Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Thể loại khác Chưa phân loại Nghiên cứu các giải pháp nâng cao thông lượng mạng wban phân cụm dựa trên chuẩn ...

Tài liệu Nghiên cứu các giải pháp nâng cao thông lượng mạng wban phân cụm dựa trên chuẩn ieee 802.15.6

.PDF
108
98
117

Mô tả:

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 -

Tài liệu liên quan