một điểm nguồn<br /> đến điểm đích. Thực thi mô phỏng cho thấy hệ thống đề xuất cho kết<br /> quả tốt hơn hệ thống không sử dụng mô hình chuyển tiếp.<br /> <br /> Abstract - The Fourth Industrial Revolution is offering great<br /> opportunities to smart agriculture solutions and internet of things<br /> which is now common trends. In this paper, we propose a new<br /> scheme to improve reliable data forwarding internet of things based<br /> shrimp farming systems by combining relay communications and<br /> automatic repeat request mechanism of IEEE 802.11. By this way,<br /> there would be a better chance for forwarding packets from a<br /> source node to the destination node in fading and shadowing<br /> environment. Our experimental results show that the proposed<br /> scheme provides a better performance than non-assisted relay<br /> communications of IEEE 802.11 in terms of the packet delivery<br /> ratio and average end-to-end delay.<br /> <br /> Từ khóa - hệ thống nuôi tôm (HTNT); kết nối vạn vật (KNVV); độ<br /> tin cậy (ĐTC); hiệu suất truyền gói tin (HSTGT); thời gian trung<br /> bình truyền gói tin (TGTBTGT).<br /> <br /> Key words - shrimp farming systems (SFS); Internet of Things<br /> (IoT); reliable communications (RC); packet deliverry ratio (PDR);<br /> end-to-end delay (E2ED).<br /> <br /> 1. Mở đầu<br /> Hiện nay, nhu cầu ứng dụng kết nối vạn vật (KNVV)<br /> trong nông - ngư nghiệp đang là một xu hướng tất yếu. Việc<br /> này có ý nghĩa đặc biệt khi xuất khẩu thủy sản trở thành<br /> ngành kinh tế dẫn đầu cho xuất khẩu và phát triển kinh tế<br /> ở nước ta. Tuy nhiên, một trong những thách thức đối với<br /> ngành này là dịch bệnh, mà nguyên nhân chủ yếu đến từ<br /> việc thay đổi nhiệt độ, độ mặn và độ pH của nước trong<br /> đầm do các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo gây ra.<br /> Việc ứng dụng KNVV để tự động hóa các quá trình phát<br /> hiện, cảnh báo và điều chỉnh thiết bị cho hệ thống nuôi thủy<br /> sản như là bơm thức ăn, thiết bị đóng và mở dòng nước,<br /> v.v…, không những góp phần tăng năng suất mà còn hạn<br /> chế được việc thay đổi các chỉ số bất thường ảnh hưởng<br /> đến sinh trưởng của các loài thủy sản. Vì vậy, nhóm tác giả<br /> dành sự quan tâm đặc biệt cho phát triển các nghiên cứu<br /> ứng dụng KNVV nhằm thu thập thông tin, đưa ra cảnh báo<br /> thay đổi nhiệt độ của nước và ngưỡng pH trong đầm tôm,<br /> nhằm giảm thiểu các rủi ro cho đầm tôm.<br /> Trong bài báo này, biểu diễn mô hình của một đầm nuôi<br /> tôm được nhóm tác giả minh họa trong Hình 1. Mô hình<br /> này được cắt thành ba lớp, lớp thứ nhất bao gồm các thiết<br /> bị cảm biến không dây có tích hợp đầu đo pH và nhiệt độ.<br /> Lớp thứ hai bao gồm các điểm truy cập đóng vai trò là các<br /> cổng vào ra kết nối với Internet để chuyển tiếp dữ liệu thu<br /> thập từ các thiết bị cảm biến đến trung tâm thu thập dữ liệu<br /> và thiết bị theo dõi đầu cuối. Lớp thứ ba gồm trung tâm<br /> quản lý dữ liệu bao gồm người quản lý đầm tôm, trung tâm<br /> tư vấn và phân tích, trung tâm hỗ trợ các dịch vụ chăm sóc<br /> thủy sản. Cấu trúc ba lớp này được sử dụng phổ biến trong<br /> các nghiên cứu gần đây [1].<br /> Mặc dù cấu trúc ba lớp này đang cung cấp một kết nối<br /> <br /> thông suốt từ thiết bị cảm biến đến người quản lý cho phép<br /> hệ thống thu thập các dữ liệu thay đổi tức thời và người<br /> dùng nhận được các cảnh báo mọi lúc và mọi nơi. Tuy<br /> nhiên, vấn đề đặt ra là độ tin cậy của các thông tin nhận<br /> được để người sử dụng đưa ra các quyết định thay đổi hiện<br /> trạng. Ví dụ, nếu có thông tin cảnh báo quá ngưỡng pH ảnh<br /> hưởng đến sinh vật, việc thải nước có độ pH cao và bơm<br /> nước vào là cần thiết. Quyết định này không những ảnh<br /> hưởng đến sự tồn vong của sinh vật trong đầm mà còn thay<br /> đổi kế hoạch sản xuất.<br /> <br /> Hình 1. Mô hình của một đầm nuôi tôm dựa vào KNVV<br /> <br /> Do đó, thông tin trích xuất từ các dữ liệu do thiết bị cảm<br /> biến gửi về phải tin cậy. Tuy nhiên, các thiết bị cảm biến này<br /> có thể được đặt dưới mặt nước, trên mặt nước và phân bố vị<br /> trí của các thiết bị này có thể bị thay đổi so với thiết kế ban<br /> đầu do sự tác động của các điều kiện tự nhiên như gió, dao<br /> động của mặt nước. Do đó, các kết nối không dây liên kết từ<br /> điểm tạo ra tin (nút nguồn) và điểm nhận tin (nút đích) bị dao<br /> động mạnh và không đảm bảo chất lượng cho việc truyền<br /> gói tin. Việc tái cấu hình kết nối ở lớp thứ nhất để thích ứng<br /> với điều kiện trên là cần thiết, nhằm giảm thiểu sự mất các<br /> <br /> Nguyễn Xuân Sâm, Nguyễn Hồng Sơn<br /> <br /> 60<br /> <br /> gói tin và đảm bảo việc truyền các gói tin có độ trễ thấp.<br /> Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất một giao thức<br /> lai ghép bằng việc cho phép các nút trung gian tham gia vào<br /> quá trình một nút nguồn gửi các gói tin đến một nút đích cho<br /> HTNT. Việc này đảm bảo rằng gói tin được truyền từ một<br /> nguồn bất kỳ có tối đa cơ hội đến điểm đích trong các điều<br /> kiện môi trường truyền thay đổi khác nhau. Nghiên cứu của<br /> nhóm tác giả đóng góp trên một số nội dung sau:<br /> Sử dụng giải mã và chuyển tiếp (DaF) để lựa chọn tập<br /> nút chuyển tiếp. Khác với các nghiên cứu trước đây, nhóm<br /> tác giả chỉ ra sự lựa chọn ngưỡng tỷ số tín hiệu trên nhiễu<br /> SNR và quan hệ giữa SNR và tỷ số bit lỗi BER trong hệ<br /> thống nhóm tác giả thiết kế. Việc này không những có khả<br /> năng giảm thiểu việc tranh chấp sử dụng kênh truyền mà<br /> còn tạo ra một tập các nút có độ tin cậy cao tham gia vào<br /> quá trình chuyển tiếp thông tin.<br /> Nhóm tác giả bổ sung gói NACK cho việc thông báo<br /> nút đích không tiếp nhận thành công gói tin được gửi trực<br /> tiếp từ nút nguồn và kích hoạt quá trình chuyển tiếp gói tin<br /> từ các nút chuyển tiếp. Thêm vào đó, nhóm tác giả đề xuất<br /> việc chọn nút chuyển tiếp dựa vào việc sửa đổi các gói tin<br /> có sẵn tiến trình trong thuật toán tránh xung đột CSMA/CA<br /> trong giao thức chuẩn IEEE 802.11.<br /> Phần còn lại của nghiên cứu này được tổ chức như sau:<br /> Phần hai mô tả các nghiên cứu liên quan gần đây; Phần ba<br /> mô tả khung lý thuyết, mô hình toán học, thuật toán và phân<br /> tích giao thức đề xuất; Phần bốn mô tả cấu hình mô phỏng,<br /> đánh giá và phân tích kết quả mô phỏng; Phần năm là kết<br /> luận và đề xuất hướng đi tiếp theo cho nghiên cứu này.<br /> 2. Các nghiên cứu liên quan<br /> Nghiên cứu [2] về nguồn nước cho các khu vực nuôi<br /> trồng thủy sản bị tác động mạnh do sự tác động của các yếu<br /> tố tự nhiên và nhân tạo. Các thông số bị thay đổi trong một<br /> đầm nuôi thủy sản là biên độ dao động nhiệt độ, độ pH,<br /> v.v…, việc theo dõi chất lượng nước thông qua việc giám<br /> sát các thông số trên là cần thiết để giảm thiểu nguy cơ xuất<br /> hiện bệnh cho các loài thủy sản. Gần đây, các hệ thống theo<br /> dõi những thông số trên đã được đưa vào sử dụng rộng rãi<br /> trong các đầm nuôi tôm ở ven biển Trung bộ và khu vực<br /> đồng bằng sông Cửu Long.<br /> Bảng 1. Tiêu chuẩn chất lượng nước ao nuôi tôm [3]<br /> Chất lượng Giới hạn<br /> Mức độ gây độc<br /> nước<br /> thích hợp<br /> pH<br /> 7-9<br /> < 4 và > 11 tôm chết;<br /> 4 - 7 và 9 – 11, tôm<br /> chậm lớn<br /> < 14 và > 35 tôm<br /> chết; 14-18 tôm bỏ<br /> Nhiệt độ<br /> 22 - 32<br /> ăn; 18-25 chậm lớn<br /> <br /> Yếu tố ảnh<br /> hưởng<br /> Dư thừa thức ăn,<br /> mật độ tảo, pH<br /> của đất, mưa<br /> Mùa vụ<br /> <br /> Trong nghiên cứu [3], các thông số cơ bản cho tiêu<br /> chuẩn chất lượng nước được đề xuất trong Bảng 1. Các<br /> thiết bị cảm biến hiện có đáp ứng đầy đủ được các thông<br /> số được khảo sát. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có những<br /> nghiên cứu đầy đủ về việc đưa ra các quyết định hỗ trợ như:<br /> xác định lượng nước cần bơm vào hoặc rút ra khỏi đầm,<br /> điều chỉnh lượng thức ăn tránh tác động gây hại lên chất<br /> lượng nước trong đầm. Trên thực tế, các yếu tố ảnh hưởng<br /> đến chất lượng nước trong đầm có thể đa dạng. Để giảm độ<br /> <br /> phức tạp cho nghiên cứu này, chỉ có hai tham số được xem<br /> xét, đó là độ pH và nhiệt độ.<br /> Trong các hệ thống cảnh báo phổ thông dựa vào nền tảng<br /> KNVV đã được đề xuất sử dụng hiện nay, thiết bị cảm biến<br /> đầu cuối sử dụng lõi điều khiển là bộ Arduino Uno dựa trên<br /> vi điều khiển Atmega 238P [4], các liên kết không dây sử<br /> dụng cho truyền dữ liệu giám sát độ pH và nhiệt độ sử dụng<br /> các mô-đun không dây EPS8266 [5] chuẩn IEEE 802.11b/g/n<br /> [6]. Cấu hình mạng ở lớp thứ nhất trong mô hình dùng để liên<br /> kết điểm thu thập thông tin cảm biến (nút nguồn) và điểm<br /> chuyển tin về hệ thống giám sát (nút đích) qua mạng Internet<br /> trong lớp thứ nhất thường là mạng hình sao. Ưu điểm của cấu<br /> trúc này là đơn giản trong việc triển khai hệ thống. Tuy nhiên,<br /> cấu trúc này không những chưa khai thác đầy đủ khả năng<br /> hợp tác của các nút trong mạng mà còn không đảm bảo đầy<br /> đủ chất lượng cho việc truyền gói tin, vì chất lượng kết nối<br /> trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích bị tác động của các điều<br /> kiện tự nhiên như gió, dao động của mặt nước.<br /> Để đảm bảo độ tin cậy cho việc chuyển các gói tin như<br /> là gói tin thông báo pH và nhiệt độ từ nút nguồn đến nút đích,<br /> chuẩn IEEE 802.11b/g/n [6] sử dụng các kỹ thuật ARQ và<br /> FEC tại lớp MAC để phát hiện các lỗi trong quá trình truyền.<br /> Trong các hệ thống có kích cỡ gói tin nhỏ, năng lượng và<br /> khả năng xử lý hạn chế, ARQ thường được sử dụng. Trong<br /> kỹ thuật ARQ, nếu nút nguồn không nhận được gói tin ACK<br /> sau khi gửi gói tin cho nút đích, nút nguồn sẽ truyền lại gói<br /> tin trên sau một khoảng thời gian chờ. Phương pháp này có<br /> thể cải thiện được độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu. Tuy<br /> nhiên, trong một số trường hợp, việc sử dụng ARQ không<br /> phát huy được tác dụng do chất lượng kênh truyền từ nút<br /> nguồn đến nút đích kém. Thêm vào đó, một đặc tính khác<br /> của ARQ là việc phát lại gói tin từ nguồn sau một thời gian<br /> sẽ gây ra thời gian trễ truyền tin.<br /> Gần đây, các mô hình chuyển tiếp sử dụng lý thuyết<br /> truyền thông hợp tác (TTHT) [7, 8]. Tùy thuộc vào các chất<br /> lượng của dịch vụ của ứng dụng cụ thể, việc kết hợp các<br /> mô hình chuyển tiếp trong TTHT có thể tối ưu các mục tiêu<br /> đặt ra cho hệ thống kết nối. Trong các mô hình chuyển tiếp<br /> đã được công bố, kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF [8]<br /> cho phép hệ thống chọn ra những nút chuyển tiếp có tín<br /> hiệu thu được là tốt hơn, do việc đưa ra ngưỡng tín hiệu<br /> trên nhiễu SNR cho phép máy thu giải mã thành công. Tuy<br /> nhiên, thách thức lớn nhất cho mô hình này là việc chọn<br /> nút chuyển tiếp để giảm xung đột truyền tin, trong khi phải<br /> đạt được mục tiêu giảm tỷ lệ rớt gói tin thấp nhất.<br /> Về cơ bản, việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp trên chỉ có<br /> tác dụng khi chất lượng liên kết kênh truyền từ nút nguồn<br /> đến nút đích không đảm bảo chất lượng, dẫn đến việc rớt gói<br /> tin tại nút đích và việc sử dụng ARQ để truyền lại gói tin tại<br /> nút nguồn không hiệu quả. Trong nghiên cứu [9], kỹ thuật<br /> lựa chọn một nút chuyển tiếp tốt nhất dựa trên phương pháp<br /> DaF được đề xuất. Về cơ bản, kỹ thuật này cho phép tối ưu<br /> việc sử dụng năng lượng mạng và chọn được nút chuyển tiếp<br /> có tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cực đại. Theo nghiên cứu<br /> này, tỷ lệ mất gói sẽ thấp nếu số lượng nút trong mạng tăng.<br /> Tuy nhiên, thuật toán tìm nút chuyển tiếp tốt nhất trong<br /> nghiên cứu này được xem là phức tạp do việc sử dụng các<br /> gói tin báo hiệu để xác định nút chuyển tiếp tốt nhất.<br /> Một phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp đơn giản<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018<br /> <br /> hơn được mô tả trong giao thức CoARQ [10], giao thức<br /> này được đề xuất để chọn nút chuyển tiếp bằng việc sử<br /> dụng các gói RRTS/RCTS và NACK. Gói NACK được gửi<br /> từ nút đích đề xuất trợ giúp bằng việc chuyển tiếp, do nó<br /> không nhận được gói tin từ nút nguồn. Gói RRTS/RCTS là<br /> gói báo hiệu dùng để chọn ra kênh truyền từ nút chuyển<br /> tiếp đến nút đích có chất lượng liên kết tốt nhất. Bằng các<br /> tiến trình tuần tự, CoARQ giảm thiểu việc rớt gói tin tại nút<br /> đích và tăng thông lượng mạng. Tuy nhiên, nghiên cứu này<br /> không chỉ rõ và không giới hạn số lượng các nút trong<br /> mạng tham gia quá trình chọn nút chuyển tiếp.<br /> Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một mô<br /> hình lai ghép, nhằm đảm bảo gói thông tin được truyền từ<br /> một nguồn bất kỳ có tối đa cơ hội đến điểm đích với độ trễ<br /> cho phép. Đề xuất này có ý nghĩa trong việc không thay đổi<br /> hiện trạng mà vẫn có thể cải thiện được chất lượng truyền<br /> tin của hệ thống có sử dụng chuẩn IEEE 802.11.<br /> 3. Tối ưu mô hình đề xuất<br /> 3.1. Phương pháp tiếp cận<br /> <br /> Rn<br /> Rm<br /> R2<br /> S<br /> <br /> 61<br /> <br /> thể xác định SNR đề xuất theo công thức (1):<br /> BER = ½*erfc(S/N)½<br /> (1)<br /> Trong đó, BER là tỷ số lỗi bít. Dựa vào công thức (1),<br /> nếu hệ thống cho trước yêu cầu chất lượng tốt (BER nhỏ)<br /> thì SNR sẽ lớn. Trong Hình 3, nhóm tác giả mô tả giá trị lý<br /> thuyết cho mối quan hệ này. Theo đó, với một giá trị BER<br /> đã cho trước ta có thể xác định một giá trị SNR tương ứng,<br /> ta gọi là SNR đề xuất (SNRth). Do yêu cầu BER của các hệ<br /> thống khác nhau là khác nhau nên chúng ta cần phải đặt ra<br /> yêu cầu trước khi thiết kế hệ thống. Việc thay đổi BER<br /> thường được đánh đổi với tiêu chí chi phí, hoặc độ phức<br /> tạp của hệ thống. Đối với một hệ thống truyền tin có độ tin<br /> cậy cao, yêu cầu giá trị BER lớn hơn 10-5, tương ứng với<br /> SNR đề xuất là 8,8 dB cho kiểu điều chế BPSK.<br /> Phương pháp tiếp cận này dựa vào sự quan sát tiêu chuẩn<br /> chất lượng các đầm tôm trong nghiên cứu [3] với kích cỡ<br /> nhỏ, khoảng từ 500x500 (m2) đến 1.000x100 (m2), với sự<br /> hiện diện của của các nút và các loại cảm biến không nhiều<br /> (khoảng 10 nút), cùng hoạt động. Do đó, việc hợp tác giữa<br /> các nút trong việc chia sẻ và tương hỗ đảm bảo mục tiêu đặt<br /> ra là tạo ra một tập các nút (lớn hơn một) có độ tin cậy cao<br /> tham gia vào quá trình chuyển tiếp thông tin. Việc này không<br /> những tạo ra sự thích ứng với các điều kiện thay đổi của môi<br /> trường truyền như việc nút nguồn bị che chắn, xê dịch, hoặc<br /> nút nguồn bị chìm một phần trong môi trường nước.<br /> <br /> R3<br /> <br /> R1<br /> <br /> D<br /> <br /> Hình 2. Biễu diễn mô hình TTHT sử dụng DaF<br /> <br /> Mô hình mạng TTHT sử dụng kỹ thuật giải mã và<br /> chuyển tiếp (DaF) được mô tả trong Hình 2. Việc truyền tin<br /> trong mô hình này được chia thành hai giai đoạn. Giai đoạn<br /> một là quá trình truyền gói tin từ nút nguồn (S) đến nút đích<br /> (D) và giai đoạn hai là việc chuyển tiếp gói tin trên từ một<br /> nút chuyển tiếp (R) đến nút đích (D). Trong mô hình này, có<br /> n nút có thể tham gia vào quá trình chuyển tiếp gói tin được<br /> truyền từ nút nguồn (S) đến nút đích (D). Bằng cách sử dụng<br /> kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF, có m (m < n) nút trung<br /> gian nhận được và giải mã thành công tín hiệu của gói tin<br /> trên. Khi một gói tin được truyền từ nút nguồn (S) đến nút<br /> đích (D) không được giải mã thành công, nút đích (D) sẽ<br /> kích hoạt gói tin NACK gửi bằng giao thức quảng bá. Các<br /> nút trung gian thỏa mãn hai điều kiện: (1) đã giải mã thành<br /> công gói tin nút nguồn (S) đến nút đích (D) trong giai đoạn<br /> một và (2) nhận được gói tin NACK từ nút đích (D) sẽ tham<br /> gia vào quá trình cạnh tranh cho việc chuyển tiếp.<br /> Bằng cách đề xuất một ngưỡng giá trị SNRth cho tín hiệu<br /> nhận được, kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF cho phép<br /> máy thu tiến hành giải mã và chuyển tiếp thông tin thu được<br /> nếu tín hiệu nhận được có giá trị SNR lớn hơn SNRth. Giá<br /> trị SNRth này được xác định dựa vào mối quan hệ giữa yêu<br /> cầu chất lượng dịch vụ (QoS), được tính bằng giá trị BER<br /> tương ứng cho từng loại điều chế trong phần cứng hệ thống<br /> truyền tin và SNR cho từng loại điều chế tương ứng. Ví dụ<br /> như chuẩn IEEE 802.11, thường sử dụng phương thức điều<br /> chế BPSK và QPSK. Nếu chọn BPSK cho hệ thống, ta có<br /> <br /> Hình 3. Quan hệ giữa SNR và BER trong BPSK<br /> <br /> 3.2. Mô hình toán học<br /> Để thuận tiện cho việc thiết kế hệ thống, nhóm tác giả<br /> đưa ra mô hình toán học cho mô hình trong Hình 2, trong<br /> đó SNR của liên kết giữa nút nguồn và nút đích được ký<br /> hiệu SD, SNR của liên kết giữa nút nguồn và nút chuyển<br /> tiếp được ký hiệu SR và SNR của liên kết giữa nút chuyển<br /> tiếp và nút đích được ký hiệu RD. Theo nghiên cứu [8], SD,<br /> SRi và RiD được tính như sau:<br />