Một mô hình giải tích mới đánh giá hiệu năng IEEE 802.15.4 MAC cho mạng cảm biến không dây đa bước

Bài viết đề xuất một mô hình giải tích mới cho mạng đa bước và khả thi tính toán khi phân hoạch thành hai mô hình chuỗi Markov gồm mô hình node và mô hình kênh. Hơn nữa, qua tiếp cận mới này, mô hình có thể mô hình hóa đồng thời cả hai cơ chế không phân kênh và phân kênh mà các tác giả trước chưa thực hiện được

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử MỘT MƠ HÌNH GIẢI TÍCH MỚI ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG IEEE 802.15.4 MAC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY ĐA BƯỚC Hồng Trọng Minh1* Tóm tắt: Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 tiêu chuẩn phổ biến, đóng vai trò quan trọng kiến trúc hạ tầng mạng truyền thông Internet vạn vật (IoT) Sử dụng mơ hình giải tích để phân tích đánh giá hiệu mạng có sức hút lớn nhà nghiên cứu triển khai hệ thống có ưu điểm tính tường minh đề xuất Phần lớn mơ hình phân tích IEEE 802.15.4 tác giả trước tập trung vào mạng đơn bước nhằm cho phép tính tốn khả thi Trong báo này, đề xuất mơ hình giải tích cho mạng đa bước khả thi tính tốn phân hoạch thành hai mơ hình chuỗi Markov gồm mơ hình node mơ hình kênh Hơn nữa, qua tiếp cận này, mơ hình mơ hình hóa đồng thời hai chế không phân kênh phân kênh mà tác giả trước chưa thực Các kết mô số chứng minh tính đắn mơ hình đề xuất đưa mối quan hệ hiệu quan trọng mạng cảm biến không dây gồm thơng lượng cơng suất tiêu thụ Từ khóa: Mạng cảm biến khơng dây, Đa bước, Mơ hình giải tích, Hiệu mạng ĐẶT VẤN ĐỀ Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 trở thành chuẩn truyền thông lớp phổ biến mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) số ưu điểm trội như: tiết kiệm lượng, tiêu chuẩn hóa có độ tin cậy cao [1] Tùy thuộc vào môi trường ứng dụng, tiêu chuẩn định nghĩa hai phương thức truy nhập sử dụng không phân khe thời gian (unslotted) phân khe thời gian (slotted) Trên thực tế, hiệu lớp điều khiển truy nhập MAC (Medium Access Control) mạng khơng dây phức tạp đóng vai trò tâm điểm ảnh hưởng tới hiệu mạng tác động trực tiếp lên chất lượng liên kết Vì vậy, nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu lớp MAC phát triển mạnh mẽ số năm gần Nhằm phân tích hoạt động IEEE 802.15.4 MAC, phần lớn các giả trước tái sử dụng mơ hình hóa từ IEEE 802.11 có tương đồng chế đa truy nhập tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Các tác giả [2] đề xuất mơ hình giải tích cho IEEE 802.15.4 điều kiện mạng đơn bước bão hòa Để phân tích chất lượng liên kết, mơ hình giải tích sử dụng chuỗi Markov chiều kết hợp với hàng đợi M/G/1/K đưa [3] Tuy nhiên, với điều kiện không bão hòa, mơ hình đưa kết phân tán có độ phức tạp lớn Theo hướng tiếp cận này, tác giả [4] không sử dụng hàng đợi để mở rộng điều kiện ràng buộc kết mô phân kỳ Hơn nữa, tất mơ hình tập trung vào phương thức hoạt động không phân khe phức tạp mở rộng cho điều kiện mạng đa bước [5] Nhằm phân tích hoạt động IEEE 802.15.4 mạng cảm biến đa bước không dây, tác giả [6] đề xuất mơ hình giải tích đánh giá hiệu phương thức khơng phân khe đánh giá mô Monter Carlo Từ đó, mơ hình [7] đề xuất cải thiện cách kết hợp với lý thuyết hàng đợi [3] để ước lượng thông lượng liên kết Tuy nhiên, tiếp cận hướng node dẫn tới độ phức tạp tính tốn ma trận chuyển đổi cao [8] Một hướng tiếp cận phân hoạch mơ hình đề xuất trước làm giảm độ phức tạp tính tốn sử dụng cho IEEE 802.11 [9] Độ xác mơ hình theo tiếp cận xác định qua xác suất dài hạn 74 H Tr Minh, “Một mơ hình giải tích mới… mạng cảm biến không dây đa bước.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ tình trạng kênh Vì vậy, ràng buộc mạng cảm biến không dây đa bước tượng node ẩn phản ánh thuận tiện qua trạng thái kênh Dựa nghiên cứu trước chúng tơi [10], mơ hình giải tích đề xuất cho mạng cảm biến không dây đa bước nhằm vượt qua hạn chế nghiên cứu trước Hiệu IEEE 802.15.4 MAC mô số so sánh với kết trước nhằm xác định tính đắn mơ hình đưa khuyến nghị Nội dung báo tổ chức sau: Sau phần mở đầu, mục tóm lược khía cạnh nguyên tắc truy nhập kênh IEEE 802.15.4; Mục trình bày chi tiết đặc điểm mơ hình giải tích đề xuất; Các kết mô thảo luận trình bày mục 4; Kết luận định hướng phát triển báo trình bày mục cuối NGUYÊN TẮC TRUY NHẬP KÊNH IEEE 802.15.4 2.1 Nguyên tắc truy nhập kênh IEEE 802.15.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 có hai chế độ hoạt động tùy thuộc vào ứng dụng gồm: truy nhập kênh khơng có hoa tiêu (chế độ khơng phân khe thời gian) chế độ có hoa tiêu (chế độ phân khe thời gian) Các chế độ hoạt động trình bày vắn tắt 2.1.1 Chế độ đa truy nhập cảm nhận sóng mang khơng phân khe Trong chế độ này, gói tin đến hàng đợi node, node khởi tạo tham số đếm lùi BE (back-off) với giá trị BE  min(2, macMinBE ) số lượng lần thử Bộ đếm back-off chọn số ngẫu nhiên khoảng giá trị (0, BE  1) giảm dần đơn vị chu kỳ đếm Sau node thực xong trình đếm lùi, node thực chế đánh giá kênh CCA (Clear Channel Assessment) để cảm nhận trạng thái kênh Nếu kênh rỗi, node thực việc gửi gói tin Nếu kênh bận, node thực thử lại giá trị đếm tăng thêm đơn vị Ta có giá trị khơng đếm lùi NB, NB  macMaxCSMABackoffs (ngầm định đơn vị) giá trị đếm lùi BE  aMaxBE (ngầm định đơn vị) Nếu số lần thử vượt giá trị tối đa, gói tin bị hủy bỏ 2.1.2 Chế độ đa truy nhập cảm nhận sóng mang phân khe Chế độ phân khe sử dụng siêu khung trình bày hình Hình Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 [1] Trong cấu trúc siêu khung, khoảng thời gian hai tín hiệu hoa tiêu BI (beacon interval) BI  aBaseSuperFrameDuration  BO ( symbols ) Chiều dài siêu khung SD  aBaseSuperFrameDuration  SO ( symbols ) Trong báo này, để đảm bảo tính tổng quát, giả thiết có chu kỳ tranh chấp siêu khung,  SO  15;0  BO  15 (SO-Superframe Order bậc siêu khung, BO- Backoff Order bậc đếm lùi) Ta có, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 49, 06 - 2017 75 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử aBaseSuperFrameDuration  aBaseSlotDuration aNumberSuperFrameSlots ( symbols ) Trong đó, aBaseSlotDuration   aUnitBackoffPeriod ( symbols ) aUnitBackoffPeriod  20( symbols ) Trước node truyền gói tin, node khởi tạo số lần thử lại NB, số mũ back-off NE giá trị cửa sổ tranh chấp CW (Contention Window) Trong đó, BE  min(2, macMinBE ) khoảng thời gian khởi tạo trước đánh giá kênh Thời gian phân khe chu kỳ đếm lùi tất kiện đầu xảy biên khe thời gian Chế độ phân khe sử dụng hai tiến trình đánh giá kênh CCA để cảm nhận kênh thay tiến trình chế độ khơng phân khe ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH GIẢI TÍCH Xem xét mạn cảm biến khơng dây đa bước dựa chuẩn IEEE 802.15.4 với node đặt ngẫu nhiên theo phân poisson hai chiều (mật độ  ) Xác suất tìm thấy node miền diện tích A i   A e A i! (1) Giả thiết tất node có bán kính miền truyền dẫn (Rt), bán kính miền cảm nhận (Rs) xác suất phát gói tin (p) tương tự (mạng đồng nhất) Không tính tổng quát, ta giả thiết bán kính truyền dẫn bán kính cảm nhận nhau, Rt  Rs  R  , số lượng node trung bình miền cảm nhận N   R   Chúng đề xuất mơ hình giải tích cho trường hợp khơng phân khe mở rộng cho trường hợp phân khe 3.1 Mơ hình trạng thái kênh Trong thủ tục đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA, node cảm nhận kênh xung quanh node khoảng thời gian trước truyền gói tin Trạng thái kênh rỗi trạng thái xác định thông qua xác suất dài hạn hoạt động node chiếm kênh Xác suất chiếm kênh định nghĩa sau: p  p  Prob{ kênh rỗi khe thời gian} Đặt PIC xác suất kênh rỗi Ta có, p   PCI Các trạng thái kênh biểu diễn qua chuỗi Markov hình Hình Mơ hình trạng thái kênh Mơ hình trạng thái kênh gồm trạng thái idle, success fail Trạng thái idle trạng thái khơng có truyền dẫn khe thời gian, thời gian tồn Ti Trạng thái success trạng thái có truyền dẫn thành công, thời gian tồn Ts Trạng thái fail trạng thái truyền dẫn bị thất bại, xảy có nhiều node phát 76 H Tr Minh, “Một mơ hình giải tích mới… mạng cảm biến khơng dây đa bước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ khe thời gian; thời gian kênh trạng thái T f Để thuận tiện, giả sử khoảng thời gian truyền gói tin bội lần chiều dài khe thời gian Khi ấy, khoảng thời gian biểu diễn sau: Ts  Tdata  Tack _ timeout  Tack  IFS T f  Tdata  Tack _ timeout  Tack (2) Ti  aUnitBackoffPeriod  20( symbols ) Tdata , Tack , Tack _ timeout , IFS thời gian truyền gói tin data, gói tin xác nhận ack, thời gian đợi gói tin xác nhận khoảng thời gian liên khung Khoảng thời gian liên khung quy định theo chuẩn 802.15.4 [1] Theo giả thiết, xác suất tồn N node vùng truyền dẫn (bán kính Rt) xung quanh node là: ( R )i e   R N ie N p (i )   i! i! (3) Các xác suất chuyển đổi trạng thái chuỗi Markov minh họa hình Pii , Pif , Pis xác suất chuyển đổi từ trạng thái idle sang idle, idle sang fail idle sang Succ tương ứng Các xác suất chuyển đổi lại Vì vậy, Pii  Pif  Pis  Đặt  i ,  f ,  s xác suất trạng thái dừng kênh trạng thái idle, fail, Succ tương ứng Khi đó, xác suất dừng xác định sau:  f  Pif  i ;  s  Pis i Từ đó, ta xác định xác xuất giới hạn mà kênh cảm nhận rỗi khe thời gian là: PCI   iTi Ti   iTi   sTs   f T f Ti  PisTs  Pif T f (4) Vì vậy, p  Ti Ti  PisTs  Pif T f (5) Pii xác suất kênh trạng thái rỗi idle khe thời gian, hay xác suất khơng có node miền cảm nhận node x thực phát gói tin khe thời gian Ta có:  Pii   (1  p)i i 0 N i  N  [(1  p) N ]i  (1 p) N  pN e  e e  e  pN i! i ! i 0 (6) Pis xác suất kênh chuyển từ trạng thái idle sang succ, hay xác suất node x gửi thành công gói tin, đồng thời node khác miền cảm nhận không phát:  Pis   ip(1  p)i1 i 1 N i N e  pNe  pN i! (7) Pif xác suất node gửi gói tin bị xung đột với gói tin node khác gửi thời điểm Pif   Pis  Pii   pNe  pN  e  pN (8) Khi đó: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 77 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử p  Ti Ti  ( pNe  pN )Ts  (1  pNe  pN  e  pN )T f (9) 3.2 Mơ hình trạng thái node Trạng thái node mô tả chuỗi Markov trạng thái hình Trạng thái chờ Wait trạng thái node trì hỗn node khác thực back-off đánh giá kênh Khoảng thời gian node trạng thái Tw Trạng thái thành công Succ trạng thái node truyền thành cơng gói tin, khoảng thời gian node trạng thái Ts Trạng thái thất bại Fail trạng thái node phát gói tin data gặp phải xung đột từ node phát khe thời gian từ truyền dẫn từ node nằm vùng node ẩn, khoảng thời gian node trạng thái T f Ta nhận thấy Tw  Ti Hình Mơ hình trạng thái node Các xác suất chuyển đổi trạng thái Wait sang Wait, Wait sang Succ, Wait sang Fail kí hiệu Pww , Pws , Pwf tương ứng Các xác suất chuyển đổi khác biểu diễn hình Pww xác suất node trạng thái chờ, hay xác suất node khơng gửi gói tin khe thời gian Pww   p (10) Pws xác suất node thực truyền dẫn thành công đến node khác nằm vùng truyền dẫn Để tính tốn xác xác suất này, hoạt động truyền tin từ node gửi A đến node nhận B minh họa hình Xem xét hai node nằm miền cảm nhận cách khoảng cách x Miền B( x) gọi miền ẩn node A thuộc miền cảm nhận node B không thuộc miền cảm nhận node A Miền ẩn phụ thuộc vào khoảng cách hai node A B tính sau: B( x)   R  R q ( 2xR ) q (t )  arccos(t )  t  t (11) Pws ( x)  Pr node x phat khethoi gian  Pr node y khong phat 1khe  Pr khong co nodetrong mien cam nhan cua node x phat cung khe  Pr khong co node naotrong mien an cua node x phat thoi giantonthuong  P1  P2  P3  P4 ( x) 78 H Tr Minh, “Một mơ hình giải tích mới… mạng cảm biến khơng dây đa bước.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Minh họa miền node ẩn Trong đó:  P1  p; P2   p; P3   i 0 (1  p)i N i e  N  e  pN i! (12) Và khoảng thời gian tổn thương truyền dẫn là: Tvp  Tdata  Tack _ timeout  Tack (13) p4 ( x) xác suất i node miền ẩn node x khơng phát tính sau:  p4 ( x)   i 0 (1  p)i ( B( x))i e   B ( x )  e  p B ( x ) i! (14) T Từ đó, P4 ( x)  ( p4 ( x)) vp Vùng diện tích ẩn phụ thuộc vào khoảng cách node, node phân bố theo hàm mật độ xác suất f ( x)  x Giả sử node gửi lựa chọn node xung quanh node đích với xác suất Do đó, 1 Pws   f ( x) Pws ( x)dx   xp(1  p)e  pN e  p B ( x )Tvp dx (15) Pwf   Pww  Pws xác suất node gửi gói tin bị xung đột Đặt  w ,  s ,  f xác suất trạng thái dừng mơ hình trạng thái node Khi ấy, tồn mối quan hệ  w   s   f  1; Pww  Pws  Pwf  (16) ;  s  Pws w ;  f  Pwf  w  Pww (17) Suy ra: s  Từ phương trình (8) (15) ta xác định mối quan hệ p theo  3.3 Mở rộng cho chế phân khe Cơ chế phân khe sử dụng cấu trúc siêu khung gồm hai khoảng thời gian chu kỳ truy nhập tranh chấp CAP (Contention Access Period) chu kỳ tư tranh chấp CFP (Contention Free Period) Tuy nhiên, CFP phần tùy chọn tiêu chuẩn nên chúng tơi tính tốn riêng cho phần CAP Xác suất node phát khe thời gian p tính theo xác suất chạy dài kênh rỗi khe thời gian liên tiếp (do hoạt động thực lần CCA liên tiếp sau backoff chế) Vì vậy: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 79 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử p    Pr kenhidletrong khe cua phanCAP  Ti p      Ti  Pis Ts  Pif T f    (18) Các xác suất lại xác định tương tự trường hợp không phân khe KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Thơng lượng bão hòa mạng tính theo xác suất dài hạn mơ hình trạng thái node sau: Th  Ep   s Ep  Pws  Tw   w  Ts   s  T f   f Tw  Ts  Pws  T f  Pwf (19) Trong đó, Ep kích thước tải trọng gói tin liệu data Như giả thiết từ trước, Ep chuẩn hóa theo khoảng thời gian back-off đơn vị Năng lượng tiêu tốn trung bình cho bit truyền thành cơng tính tốn theo [11] đảm bảo tính hợp lý Vì vậy, chúng tơi kế thừa áp dụng cho mơ hình đề xuất E avg  Ew * Pww  Es * Pws  E f * Pwf Pws * 250*103 (20) Với Es , Ew , E f lượng tiêu tốn cần để node thực truyền thành cơng gói tin, thực back-off, đánh giá kênh truyền thất bại gói tin tương ứng Các giá trị khác chế khác Với chế khơng phân khe Ta có, Ew  Ecca  Eidle Es  2* Etx  Erx  Eidle (21) E f  Etx  Erx  Eidle Với chế phân khe Ta có, Ew  2* Ecca  Eidle Es  2* Etx  Erx  Eidle (22) E f  Etx  Erx  Eidle Trong đó, Erx , Etx , Ecca , Eidle lượng tiêu tốn node thực nhận gói tin, phát gói tin, thực đánh giá kênh node trạng thái nhàn rỗi back-off tương ứng Theo [11], ta có Erx  40, Etx  30, Ecca  40, Eidle  0.8 mW Từ cơng thức tính thơng lượng lượng tiêu tốn, ta nhận thấy thông số hiệu môi trường đa bước phụ thuộc vào xác suất node phát khe thời gian số node trung bình vùng cảm nhận node Hình biểu diễn phụ thuộc thông lượng với xác suất node phát khe thời gian (xác suất persistent phụ thuộc vào đặc tả giao thức CSMA) với số lượng node trung bình có vùng cảm nhận node Kết thông lượng bão hòa đạt phù hợp với tính tốn [6], thông lượng đạt đỉnh trước giảm xuống vào vùng bão hòa Và quan sát thấy thông lượng đạt đỉnh xác suất 80 H Tr Minh, “Một mơ hình giải tích mới… mạng cảm biến không dây đa bước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ phát thấp (dưới 0.1) Điều chứng tỏ, mạng bão hòa, tất node tham gia tranh chấp truy nhập vào kênh thơng lượng mạng cao mà xác suất thấp Điều hồn tồn hợp lí 0.045 N=6 N=9 N=12 N=15 0.04 0.035 throughput 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 p-persistent 0.7 0.8 0.9 Hình Thơng lượng mạng thay đổi theo xác suất persistent số lượng node vùng cảm nhận Khi số lượng node trung bình vùng cảm nhận thay đổi làm cho thông lượng mạng thay đổi theo đáng kể Khi số lượng node cao, thông thượng mạng xấp xỉ (đi vào vùng bão hòa), xu hướng thay đổi biểu diễn hình unslotted 0.14 0.12 throughput 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 10 20 30 0.8 numbers of node 0.6 0.4 0.2 p-persistent Hình Biểu diễn 3D quan hệ thơng lượng đặc tính phát gói tin số lượng node Xác suất phát node phụ thuộc vào đặc tính chế quyền phát gói tin IEEE 802.15.4 mơ tả hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 81 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 0.14 N=6 N=9 N=12 N=15 transmission probabilities 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 p-persistent 0.7 0.8 0.9 Hình Mối quan hệ xác suất phát xác suất persistent Để tính tốn lượng tiêu tốn, ta nhận thấy lượng cần để truyền bit tăng mà xác suất phát node tăng (tranh chấp tăng cao) Năng lượng dành cho việc back-off, đánh giá kênh có xu hướng tăng cao trước thực phát gói tin Năng lượng gia tăng rõ rệt số lượng node vùng cảm nhận node (tham gia tranh chấp) tăng Các kết thể hình 0.18 N=6 N=9 N=12 N=15 0.16 average energy (mW) 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 p-persistent 0.7 0.8 0.9 Hình Sự biến động lượng tiêu tốn 0.045 unslotted slotted 0.04 0.035 throughput 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 p-persistent (N=6) 0.7 0.8 0.9 Hình Sự biến động lượng tiêu tốn 82 H Tr Minh, “Một mơ hình giải tích mới… mạng cảm biến không dây đa bước.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Các kết hiệu mạng mặt định lượng hai chế thể khác biệt đáng kể thể hình Về thơng lượng, ta nhận thấy, số lượng node vùng cảm nhận, thông lượng cực đại xảy giá trị xác suất phát khác không đáng kể, giá trị thông lượng đạt cực đại xấp xỉ Nhưng sau đạt cực đại, thông lượng mạng chế phân khe có tách biệt với thơng lượng mạng chế không phân khe Cơ chế phân khe cho dải làm việc rộng lớn Đối với lượng tiêu tốn trung bình cho việc gửi bit thành cơng lại có cải thiện đáng kể sử dụng chế phân khe Ta nhận thấy lượng tiêu tốn thấp hẳn so với chế không phân khe Kết có ý nghĩa mạng sử dụng thiết bị có kích thước nhỏ hoạt động dựa lượng nguồn hạn chế 0.045 S.Sen and S.De model Our model 0.04 0.035 throughput 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 p-persistent (N=6) 0.7 0.8 0.9 Hình 10 Mô đối sánh với nghiên cứu trước Nhằm xác minh tính đắn mơ hình đề xuất, sử dụng phương pháp đối sánh với nghiên cứu trước [11] Mặc dù khác biệt hướng tiếp cận, kết mô thông lượng cho thấy phù hợp định hình dạng đường cong tham số đặc trưng hình 10 KẾT LUẬN Trong báo này, mô hình giải tích đề xuất để mơ hình hóa lớp điều khiển truy nhập mơi trường tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 ứng dụng mạng cảm biến không dây đa bước Mơ hình đề xuất xây dựng hai mơ hình phân hoạch mơ hình node mơ hình kênh nhằm giảm độ phức tạp tính tốn có khả mở rộng với ràng buộc khác Tính xác mơ hình xác minh đối sánh thông qua mô số Mô hình đề xuất có khả tính tốn đồng thời hai chế truy nhập không phân khe phân khe Các kết mô số mối quan hệ quan trọng mạng cảm biến không dây tham số thông lượng lượng tiêu tốn Các nội dung phát triển hướng vào mục tiêu mô kiện rời rạc với đặc tính lưu lượng khác mạng cảm biến không dây đa bước dựa chuẩn IEEE 802.15.4 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE Standard 802.15.4, “Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LRWPANs),” WG802.15 - Wireless Personal Area Network Working Group, (2003) [2] Park TR, Kim TH, Choi JY, Kwon WH, “Throughput and energy consumption analysis of IEEE 802.15.4 slotted CSMA/CA,” Elect Letter, vol 41, no 18, (2005) [3] J Misic, V Misic, S Shafi, “Performance of IEEE 802.15.4 beacon enabled PAN with uplink transmissions in non-saturation mode-access delay for finite buffers,” First International conference on Broadband Networks, (2004), pp 416-425 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 83 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [4] Zhijia Chen, Chuang Lin, Hao Wen, Hao Yin, “An analytical model for evaluating IEEE 802.15.4 CSMA/CA protocol in Low-rate wireless application,” 21st International conference on advanced information networking and applications workshops (AINAW’07) IEEE, Vol 2, (2007) pp 899 - 904 [5] Zhong Chu, Wei Sun, Jianping Wang, “Research on MAC layer communication performance model of wireless sensor networks for intelligent transportation,” 22nd International Conference on Automation and Computing (ICAC), 2016 [6] M Goyal, W Xie, H Hosseini, “IEEE 802.15.4 modifications and their impact,” Mobile Information Systems 7, (2011), pp 69 – 92 [7] P D Marco, P Park, C Fischione, K H Johansson, “Analytical modeling of multihop IEEE 802.15.4 networks,”, IEEE Transactions on vehicular technology, vol 61, no 7, (2012), pp 3191 – 3208 [8] Keith Brigss, Allwright, David, Dellar and Paul, “Sensitivity of Markov chain for wireless protocols,” European Study Group with Industry report, (2009) [9] I Mustapha, J D Jiya, B U Musa, “Modeling and analysis of collision avoidance MAC protocol in multihop wireless ad hoc network,” International Journal of Communication Networks and Information Security, vol 3, no.1, (2011), pp 48-56 [10] Trong-Minh Hoang, Minh Hoang, “A Novel Analytical Model to Identify Link Quality in 802.11 Mesh Networks,” IEEE Conference Publications, Computational intelligence, Communication Systems and Networks, (2012), pp 129 [11] S Sen and S De, “IEEE 802.15.4 multihop forwarding throughput analysis in presence of hidden/exposed terminals,” Proceeding International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications, Recife, Brazil, (2010), pp – ABSTRACT A NOVEL ANALYTICAL MODEL TO VALIDATE PERFORMANCE OF IEEE 801.15.4 MAC BASED ON MULTI-HOP WIRELESS SENSOR NETWORKS Wireless Sensor Networks based on the IEEE 802.15.4 standard play a key role in the communications infrastructure of the Internet of Things architecture Task of analysis and performance evaluation have been attracted a lot of theoretical and experiment researchers because it is considered as the initial step to enhance the network performance in varied application environment In which, the analytical model approach can provide a clarity solution with the concreted inputs Most of the previous model of the IEEE 802.15.4 is proposed for single-hop communication network to ensure the reasonable complexity of the analytic models In this paper, we propose a novel analytical model to analyze and evaluate performance the IEEE 802.15.4 standard through two Markov chain models for node and channel around node to reduce computational complexity is proposed The proposed model can be applied to two modes of unslotted and slotted operation The numerical simulation results are given to verify the correctness of the proposed model and demonstrate the trade-off relationship between throughput and energy consumption in Wireless Sensor Networks Keywords: Wireless Sensor Network; Multi-hop communication; Analytical model; Network performance Nhận ngày 06 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2017 Địa chỉ: * 84 Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng; Email: hoangtrongminh@ptit.edu.vn H Tr Minh, “Một mơ hình giải tích mới… mạng cảm biến không dây đa bước.” ... buộc mạng cảm biến không dây đa bước tượng node ẩn phản ánh thuận tiện qua trạng thái kênh Dựa nghiên cứu trước chúng tơi [10], mơ hình giải tích đề xuất cho mạng cảm biến khơng dây đa bước nhằm... dụng hai tiến trình đánh giá kênh CCA để cảm nhận kênh thay tiến trình chế độ khơng phân khe ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH GIẢI TÍCH Xem xét mạn cảm biến không dây đa bước dựa chuẩn IEEE 802.15.4 với node đặt... tốn 82 H Tr Minh, Một mơ hình giải tích mới mạng cảm biến khơng dây đa bước. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Các kết hiệu mạng mặt định lượng hai chế thể khác biệt đáng kể thể hình Về thơng lượng,