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

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(112).2017-Quyển 1 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 1Trường Đại học Thông tin Liên lạc; nhuthang@gmail.com 2Học viện Kỹ thuật Quân sự; hoangnh@mta.edu.vn, hieppt@mta.edu.vn Tóm tắt - Việc phân cụm cho mạng vô tuyến quanh cơ thể (WBAN) kết hợp với các phương pháp điều khiển truy cập đã được nghiên cứu để nâng cao thông lượng của hệ thống. Tuy nhiên, việc truyền một gói tin từ cảm biến thành viên tới cụm trưởng (CH), rồi truyền từ CH tới bộ điều phối đều ảnh hưởng đến toàn bộ cảm biến trong cụm, làm các cảm biến chịu ảnh hưởng 2 lần bởi việc truyền một gói tin từ cảm biến thành viên tới bộ điều phối. Trong nghiên cứu này, chúng tôi 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. Chúng tôi 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. 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 2 lần của việc truyền một 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. 1. Đặt vấn đề Ý tưởng về mạng cơ thể WBAN được đề xuất bởi Van Dam cùng các cộng sự từ năm 2001 nhưng chỉ những năm gần đây mới nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Nguyên nhân chính là do những thách thức và khó khăn về công nghệ mà WBAN yêu cầu [1], [7]. Để hiện thực hóa được WBAN yêu cầu sự phát triển của nhiều lĩnh vực: chế tạo cảm biến, công nghệ vật liệu, xử lý tín hiệu, công nghệ thông tin... Trong [8] tác giả trình bày các công thức toán học để xác định giới hạn thông lượng và độ trễ theo lý thuyết của các mạng theo chuẩn IEEE 802.15.6. Các tác giả tập trung vào việc tối ưu hóa kích thước gói tin và xác định biên trên cho mạng IEEE 802.15.6 với các ứng dụng WBAN khác nhau. Họ giả thiết rằng mạng không có tranh chấp và không có phân biệt mức ưu tiên (UPs). Các tác giả của [9] nghiên cứu thông lượng lý thuyết tối đa và giới hạn độ trễ tối thiểu của giao thức IEEE 802.15.6 CSMA/CA cho một kênh lý tưởng không có lỗi truyền dẫn với tốc độ và dải tần khác nhau. Trong [10] các tác giả đã cung cấp một mô hình giải tích đơn giản và chính xác để đánh giá thông lượng, năng lượng tiêu thụ và độ trễ của giao thức CSMA/CA trong điều kiện kênh bão hòa có tổn hao với các mức ưu tiên khác nhau, họ kết luận rằng những cảm biến có mức ưu tiên thấp khó truy cập môi trường hơn những cảm biến có mức ưu tiên cao. Trong [11] tác giả phát triển một mô hình giải tích cho việc đánh giá hiệu năng của chuẩn IEEE 802.15.6 dưới điều kiện bão hòa. Họ chỉ tính toán thời gian đáp ứng trung bình của khung dữ liệu trong mạng. Trong [12] tác giả phát triển một mô hình DTMC để phân tích độ tin cậy và thông lượng của mạng WBAN dựa trên cơ chế CSMA/CA theo chuẩn IEEE 802.15.6 dưới điều kiện bão hòa. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào mô hình đơn chặng cho WBAN mà chưa nghiên cứu các mô hình mở rộng cho mạng WBAN. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã đề xuất mô hình phân cụm cho WBAN [13], và có những nghiên cứu cụ thể cho mô hình phân cụm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.6 [14], [16]. Các nghiên cứu phân cụm cho mạng WBAN này đã cải thiện thông lượng cho hệ thống, nhưng các cảm biến và CH đang truyền tin trong cùng một khe thời gian, vì thế việc truyền tin từ một cảm biến tới bộ điều phối ảnh hưởng 2 lần tới các cảm biến khác: Một lần từ cảm biến tới CH và một lần từ CH tới bộ điều phối. Vì thế, trong nghiên cứu này chúng tôi đề xuất phương pháp chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm, mà theo đó, các cảm biến truyền tin trong một khe thời gian và các CH truyền tin trong một khe thời gian khác. Phương thức CSMA/CA được áp dụng cho cả cảm biến và các CH để truyền tin, và kênh truyền được giả định có phát sinh lỗi bít. Bài báo trình bày phương pháp chia tầng cho mạng WBAN phân cụm, các phương pháp điều khiển truy cập, phân tích đánh giá thông lượng thông qua các công thức toán học. Cuối cùng là kết quả tính toán thông lượng khi các tham số hệ thống thay đổi, qua đó đánh giá ảnh hưởng của các tham số hệ thống đến thông lượng của hệ thống WBAN. 2. Mô hình chia tầng cho mạng WBAN phân cụm 2.1. Mô hình hệ thống Mô hình chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm được thể hiện trong hình 1. Trước tiên, tương tự việc phân cụm, toàn bộ cảm biến trong một WBAN được phân thành nhiều cụm, mỗi cụm có một CH. Các cảm biến trong một cụm truyền thông tin về cho CH của mình, và CH truyền thông tin về cho bộ điều phối. Trong các phương pháp đã đề xuất, 56 Nguyễn Như Thắng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Thanh Hiệp các cảm biến thành viên và CH truyền tin trong cùng một khe thời gian, hay trong cùng một siêu khung. Còn trong phần này, chúng tôi đề xuất một phương pháp truyền tin mới cho hệ thống WBAN phân cụm để tránh ảnh hưởng 2 lần truyền của một gói tin lên toàn bộ cảm biến trong cùng một cụm. Ý tưởng của phương pháp này là các cảm biến thành viên truyền tin trong một khe thời gian và các CH truyền tin trong một khe thời gian khác. Mô hình này được gọi là mô hình chia tầng cho hệ thống WBAN phân cụm. Trong mô hình chia tầng, các cảm biến thành viên chỉ được phép truyền tin trong khe thời gian thứ nhất, trong lúc này các CH sẽ nhận thông tin và lưu vào bộ đệm của mình. Trong khe thời gian thứ 2, các CH sẽ truyền thông tin tới bộ điều phối. Để đơn giản, thời gian của khe thứ nhất và khe thứ 2 được xem là như nhau. Việc truyền tin của toàn bộ cảm biến thành viên và các CH đều sử dụng phương thức CSMA/CA của chuẩn IEEE 802.15.6. Hình 1. Mô hình chia tầng cho WBAN phân cụm 2.2. Các phương pháp điều khiển truyền tin Việc điều khiển truyền tin trong mô hình chia tầng cho WBAN phân cụm cũng tương tự như việc điều khiển cho mô hình phân cụm không chia tầng [14], [16]. Trước hết, phương pháp chia tầng kết hợp với phương pháp không điều khiển được giải thích như sau: Phương pháp không điều khiển là phương pháp không có điều khiển truyền tin giữa các cụm. Các cảm biến thành viên trong các cụm có thể truyền tin bất cứ lúc nào. Bên cạnh đó, trong phương pháp chia tầng, các cảm biến thành viên được yêu cầu truyền tin trong khe thời gian thứ nhất. Vì thế, các cảm biến thành viên trong phương pháp phân cụm không điều khiển truyền tín hiệu tới CH của mình bất cứ lúc nào trong khe thời gian thứ nhất. Tuy nhiên, việc truyền tin của một cảm biến sẽ bị ảnh hưởng của các cảm biến trong cùng một cụm và 1/2 số cảm biến trong 2 cụm lân cận. Vì thế, một cảm biến thành viên truyền tín hiệu tới CH của mình thành công khi các cảm biến thành viên khác trong cùng một cụm, và 1/2 số cảm biến thành viên ở 2 cụm lân cận không truyền tín hiệu. Ngoài ra, kênh truyền có lỗi được nghiên cứu trong bài báo này. Vì thế, gọi số lượng cảm biến trong một cụm là sN , xác suất truy cập của một cảm biến vào một khe thời gian bất kỳ là τ thì xác suất truyền thành công của toàn bộ cảm biến trong một cụm được tính như sau [14]-[16]: ( ) ( )2 11 1sNcsuc sP N P E Rτ τ −= − − (1) Trong đó, PER là xác suất lỗi gói tin và được tính bằng: ( ) [ ]1 1 c o d eE PNP E R B E R= − − (2) với BER là tỷ lệ lỗi của một khối dữ liệu đã được mã hoá có chiều dài codeN , E[P] là kích thước của tải. Theo chuẩn IEEE 802.15.6, mã kênh quy định cho băng thông được sử dụng là BCH, vì thế tỷ lệ lỗi của khối dữ liệu BER được tính theo công thức sau [17]: ( )mod mod 1 1 code code code N N jcode j j T N BER P p j − = + ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠∑ (3) với modp là xác suất lỗi bít sau giải điều chế. Phương thức điều chế sử dụng cho băng tần này là π/2-DBPSK, vì thế mod 1 2 SNRP e−= [18]. Ở đây, mã BCH(63,51) được áp dụng theo quy định của IEEE 802.15.6 nên codeN = 63, codeK = 51 và năng lực giải mã thành công codeT = 2 [17]. Vì thời gian truyền tin của cảm biến và các CH đều giảm 1/2 trong mô hình chia tầng, xác suất truy cập của các CH được tính theo công thức: 2 s c sucP ττ = (4) với codeR = codeK là tỷ lệ mã hoá và Ts, T, Tc lần lượt là thời gian của một khe CSMA, thời gian trung bình truyền một gói tin và thời gian xung đột [16]. Bên cạnh phương pháp không điều khiển, phương pháp điều khiển hoàn toàn hay phương pháp tái sử dụng siêu khung [16] tránh được việc các cụm lân cận truyền tin trong cùng một thời gian. Vì thế, việc truyền tín hiệu của một cảm biến thành viên chỉ bị ảnh hưởng bởi việc truyền tín hiệu của các cảm biến thành viên khác trong cùng một cụm, mà không bị ảnh hưởng bởi việc truyền tín hiệu của các thành viên trong các cụm lân cận. Tuy nhiên, thời gian có thể truyền tín hiệu của từng cụm lại bị thay đổi, nhỏ hơn nhiều so với thời gian của khe thứ nhất. Nếu gọi số lượng siêu khung tái sử dụng là k thì thời gian truyền tin của mỗi cụm là 1 2k . Trong trường hợp điều khiển hoàn toàn thì k = Nc với Nc là số lượng cụm. Vì thế, xác suất truyền thành công và xác suất truy cập của phương pháp tái sử dụng siêu khung cũng như phương pháp điều khiển hoàn toàn được biển diễn tương tự như phương pháp không điều khiển: ( ) ( )11 1sNssuc sP N P E Rτ τ −= − − (5) 2 s c sucP k ττ = Trong khe thời gian thứ 2, các CH truyền tin tới bộ điều phối, trong lúc này toàn bộ cảm biến thành viên của các cụm giữ im lặng. Vì thế, việc truyền tin giữa các CH và bộ điều phối có thể xem như một mạng hình sao đơn chặng, nên các xác suất được tính như mạng hình sao đơn chặng [14] khi xét thêm tỷ lệ lỗi bít: ( ) ( )11 1N ccsuc c c cP N P E Rτ τ −= − − (6) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(112).2017-Quyển 1 57 ( )1 N ccid le cP τ= − Vì thời gian của khe thứ 2 bằng thời gian của khe thứ nhất và bằng 1/2, nên thông lượng cho hệ thống chia tầng tương tự hệ thống đơn chặng [14] khi giảm 2 lần và xét tỷ lệ mã hóa: [ ]1 2 c su c co d e c c c id le s su c fa il c P R E PT h ro P T P T P T = + + (7) Với 1c c cfail suc idleP P P= − − . 3. Kết quả tính toán 3.1. Thiết lập hệ thống Phương pháp chia tầng đã được đề xuất và phân tích ở trên, trong phần này chúng tôi tiến hành tính toán thông lượng để đánh giá hiệu quả của phương pháp chia tầng. Các tham số chính của hệ thống được biểu diễn trong bảng 1, các tham số khác xem thêm trong tài liệu [16]. Bảng 1. Các tham số chính của hệ thống TT Nội dung Kết quả 1 SNR [dB] 10 2 Tổng số các cảm biến (N) 100 3 Số lượng cụm (Nc) 25 4 Kích thước tải (E[P]) [byte] 100 5 Xác suất truy cập (τ) 0,3 3.2. Ảnh hưởng của SNR Các tham số trong bảng 1 được áp dụng trong trường hợp SNR thay đổi từ 1[dB] tới 10[dB] và kết quả biểu diễn trong hình như kết quả trong hình 2, sự thay đổi của thông lượng khi SNR thay đổi trong cả 2 phương pháp: chia tầng và không chia tầng tương tự nhau. Khi SNR thấp, thông lượng rất thấp do PER ≈ 1 và thông lượng tăng khi SNR tăng, đặc biệt thông lượng bão hoà khi SNR lớn hơn 7, lúc này PER ≈ 0. Tuy nhiên, thông lượng của phương pháp phân cụm chia tầng cao hơn nhiều thông lượng của phương pháp phân cụm không chia tầng tại tất cả chỉ số SNR. 3.3. Ảnh hưởng của số lượng cụm Hình 2. Ảnh hưởng của SNR đối với thông lượng Hình 3. Ảnh hưởng của số lượng cụm đối với thông lượng Số cụm thay đổi từ 2 đến N/2, các thông số khác cố định như bảng 1 và thông lượng của hệ thống được thể hiện trên hình 3. 3.4. Ảnh hưởng của xác suất truy nhập Các tham số được tổng kết trong bảng 1 và xác suất truy cập (τ) thay đổi từ 0,001 tới 0,2. Kết quả tính toán thông lượng được miêu tả ở hình 4. Như được biểu diễn trong hình 4, thông lượng của phương pháp chia tầng tăng đáng kể so với phương pháp không chia tầng. Trong phương pháp chia tầng, phân cụm không điều khiển cũng thể hiện được ưu điểm và có giá trị thông lượng cao nhất khi τ bé. Vì lúc này các cảm biến truyền thông tin ít, việc xung đột ở các CH không đáng kể. Tuy nhiên, khi τ tăng lên thì phương pháp tái sử dụng siêu khung vẫn thể hiện ưu điểm và có giá trị thông lượng cao hơn phương pháp phân cụm không điều khiển. τ càng tăng thì số lượng siêu khung tái sử dụng k cũng cần tăng lên để thông lượng của hệ thống đạt giá trị lớn nhất. Hình 4. Ảnh hưởng của xác suất truy nhập đối với thông lượng 58 Nguyễn Như Thắng, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Thanh Hiệp 3.5. Ảnh hưởng của tổng số cảm biến Nếu số lượng cụm là cố định, số lượng cảm biến thành viên tăng khi tổng số các cảm biến tăng và sẽ gây xung đột tại các CH khi số lượng cảm biến thành viên trở nên quá lớn. Điều này không sát với thực tế, bởi vậy số lượng cụm được thay đổi theo số lượng cảm biến Nc = N/5 (ảnh hưởng cụ thể của số lượng cụm như được phân tích như ở trên). Tổng số cảm biến được thay đổi từ 100 tới 200 và các thông số khác được tổng kết ở bảng 1. Kết quả tính toán được thể hiện ở hình 5. Tương tự như ảnh hưởng của số lượng cụm và xác suất truy cập, thông lượng của phương pháp chia tầng cao hơn so với phương pháp không chia tầng. Thông lượng của các phương pháp điều khiển khác nhau trong phương pháp chia tầng cũng tương tự như trên, khi tổng số cảm biến tăng lên thì số lượng cụm cũng tăng lên. Vì thế, như giải thích trong ảnh hưởng của số lượng cụm, phương pháp phân cụm không điều khiển có ưu thế hơn vì không phải chia khe thời gian cho các cụm ở khe thời gian thứ nhất. Hình 5. Ảnh hưởng của tổng số cảm biến đối với thông lượng 4. Kết luận Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đề xuất mô hình chia tầng cho mạng WBAN phân cụm có điều khiển truy cập trong điều kiện kênh truyền không lý tưởng, đã chỉ ra công thức tính tỷ lệ lỗi bít, từ đó xây dựng công thức tính thông lượng cho hệ thống chia tầng. Kết quả tính toán thông lượng khi các tham số thay đổi đã chỉ ra rằng, phương pháp chia tầng có ưu thế hơn phương pháp không chia tầng, và vì thế, thời gian trễ của phương pháp chia tầng nhỏ hơn thời gian trễ trung bình của phương pháp không chia tầng. Tuy nhiên, phương pháp chia tầng đòi hỏi sự đồng bộ chặt chẽ hơn giữa các cảm biến, các CH và các bộ điều phối, tính phức tạp của việc điều khiển truyền tin của bộ điều phối. Trong nghiên cứu này chúng tôi chỉ dừng lại ở việc chia tầng cho các phương pháp điều khiển đã được đề xuất trong các nghiên cứu trước. Sự kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp chia tầng và các phương pháp điều khiển truy cập cần nghiên cứu sâu hơn trong các nghiên cứu tiếp theo để thông lượng đạt giá trị cao hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M. M. Alam and E. B. Hamida, “Surveying Wearable Human Assistive Technology for Life and Safety Critical Applications: Standards, Challenges and Opportunities”, Qatar Mobility In- novations 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. [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 cơ thể”, Tạp chí Khoa học và 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 8 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 cơ thể (WBAN)”, Tạp chí Khoa học và Công 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)