Đề xuất phương pháp chia tầng cho mạng WBAN để tăng thông lượng

Trong nghiên cứu này, nhằm đề xuất phương pháp chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm để tránh ảnh hưởng 2 lần bởi việc truyền một gói tin, vì thế có thể tăng thông lượng của hệ thống, xét mô hình chia tầng trong điều kiện có lỗi bít, vì thế các công thức tính lỗi bít được đưa vào để phân tích thông lượng của hệ thống. Thông lượng của các phương pháp điều khiển được so sánh khi các tham số hệ thống thay đổi và thông lượng của phương pháp chia tầng đề xuất cao hơn nhiều so với phương pháp phân cụm.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(112).2017-Quyển 55 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CHIA TẦNG CHO MẠNG WBAN ĐỂ TĂNG THÔNG LƯỢNG PROPOSAL OF HIERACHICAL CLUSTERING FOR HIGH THROUGHPUT OF WBAN Nguyễn Như Thắng1, Nguyễn Huy Hoàng2, Phạm Thanh Hiệp2 Trường Đại học Thông tin Liên lạc; nhuthang@gmail.com Học viện Kỹ thuật Quân sự; hoangnh@mta.edu.vn, hieppt@mta.edu.vn Tóm tắt - Việc phân cụm cho mạng vô tuyến quanh thể (WBAN) kết hợp với phương pháp điều khiển truy cập nghiên cứu để nâng cao thông lượng hệ thống Tuy nhiên, việc truyền gói tin từ cảm biến thành viên tới cụm trưởng (CH), truyền từ CH tới điều phối ảnh hưởng đến toàn cảm biến cụm, làm cảm biến chịu ảnh hưởng lần việc truyền gói tin từ cảm biến thành viên tới điều phối Trong nghiên cứu này, đề xuất phương pháp chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm để tránh ảnh hưởng lần việc truyền gói tin, tăng thơng lượng hệ thống Chúng tơi xét mơ hình chia tầng điều kiện có lỗi bít, cơng thức tính lỗi bít đưa vào để phân tích thơng lượng hệ thống Thông lượng phương pháp điều khiển so sánh tham số hệ thống thay đổi thông lượng phương pháp chia tầng đề xuất cao nhiều so với phương pháp phân cụm Abstract - In order to improve throughput of wirelessbody area networks (WBAN), the cluster-based topology was studied However, the transmission of a packet from a sensor to the cluster header (CH) and from CH to coordinator affects all sensors in the cluster; therefore all sensors are affected twice by transmission of a packet from a sensor to the coordinator In this research, we propose hierarchical clustering for WBAN to avoid being affected twice by transmission of a packet, thereby improving the throughput of the system We consider the hierarchical clustering with bit error rate (BER), and then the equation of BER is added to analyze the throughput Finally, the throughput of all access control methods is compared when every parameter changes The result shows that the throughput of proposed scheme is much higher than that of cluster-based WBAN system Từ khóa - WBAN; chia tầng cho mạng WBAN phân cụm; ảnh hưởng lần việc truyền gói tin; điều khiển truy cập; tỷ lệ lỗi bít Key words - WBAN; hierarchical clustering for WBAN; double effect of transmission of one packet; access control; bit error rate Đặt vấn đề Ý tưởng mạng thể WBAN đề xuất Van Dam cộng từ năm 2001 năm gần nhận quan tâm nhà khoa học Ngun nhân thách thức khó khăn công nghệ mà WBAN yêu cầu [1], [7] Để thực hóa WBAN yêu cầu phát triển nhiều lĩnh vực: chế tạo cảm biến, công nghệ vật liệu, xử lý tín hiệu, cơng nghệ thơng tin Trong [8] tác giả trình bày cơng thức tốn học để xác định giới hạn thơng lượng độ trễ theo lý thuyết mạng theo chuẩn IEEE 802.15.6 Các tác giả tập trung vào việc tối ưu hóa kích thước gói tin xác định biên cho mạng IEEE 802.15.6 với ứng dụng WBAN khác Họ giả thiết mạng khơng có tranh chấp khơng có phân biệt mức ưu tiên (UPs) Các tác giả [9] nghiên cứu thông lượng lý thuyết tối đa giới hạn độ trễ tối thiểu giao thức IEEE 802.15.6 CSMA/CA cho kênh lý tưởng khơng có lỗi truyền dẫn với tốc độ dải tần khác Trong [10] tác giả cung cấp mơ hình giải tích đơn giản xác để đánh giá thơng lượng, lượng tiêu thụ độ trễ giao thức CSMA/CA điều kiện kênh bão hòa có tổn hao với mức ưu tiên khác nhau, họ kết luận cảm biến có mức ưu tiên thấp khó truy cập mơi trường cảm biến có mức ưu tiên cao Trong [11] tác giả phát triển mơ hình giải tích cho việc đánh giá hiệu chuẩn IEEE 802.15.6 điều kiện bão hòa Họ tính tốn thời gian đáp ứng trung bình khung liệu mạng Trong [12] tác giả phát triển mơ hình DTMC để phân tích độ tin cậy thông lượng mạng WBAN dựa chế CSMA/CA theo chuẩn IEEE 802.15.6 điều kiện bão hòa Tuy nhiên nghiên cứu tập trung vào mô hình đơn chặng cho WBAN mà chưa nghiên cứu mơ hình mở rộng cho mạng WBAN Nhóm nghiên cứu chúng tơi đề xuất mơ hình phân cụm cho WBAN [13], có nghiên cứu cụ thể cho mơ hình phân cụm dựa chuẩn IEEE 802.15.6 [14], [16] Các nghiên cứu phân cụm cho mạng WBAN cải thiện thông lượng cho hệ thống, cảm biến CH truyền tin khe thời gian, việc truyền tin từ cảm biến tới điều phối ảnh hưởng lần tới cảm biến khác: Một lần từ cảm biến tới CH lần từ CH tới điều phối Vì thế, nghiên cứu chúng tơi đề xuất phương pháp chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm, mà theo đó, cảm biến truyền tin khe thời gian CH truyền tin khe thời gian khác Phương thức CSMA/CA áp dụng cho cảm biến CH để truyền tin, kênh truyền giả định có phát sinh lỗi bít Bài báo trình bày phương pháp chia tầng cho mạng WBAN phân cụm, phương pháp điều khiển truy cập, phân tích đánh giá thơng lượng thơng qua cơng thức tốn học Cuối kết tính tốn thơng lượng tham số hệ thống thay đổi, qua đánh giá ảnh hưởng tham số hệ thống đến thông lượng hệ thống WBAN Mơ hình chia tầng cho mạng WBAN phân cụm 2.1 Mơ hình hệ thống Mơ hình chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm thể hình Trước tiên, tương tự việc phân cụm, toàn cảm biến WBAN phân thành nhiều cụm, cụm có CH Các cảm biến cụm truyền thông tin cho CH mình, CH truyền thơng tin cho điều phối Trong phương pháp đề xuất, 56 Nguyễn Như Thắng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Thanh Hiệp cảm biến thành viên CH truyền tin khe thời gian, hay siêu khung Còn phần này, đề xuất phương pháp truyền tin cho hệ thống WBAN phân cụm để tránh ảnh hưởng lần truyền gói tin lên toàn cảm biến cụm Ý tưởng phương pháp cảm biến thành viên truyền tin khe thời gian CH truyền tin khe thời gian khác Mô hình gọi mơ hình chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm Trong mơ hình chia tầng, cảm biến thành viên phép truyền tin khe thời gian thứ nhất, lúc CH nhận thông tin lưu vào đệm Trong khe thời gian thứ 2, CH truyền thông tin tới điều phối Để đơn giản, thời gian khe thứ khe thứ xem Việc truyền tin toàn cảm biến thành viên CH sử dụng phương thức CSMA/CA chuẩn IEEE 802.15.6 Trong đó, PER xác suất lỗi gói tin tính bằng: PER = − (1 − BER E )N [P ] code (2) với BER tỷ lệ lỗi khối liệu mã hoá có chiều dài N code , E[P] kích thước tải Theo chuẩn IEEE 802.15.6, mã kênh quy định cho băng thơng sử dụng BCH, tỷ lệ lỗi khối liệu BER tính theo công thức sau [17]: BER = N code ⎛ N code ⎞ j N code − j (3) ⎜ ⎟Pmod (1 − pmod ) j ⎠ j =Tcode +1 ⎝ ∑ với pmod xác suất lỗi bít sau giải điều chế Phương thức điều chế sử dụng cho băng tần π/2-DBPSK, Pmod = e − SNR [18] Ở đây, mã BCH(63,51) áp dụng theo quy định IEEE 802.15.6 nên N code = 63, K code = 51 lực giải mã thành cơng Tcode = [17] Vì thời gian truyền tin cảm biến CH giảm 1/2 mơ hình chia tầng, xác suất truy cập CH tính theo cơng thức: s τ c = Psuc Hình Mơ hình chia tầng cho WBAN phân cụm 2.2 Các phương pháp điều khiển truyền tin Việc điều khiển truyền tin mơ hình chia tầng cho WBAN phân cụm tương tự việc điều khiển cho mơ hình phân cụm khơng chia tầng [14], [16] Trước hết, phương pháp chia tầng kết hợp với phương pháp khơng điều khiển giải thích sau: Phương pháp không điều khiển phương pháp khơng có điều khiển truyền tin cụm Các cảm biến thành viên cụm truyền tin lúc Bên cạnh đó, phương pháp chia tầng, cảm biến thành viên yêu cầu truyền tin khe thời gian thứ Vì thế, cảm biến thành viên phương pháp phân cụm khơng điều khiển truyền tín hiệu tới CH lúc khe thời gian thứ Tuy nhiên, việc truyền tin cảm biến bị ảnh hưởng cảm biến cụm 1/2 số cảm biến cụm lân cận Vì thế, cảm biến thành viên truyền tín hiệu tới CH thành cơng cảm biến thành viên khác cụm, 1/2 số cảm biến thành viên cụm lân cận khơng truyền tín hiệu Ngồi ra, kênh truyền có lỗi nghiên cứu báo Vì thế, gọi số lượng cảm biến cụm N s , xác suất truy cập cảm biến vào khe thời gian τ xác suất truyền thành cơng tồn cảm biến cụm tính sau [14]-[16]: Psuc c = N sτ (1 − τ )2 N s −1 (1 − P E R ) (1) τ (4) với Rcode = K code tỷ lệ mã hoá Ts, T, Tc thời gian khe CSMA, thời gian trung bình truyền gói tin thời gian xung đột [16] Bên cạnh phương pháp khơng điều khiển, phương pháp điều khiển hồn tồn hay phương pháp tái sử dụng siêu khung [16] tránh việc cụm lân cận truyền tin thời gian Vì thế, việc truyền tín hiệu cảm biến thành viên bị ảnh hưởng việc truyền tín hiệu cảm biến thành viên khác cụm, mà không bị ảnh hưởng việc truyền tín hiệu thành viên cụm lân cận Tuy nhiên, thời gian truyền tín hiệu cụm lại bị thay đổi, nhỏ nhiều so với thời gian khe thứ Nếu gọi số lượng siêu khung tái sử dụng k thời gian truyền tin cụm Trong trường hợp điều khiển hoàn toàn 2k k = Nc với Nc số lượng cụm Vì thế, xác suất truyền thành cơng xác suất truy cập phương pháp tái sử dụng siêu khung phương pháp điều khiển hoàn toàn biển diễn tương tự phương pháp không điều khiển: Pssu c = N sτ (1 − τ s τ c = Psuc )N s −1 (1 − PER ) (5) τ 2k Trong khe thời gian thứ 2, CH truyền tin tới điều phối, lúc toàn cảm biến thành viên cụm giữ im lặng Vì thế, việc truyền tin CH điều phối xem mạng hình đơn chặng, nên xác suất tính mạng hình đơn chặng [14] xét thêm tỷ lệ lỗi bít: Psuc c = N cτ c (1 − τ c ) N c −1 (1 − PER ) (6) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(112).2017-Quyển Pidc le = (1 − τ c ) 57 Nc Vì thời gian khe thứ thời gian khe thứ 1/2, nên thông lượng cho hệ thống chia tầng tương tự hệ thống đơn chặng [14] giảm lần xét tỷ lệ mã hóa: T hro = c Pscu c R c o d e E [ P ] Pidc le T s + Psuc c T + P fac il T c c (7) c Với Pfail = − Psuc − Pidle Kết tính tốn 3.1 Thiết lập hệ thống Phương pháp chia tầng đề xuất phân tích trên, phần chúng tơi tiến hành tính tốn thơng lượng để đánh giá hiệu phương pháp chia tầng Các tham số hệ thống biểu diễn bảng 1, tham số khác xem thêm tài liệu [16] Bảng Các tham số hệ thống TT Nội dung Kết SNR [dB] 10 Tổng số cảm biến (N) 100 Số lượng cụm (Nc) 25 Kích thước tải (E[P]) [byte] 100 Xác suất truy cập (τ) 0,3 3.2 Ảnh hưởng SNR Các tham số bảng áp dụng trường hợp SNR thay đổi từ 1[dB] tới 10[dB] kết biểu diễn kết hình 2, thay đổi thơng lượng SNR thay đổi phương pháp: chia tầng không chia tầng tương tự Khi SNR thấp, thông lượng thấp PER ≈ thông lượng tăng SNR tăng, đặc biệt thông lượng bão hoà SNR lớn 7, lúc PER ≈ Tuy nhiên, thông lượng phương pháp phân cụm chia tầng cao nhiều thông lượng phương pháp phân cụm không chia tầng tất số SNR 3.3 Ảnh hưởng số lượng cụm Hình Ảnh hưởng SNR thơng lượng Hình Ảnh hưởng số lượng cụm thông lượng Số cụm thay đổi từ đến N/2, thông số khác cố định bảng thơng lượng hệ thống thể hình 3.4 Ảnh hưởng xác suất truy nhập Các tham số tổng kết bảng xác suất truy cập (τ) thay đổi từ 0,001 tới 0,2 Kết tính tốn thơng lượng miêu tả hình Như biểu diễn hình 4, thơng lượng phương pháp chia tầng tăng đáng kể so với phương pháp không chia tầng Trong phương pháp chia tầng, phân cụm không điều khiển thể ưu điểm có giá trị thơng lượng cao τ bé Vì lúc cảm biến truyền thơng tin ít, việc xung đột CH khơng đáng kể Tuy nhiên, τ tăng lên phương pháp tái sử dụng siêu khung thể ưu điểm có giá trị thơng lượng cao phương pháp phân cụm khơng điều khiển τ tăng số lượng siêu khung tái sử dụng k cần tăng lên để thông lượng hệ thống đạt giá trị lớn Hình Ảnh hưởng xác suất truy nhập thông lượng 58 Nguyễn Như Thắng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Thanh Hiệp 3.5 Ảnh hưởng tổng số cảm biến Nếu số lượng cụm cố định, số lượng cảm biến thành viên tăng tổng số cảm biến tăng gây xung đột CH số lượng cảm biến thành viên trở nên lớn Điều không sát với thực tế, số lượng cụm thay đổi theo số lượng cảm biến Nc = N/5 (ảnh hưởng cụ thể số lượng cụm phân tích trên) Tổng số cảm biến thay đổi từ 100 tới 200 thông số khác tổng kết bảng Kết tính tốn thể hình Tương tự ảnh hưởng số lượng cụm xác suất truy cập, thông lượng phương pháp chia tầng cao so với phương pháp không chia tầng Thông lượng phương pháp điều khiển khác phương pháp chia tầng tương tự trên, tổng số cảm biến tăng lên số lượng cụm tăng lên Vì thế, giải thích ảnh hưởng số lượng cụm, phương pháp phân cụm khơng điều khiển có ưu khơng phải chia khe thời gian cho cụm khe thời gian thứ Assistive Technology for Life and Safety Critical Applications: Standards, Challenges and Opportunities”, Qatar Mobility Innovations Center (QMIC), Qatar Science and Technology Park (QSTP), PO Box 210531, Doha, Qatar Published, May 2014 [2] F Dijkstra, “Requirements for BAN and BAN standardization from the point of view of gaming”, In BODYNETS2012, 7th Int Conf on Body Area Networks, Sept 2012 [3] R Cavallari, F Martelli, R Rosini, and C Buratti, “A Survey on Wireless Body Area Networks: Technologies and Design Challenges”, vol 16, Issue 3, 2014 [4] O Lara and M Labrador, “A survey on human activity recognition using wearable sensors”, IEEE Commun Surveys Tutorials, vol 15, no 3, 2013, pp 1192-1209 [5] B Latre, B Braem, I Moerman, C Blondia, and P Demeester, “A survey on wireless body area networks”, Wireless Netw., vol 17, no 1, Jan 2011, pp 1-18 [6] S Sudevalayam and P Kulkarni, “Energy harvesting sensor nodes: Survey and implications”, IEEE Commun Surveys Tuto- rials, vol 13, no 3, 2011, pp 443-461 [7] I Ha, “Technologies and research trends in wireless body area networks for healthcare: A systematic literature review”, Hindawi Publishing Corporation Int J Distributed Sensor Networks, Jan 2015 [8] S Ullah and K S Kwak, “Throughput and delay limits of IEEE 802.15.6”, Proc the IEEE Wireless Commun and Netw Conf (WCNC ’11), Mar 2011, pp.174-178 [9] S Ullah, M Chen, and K S Kwak “Throughput and DelayAnalysis of IEEE 802.15.6-based CSMA/CA Protocol”, J Med- ical Syst., vol 36, Issue 6, Dec 2012, pp 3875-3891 [10] P Khan, N Ullah, S Ullah, and K S Kwak, “Analytical modeling of IEEE 802.15.6 CSMA/CA protocol under different access periods”, Proc the 14th Int Symp on Commun and Inform Technol (ISCIT ’14), Incheon, Republic of Korea, Sep 2014, pp 151-155 Hình Ảnh hưởng tổng số cảm biến thông lượng Kết luận Trong nghiên cứu này, đề xuất mơ hình chia tầng cho mạng WBAN phân cụm có điều khiển truy cập điều kiện kênh truyền khơng lý tưởng, cơng thức tính tỷ lệ lỗi bít, từ xây dựng cơng thức tính thơng lượng cho hệ thống chia tầng Kết tính tốn thơng lượng tham số thay đổi rằng, phương pháp chia tầng có ưu phương pháp khơng chia tầng, thế, thời gian trễ phương pháp chia tầng nhỏ thời gian trễ trung bình phương pháp khơng chia tầng Tuy nhiên, phương pháp chia tầng đòi hỏi đồng chặt chẽ cảm biến, CH điều phối, tính phức tạp việc điều khiển truyền tin điều phối Trong nghiên cứu dừng lại việc chia tầng cho phương pháp điều khiển đề xuất nghiên cứu trước Sự kết hợp chặt chẽ phương pháp chia tầng phương pháp điều khiển truy cập cần nghiên cứu sâu nghiên cứu để thông lượng đạt giá trị cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M M Alam and E B Hamida, “Surveying Wearable Human [11] S Sarkar, S Misra, C Chakraborty, and M S Obaidat, “Analysis of reliability and throughput under saturation condition of IEEE 802.15.6 CSMA/CA for wireless body area networks”, Proc the IEEE Global Commun Conf (GLOBECOM ’14), Austin, Texas, USA, Dec 2014, pp 2405-2410 [12] B Bandyopadhyay, D Das, A Chatterjee, S J Ahmed, A.Mukherjee, and K Naskar, Markov chain based analysis of IEEE 802.15.6 mac protocol in real life scenario”, Proc the 9th Int Conf on Body Area Networks, 2014, pp 331-337 [13] Pham Thanh Hiep, “Spatial reuse superframe for high throughput cluster-based WBAN with CSMA/CA”, Ad-Hoc and Sensor Wireless Networks, Vol 31, No 1-4, 2014, pp 69-87 [14] Nguyễn Như Thắng, Nguyễn Thùy Linh, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Thanh Hiệp, “Tối ưu hóa số lượng siêu khung tái sử dụng cho mạng quanh thể”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, HVKTQS, số 180, tháng 10 năm 2016, trang 20-28 [15] Nguyen Nhu Thang, Nguyen Huy Hoang, Pham Thanh Hiep, “An approach to enhance the throughput of cluster-based WBAN with CSMA/CA of IEEE 802.15.6”, Journal of Science and Technology, Military University of Science and Technology, số 178, tháng năm 2016, pp 30-39 [16] Nguyễn Như Thắng, Nguyễn Thùy Linh, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Thanh Hiệp, “Đề xuất phương pháp tái sử dụng siêu khung cho mạng vô tuyến quanh thể (WBAN)”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, HVKTQS, số 173, tháng 12 năm 2015, trang 31-41 [17] George C.Clark Jr and J.Bibb Cain, “Error-Correction Coding for Digital Communications (Applications of Communications Theory)”, Springer, 1981 [18] Alfonso Martinez, Albert Guillen i Fabregas and GiuseppeCaire, “A Closed-Form Approximation for the Error Probability of BPSK Fading Channels”, IEEE Trans on wireless commu., Vol 6, No 6, Jun 2007, pp 2051-2054 (BBT nhận bài: 16/01/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 17/02/2017) ... lượng phương pháp chia tầng cao so với phương pháp không chia tầng Thông lượng phương pháp điều khiển khác phương pháp chia tầng tương tự trên, tổng số cảm biến tăng lên số lượng cụm tăng lên Vì thế,... tính thơng lượng cho hệ thống chia tầng Kết tính tốn thơng lượng tham số thay đổi rằng, phương pháp chia tầng có ưu phương pháp khơng chia tầng, thế, thời gian trễ phương pháp chia tầng nhỏ thời... 0,2 Kết tính tốn thơng lượng miêu tả hình Như biểu diễn hình 4, thông lượng phương pháp chia tầng tăng đáng kể so với phương pháp không chia tầng Trong phương pháp chia tầng, phân cụm không điều