Đặc trưng lỗi trong mạng cảm biến không dây thường là mẫu lỗi 1-bit, mẫu lỗi 2-bit. Trong trường hợp này có thể áp dụng cả kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp và kỹ thuật sửa lỗi yêu cầu phát lại tự động để đảm bảo gói tin truyền luôn được nhận đúng tại nút mạng thu. Dựa trên tính chất của mỗi phương pháp, cùng một kênh truyền, có thể mang đến những kết quả khác nhau về khả năng tận dụng kênh truyền một cách tốt nhất. Trên kết quả thu được có thể đưa ra những kết luận đánh giá chính xác nhất đối với việc lựa chọn phương pháp kỹ thuật sửa lỗi phù hợp với mạng cảm biến không dây.
Trên kênh truyền không dây có trung bình lỗi 1-bit trên 9000 bit truyền vào khoảng 10-4. Lỗi 1 bit xuất hiện có thể coi là hoàn toàn độc lập với nhau trong quá trình truyền. Gói tin truyền qua mạng có kích cỡ 256 byte.
Với những đặc trưng kênh truyền như trên, việc lựa chọn kỹ thuật sửa lỗi phù hợp chính là giải quyết vấn đề sau:
“Hiệu quả sử dụng kênh truyền khác nhau như thế nào khi áp dụng kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp và kỹ thuật sửa lỗi sử dụng yêu cầu truyền lại tự động?”
Có thể giải quyết vấn đề trên theo mô hình kênh tryền đơn điểm (single hop), hiệu quả kênh truyền cho việc truyền dữ liệu từ nút mạng truyền tới nút mạng nhận, chính là tỉ lệ giữa những gói tin được truyền chính xác trên tổng số gói tin truyền.
Kỹ thuật sửa lỗi sử dụng yêu cầu truyền lại tự động, hoạt động với số gói tin hữu hạn và duy trì một bộ đếm thời gian trên mỗi gói tin truyền. Tại nút mạng nhận, nếu nhận gói tin không có lỗi nút sẽ gửi lại một gói tin xác nhận (viết tắt là ACK ) đã nhận đúng gói tin cho nút mạng gửi, và nút mạng gửi sẽ gửi gói tin tiếp theo sau khi nhận được gói tin phản hồi ACK này. Tại nút mạng gửi nếu không nhận được gói tin xác nhận ACK trong một khoảng thời gian xác định, gọi là thời gian chờ, nút mạng gửi sẽ thực hiện gửi lại gói tin. Trong trường hợp gói tin truyền có lỗi, tại nút nhận sau khi nhận được gói tin lỗi, sẽ gửi lại 1 gói tin yêu cầu việc truyền lại (viết tắt là NAK). Tại nút mạng gửi khi nhận được gói tin phản hồi NAK sẽ thực hiện việc truyền lại gói tin vừa gửi. Trong trường hợp gói tin NAK bị lỗi trong quá trình truyền lại và không được gửi đến nút mạng gửi trong khoảng thời gian xác định, thời gian chờ, thì nút mạng gửi sẽ thực hiện gửi lại gói tin đó.
Trong bài toán tính toán, đánh giá hiệu quả kênh truyền, yêu cầu trước nhất cần xác định xác suất truyền thành công gói tin dữ liệu, nghĩa là gói tin dữ liệu sau khi được gửi đi từ nút mạng gửi, nút mạng nhận đã nhận đúng hoàn toàn với xác
Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 62 suất chính xác. Trên cơ sở đó, so sánh tỉ lệ gói tin nhận đúng với toàn bộ gói tin đã được sử dụng bao gồm gói tin dữ liệu và gói tin báo hiệu, sẽ cho kết quả về tính hiệu quả của kênh truyền.
Trên kênh truyền không dây với tỉ lệ lỗi bit là 10-4; có thể xác định các thông số sau:
Xác suất truyền chính xác một bit là P= 1- 10-4
Xác suất truyền chính xác một gói tin là
Pp=(1-10-4)2048= 0.8148
Xác suất gói tin lỗi xuất hiện là:
Pe= 1- (1-10-4)2048=0.1852
Áp dụng kỹ thuật yêu cầu truyền lại tự động trên kênh truyền này, sử dụng gói tin báo hiệu phản hồi với 2 giá trị: yêu cầu truyền gói tin dữ liệu mới hoặc yêu cầu truyền lại; xác suất thành công của gói tin báo hiệu là 0.8148, trong trường hợp lỗi gói tin báo hiệu sẽ có nội dung ngược lại với nội dung báo hiệu cần gửi. Yêu cầu chỉ xét quá trình truyền thành công gói tin dữ liệu khi tại nút mạng nhận đúng gói tin dữ liệu. Trường hợp nút mạng gửi gửi gói tin dữ liệu bị lỗi, nút mạng nhận gửi gói tin báo hiệu với nội dung yêu cầu truyền lại gói tin dữ liệu; tuy nhiên gói tin báo hiệu này bị lỗi, nội dung báo hiệu mà nút mạng gửi nhận được là yêu cầu gửi gói tin dữ liệu mới. Trường hợp này được xem là một quá trình truyền cần tính toán dù đã mất gói tin.
Dựa trên các thông số xác suất về truyền gói tin, khi áp dụng kỹ thuật yêu cầu truyền lại tự động, các trường hợp có thể xảy ra:
Thành công 0.8148 N út m ạn g gử i N út m ạn g n hậ n data a)
Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 63 Xảy ra lỗi
0.1852
Yêu cầu truyền lại
Xảy ra lỗi 0.1852 data N út m ạn g gử i N út m ạn g n hậ n Báo hiệu b) Xảy ra lỗi 0.1852
Yêu cầu truyền lại
Thành công 0.8148 Xảy ra lỗi 0.1852 N út m ạn g gử i N út m ạn g n hậ n data Báo hiệu data c) N út m ạn g n hậ n N út m ạn g gử i Xảy ra lỗi 0.1852
Yêu cầu truyền lại
Thành công 0.8148 Thành công 0.8148 data Báo hiệu data d)
Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 64 Dựa trên giản đồ kênh truyền; trong hình 3.5 (a) gói tin dữ liệu được truyền chính xác từ nút mạng gửi tới nút mạng nhận với xác suất 0.8148 x 256.
Trong trường hợp gói dữ liệu bị truyền lỗi, nghĩa là nút mạng nhận đã nhận được gói tin nhưng bị sai khác so với gói tin dữ liệu gốc, do đó, nút mạng nhận sẽ gửi gói tin báo hiệu yêu cầu gửi lại gói tin dữ liệu. Theo hình 3.5 (b), có thể nhận thấy trường hợp gửi lại gói tin báo hiệu này cũng xảy ra tình huống gói tin báo hiệu bị lỗi, truyền tới nút mạng gửi nhưng sai khác bit dẫn đến thông tin báo hiệu bị sai. Gói tin báo hiệu sẽ hiển thị nội dung yêu cầu gửi lại gói tin dữ liệu nhưng do bị lỗi trên kênh truyền nên thông tin hiển thị trên gói tin báo hiệu khi đến được nút mạng gửi là yêu cầu gửi gói tin dữ liệu mới. Do đó kênh truyền mất 2 gói tin, một gói tin dữ liệu và một gói tin báo hiệu. Xác suất kênh truyền khi mất 2 gói tin này là: 0.1852 x 0.1852 x 2x 256
Theo hình 3.5 (c) nút mạng gửi nhận được gói tin báo hiệu yêu cầu truyền lại gói tin dữ liệu thành công, và nút mạng gửi thực hiện truyền lại gói tin dữ liệu. Tuy vậy quá trình truyền lại gói tin dữ liệu vẫn xảy ra lỗi, nút mạng nhận nhận được gói tin dữ liệu nhưng vẫn sai khác bit so với gói dữ liệu gốc. Như vậy, tổng cộng kênh truyền đã mất 3 gói tin, 2 gói tin dữ liệu và 1 gói tin báo hiệu, nhưng vẫn không đạt kết quả mong muốn là gói tin dữ liệu truyền thành công cho nút nhận. Xác suất kênh truyền khi mất 3 gói tin: 0.1852 x 0.8148 x 0.1852 x 3 x 256. Theo hình 3.5 (d) nút mạng gửi nhận được gói tin báo hiệu yêu cầu truyền lại gói tin dữ liệu thành công, và nút mạng gửi thực hiện truyền lại gói tin dữ liệu. Quá trình truyền lại diễn ra thành công, nút mạng nhận nhận đúng gói tin dữ liệu từ nút mạng gửi. Như vậy, tổng cộng kênh truyền đã mất 3 gói tin, 2 gói tin dữ liệu và 1 gói tin báo hiệu, trong đó có một gói tin dữ liệu cuối cùng truyền đúng. Xác suất kênh truyền khi mất 3 gói tin, trong đó một gói tin dữ liệu truyền đúng: 0.1852x 0.8148x 0.8148x256; hai gói tin bị mất với xác suất 0.1852 x 0.8148 x0.8148 x 2 x 256
Theo trên, có thể nhận thấy tỉ lệ gói tin dữ liệu truyền thành công chiếm 0.8148 x 256 + 0.1852x 0.8148x 0.8148x256= 239 byte Còn tỉ lệ mất gói tin chiếm
0.1852 x 0.1852 x 2x 256+0.1852 x 0.8148 x0.8148 x 2 x 256 +0.1852 x 0.1852 x 2x 256= 100 byte
Việc hiệu quả kênh truyền sẽ là: 239/(239+100)= 70.2 %
Dựa trên kết quả thu được, nếu sử dụng kỹ thuật sửa lỗi yêu cầu truyền lại tự động, hiệu quả trên kênh truyền vào khoảng 70.2%. Đây không phải là một tỉ lệ cao đối với kênh truyền, dung năng kênh không được sử dụng tối ưu, số lượng gói tin dữ liệu bị sai vẫn còn chiếm một tỉ lệ lớn.
Cũng với kênh truyền này với tỉ lệ lỗi 1 bit trên gói tin, nếu áp dụng kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp, hiệu quả kênh truyền có gì khác biệt so với kỹ thuật yêu cầu truyền lại tự động?
Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 65 Trong kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp, sử dụng mã sửa lỗi chèn r bit dư thừa vào gói tin trước khi truyền nhằm giúp nút mạng nhận khi nhận gói tin truyền sẽ sử dụng các bit dư thừa kiểm tra và sửa lỗi các bit dữ liệu.
Để bảo vệ 2048 bit dữ liệu, với mẫu lỗi 1 bit , thì số bit dư thừa r cần chèn phải thỏa mãn công thức (3.2):
(2048 r 1) 2r Với r =12 thì thỏa mãn điều kiện trên
2048 12 1 4096
Như vậy muốn nút mạng nhận nhận được các bit dữ liệu đúng, hoặc sửa được mẫu lỗi 1-bit cho các bit dữ liệu trên gói tin nhận được và chuyển tiếp sang nút mạng khác , thì nút mạng gửi phải chèn thêm 11 bit dư thừa.
Hiệu quả của kênh truyền trong trường hợp này sẽ là: (2048-12)/2048=99.4% So sánh các kết quả nhận được, kênh truyền với kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp cho hiệu quả khá cao, đạt tới 99.4 %, trong khi kênh truyền với kỹ thuật sửa lỗi yêu cầu truyền lại đạt được tỉ lệ khiêm tốn hơn 70.2%. Rõ ràng việc sử dụng kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp rất phù hợp cho mạng cảm biến không dây, phù hợp cho việc khắc phục lỗi một bit, vốn chiếm tỉ lệ lớn, thường gặp phải trong truyền dữ liệu mạng cảm biến không dây .
4. Kết luận Chƣơng
Chương này đã đạt được các kết quả sau:
Trình bày cách tính toán, ước lượng số lượng bit dư thừa cần thiết khi sử dụng để phát hiện và sửa các mẫu lỗi 1-bit, mẫu lỗi 2-bit vốn chiếm tỉ lệ lớn trong mạng cảm biến không dây theo hai công thức (3.2) và (3.4)
Trình bày sự thuận lợi khi áp dụng kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp so với các kỹ thuật yêu cầu truyền lại tự động trong việc sửa lỗi khi truyền. Thông qua tính toán mức độ hiệu quả của kênh truyền với hai kỹ thuật trên, dựa vào kết quả nhận được có thể đánh giá kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp rất phù hợp cho việc khắc phục các mẫu lỗi 1-bit, mẫu lỗi 2-bit, trong mạng cảm biến không dây, tốt hơn hẳn việc áp dụng kỹ thuật yêu cầu truyền lại tự động được áp dụng trong trường hợp này.
Những kết quả trên có thể áp dụng cho mạng cảm biến không dây cảnh báo sự cố bất thường trong đề án chuyển giao công nghệ giữa trường ĐH Công Nghệ và KCN Quán Toan - TP Hải Phòng, nhằm kiểm soát khí thài độc tại các khu công nghiệp, bảo vệ môi trường.
Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ***
Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS-TS. Vương Đạo Vy, cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân, luận văn đã hoàn thành đúng thời gian quy định và đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra với những nội dung sau:
Luận văn đã trình bày được những vấn đề cơ bản và những thách thức của mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks), ứng dụng các mã sửa lỗi (kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp) để tăng khả năng phát hiện lỗi, sửa lỗi đối với việc truyền tin giữa các nút mạng trong hệ thống mạng. Với mục đích xây dựng một cách nhìn tổng thể, sâu sắc cho bài toán sử dụng kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp, để bảo vệ thông tin truyền đi, đảm bảo hiệu quả sử dụng kênh truyền, mức năng lượng sử dụng thấp, em đã cố gắng tập hợp những kiến thức có được từ sự hướng dẫn của giáo viên, từ các nguồn tài liệu được cung cấp một cách ngắn gọn đầy đủ nhất. Nhưng do hạn chế về thời gian và khả năng của bản thân, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những sai sót; em xin trân trọng tiếp thu những ý kiến đóng góp của các thầy giáo cùng các bạn quan tâm đến vấn đề này để luận văn thêm hoàn thiện hơn.
Trong thời gian tới, nếu có điều kiện, đề tài có thể phát triển thêm như: Nghiên cứu mô phỏng mạng cảm biến không dây ứng dụng mã sửa chuyển tiếp với các vấn đề như sau:
- Nghiên cứu các mã sửa lỗi Reed solomon, STTC, Turbo trong ứng dụng sửa các mẫu lỗi lỗi nhiều bit, nghiên cứu kỹ thuật đan xen giảm thiểu lỗi nhiều bit... trong mạng cảm biến không dây
- So sánh sự thay đổi xác suất lỗi bit BER đối với những mã sửa lỗi trên, khi thay đổi vị trí các nút mạng; hoặc có chướng ngại vật...
Một lần nữa tôi xin trân thành cảm ơn thầy giáo PGS-TS. Vương Đạo Vy và các thầy cô trong Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] PGS – TS Trịnh Anh Vũ (2006), Giáo trình Thông tin di động,
Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN, NXB Đại học Quốc gia Hà nội, 2006 [2] Nguyễn Viết Kính – Trịnh Anh Vũ, “Thông tin số”, Nhà xuất bản Giáo Dục, 4/2008 .
[3] Vương Đạo Vy , “Mạng truyền dữ liệu” , Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội, 2006.
Tiếng Anh
[4] K.Yang, Y-K. Kim, P.V.Kumar, “Quasi-Orthogonal Sequences for Code Division Multiple-Access Systems”, IEEE Transactions on Information Theory, vol.46, pp 982-993, May 2000
[5] Phần mềm Matlab 7.11.0.584 (R2010b)
[6] Ian F. Akyildiz, Mehmet Can Vuran, John Wiley and Sons Ltd (2010), Wireless Sensor Networks
[7] Shu Lin, Daniel J. Costello, Prentice - Hall (2004), Error Control Coding
[8] http://users.cs.fiu.edu/~downeyt/cop3402/hamming.html
[9] B.Shen, and A.Abedi, A simple error Correction Scheme for Performance Improvement of IEEE 802.15.4, ICWN'07, June 2007, Las Vegas, NV, pp. 387-393.
[10] Jaein Jeong and Cheng Tien Ee, Forward Error Correction in Sensor Networks, WWSN 2007 Marrakech, Morocco June 2007