Phân tích thông lượng của mạng wban phân cụm khi có lỗi bít

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 51 PHÂN TÍCH THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG WBAN PHÂN CỤM KHI CÓ LỖI BÍT Nguyễn Như Thắng1, Nguyễn Huy Hoàng2*, Phạm Thanh Hiệp2 Tóm tắt: Khái niệm về phân cụm cho mạng vô tuyến quanh cơ thể (WBAN) đã được chỉ ra trong một số nghiên cứu, theo đó phương pháp điều khiển truy cập cũng đã được đề xuất để tăng thông lượng của hệ thống. Tuy nhiên, kênh truyền giữa các cảm biến thành viên với cụm trưởng hay giữa cụm trưởng với bộ điều phối được giả định là không có lỗi, và việc giải mã các gói tin ở phía thu được xem như luôn thành công. Việc giả định này chưa sát với thực tế vì các cảm biến trong mạng WBAN luôn truyền tín hiệu với công suất thấp để kéo dài tuổi thọ của cảm biến và tránh ảnh hưởng tới cơ thể. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất phương pháp phân tích phương pháp phân cụm và điều khiển truy cập trong trường hợp có lỗi bít cho mạng WBAN. Các công thức tính lỗi bít được đưa vào để phân tích thông lượng của hệ thống và thông lượng của các phương pháp điều khiển được so sánh khi các tham số hệ thống thay đổi. Kết quả tính toán đã chỉ ra rằng phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian cho thông lượng lớn hơn các phương pháp khác tại mọi giá trị của tỷ lệ tín trên tạp (SNR) hay các tham số hệ thống khác. Từ khóa: Mạng WBAN phân cụm, Tái sử dụng siêu khung theo không gian, Tỷ lệ lỗi bít, Thông lượng. 1. MỞ ĐẦU WBAN đầu tiên được đề xuất để ứng dụng trong lĩnh vực y tế nhằm giám sát bệnh nhân bị bệnh tim mạch, giám sát chăm sóc người cao tuổi, phát hiện ung thư, hệ thống y học từ xa [1]-[2]. Các bệnh viện sẽ quản lý và giám sát được toàn bộ các thông tin của bệnh nhân như: nhịp tim, huyết áp, các tham số của máu... một cách liên tục và tức thời, điều này sẽ thực sự có ý nghĩa trong việc điều trị bệnh nhân. Những người gặp các vấn đề về sức khỏe như các bệnh về huyết áp, bệnh tiểu đường, bệnh tim mạch... sẽ cảm thấy yên tâm hơn khi họ biết rằng họ đang được liên tục giám sát y tế, bất kể là họ đang ở đâu và làm gì. Ở cấp độ cao hơn, WBAN không những chỉ dừng lại ở việc giám sát mà còn trực tiếp tham gia vào việc điều trị. Một ví dụ điển hình là các nhà khoa học đã thực hiện cấy cảm biến vào võng mạc của bệnh nhân khiếm thị để trao cơ hội cho họ có được cảm nhận về một thế giới thực hoặc là phát hiện ung thư bằng các cảm biến có khả năng phát hiện oxit nitric tạo ra bởi tế bào ung thư mà không cần phải sinh khiết. Trong tương lai WBAN, hứa hẹn mang lại một nền tảng hạ tầng mới cho lĩnh vực y tế. Vì thế, nhiều nghiên cứu cho WBAN đã được tiến hành và công bố trong thời gian gần đây. Nhiều nhà nghiên cứu đã phân tích, đánh giá hiệu năng mạng dựa trên giao thức CSMA/CA với các chuẩn truyền thông vô tuyến khác nhau như: IEEE 802.11e [3]; IEEE 802.11 [4]-[5]; IEEE 802.15.3 [6]; IEEE 802.15.4 [7] trong các nghiên cứu của họ. Tuy nhiên, do cơ chế của CSMA/CA trong IEEE 802.15.6 khác với cơ chế của các công nghệ vô tuyến khác, những mô hình phân tích này không đúng cho chuẩn IEEE 802.15.6 [8]. Trong [9], các tác giả phân tích những ảnh hưởng của độ dài khoảng truy cập đến hiệu năng mạng. Họ kết luận rằng độ dài khoảng truy cập nhỏ hay lớn ảnh hưởng đáng kể đến việc sử dụng tài nguyên mạng và giao thức CSMA/CA trong IEEE 802.15.6 không hiệu quả khi lưu lượng tải cao. Trong [10], Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng khi có lỗi bít.” 52 các tác giả đã đề xuất mô hình giải tích để đánh giá hiệu năng mạng dưới điều kiện kênh không bão hòa, kết quả chỉ ra rằng việc chọn độ dài các khoảng truy cập ngẫu nhiên phù hợp sẽ cải thiện được thông lượng của mạng. Trong [11], các tác giả nghiên cứu hiệu năng của chuẩn IEEE 802.15.6 với giao thức CSMA/CA ở điều kiện bão hòa. Các kết quả chỉ ra rằng thiết bị được truy cập một cách dễ dàng bởi các cảm biến có ưu tiên cao, trong khi các cảm biến khác thì không được phép truy cập. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào mô hình đơn chặng cho WBAN mà chưa nghiên cứu tới mô hình mở rộng cho mạng WBAN. Mặt khác, các nghiên cứu này giả sử mô hình hệ thống là lý tưởng, không có tạp âm, vì thế không có lỗi bít do ảnh hưởng của tạp âm. Điều này chưa sát với thực tế. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã đề xuất mô hình phân cụm cho WBAN [12], và có những nghiên cứu cụ thể cho mô hình phân cụm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.6 [13]-[15]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiếp tục tập trung nghiên cứu hệ thống phân cụm không điều khiển, phân cụm tái sử dụng siêu khung theo không gian và phân cụm điều khiển hoàn toàn trong trường hợp không lý tưởng, xuất hiện lỗi bít ở thiết bị thu do ảnh hưởng của tạp âm. Ở đây, tham số tỷ lệ tín trên tạp được đưa vào để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm lên thông lượng của hệ thống. Các công thức tính lỗi bít cho mã kênh theo chuẩn IEEE 802.15.6 được nghiên cứu và đưa vào phân tích thông lượng của hệ thống. Thông lượng được so sánh dựa trên các phương pháp điều khiển khác nhau khi các tham số hệ thống thay đổi. Bài báo trình bày hệ thống 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 PHÂN CỤM CÓ ĐIỀU KHIỂN 2.1. Mô hình hệ thống Hình 1. Mô hình hệ thống WBAN phân cụm không lý tưởng. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 53 Mô hình phân cụm có điều khiển đã trình bày trong tài liệu [15], trong điều kiện không lý tưởng, WBAN phân cụm được thể hiện ở hình 1, bao gồm một bộ điều phối, các cụm có 1 cụm trưởng (CH) và một số cảm biến. Việc phát dữ liệu từ các cảm biến thành viên tới CH của nó và từ các CH tới bộ điều phối hoạt động theo phương pháp truy cập CSMA/CA. Bởi vậy, CH bị ảnh hưởng không chỉ bởi các cảm biến thành viên, mà còn bởi các CH và các cảm biến thành viên ở cụm ngay cạnh nó. Trong hình 1, 6 CH có nghĩa là có 6 cụm được chia ra bởi các cạnh tách biệt nhau trong cụm. CH và một nửa các cảm biến thành viên ở các cụm ngay cạnh (cụm thứ i -1 và i +1) ảnh hưởng tới việc truyền dữ liệu của cụm thứ i. Hơn nữa, bộ điều phối bị ảnh hưởng bởi tất cả các CH và các cảm biến thành viên ở trong vùng ảnh hưởng của bộ điều phối. Giả định UP và xác suất truy cập của tất cả các cảm biến, số lượng các cảm biến thành viên ở mỗi cụm là như nhau. Một cảm biến có thể truy cập kênh với xác suất truy cập  , trong đó,  có thể tính toán từ tỷ lệ phát sinh gói tin λ của nó theo phương pháp chuỗi Markov thời gian rời rạc (DTMC). Mặt khác, số lượng các cảm biến thành viên trọng một cụm, số các CH và số các cảm biến thành viên mà bộ điều phối ảnh hưởng tới được ký hiệu tương ứng là sN , cN và hN . Gọi N là tổng số cảm biến (ngoại trừ các CH), khi đó s c NN N  . Trong điều kiện các cảm biến được phân bố đồng đều trên cơ thể, số các cảm biến gần với bộ điều phối là độc lập với số cụm, nó phụ thuộc vào vị trí của các CH. Như đã giải thích ở trên, các CH được đặt ở giữa các cảm biến thành viên và bộ điều phối, vì vậy, tỷ số khoảng cách từ 1 CH tới bộ điều phối, bộ điều phối và cảm biến thành viên ở xa nhất được coi như xấp xỉ 1/3. Bởi vậy, hN được tính như sau: 2 2 1 3 91 h N N N          (1) 2.2. Các phương pháp điều khiển truyền tin 2.2.1. Phân cụm không điều khiển Phân cụm không điều khiển là việc truyền tín hiệu của các cảm biến trong từng cụm không được điều khiển bởi bộ điều phối, mà chỉ dựa theo phương thức truy cập CSMA/CA. Nghĩa là cảm biến trong tất cả các cụm đồng thời cảm nhận sóng mang và truyền gói dữ liệu nếu thấy kênh truyền rỗi. Xác suất truy cập của các CH trong trường hợp không lý tưởng được tính toán như sau: s c sucP  (2) Với ssucP là xác suất truyền thành công của tất cả các cảm biến thành viên trong một cụm. Một cảm biến thành viên truyền thành công khi các cảm biến thành viên khác cũng như 3 CH trong vùng ảnh hưởng của CH nhận dữ liệu đang trong trạng thái dừng hoạt động hoặc nhận dữ liệu từ các cảm biến; Ngoài ra, dữ liệu thu được ở CH phải được giải mã thành công. Vì thế, xác suất truyền thành công của tất cả cảm biến trong một cụm được tính theo công thức sau: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng khi có lỗi bít.” 54         231 2 21 1 1 1s N Ns suc s cP N PER          (3) Trong đó, PER là xác suất lỗi gói tin và được tính bằng:     1 1 code E P NPER BER   với BER là tỷ lệ lỗi của một khối dữ liệu đã được mã hoá có chiều dài Ncode, 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 [16]:  mod mod 1 1 code code code N N jcode j j T N BER p p j            (4) với modP là xác suất lỗi bít sau giải điều chế. Điều chế sử dụng cho băng tần này là π/2-DBPSK, vì thế mod 1 2 SNRP e [17]. Ở đây, mã BCH(63,51) được áp dụng theo quy định của IEEE 802.15.6 nên Ncode = 63, Kcode = 51 và năng lực giải mã thành công Tcode = 2 [16]. Vì τ, τc ≪ 1, nên các thành phần bậc cao của τ và τc có thể bỏ qua. Bởi vậy, từ công thức (2) và công thức (3), xã suất truy cập của các CH được tính như sau:         2 12 2 12 1 1 1 3 1 1 s s N s c N s N PER N PER              (5) Một CH truyền thành công nếu các CH khác và Nh cảm biến thành viên gần với bộ điều phối không hoạt động, ngoài ra gói tin được giải mã thành công ở bộ điều phối. Thêm vào đó, một CH cảm nhận thấy kênh là lỗi nếu tất cả các CH và các cảm biến thành viên trong vùng ảnh hưởng của CH ấy không đang truyền tin. Bởi vậy, xác suất thành công và xác suất rỗi của các CH lần lượt tương ứng với các phương trình sau:    1 1h Nc suc c cP PER    (6)    21 1c s N Nc idle cP     Gọi cfailP = 1- c sucP - c idleP là xác suất truyền tin thất bại nếu xẩy ra xung đột hoặc giải mã thất bại. Vì thế, thông lượng của hệ thống đối với việc phân cụm không điều khiển trong điều kiện không lý tưởng được tính bằng công thức tương tự với phân cụm lý tưởng:  cc suc code c c c idle s suc fail c N P R E P Thro P T P T P T    (7) Với: Rcode = code code K N là tỷ lệ mã hoá và sT , T , cT lần lượt là thời gian của một khe CSMA, thời gian trung bình truyền một gói tin và thời gian xung đột [15]. 2.2.2. Điều khiển hoàn toàn Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 55 Trong hệ thống WBAN phân cụm không điều khiển, các cảm biến thành viên và các CH (đặc biệt là các cảm biến thành viên và CH trong những cụm ở gần) bị ảnh hưởng 2 lần bởi việc truyền dẫn một gói tin: một lần từ cảm biến tới CH và một lần từ CH tới bộ điều phối. Bởi vậy, để giảm xác suất bận và tăng thông lượng của hệ thống, phương thức điều khiển hoàn toàn được đề xuất. Trong phương thức điều khiển hoàn toàn, bộ điều phối cho phép mỗi cụm truyền trong một khe thời gian khác nhau, gọi là một siêu khung, được phân biệt bởi các xung tín hiệu (Beacon). Để đảm bảo tính công bằng cho các cụm, chiều dài của tất cả các siêu khung được xem là như nhau. Vì thế, tại một thời điểm chỉ có một cụm được phép truyền tín hiệu, các cảm biến thành viên và CH của cụm ấy truyền tín hiệu trong siêu khung của chính nó, các cảm biến thành viên và các CH trong các cụm khác chuyển về trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng. Xác suất thành công của tất cả các cảm biến trong một cụm, xác suất thành công và xác suất rỗi của CH lần lượt được biểu diễn như sau:     11 1 1sNssuc s cP N PER        (8)      11 1 1 h c c N Nc N suc c cP PER          1 1 sNcidle cP     Xác suất truy cập của CH trong phương pháp điều khiển hoàn toàn là:         12 12 1 1 1 1 1 s s N s c N s N PER N PER              (9) Thông lượng của hệ thống phân cụm hoàn toàn được tính theo công thức:  csuc code c c c idle s suc fail c P R E P Thro P T P T P T    (10) 2.2.3. Tái sử dụng siêu khung theo không gian Phương pháp điều khiển hoàn toàn có thể giảm ảnh hưởng của việc truyền mỗi gói tin lên các cảm biến thành viên và các CH trong các cụm lân cận, làm tăng xác suất truyền thành công, nhưng thời gian truyền của mỗi cụm ngắn hơn, vì thế, thông lượng của hệ thống giảm đi số lần đúng bằng số lượng cụm. Để tăng thông lượng của hệ thống, phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian được đề xuất. Phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian được giải thích như sau: một số cụm được phép truyền đồng thời trong cùng một siêu khung, nhưng các cụm lân cận được gán với các siêu khung khác nhau để giảm xác suất bận của kênh truyền. Vì thế, trong phương pháp điều khiển hoàn toàn, số lượng siêu khung sử dụng cho toàn bộ Nc cụm là Nc siêu khung, nhưng trong phương pháp tái sử dụng siêu khung, số lượng siêu khung sử dụng cho toàn bộ Nc cụm là k siêu khung, với k < Nc, và số lượng cụm được phép truyền trong cùng một siêu khung là Nc/k . Các xác suất của phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian được tính như phương pháp điều kiển hoàn toàn:     11 1 1sNssuc s cP N PER        (11) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng khi có lỗi bít.” 56      11 1 1 c hN N c k k suc c cP PER           1 1 c s N Nc k idle cP     Nhưng công thức tính thông lượng của phương pháp tái sử dụng siêu khung lúc này chỉ chia cho k, nghĩa là khả năng thông lượng của phương pháp tái sử dụng siêu khung sẽ cao hơn phương pháp điều khiển hoàn toàn.  csuc codec c c c idle s suc fail c P R E PN Thro k P T P T P T    (12) 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Các phương pháp điều khiển đã được giải thích, phân tích và xây dựng công thức tính toán thông lượng ở trên. Tuy nhiên, thông lượng của cả 3 phương pháp phụ thuộc vào SNR, tổng số cảm biến, số cụm, kích thước tải, xác suất truy cập... Ảnh hưởng của mỗi thông số tới thông lượng của hệ thống được xem xét khi các tham số khác được cố định. Các tham số chính của hệ thống được biểu diễn trong bảng 1, các tham số khác xem thêm trong tài liệu [15]. Bảng 1. Các tham số chính của hệ thống. SNR (dB) 10 Tổng số các cảm biến (N) 100 Số lượng các cụm (Nc) 25 Kích thước tải (E[P]) (byte) 100 Xác suất truy cập (τ) 0,3 3.1. Ảnh hưởng của SNR Hình 2. Ảnh hưởng của SNR đối với thông lượng. Vì tỷ lệ lỗi bít, tỉ lệ lỗi gói tin được xét tới trong phần này nên trước tiên ảnh hưởng của SNR tới các phương pháp điều khiển được khảo sát. Với SNR được thay đổi từ 1 [dB] tới 10 [dB] và kết quả tính toán được thể hiện trong hình 2. Thông lượng của các phương pháp điều khiển đều rất thấp khi SNR thấp và tăng dần khi SNR tăng. Đặc biệt, khi SNR lớn hơn 8 thì thông lượng đạt mức bão hoà, Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 57 nghĩa là việc truyền thông tin tới bộ điều phối không còn phụ thuộc vào SNR, hay nói cách khác, các tập tin nhận được ở CH và bộ điều phối đều được giải mã thành công PER ≈ 0. Mặt khác, thông lượng của mô hình đơn chặng thấp hơn nhiều so với phương pháp phân cụm trong toàn giải SNR, vì thế, trong các kết quả sau không tiến hành so sánh với thông lượng của mô hình đơn chặng. 3.2. Ảnh hưởng của số lượng cụm Số cụm được thay đổi từ 2 đến N/2 và thông lượng của hệ thống như được thể hiện trên hình 3. Thông lượng của phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian đạt giá trị cao nhất khi số cụm nhỏ. Thêm vào đó, số lượng các siêu khung tái sử dụng (k) càng cao thì thông lượng đạt được càng lớn. Tuy nhiên, khi số các cụm là lớn, thông lượng của hệ thống điều khiển hoàn toàn là cao nhất. Với mỗi k, có một số tối ưu số lượng cụm mà tại đó thông lượng đạt giá trị cao nhất. Có thể giải thích điều này là khi số lượng cụm nhỏ hơn giá trị tối ưu, có nghĩa là số các cảm biến thành viên ở mỗi cụm lớn, vì vậy sự quá tải ở CH sẽ diễn ra và xác suất truy cập của CH giảm. Kết quả là thông lượng của hệ thống giảm. Ngược lại, khi số các cụm lớn hơn giá trị tối ưu, sự quá tải ở bộ điều phối sẽ diễn ra, bởi vậy thông lượng cũng giảm. Tuỳ theo số lượng siêu khung tái sử dụng, tổng số các cảm biến và phương pháp điều khiển, mà số cụm tối ưu sẽ thay đổi. Hình 3. Ảnh hưởng của số lượng cụm đối với thông lượng. 3.3. Ảnh hưởng của xác suất truy cập Hình 4. Ảnh hưởng của xác suất truy cập với thông lượng. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng khi có lỗi bít.” 58 Thông lượng của các phương pháp tăng lên khi τ tăng vì có nhiều gói tin được chuyển tới bộ điều phối. Tuy nhiên, tương tự như ảnh hưởng của số lượng cụm, có một giá trị tối ưu của τ mà tại đó thông lượng đạt giá trị cực đại. Điều này có thể giải thích như sau: khi τ vượt quá giá trị tối ưu, xung đột ở các CH xảy ra, hệ quả là τc cũng giảm. Kết quả là thông lượng giảm khi τ tăng vượt quá giá trị tối ưu. Hơn nữa, τ tối ưu thay đổi tuỳ thuộc vào k cũng như các thông số khác. So sánh với phương pháp phân cụm không điều khiển và phương pháp điều khiển hoàn toàn, thông lượng của phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian cao hơn. Kết quả tính toán thông lượng được miêu tả ở hình 4. 3.4. Ảnh hưởng của tổng số các cảm biến Hình 5. Ảnh hưởng của tổng số cảm biến đối với thông lượng. 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 được phân tích như ở trên). Kết quả tính toán được thể hiện ở hình 5. Vì số lượng cụm tăng khi tổng số cảm biến tăng, như giải thích ở mục 3.2, tồn tại một giá trị tối ưu của tổng số cảm biến để thông lượng đạt cực đại. Tuy nhiên, số lượng cảm biến thành viên trong mỗi cụm là như nhau, bởi vậy τc của hệ thống điều khiển hoàn toàn là cố định. Mặt khác, theo (10), khi số lượng các CH tăng, khoảng thời gian được phép truyền của mỗi siêu khung giảm, thông lượng của hệ thống không bị ảnh hưởng nên không thay đổi. Thông lượng của phương pháp tái sử dụng siêu khung có thể cao hơn nhiều so với phương pháp phân cụm không điều khiển và phương pháp điều khiển hoàn toàn nếu hệ số k thích hợp được lựa chọn. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này, chúng tôi đã phân tích mô hình 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. Các phương pháp điều khiển đã được so sánh khi các tham số hệ thống thay đổi, và phương pháp tái sử dụng siêu khung có thông lượng đạt giá trị lớn hơn các phương pháp điều khiển khác và cả phương pháp đơn chặng. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chúng tôi chỉ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 59 dừng lại ở việc nghiên cứu phân cụm một tầng, việc phân cụm nhiều tầng được nghiên cứu trong các công trình tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. H. Alemdar and C. Ersoy, “Wireless sensor networks for healthcare: A survey,” Computer Networks, vol. 54, no. 15, pp. 2688-2710, 2010. [2]. S. Ullah, H. Higgins, B. Braem, B. Latre, C. Blondia, I. Moerman, S. Saleem, Z. Rahman, and K. Kwak, “A comprehensive survey of wireless body area networks,” J. of Medical Systems, vol. 36, pp. 1065-1094, 2012. [3]. I. Inan, F. Keceli, and E. Ayanoglu, “Analysis of the 802.11e enhanced distributed channel access function,” IEEE Trans. Commun., vol.57, no. 6, pp. 1753-1764, 2009. [4]. D. Malone, K. Duffy, and D. Leith, “Modeling the 802.11 distributed coordination function in nonsaturated heterogeneous conditions,” IEEE/ACM Trans. on Netw., vol. 15, no. 1, pp. 159-172, 2007. [5]. C. G. Park, D. H. Han, and S. J. Ahn, “Performance analysis of MAC layer protocols in the IEEE 802.11 wireless LAN,” Telecommun. Systems, vol. 33, no. 3, pp. 233-253, 2006. [6]. C. W. Pyo and H. Harada, “Throughput analysis and improvement of hybrid multiple access in IEEE 802.15.3c mm-wave WPAN,” IEEE J. Sel. Areas in Commun., vol. 27, no. 8, pp. 1414-1424, 2009. [7]. K. Ashrafuzzaman and K. S. Kwak, “On the performance analysis of the contention access period of IEEE 802.15.4 MAC,” IEEE Commun. Lett., vol. 15, no. 9, pp. 986-988, 2011. [8]. R. Huang, Z. Nie, C. Duan, Y. Liu, L. Jia, and L. Wang, “Analysis and Comparison of the IEEE 802.15.4 and 802.15.6 Wireless Standards Based on MAC Layer,” Shenzhen Institutes of Adv. Technol., Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, China, 2014. [9]. S. Rashwand and J. Misic, “Effects of access phases lengths on performance of IEEE 802.15.6 CSMA/CA,” Comput. Netw., vol. 56, no. 12, pp. 2832, 2012. [10]. S. Rashwand and J. Misic,“Performance evaluation of IEEE 802.15.6 under non-saturation condition,” Proc. the IEEE Global Telecommun. Conf. (GLOBECOM ’11), pp. 1-6, 2011. [11]. S. Rashwand, J. Misic, and H. Khazaei, “Performance analysis of IEEE 802.15.6 under saturation condition and error-prone channel,” Proc. the IEEE Wireless Commun. and Netw. Conf. (WCNC ’11), pp. 1167, Mar. 2011. [12]. 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, pp.69-87, 2014. [13]. 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, pp. 20, tháng 10 năm 2016. [14]. Nguyen Nhu Thang, Nguyen Huy Hoang, Pham Thanh Hiep, “An approach to enhance the throughput of cluster-based WBAN with CSMA/CA of IEEE Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng khi có lỗi bít.” 60 802.15.6,” Journal of Science and Technology, Military University of Science and Technology, pp. 30-39, số 178, tháng 8 năm 2016. [15]. 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, pp. 31- 41, tháng 12 năm 2015. [16].George C.Clark Jr. and J.Bibb Cain, “Error-Correction Coding for Digital Communications (Applications of Communications Theory),” Springer, 1981. [17]. Alfonso Martinez, Albert Guillen i Fabregas and Giuseppe Caire, "A Closed- Form Approximation for the Error Probability of BPSK Fading Channels," IEEE Trans. on wireless commu., Vol. 6, No. 6, pp. 2051-2054, Jun. 2007. ABSTRACT ANALYSING THROUGHPUT OF CLUSTER-BASED WBAN WITH BER Cluster-based topology for WBAN was indicated in several researches, and the access control method was proposed in order to improve throughput of system. However, it was assumed that the channel between member sensors and cluster headers (CH) or between CHs and coordinator are errorless and decoding at receiver site is always successful. This assumption is no longer available because the sensor in WBAN system always transmits data with low power to extend life time of the sensor and avoid effect on human body. Therefore, a method to analyze the cluster-based WBAN with several access control methods and existing BER is proposed. The BER calculation equation is added to analyze the throughput and the throughput of every access control method is calculated. The calculation result indicates that the throughput of spatial reuse superframe is higher than that of other methods at all values of signal to noise ratio (SNR) or other parameters. Keywords: Cluster-based WBAN, Spatial Reuse Superframe, Bit Error Rate, Throughput. Nhận bài ngày 13 tháng 01 năm 2017 Hoàn thiện ngày 27 tháng 02 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 4 năm 2017 Địa chỉ: 1 Trường Đại học Thông tin liên lạc; 2 Học viện Kỹ thuật quân sự. * Email: hoangnh@mta.edu.vn