Thông lượng của cấu hình mạng phân theo cụm sử dụng CSMA/CA của chuẩn IEEE802.15.06

Kü thuËt ®iÖn tö & Khoa häc m¸y tÝnh<br /> <br /> <br /> <br /> Th«ng l­îng cña cÊu h×nh m¹ng ph©n theo<br /> côm sö dông csma/ca cña chuÈn ieee 802.15.6<br /> NguyÔn huy hoµng*, nguyÔn nh­ th¾ng**, nguyÔn thïy linh*<br /> <br /> Tãm t¾t: HÖ thèng m¹ng v« tuyÕn quanh c¬ thÓ (Wireless Body Area Network -<br /> WBAN) cã c¸c nót c¶m biÕn v« tuyÕn ®­îc g¾n trªn da hoÆc bªn trong c¬ thÓ ng­êi<br /> ®Ó gi¸m s¸t c¸c tham sè søc kháe, vÝ dô nh­ ®iÖn t©m ®å, ®iÖn n·o ®å, huyÕt ¸p... D÷<br /> liÖu nhËn ®­îc tõ mçi nót c¶m biÕn ®­îc göi ®Õn c¸c bé ®iÒu phèi. Tuy nhiªn, kh«ng<br /> ph¶i lóc nµo c¸c c¶m biÕn còng cã thÓ göi d÷ liÖu ®Õn c¸c bé ®iÒu phèi ®­îc do sù<br /> c¶n trë cña c¬ thÓ, ®Æc biÖt lµ khi vËn ®éng. Ngoµi ra, viÖc t¨ng thêi gian ho¹t ®éng<br /> cña c¸c c¶m biÕn còng nh­ viÖc gi¶m c«ng suÊt cña chóng còng cÇn ph¶i ®­îc quan<br /> t©m xem xÐt. Trong chuÈn IEEE 802.15.6, s¬ ®å truyÒn dÉn ®­îc tæ chøc theo hiÓu<br /> h×nh sao mét chÆng céng 1. §Ó ®¹t ®­îc møc th«ng l­îng cao vµ gi¶m c«ng suÊt<br /> ph¸t cña c¸c c¶m biÕn th× c¸c nót c¶m biÕn ®­îc ph©n bè theo tõng côm. Bµi b¸o chØ<br /> ra r»ng hÖ thèng WBAN ph©n theo côm cã thÓ ®¹t ®­îc møc th«ng l­îng cao h¬n hÖ<br /> thèng WBAN nguyªn b¶n vµ cã mét gi¸ trÞ sè l­îng côm tèi ­u ®Ó ®¹t ®­îc møc<br /> th«ng l­îng cao nhÊt.<br /> Tõ khãa: Th«ng l­îng cña hÖ thèng, WBAN, CSMA/CA, IEEE802.15.6.<br /> <br /> 1 . Më §ÇU<br /> Ngµy nay, khi sù giµ hãa d©n sè trªn thÕ giíi t¨ng nhanh th× nhu cÇu ch¨m sãc<br /> vµ gi¸m s¸t c¸c vÊn ®Ò liªn quan ®Õn søc kháe con ng­êi lµ hÕt søc cÇn thiÕt. Gi¶i<br /> ph¸p gi¸m s¸t tr¹ng th¸i c¬ thÓ vµ m«i tr­êng xung quanh tõ xa ®ang trë nªn ngµy<br /> cµng quan träng ®Ó gióp gi¸m s¸t t×nh tr¹ng søc kháe cña ng­êi giµ víi chi phÝ h÷u<br /> h¹n kÕt hîp víi c¸c dÞch vô y tÕ hiÖn hµnh. H¬n n÷a, do nhiÒu chøc n¨ng trªn c¬<br /> thÓ cÇn ®­îc gi¸m s¸t vµ ph©n tÝch trong kho¶ng thêi gian dµi th× b¸c sÜ míi cã thÓ<br /> biÕt chÝnh x¸c nh÷ng g× ®ang x¶y ra trªn c¬ thÓ bÖnh nh©n. Do ®ã cÇn ph¶i gi¸m s¸t<br /> sù chuyÓn ®éng vµ toµn bé chøc n¨ng c¬ thÓ trong cuéc sèng hµng ngµy. Mét trong<br /> nh÷ng hÖ thèng ®­îc øng dông ®Ó thùc hiÖn chøc n¨ng gi¸m s¸t ®ã lµ hÖ thèng<br /> WBAN. Mét hÖ thèng WBAN bao gåm c¸c nót c¶m biÕn liªn kÕt víi nhau, ®­îc<br /> ®Æt quanh c¬ thÓ hoÆc g¾n bªn trong c¬ thÓ con ng­êi, c¸c c¶m biÕn nµy liªn tôc<br /> gi¸m s¸t vµ göi d÷ liÖu ®Õn bé ®iÒu phèi. C¸c bé ®iÒu phèi tËp hîp d÷ liÖu cña toµn<br /> bé c¸c c¶m biÕn vµ göi ®Õn trung t©m ch¨m sãc søc kháe th«ng qua hÖ thèng m¹ng.<br /> HÖ thèng WBAN cã thÓ ®­îc chia thµnh 2 m« h×nh. M« h×nh mét chÆng: c¸c<br /> c¶m biÕn truyÒn tÝn hiÖu trùc tiÕp ®Õn bé ®iÒu phèi. M« h×nh ®a chÆng: c¸c c¶m<br /> biÕn truyÒn tÝn hiÖu ®Õn bé ®iÒu phèi th«ng qua nhiÒu chÆng chuyÓn tiÕp [1]-[2].<br /> Trong m« h×nh 1 chÆng, c¶m biÕn ph¶i sö dông c«ng suÊt cao ®Ó truyÒn tÝn hiÖu<br /> nÕu nã ë xa bé ®iÒu phèi. Do ®ã, thêi gian lµm viÖc cña c¸c c¶m biÕn sÏ ng¾n vµ<br /> c¸c c¶m biÕn sÏ g©y xuyªn nhiÔu lÉn nhau trong khu vùc ph¸t sãng cña nã. H¬n<br /> n÷a, kÕt nèi gi÷a c¸c c¶m biÕn vµ bé ®iÒu phèi cã thÓ bÞ gi¸n ®o¹n do con ng­êi<br /> vËn ®éng (c¸c phÇn c¬ thÓ cã thÓ trë thµnh c¸c vËt c¶n tÝn hiÖu). Trong m« h×nh ®a<br /> chÆng, do mçi c¶m biÕn truyÒn tÝn hiÖu ®Õn c¸c c¶m biÕn l©n cËn nªn c«ng suÊt<br /> ph¸t, khu vùc ph¸t sãng vµ khu vùc ¶nh h­ëng sÏ nhá. Do ®ã, gi¶m ®­îc sù xuyªn<br /> nhiÔu lÉn nhau gi÷a c¸c c¶m biÕn vµ thêi gian lµm viÖc cña chóng t¨ng lªn. Ngoµi<br /> <br /> <br /> 60 N.H. Hoµng,.. “ Th«ng l­îng cña cÊu h×nh m¹ng ph©n theo côm … IEEE 802.15.6”<br /> Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br /> <br /> ra, ngay c¶ khi kh«ng thÓ kÕt nèi trùc tiÕp, c¸c c¶m biÕn còng cã thÓ truyÒn tÝn hiÖu<br /> ®Õn bé ®iÒu phèi th«ng qua c¸c c¶m biÕn kh¸c lµ nh÷ng c¶m biÕn cã thÓ kÕt nèi<br /> ®Õn bé ®iÒu phèi. Bµi b¸o nµy sÏ tËp trung nghiªn cøu vµ ph©n tÝch hÖ thèng<br /> WBAN ®a chÆng.<br /> HÖ ®a chÆng ®· vµ ®ang ®­îc nghiªn cøu trong rÊt nhiÒu tµi liÖu thuéc nhiÒu<br /> lÜnh vùc kh¸c nhau nh­ m¹ng Adhoc, m¹ng di ®éng, hÖ thèng ITS [3]-[5]. Trong<br /> c¸c hÖ thèng nµy, phÇn ph¸t göi tÝn hiÖu ®Õn phÇn thu th«ng qua c¸c bé chuyÓn<br /> tiÕp. Tuy nhiªn, c¸c bé chuyÓn tiÕp chØ cã nhiÖm vô chuyÓn tiÕp tÝn hiÖu. Trong hÖ<br /> thèng WBAN, mçi c¶m biÕn võa göi tÝn hiÖu cña chÝnh nã võa chuyÓn tiÕp tÝn hiÖu<br /> cña c¸c c¶m biÕn kh¸c sö dông giao thøc CSMA/CA dùa trªn chuÈn IEEE802.15.6.<br /> 2. cÊu h×nh wban h×nh sao mét chÆng<br /> 2.1. M« h×nh hÖ thèng<br /> H×nh 1 tr×nh bµy vÝ dô vÒ hÖ thèng WBAN. Trong ®ã c¸c c¶m biÕn ®­îc ph©n bè<br /> ë nh÷ng vÞ trÝ cÇn thiÕt trªn c¬ thÓ ®Ó gi¸m s¸t tr¹ng th¸i søc kháe. ë ®©y hÖ thèng<br /> WBAN ®­îc tæ chøc theo m« h×nh sao mét chÆng, c¸c c¶m biÕn sÏ truyÒn trùc tiÕp<br /> d÷ liÖu cña nã ®Õn bé ®iÒu phèi. C¸c gãi d÷ liÖu ®­îc t¹o ra ë mçi nót c¶m biÕn<br /> theo x¸c suÊt truy cËp cña chóng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 1. M¹ng WBAN.<br /> <br /> Trong tr­êng hîp nµy sö dông giao thøc ®· truy nhËp nhËn biÕt b»ng sãng<br /> mang/tr¸nh xung ®ét (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance -<br /> CSMA/CA) dùa trªn chuÈn IEEE802.15.6. Sau khi nhËn ®­îc th«ng tin d÷ liÖu tõ<br /> bé ®iÒu phèi, c¸c nót c¶m biÕn cã thÓ dù ®o¸n ®­îc kho¶ng c¸ch vµ ®iÒu kiÖn kªnh<br /> truyÒn gi÷a nã víi bé ®iÒu phèi. V× vËy, c¸c nót c¶m biÕn sÏ ®iÒu chØnh c«ng suÊt<br /> ph¸t cña nã phï hîp nhÊt ®Ó truyÒn tÝn hiÖu ®Õn bé ®iÒu phèi. Khi ®ã tØ sè tÝn trªn<br /> t¹p (SNR) ë phÇn thu b»ng víi ng­ìng SNA mong muèn (dSNRthres).<br /> 2.2. Giao thøc CSMA/CA theo chuÈn IEEE802.15.6<br /> <br /> <br /> <br /> T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 29 , 02 - 2014 61<br />  Kü thuËt ®iÖn tö & Khoa häc m¸y tÝnh<br /> <br /> <br /> Chi tiÕt vÒ giao thøc CSMA/CA ®­îc tr×nh bµy trong tµi liÖu [6], sau ®©y chØ<br /> tr×nh bµy v¾n t¾t vÒ giao thøc CSMA/CA theo chuÈn IEEE802.15.6. Trong<br /> CSMA/CA, c¸c nót c¶m biÕn ®Æt bé ®Õm ng­îc cña nã (backoff) ë mét sè nguyªn<br /> ngÉu nhiªn nµo ®ã trong kho¶ng [1, CW] víi CW thuéc kho¶ng (CWmin, CWmax).<br /> gi¸ trÞ CWmin vµ CWmax thay ®æi phô thuéc vµo thø tù ­u tiªn cña c¶m biÕn ®­îc cho<br /> trong b¶ng 1. C¶m biÕn b¾t ®Çu gi¶m bé ®Õm backoff xuèng 1 ®¬n vÞ mçi khi khe<br /> CSMA rçi b»ng gi¸ trÞ pCSMASlotLength. Khi bé ®Õm backoff ®¹t ®Õn 0 th× c¶m<br /> biÕn sÏ truyÒn ®i 1 gãi tÝn hiÖu. NÕu kªnh bËn do cã 1 gãi tÝn hiÖu ®ang ®­îc<br /> truyÒn, th× c¶m biÕn sÏ khãa bé ®Õm backoff l¹i cho ®Õn khi kªnh rçi. C¶m biÕn<br /> nhËn biÕt ®­îc t×nh tr¹ng kªnh bËn nÕu tØ sè SNR cña tÝn hiÖu thu lín h¬n ng­ìng<br /> SNR hiÖu dông (eSNRthres). th«ng th­êng, dSNRthres > eSNRthres. ViÖc truyÒn tÝn hiÖu<br /> bÞ lçi nÕu c¶m biÕn gÆp lçi khi nhËn mét (hoÆc nhãm) tÝn hiÖu x¸c nhËn. Trong bµi<br /> b¸o nµy, gi¶ thiÕt c¶m biÕn truyÒn tõng khung mét. CW sÏ ®­îc t¨ng gÊp ®«i cho<br /> mçi lÇn lçi vµ ®Õn khi ®¹t ®Õn gi¸ trÞ CWmax. Khi d÷ liÖu ®­îc truyÒn thµnh c«ng th×<br /> gi¸ trÞ CW hiÖn t¹i ®­îc ®Æt l¹i thµnh CWmin. Th«ng l­îng cùc ®¹i ®­îc ®Þnh nghÜa<br /> lµ sè cùc ®¹i MSDUs cã thÓ ®­îc truyÒn trong mét ®¬n vÞ thêi gian.<br /> Mçi MSDU mang thªm c¸c tiÒn tè ë líp MAC vµ líp PHY nh­ lµ c¸c tiÒn tè<br /> PHY vµ tiÒn tè PHY/MAC, c¸c khung ®iÒu khiÓn, kho¶ng trèng liªn khung, vµ thêi<br /> gian backoff. ViÖc thªm c¸c tiÒn tè nµy ¶nh h­ëng ®Õn th«ng l­îng cùc ®¹i cña<br /> m¹ng. Do c¸c c¶m biÕn cã thÓ ®iÒu khiÓn c«ng suÊt ph¸t phï hîp ®Ó truyÒn tÝn hiÖu<br /> ®Õn bé thu, nªn tØ lÖ lçi bit (BER) ®­îc coi nh­ ®ñ nhá vµ cã thÓ bá qua. gi¶ thiÕt<br /> kh«ng cã hiÖn t­îng mÊt gãi do trµn bé nhí.<br /> B¶ng 1. B¶ng gi¸ trÞ biªn cña cöa sæ tranh chÊp CSMA/CA.<br /> Thø tù ­u tiªn CWmin CWmax<br /> 0 16 64<br /> 1 16 32<br /> 2 8 32<br /> 3 8 16<br /> 4 4 16<br /> 5 4 8<br /> 6 2 8<br /> 7 1 4<br /> <br /> Thêi gian phôc vô (T) lµ tæng thêi gian ®Ó truyÒn mét gãi tin bao gåm c¶ thêi<br /> gian backoff (TCW), thêi gian ®Ó truyÒn gãi d÷ liÖu (Tdata), kho¶ng trèng liªn khung<br /> (TpSIFS), thêi gian cña gãi x¸c nhËn (TACK) vµ thêi gian trÔ (  ):<br /> T=TCW  Tdata  TACK  2TpSIFS  2 . (1)<br /> §Æt Ts lµ chiÒu dµi khe CSMA. Do ®ã:<br /> CWminTs<br /> TCW  (2)<br /> 2<br /> Do mét gãi d÷ liÖu bao gåm mét tiÒn tè (Tp), tiÒn tè vËt lý (TPHY), tiÒn tè MAC<br /> (TMAC), khung MAC (Tbody) vµ chuçi kiÓm tra khung (TFCS), nªn thêi gian ®Ó truyÒn<br /> mét gãi d÷ liÖu ®­îc biÓu diÔn nh­ sau:<br /> <br /> <br /> 62 N.H. Hoµng,.. “ Th«ng l­îng cña cÊu h×nh m¹ng ph©n theo côm … IEEE 802.15.6”<br /> Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br /> <br /> Tdata =TP +TPHY +TMAC +Tbody +TFCS (3)<br /> Do tin x¸c nhËn kh«ng chøa t¶i, nªn thêi gian truyÒn cña nã lµ:<br /> TACK =TP +TPHY +TMAC +TFCS (4)<br /> 2.3. Ph©n tÝch hiÖu n¨ng<br /> §Æt sè c¶m biÕn trªn c¬ thÓ lµ N vµ mçi c¶m biÕn truy cËp vµo 1 khe thêi gian<br /> mét c¸ch ®éc lËp vµ ngÉu nhiªn víi x¸c suÊt lµ  . Theo ®ã, Pidle lµ x¸c suÊt mµ<br /> kh«ng cã c¶m biÕn nµo truy nhËp vµo khe thêi gian ®· cho l :<br /> Pidle  (1   ) N (5)<br /> T­¬ng tù, Psuc lµ x¸c suÊt khi cã 1 c¶m biÕn truy nhËp vµo khe thêi gian ®· cho<br /> lµ:<br /> Psuc  N (1   ) N 1 (6)<br /> Thêi gian xung ®ét Tc lµ kho¶ng thêi gian mµ c¸c c¶m biÕn kh¸c kh«ng thÓ truy<br /> nhËp ®­îc kªnh do ®ang cã xung ®ét. Tuy nhiªn, nh­ ®· ®Ò cËp ë trªn, c¶m biÕn sÏ<br /> truyÒn tÝn hiÖu ®Õn bé ®iÒu phèi vµ chê gãi tin x¸c nhËn ACK tõ bé ®iÒu phèi.<br /> Trong tr­êng hîp cã xung ®ét, th× sÏ kh«ng cã gãi tin ACK nµo ®­îc göi ®Õn c¶m<br /> biÕn, vµ khi ®ã c¶m biÕn b¾t ®Çu ®Õm ng­îc bé ®Õm backoff cña nã. NghÜa lµ thêi<br /> gian phôc vô T vµ thêi gian xung ®ét TC lµ gÇn nh­ nhau (gi¶ thiÕt T = TC ). V× hÖ<br /> thèng khe thêi gian TS diÔn ra trong kho¶ng thêi gian cña mét khe thêi gian rçi, nªn<br /> kho¶ng thêi gian khe trung b×nh sÏ lµ:<br /> E[ slot ]  PidleTs  PsucT  (1  Psuc  Pidle )Tc (7)<br /> Kết quả là thông lượng hệ thống (Thros) là lượng thông tin trung bình được<br /> truyền đi trong một khe thời gian. Với E[P] là kích thước khung MAC trung bình:<br /> Psuc E[ P ] Psuc E  P <br /> Thros   (8)<br /> E[ slot ] PidleTs  PsucT  1  Psuc  Pidle  Tc<br /> Th«ng lượng trªn ®¹t cùc ®¹i khi mµ thµnh phÇn f cã gi¸ trÞ nhá nhÊt:<br /> Pidle (Ts  T )  T<br /> f  (9)<br /> Psuc<br /> Gi¸ trÞ tèi ­u  opti ®Ó th«ng l­îng cña hÖ thèng ®¹t cùc ®¹i ®­îc cho bëi nghiÖm<br /> f<br /> cña ph­¬ng tr×nh  0 , ta cã:<br /> <br /> T<br /> (1   opti ) N  ( N opti  (1  (1   opti ) N ))  0 (10)<br /> Ts<br /> Víi ®iÒu kiÖn  rÊt nhá h¬n 1, th× ta cã xÊp xØ:<br /> N ( N  1) 2<br /> (1   opti ) N  1  N opti   opti (11)<br /> 2<br /> Và vì vậy giá trị tối ưu τopti có thể được xác định bằng:<br /> 1<br />  opti  (12)<br /> T<br /> N<br /> 2Ts<br /> 2.4. §¸nh gi¸ cho hÖ thèng mét chÆng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 29 , 02 - 2014 63<br />  Kü thuËt ®iÖn tö & Khoa häc m¸y tÝnh<br /> <br /> <br /> §Ó ®¸nh gi¸, chóng ta sö dông c¸c tham sè ®­îc tæng kÕt trong b¶ng 2. H×nh 2<br /> biÓu diÔn th«ng l­îng cña hÖ thèng khi  thay ®æi.<br /> B¶ng 2. Gi¸ trÞ c¸c tham sè<br /> 1 B¨ng tÇn [MHz] 2400-2483.5<br /> 2 Thµnh phÇn gãi PSDU<br /> 3 §iÒu chÕ π/2-DBPSK<br /> 4 Tèc ®é symbol Rs [kbps] 600<br /> 5 Tèc ®é d÷ liÖu Rhdr [kbps] 242.9<br /> 6 KÝch th­íc t¶i [byte] 250<br /> 7 Cöa sæ tranh chÊp cùc tiÓu CWmin [slots] 16<br /> 8 Cöa sæ tranh chÊp cùc ®¹i CWmax [slots] 64<br /> 9 Xãa ®¸nh gi¸ kªnh [bits] 63<br /> 10 TiÒn tè MAC [bits] 56<br /> 11 §u«i MAC [bits] 16<br /> 12 Thêi gian kho¶ng trèng liªn khung cùc tiÓu [  s] 20<br /> 13 Thêi gian kho¶ng trèng liªn khung ng¾n Tsifs [  s] 50<br /> 14 TiÒn tè [bits] 88<br /> 15 TrÔ truyÒn dÉn  [  s] 1<br /> <br /> Sè c¶m biÕn lµ 5, 10, 15, 20. Víi sè l­îng c¶m biÕn kh¸c nhau t­¬ng øng sÏ cã gi¸<br /> trÞ tèi ­u  ®Ó ®¹t møc th«ng l­îng cùc ®¹i. Sè c¶m biÕn cµng nhiÒu th× gi¸ trÞ tèi<br /> ­u  cµng thÊp.<br /> Thông lượng [kbps]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> τ biÕn thay ®æi 5, 10, 15, 20.<br /> H×nh 2. Th«ng l­îng khi sè c¶m<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 64<br /> Giá trị cực đại<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> N.H. Hoµng,.. “ Th«ng l­îng cña cÊu h×nh m¹ng ph©n theo côm … IEEE 802.15.6”<br /> Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> H×nh 3 cho thÊy, gi¸ trÞ tèi ­u  ®­îc tÝnh theo c«ng thøc (12) khi sè c¶m biÕn<br /> t¨ng. Tøc lµ khi sè l­îng c¶m biÕn Ýt th× x¸c suÊt truyÒn gãi tin cña mçi c¶m biÕn<br /> sÏ t¨ng. MÆt kh¸c, nh­ ®· tr×nh bµy trong h×nh 2 vµ 3, khi sè c¶m biÕn thay ®æi th×<br /> gi¸ trÞ tèi ­u  còng thay ®æi, tuy nhiªn th«ng l­îng cùc ®¹i hÇu nh­ kh«ng ®æi.<br /> Ngay c¶ khi tæng gi¸ trÞ tèi ­u  cña tÊt c¶ c¸c c¶m biÕn lµ cè ®Þnh th× th«ng l­îng<br /> còng bÞ gi¶m khi sè l­îng c¶m biÕn t¨ng lªn. §iÒu nµy cã nghÜa lµ trong m¹ng<br /> WBAN ph©n bè theo côm khi x¸c suÊt truy nhËp cña mçi c¶m biÕn lµ cè ®Þnh, th×<br /> c¸c bé c¶m biÕn sÏ truyÒn tÝn hiÖu ®Õn ®Çu côm thay cho truyÒn ®Õn bé ®iÒu phèi,<br /> do ®ã sè l­îng c¶m biÕn truy nhËp ®Õn bé ®iÒu phèi gi¶m xuèng vµ th«ng l­îng<br /> cña hÖ thèng sÏ ®­îc t¨ng lªn. H¬n n÷a, trong cÊu h×nh h×nh sao mét chÆng, c¸c bé<br /> c¶m biÕn ph¸t trùc tiÕp tíi bé ®iÒu phèi nªn yªu cÇu c«ng suÊt ph¸t ph¶i lín, ®Æc<br /> biÖt c¸c bé c¶m biÕn ®Æt c¸ch xa bé ®iÒu phèi. Ngoµi ra, mét sè liªn kÕt trùc tiÕp tõ<br /> c¸c c¶m biÕn ®Õn bé ®iÒu phèi cã thÓ bÞ gi¸n ®o¹n do sù chuyÓn ®éng cña c¬ thÓ.<br /> V× vËy viÖc nghiªn cøu hÖ thèng WBAN ph©n bè theo côm lµ cÇn thiÕt.<br /> 3. HÖ THèNG WBAN THEO CôM<br /> 3.1. M« h×nh hÖ thèng WBAN theo côm<br /> M« h×nh hÖ thèng WBAN theo côm t­¬ng tù nh­ m« h×nh hÖ thèng h×nh sao<br /> mét chÆng ®· m« t¶ trong phÇn 2.1. Tuy nhiªn, trong hÖ thèng WBAN theo côm,<br /> c¶m biÕn cã thÓ truyÒn tÝn hiÖu ®Õn ®Çu côm (Cluster Head) cña nã thay cho ®Õn bé<br /> ®iÒu phèi (h×nh 4). V× tÊt c¶ d÷ liÖu ®­îc t¹o ra tõ c¸c nót c¶m biÕn ®Òu ®­îc<br /> chuyÓn tiÕp ®Õn bé ®iÒu phèi th«ng qua ®Çu côm, nªn c«ng suÊt ph¸t cña tÊt c¶ c¸c<br /> c¶m biÕn sÏ gi¶m xuèng vµ th«ng l­îng ®­îc t¨ng lªn. Gi¶ sö qu¸ tr×nh truyÒn dÉn<br /> trong mét côm kh«ng ¶nh h­ëng ®Õn c¸c c¶m biÕn trong c¸c côm kh¸c, th× sau khi<br /> nhËn ®­îc gãi tin tõ mét nót c¶m biÕn, ®Çu côm lËp tøc chuyÓn tiÕp tÝn hiÖu ®ã ®Õn<br /> bé ®iÒu phèi (tr¹m gèc) dùa vµo thuËt to¸n cña giao thøc CSMA/CA theo chuÈn<br /> IEEE802.15.6 vµ x¸c suÊt truy nhËp  cña tÊt c¶ c¸c c¶m biÕn trong hÖ thèng<br /> WBAN ph©n theo côm ®­îc gi¶ thiÕt lµ t­¬ng tù nh­ x¸c suÊt truy nhËp cña cÊu<br /> h×nh m¹ng mét chÆng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 29 , 02 - 2014 65<br />  Kü thuËt ®iÖn tö & Khoa häc m¸y tÝnh<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3.2. §¸nh gi¸ hÖ thèng WBAN theo côm<br /> M« h×nh hÖ thèng WBAN theo côm t­¬ng tù nh­ hÖ thèng WBAN nguyªn b¶n<br /> (b¶ng 2). Sè c¶m biÕn lµ 50 vµ sè côm thay ®æi. Sè c¶m biÕn trong mçi côm ®­îc<br /> gi¶i thiÕt lµ b»ng nhau (bao gåm c¶ ®Çu côm):<br /> N S / C  N S NC (13)<br /> Trong ®ã: NS/C lµ sè c¶m biÕn/côm, NS lµ sè c¶m biÕn, NC lµ sè côm.<br /> H×nh 5 vµ 6 ®­a ra sù so s¸nh th«ng l­îng cña hÖ thèng WBAN ph©n theo côm vµ<br /> WBAN nguyªn b¶n víi  = 0.0033 vµ  = 0.005. Trong tr­êng hîp x¸c suÊt truy<br /> nhËp thÊp, xung ®ét truyÒn dÉn cña c¸c c¶m biÕn trong WBAN nhá, do ®ã th«ng<br /> l­îng cña WBAN nguyªn b¶n cao h¬n so víi WBAN theo côm.<br /> Tuy nhiªn, khi x¸c suÊt truy nhËp t¨ng th× xung ®ét gi÷a tÊt c¶ c¸c c¶m biÕn tíi<br /> bé ®iÒu phèi còng t¨ng theo. KÕt qu¶ lµ th«ng l­îng cña WBAN nguyªn b¶n gi¶m<br /> xuèng. Nãi c¸ch kh¸c lµ WBAN ph©n theo côm cã thÓ gi¶m xung ®ét cña c¸c c¶m<br /> biÕn tíi bé ®iÒu phèi. H¬n n÷a, sè l­îng c¶m biÕn trong mçi côm nhá h¬n nhiÒu so<br /> víi tæng sè c¶m biÕn, do vËy xung ®ét t¹i mçi côm sÏ rÊt nhá. Do ®ã, th«ng l­îng<br /> cña WBAN theo côm cao h¬n so víi hÖ thèng WBAN nguyªn b¶n khi  = 0.005.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 66 N.H. Hoµng,.. “ Th«ng l­îng cña cÊu h×nh m¹ng ph©n theo côm … IEEE 802.15.6”<br /> Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Thông lượng [Mbps]<br /> Hệ CSMA/CA nguyên bản<br /> Hệ CSMA/CA theo cụm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Thông lượng [Mbps]<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hệ CSMA/CA nguyên bản<br /> Hệ CSMA/CA theo cụm<br /> <br /> 4. KÕT LUËN<br /> Số cụm<br /> H×nh 6. Th«ng l­îng cña hÖ thèng víi  =0.005.<br /> <br /> H×nh 6 cho thÊy cã sè côm tèi ­u ®Ó ®¹t ®­îc møc th«ng l­îng cùc ®¹i. Sè côm<br /> tèi ­u thay ®æi khi tham sè hÖ thèng thay ®æi, vÝ dô nh­ sè l­îng c¶m biÕn, t¶i<br /> träng trong mét gãi tin, §èi víi mçi hÖ thèng, ta ®Òu cã mét gi¸ trÞ sè côm tèi ­u<br /> ®Ó ®¹t ®­îc møc th«ng l­îng cao nhÊt.<br /> 4. KÕT LUËN<br /> Qua ph©n tÝch hiÖu n¨ng cña hÖ thèng WBAN ®a chÆng víi giao thøc CSMA/CA<br /> theo chuÈn IEEE802.15.6. Chóng ta thÊy r»ng cã thÓ t×m ®­îc mét gi¸ trÞ x¸c suÊt<br /> truy nhËp tèi ­u trong cÊu h×nh mét chÆng vµ c¶ hÖ thèng WBAN ph©n theo côm<br /> hai chÆng ®Ó th«ng l­îng cña hÖ thèng ®¹t cùc ®¹i. HÖ thèng WBAN ph©n theo<br /> côm cã thÓ nhËn ®­îc møc th«ng l­îng lín h¬n WBAN nguyªn b¶n khi x¸c suÊt<br /> truy nhËp t¨ng lªn. §ång thêi còng ®· chØ ra ®­îc gi¸ trÞ sè l­îng côm tèi ­u ®Ó ®¹t<br /> ®­îc møc th«ng l­îng cao nhÊt.<br /> <br /> <br /> <br /> T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 29 , 02 - 2014 67<br />  Kü thuËt ®iÖn tö & Khoa häc m¸y tÝnh<br /> <br /> <br /> Bµi b¸o chØ míi ph©n tÝch th«ng l­îng cña hÖ thèng WBAN cÊu h×nh h×nh sao<br /> mét chÆng vµ hÖ thèng WBAN ph©n theo côm hai chÆng, mµ ch­a xÐt ®Õn tham sè<br /> c«ng suÊt ph¸t, ph­¬ng ph¸p m· hãa, ph­¬ng ph¸p ®iÒu chÕ vµ trÔ. Nh÷ng tham sè<br /> nµy sÏ ®­îc nghiªn cøu trong thêi gian tíi.<br /> <br /> TµI LIÖU THAM KH¶O<br /> [1]. Yang, G. Z., Body sensor networks (Chapter: Wirelss communication). Springer,<br /> 2006.<br /> [2]. Marinkovi, S. J., Popovici, E. M., Spagnol, C., Faul, S., and Marnane, W P.,<br /> "Energy-efficient low duty cycle mac protocol for wireless body area networks,"<br /> IEEE Trans.Inf. Tech-nol. Biomed. 13(6):915925, 2009.<br /> [3]. Akkaya, K., and Younis, M., "A survey on routing protocols for wireless<br /> sensor net-works," Ad Hoc Networks 3(3):325349, 2005.<br /> [4]. IEEE P802.15.6/D01, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical<br /> Layer (PHY) Specif ications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)<br /> used in or around a body, 2010.<br /> [5]. Giuseppe Bianchi, "Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed<br /> coordination function," IEEE Journal on Selected Areas in Communications,<br /> Vol.18, Issue 3, March 2000.<br /> [6]. Kyung Sup Kwak, Sana Ullah, and Niamat Ullah, "An overview of IEEE<br /> 802.15.6 Standard".<br /> <br /> Abstract<br /> THROUGHPUT OF CLUSTER - BASED CSMA/CA OF IEEE802.15.6<br /> Since the elderly population is increasing all over the world, health care<br /> market keeps growing and there is a need for monitoring of health issues. A<br /> Body Area Network consists of wireless sensors attached on or inside human<br /> body for monitoring vital health related problems, i.e, Electro Cardio-gram,<br /> ElectroEncephalogram, Electronystagmogram etc. Vital data is recorded by<br /> each sensor and sent toward the coordinator. How-ever, due to the obstacle<br /> of human body, sensors can not always send the data to the coordinator. In<br /> addition, the life time of sensors meaning the reduction of transmit power of<br /> sensors should be considered. In the standard IEEE802.15.6, the<br /> transmission topology is indicated as 1 hop star plus one. In order to obtain<br /> the high throughput, reduce the transmit power of sensors, a clustering<br /> method is used. The sensor nodes are allocated to clusters and the<br /> <br /> <br /> <br /> 68 N.H. Hoµng,.. “ Th«ng l­îng cña cÊu h×nh m¹ng ph©n theo côm … IEEE 802.15.6”<br /> Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br /> <br /> performance of WBAN is analyzed based on the CSMA/CA protocol of<br /> IEEE802.15.6. We show that the cluster-based WBAN can reaches the higher<br /> throughput than the original WBAN, and there is a value of optimum clusters<br /> reaches the highest throughput.<br /> Keywords: Multiple hops, Body area network throughput of system CSMA/CA IEEE802.15.6.<br /> <br /> <br /> NhËn bµi ngµy 19 th¸ng 12 n¨m 2013<br /> Hoµn thiÖn ngµy 05 th¸ng 01 n¨m 2014<br /> ChÊp nhËn ®¨ng ngµy 14 th¸ng 01 n¨m 2014<br /> <br /> <br /> §Þa chØ: * Häc viÖn Kü thuËt Qu©n sù;<br /> ** Tr­êng §¹i häc Th«ng tin liªn l¹c.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè 29 , 02 - 2014 69<br />