BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN NHƯ THẮNG
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
NÂNG CAO THÔNG LƯỢNG
CỦA MẠNG WBAN PHÂN CỤM
DỰA TRÊN CHUẨN IEEE 802.15.6
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN NHƯ THẮNG
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
NÂNG CAO THÔNG LƯỢNG
CỦA MẠNG WBAN PHÂN CỤM
DỰA TRÊN CHUẨN IEEE 802.15.6
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 62 52 02 03
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS NGUYỄN HUY HOÀNG
2. TS PHẠM THANH HIỆP
HÀ NỘI - 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết
quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố
trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều
đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 5 tháng 6 năm 2017
Tác giả
Nguyễn Như Thắng
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Huy
Hoàng và TS Phạm Thanh Hiệp là những người thầy hướng dẫn đã giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn những tình cảm quý báu của các thầy, cô
giáo trong Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật Vô tuyến - Khoa Vô tuyến Điện tử - Học
viện Kỹ thuật Quân sự.
Tác giả cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các đồng nghiệp, bạn bè
đã tạo điều kiện và chia sẻ kinh nghiệm cùng tác giả trong quá trình nghiên
cứu và hoàn thiện bản luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật
Quân sự, Trường Đại học Thông tin Liên lạc và Bộ tư lệnh Thông tin Liên
lạc đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ, Anh, Em, Vợ và
các con đã luôn động viên, cùng chia sẻ, giúp đỡ tác giả đạt được những kết
quả như hôm nay.
MỤC LỤC
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
viii
DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
x
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG WBAN VÀ CHUẨN
IEEE 802.15.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.1. Tổng quan về mạng WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.1.1. Kiến trúc truyền thông về mạng WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.1.2. Ứng dụng và yêu cầu của WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.1.3. So sánh với các mạng không dây khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.2. Chuẩn IEEE 802.15.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.2.1. Đặc điểm lớp vật lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.2.2. Mô hình kênh WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.2.3. Đặc điểm lớp MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
1.2.4. Cấu hình mạng WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.3. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
1.4. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
i
ii
Chương 2. HỆ THỐNG WBAN PHÂN CỤM KHÔNG LÝ TƯỞNG
34
2.1. Nghiên cứu mô hình phân cụm lý tưởng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.1.1. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.1.2. Mô hình WBAN đơn chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.1.3. Phân tích và tính toán thông lượng cho mô hình phân cụm . .
45
2.1.4. Tối ưu số lượng cụm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
2.1.5. Kết quả tính toán cho mô hình phân cụm lý tưởng . . . . . . . . . .
47
2.2. Đề xuất mô hình phân cụm không lý tưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
2.2.1. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
2.2.2. Phân tích mô hình phân cụm không lý tưởng. . . . . . . . . . . . . . . .
52
2.3. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
Chương 3. ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO THÔNG LƯỢNG MẠNG
WBAN PHÂN CỤM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
3.1. Đề xuất phương pháp tái sử dụng siêu khung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
3.1.1. Phương pháp điều khiển hoàn toàn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
3.1.2. Phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian . . . . . . .
58
3.1.3. So sánh các phương pháp điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.1.4. Tối ưu số lượng siêu khung tái sử dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
3.2. Đề xuất phương pháp chia tầng cho hệ thống phân cụm . . . . . . . . .
71
3.2.1. Mô hình hệ thống chia tầng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.2.2. Chia tầng kết hợp điều khiển truyền tin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
3.2.3. So sánh các phương pháp điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
iii
3.3. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN . .
83
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . .
85
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Nghĩa Tiếng Anh
Nghĩa Tiếng Việt
AP
Access Phase
Giai đoạn truy cập
Adhoc
BCH
Mạng tuỳ biến
The Bose, Chaudhuri, and
Mã BCH
Hocquenghem
BCU
Body Control Unit
Bộ điều khiển cơ thể
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bít
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BS
Base Station
Trạm gốc
CAP
Contention Access Phase
Giai đoạn truy cập tranh
chấp
CH
Cluster Head
Cụm trưởng, Cụm chủ
CP
Contention Probability
Xác suất tranh chấp
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Ac-
Đa truy cập cảm nhận
cess/Collision Avoidance
sóng mang/tránh xung đột
CW
Contention Window
Cửa sổ tranh chấp
D8PSK
Differential 8 Phase Shift
Khóa dịch pha 8 mức vi sai
Keying
iv
v
DBPSK
DTMC
Differential Binary Phase
Khóa dịch pha nhị phân vi
Shift Keying
sai
Discrete
Time
Markov
Chain
DQPSK
EAP
Chuỗi Markov thời gian
phân tán
Differential
Quadrature
Khóa dịch pha cầu phương
Phase Shift Keying
vi sai
Exclusive Access Phase
Giai đoạn truy cập độc
quyền
EEHC
Energy Efficiency Hetero-
Sắp xếp cụm không đồng
geneous Cluster
nhất hiệu quả năng lượng
FCS
Frame Check Sequence
Chuỗi kiểm tra khung
GMSK
Gauss
Khóa dịch pha cực tiểu
Minimum
Shift
Keying
Gauss
GT
Guard Time
Thời gian bảo vệ
HBC
Human Body Communica-
Truyền thông trên cơ thể
tion
người
HEED
Hybrid
Energy-Efficient
Distributed clustering
Giao thức phân nhóm
phân tán hiệu quả năng
lượng và lai ghép
HWSN
I-ACK
Heterogenous
Wireless
Mạng cảm biến không dây
Sensor Network
không đồng nhất
Immediately-
Cơ chế xác nhận ngay
Acknowledgment
vi
IEEE
Institute of Electrical and
Viện kỹ nghệ Điện và Điện
Electronics Engineers
tử
IoT
Internet of Things
Mạng lưới vạn vật kết nối
LEACH
Low energy adaptive clus-
Phân
tering hierarchy
tương thích năng lượng
nhóm
phân
bậc
thấp
LOS
Line Of Sight
Tầm nhìn thẳng
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy cập môi
trường
MAP
Access Management Phase
Giai đoạn quản lý truy cập
SAR
Specific Absorption Rate
Tỷ lệ hấp thụ riêng
SDU
Service Data Unit
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
SIFS
Short Inter Frame Space
Khoảng cách liên khung
ngắn
NB
Narrow Band
Băng hẹp
NLOS
Non Line Of Sight
Bị che khuất hoàn toàn
PER
Packet Error Rate
Tỉ lệ lỗi gói
PHY
Physical Layer
Lớp vật lí
PLCP
Prefix Physical Layer Con-
Tiền tố hội tụ lớp vật lý
vergence
PPDU
Physical
Protocol
Data
Dữ liệu giao thức vật lý
Unit
PSDU
Physical Service Data Unit
Dữ liệu dịch vụ lớp vật lý
QoS
Quality-of-Service
Chất lượng dịch vụ
vii
RAP
Random Access Period
Giai đoạn truy cập ngẫu
nhiên
SEP
Stable Selection Protocol
Giao thức lựa chọn ổn định
SNR
Signal-to-Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
TG6
Working Group 6
Nhóm công tác 6
UP
User priority
Mức ưu tiên dữ liệu
UWB
Ultra Wide Band
Băng siêu rộng
VH
Virtual Header
Cụm chủ ảo
WBAN
Wireless Body Area Net-
Mạng không dây quanh cơ
work
thể người
WSN
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không dây
Wi-Fi
Wireless Fidelity
Chuẩn mạng cục bộ không
dây
WiMAX
Worldwide Interoperabil-
Chuẩn IEEE 802.15.6 cho
ity via Microwave Access
việc kết nối internet băng
rộng không dây khoảng
cách lớn
DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1
Tổng quan về WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2
Kiến trúc truyền thông của mạng cơ thể WBAN . . . . . . . . . 11
1.3
Phân lớp bên trong của WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4
So sánh WBAN với các công nghệ không dây . . . . . . . . . . . 17
1.5
Yêu cầu nguồn và tốc độ dữ liệu trong WBAN . . . . . . . . . . 18
1.6
Các lớp MAC và PHY của chuẩn IEEE 802.15.6 . . . . . . . . . 19
1.7
Các băng tần của IEEE 802.15.6
1.8
Cấu trúc PPDU của NB PHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.9
Các đường liên kết trong mô hình kênh của WBAN . . . . . . . 22
. . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.10 Chế độ báo hiệu có giới hạn siêu khung . . . . . . . . . . . . . . 24
1.11 Chế độ không có báo hiệu siêu khung . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.12 Chế độ không báo hiệu không có siêu khung . . . . . . . . . . . 25
1.13 Lưu đồ của cơ chế CSMA/CA trong IEEE 802.15.6
. . . . . . . 27
1.14 Cơ chế CSMA/CA trong IEEE 802.15.6 . . . . . . . . . . . . . . 28
1.15 Cấu hình mạng WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1
Mô hình phân cụm của mạng WBAN . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2
Ví dụ về vị trí các cảm biến trên cơ thể . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3
Cấu trúc của khe CSMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4
Thông lượng của hệ thống khi số cảm biến và τ thay đổi . . . . . 41
2.5
Giá trị của hàm Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
viii
ix
2.6
So sánh τopti trong 2 phương pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7
Thông lượng của hệ thống khi N = 50 . . . . . . . . . . . . . . 47
2.8
Số cụm tối ưu khi số cảm biến thay đổi, với τ = 0, 05 . . . . . . 48
2.9
Số cụm tối ưu cố định khi kích thước tải tin thay đổi với
N = 50 và τ = 0, 05 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.10 So sánh thông lượng của giao thức CSMA/CA truyền thống
và CSMA/CA phân theo cụm với N = 50 và tải tin = 250 . . . 49
2.11 Mô hình hệ thống WBAN phân cụm không lý tưởng . . . . . . . 51
3.1
Ảnh hưởng của SNR đối với thông lượng . . . . . . . . . . . . . 60
3.2
Ảnh hưởng của số lượng cụm đối với thông lượng . . . . . . . . . 62
3.3
Ảnh hưởng của xác suất truy cập đối với thông lượng . . . . . . 63
3.4
Ảnh hưởng của tổng số cảm biến đối với thông lượng . . . . . . . 64
3.5
Ảnh hưởng của kích thước tải đối với thông lượng . . . . . . . . 66
3.6
Ảnh hưởng của xác suất truy cập đối tới giá trị tối ưu của k . . . 69
3.7
Ảnh hưởng của số lượng cụm tới giá trị tối ưu của k . . . . . . . 70
3.8
Ảnh hưởng của tổng số cảm biến tới giá trị tối ưu của k . . . . . 70
3.9
Ảnh hưởng của kích thước tải tới giá trị tối ưu của k . . . . . . . 71
3.10 Mô hình chia tầng cho WBAN phân cụm
. . . . . . . . . . . . 72
3.11 Ảnh hưởng của SNR đối với thông lượng . . . . . . . . . . . . . 76
3.12 Ảnh hưởng của số lượng cụm đối với thông lượng . . . . . . . . . 77
3.13 Ảnh hưởng của xác suất truy cập đối với thông lượng . . . . . . 78
3.14 Ảnh hưởng của tổng số cảm biến đối với thông lượng . . . . . . . 80
3.15 Ảnh hưởng của kích thước tải đối với thông lượng . . . . . . . . 81
DANH MỤC BẢNG
1.1
Bảng tham số cửa sổ của các mức ưu tiên . . . . . . . . . . . . . 29
2.1
Giá trị các tham số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2
Thông lượng và xác suất truy cập tối ưu theo công thức (2.10) . 42
3.1
Các tham số để xét ảnh hưởng của SNR . . . . . . . . . . . . . 59
3.2
Các tham số để xét ảnh hưởng của số lượng cụm . . . . . . . . . 61
3.3
Các tham số để xét ảnh hưởng của xác suất truy cập . . . . . . . 63
3.4
Các tham số để xét ảnh hưởng của tổng số cảm biến . . . . . . . 64
3.5
Các tham số để xét ảnh hưởng của kích thước tải
x
. . . . . . . . 65
MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và nhu cầu chăm
sóc sức khỏe của con người, việc theo dõi sức khỏe và đặc biệt là giám sát từ
xa trạng thái của cơ thể đang ngày càng trở nên hết sức cần thiết. Một giải
pháp quan trọng có thể thực hiện được là chủ động chăm sóc sức khỏe thông
qua hệ thống giám sát trên cơ thể người, có khả năng phát hiện sớm các biểu
hiện bất thường từ đó nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống. Điều này có thể
thực hiện được thông qua một mạng giám sát thông minh, năng lượng thấp,
sử dụng các công nghệ cảm biến không dây. Cảm biến và các cơ cấu chấp
hành có thể được đặt trên cơ thể, hoặc cấy vào bên trong cơ thể con người
(hoặc thậm chí trong mạch máu) để cung cấp dữ liệu kịp thời. Mạng như
vậy được gọi là mạng không dây quanh cơ thể người (WBAN: Wireless Body
Area Network). Mạng WBAN bao gồm các cảm biến được kết nối với nhau,
có thể được gắn quanh cơ thể hoặc bên trong cơ thể người. Các cảm biến này
giám sát liên tục các dữ liệu và gửi nó tới bộ điều phối, bộ điều phối tập hợp
dữ liệu của tất cả các cảm biến tới trung tâm giám sát sức khỏe thông qua
hệ thống mạng hiện hành [1], [2].
Trước đây đã có rất nhiều dự án nghiên cứu và triển khai hệ thống WBAN
dựa trên chuẩn không dây như chuẩn IEEE 802.11, IEEE 802.15.1, IEEE
802.15.4. . . . Tuy nhiên, những chuẩn này không đáp ứng được yêu cầu cho
các ứng dụng của mạng giám sát cơ thể người WBAN [3]–[5]. Điện năng
1
2
tiêu thụ của mạng cục bộ không dây 802.11 quá cao (800 mW) nên không
thoả mãn các yêu cầu về tiêu thụ điện năng thấp của WBAN. Trong IEEE
802.15.1, số lượng các cảm biến có thể kết nối là hạn chế (8 thiết bị). IEEE
802.15.4 được ứng dụng rộng rãi trong các cảm biến công nghiệp, các lưới
điện thông minh và các lĩnh vực khác của hệ thống vạn vật kết nối Internet
(IoT: Internet of Things), nhưng không đáp ứng được các ứng dụng với tốc độ
dữ liệu cao (> 250 Kbits/s). Nhằm phát triển một chuẩn thông tin tiêu thụ
mức điện năng thấp, phù hợp với các ứng dụng WBAN tháng 11/2007 IEEE
802 thiết lập một nhóm nhiệm vụ cho việc tiêu chuẩn hóa của WBAN, gọi là
IEEE 802.15.6 [6]. Tháng 2/2012, phiên bản đầu tiên của IEEE 802.15.6 đã
được công bố.
Từ khi được công bố đến nay đã có một số nhà nghiên cứu về WBAN dựa
trên chuẩn IEEE 802.15.6. Mạng WBAN đã được phân tích trong lớp vật lý
(PHY: Physical Layer), lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC: Medium
Access Control) và lớp mạng cho các hệ thống cảm biến ở trên cơ thể và cả
các cảm biến cấy dưới da [21], [23]. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ phân tích
đánh giá các tham số mạng trên mô hình hình sao đơn chặng, khi số lượng
cảm biến và xác suất truy cập tăng lên thì các tham số hiệu năng bị ảnh
hưởng rất lớn, đặc biệt là thông lượng suy giảm nhanh do có sự xung đột
tại bộ điều phối. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều kỹ thuật đã được tập
trung nghiên cứu, trong đó có kỹ thuật phân cụm.
Cấu trúc theo cụm đã được biết đến như là một phương pháp hiệu quả
để giảm việc tiêu thụ năng lượng của các WSN [24]. Ý tưởng chính của việc
phân theo cụm chính là việc lựa chọn một tập con của các cảm biến làm các
cụm trưởng (CH: Cluster Head) cho WSN đã lựa chọn. Do đó, lưu lượng dữ
3
liệu tạo ra ở các cảm biến có thể gửi tới trạm gốc (bộ điều phối) thông qua
các CH.
Trong hệ thống WBAN phân cụm, các gói dữ liệu tạo ra từ các cảm biến
được phát chuyển tiếp tới bộ điều phối thông qua các CH, nên quá tải tại bộ
điều phối là có thể giảm xuống. Bởi vậy, có thể tăng được thông lượng của
hệ thống, đặc biệt là khi số lượng các cảm biến và/hoặc xác suất truy cập
là lớn. Mặt khác, vì tính mềm dẻo cao và có thể mở rộng nên phương thức
truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA: Carrier Sense
Multiple Access/Collision Avoidance) được chọn trong chuẩn IEEE 802.15.6.
Tuy nhiên, trong WBAN phân cụm với CSMA/CA, các CH sẽ chuyển tiếp
gói dữ liệu thu được tới bộ điều phối vì thế bộ điều phối và các cảm biến
thành viên (bao gồm các cảm biến thành viên của các cụm kế cận) bị hai lần
ảnh hưởng do việc truyền dẫn của gói dữ liệu. Đó là lý do thông lượng của
hệ thống bị suy giảm, đặc biệt nếu tốc độ gói dữ liệu của các cảm biến là lớn.
Bởi vậy, cần có một phương pháp điều khiển mới trong lớp MAC cho WBAN
phân cụm để tăng thông lượng của hệ thống.
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các phương pháp điều khiển truy cập môi trường MAC trong mạng không
dây WSN nói chung và mạng không dây quanh cơ thể người WBAN nói riêng
đóng vai trò quan trọng đối với thông lượng của mạng. Cơ chế hoạt động trên
lớp MAC có thể gây ra hiện tượng xung đột và là nguyên nhân chính ảnh
hưởng đến hiệu quả sử dụng năng lượng, thông lượng, độ trễ, tính ổn định,
sự công bằng và khả năng mở rộng mạng...
Với mục tiêu tìm kiếm các giải pháp để cải thiện thông lượng của mạng
WBAN, thông qua cấu hình mạng phân cụm, luận án đề xuất giải pháp tối
4
ưu xác suất truy cập và số cụm, sử dụng kỹ thuật tái sử dụng siêu khung theo
không gian và chia tầng trong mô hình phân cụm với giao thức CSMA/CA
trong chuẩn IEEE 802.15.6 nhằm nâng cao thông lượng của hệ thống.
Các phân tích bằng phương pháp giải tích được thực hiện trong kịch bản
các cảm biến của mạng WBAN có cùng mức ưu tiên trên mô hình phân cụm
khi kênh không có lỗi và có lỗi.
Nhiệm vụ của nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã nêu ở trên luận án tập
trung vào các vấn đề sau đây:
−
Nghiên cứu tổng quan về kiến trúc của mạng giám sát quanh cơ thể con
người, những ứng dụng và yêu cầu của nó trong các lĩnh vực; trên cơ sở
đó làm rõ sự giống nhau và khác nhau giữa mạng cảm biến không dây
WSN với mạng cảm biến không dây quanh cơ thể người WBAN. Giới
thiệu tổng quan về chuẩn IEEE 802.15.6 tại lớp vật lý PHY và lớp điều
khiển truy cập môi trường MAC, trong đó tập trung vào cơ chế hoạt
động của giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột
(CSMA/CA).
−
Đề xuất mô hình phân cụm cho mạng WBAN và nghiên cứu đánh giá
thông lượng của hệ thống trong mô hình phân cụm, không tính tới sự
ảnh hưởng của việc truyền và nhận tín hiệu trong một cụm tới các cụm
khác (gọi là mô hình lý tưởng). Tính toán xác suất truy cập cho các CH
dựa vào xác suất truy cập của các cảm biến thành viên. Tối ưu số lượng
cụm dựa trên tổng số lượng cảm biến trong cùng một WBAN để thông
lượng của toàn hệ thống đạt giá trị cực đại.
5
−
Nghiên cứu đánh giá thông lượng của hệ thống trong mô hình phân cụm
có tính đến ảnh hưởng của các cụm lân cận (nhiễu) tới sự truyền tin
trong một cụm (gọi là mô hình không lý tưởng) trong trường hợp kênh
có lỗi. Từ đó tối ưu xác suất truy cập và đề xuất phương pháp tái sử
dụng siêu khung để tăng thông lượng cho hệ thống phân chia theo cụm,
nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số lên thông lượng, tối ưu số
lượng siêu khung tái sử dụng dựa trên các tham số hệ thống để thông
lượng hệ thống đạt giá trị cực đại.
−
Đề xuất phương pháp chia tầng cho hệ thống phân cụm, tiến hành phân
tích hệ thống WBAN phân cụm chia tầng và xây dựng các công thức
để tính thông lượng hệ thống. Kết hợp phương pháp chia tầng với các
phương pháp điều khiển đề nâng cao thông lượng của hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh
(NCS) tiến hành nghiên cứu lý thuyết xác suất thống kê, lý thuyết về mã hoá
kênh và phương pháp tính toán tỷ lệ lỗi bít. Dựa trên các lý thuyết cơ bản,
NCS tiến hành xây dựng mô hình các phương pháp đề xuất và phân tích,
đánh giá mô hình ấy dựa trên các công cụ toán học như lý thuyết xác suất,
phương pháp tính để tính toán và tối ưu về mặt lý thuyết.
Để kiểm chứng và đưa ra kết quả trực quan, thông lượng của phương pháp
đề xuất được tính toán bằng phần mềm Matlab và được hiện thị dưới dạng
biểu đồ với các thông số hệ thống khác nhau.
Các kết quả đạt được
Luận án đã đạt được các mục tiêu nghiên cứu và các kết quả được trình
6
bày như sau:
−
Qua việc phân tích mô hình đơn chặng và phân cụm lý tưởng, NCS đã
đề xuất mô hình phân cụm cho mạng WBAN theo chuẩn IEEE 802.15.6
để nâng cao thông lượng hệ thống, có tính toán đến sự ảnh hưởng của
các cụm lân cận và sự tồn tại của lỗi bít, bằng cách tối ưu các tham số
xác suất truy cập và số cụm. Kết quả nghiên cứu được công bố trong
công trình số 1 và số 2 trong danh mục các công trình công bố.
−
Đề xuất phương pháp tái sử dụng siêu khung để tăng thông lượng cho
hệ thống WBAN phân chia theo cụm trong trường hợp có lỗi bít, đồng
thời đánh giá sự ảnh hưởng của các tham số lên thông lượng hệ thống và
tối ưu số lượng siêu khung tái sử dụng dựa trên các tham số hệ thống để
thông lượng hệ thống đạt giá trị cực đại. Kết quả nghiên cứu được công
bố trong công trình số 3 và số 4 trong danh mục công trình công bố.
−
Đề xuất phương pháp chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm, kết hợp
với các phương pháp tái sử dụng siêu khung và điều khiển hoàn toàn để
tạo ra những phương pháp điều khiển truy cập có hiệu quả nhằm nâng
cao thông lượng cho hệ thống WBAN theo chuẩn IEEE 802.15.6 . Kết
quả được công bố trong công trình số 5 thuộc danh mục công trình công
bố.
Cấu trúc của luận án
Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới được trình bày chi tiết trong các
chương sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng WBAN và chuẩn IEEE 802.15.6
Chương này trình bày tổng quan về mạng giám sát quanh cơ thể người
- Xem thêm -