Thông lượng của cấu hình mạng phân theo cụm sử dụng CSMA/CA của chuẩn IEEE 802.15.6 - Nguyễn Huy Hoàng

Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính N.H. Hoàng,.. “ Thông lượng của cấu hình mạng phân theo cụm IEEE 802.15.6” 60 Thông lượng của cấu hình mạng phân theo cụm sử dụng csma/ca của chuẩn ieee 802.15.6 Nguyễn huy hoàng*, nguyễn như thắng**, nguyễn thùy linh* Tóm tắt: Hệ thống mạng vô tuyến quanh cơ thể (Wireless Body Area Network - WBAN) có các nút cảm biến vô tuyến được gắn trên da hoặc bên trong cơ thể người để giám sát các tham số sức khỏe, ví dụ như điện tâm đồ, điện não đồ, huyết áp... Dữ liệu nhận được từ mỗi nút cảm biến được gửi đến các bộ điều phối. Tuy nhiên, không phải lúc nào các cảm biến cũng có thể gửi dữ liệu đến các bộ điều phối được do sự cản trở của cơ thể, đặc biệt là khi vận động. Ngoài ra, việc tăng thời gian hoạt động của các cảm biến cũng như việc giảm công suất của chúng cũng cần phải được quan tâm xem xét. Trong chuẩn IEEE 802.15.6, sơ đồ truyền dẫn được tổ chức theo hiểu hình sao một chặng cộng 1. Để đạt được mức thông lượng cao và giảm công suất phát của các cảm biến thì các nút cảm biến được phân bố theo từng cụm. Bài báo chỉ ra rằng hệ thống WBAN phân theo cụm có thể đạt được mức thông lượng cao hơn hệ thống WBAN nguyên bản và có một giá trị số lượng cụm tối ưu để đạt được mức thông lượng cao nhất. Từ khóa: Thông lượng của hệ thống, WBAN, CSMA/CA, IEEE802.15.6. 1 . Mở ĐầU Ngày nay, khi sự già hóa dân số trên thế giới tăng nhanh thì nhu cầu chăm sóc và giám sát các vấn đề liên quan đến sức khỏe con người là hết sức cần thiết. Giải pháp giám sát trạng thái cơ thể và môi trường xung quanh từ xa đang trở nên ngày càng quan trọng để giúp giám sát tình trạng sức khỏe của người già với chi phí hữu hạn kết hợp với các dịch vụ y tế hiện hành. Hơn nữa, do nhiều chức năng trên cơ thể cần được giám sát và phân tích trong khoảng thời gian dài thì bác sĩ mới có thể biết chính xác những gì đang xảy ra trên cơ thể bệnh nhân. Do đó cần phải giám sát sự chuyển động và toàn bộ chức năng cơ thể trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những hệ thống được ứng dụng để thực hiện chức năng giám sát đó là hệ thống WBAN. Một hệ thống WBAN bao gồm các nút cảm biến liên kết với nhau, được đặt quanh cơ thể hoặc gắn bên trong cơ thể con người, các cảm biến này liên tục giám sát và gửi dữ liệu đến bộ điều phối. Các bộ điều phối tập hợp dữ liệu của toàn bộ các cảm biến và gửi đến trung tâm chăm sóc sức khỏe thông qua hệ thống mạng. Hệ thống WBAN có thể được chia thành 2 mô hình. Mô hình một chặng: các cảm biến truyền tín hiệu trực tiếp đến bộ điều phối. Mô hình đa chặng: các cảm biến truyền tín hiệu đến bộ điều phối thông qua nhiều chặng chuyển tiếp [1]-[2]. Trong mô hình 1 chặng, cảm biến phải sử dụng công suất cao để truyền tín hiệu nếu nó ở xa bộ điều phối. Do đó, thời gian làm việc của các cảm biến sẽ ngắn và các cảm biến sẽ gây xuyên nhiễu lẫn nhau trong khu vực phát sóng của nó. Hơn nữa, kết nối giữa các cảm biến và bộ điều phối có thể bị gián đoạn do con người vận động (các phần cơ thể có thể trở thành các vật cản tín hiệu). Trong mô hình đa chặng, do mỗi cảm biến truyền tín hiệu đến các cảm biến lân cận nên công suất phát, khu vực phát sóng và khu vực ảnh hưởng sẽ nhỏ. Do đó, giảm được sự xuyên nhiễu lẫn nhau giữa các cảm biến và thời gian làm việc của chúng tăng lên. Ngoài Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29 , 02 - 2014 61 ra, ngay cả khi không thể kết nối trực tiếp, các cảm biến cũng có thể truyền tín hiệu đến bộ điều phối thông qua các cảm biến khác là những cảm biến có thể kết nối đến bộ điều phối. Bài báo này sẽ tập trung nghiên cứu và phân tích hệ thống WBAN đa chặng. Hệ đa chặng đã và đang được nghiên cứu trong rất nhiều tài liệu thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau như mạng Adhoc, mạng di động, hệ thống ITS[3]-[5]. Trong các hệ thống này, phần phát gửi tín hiệu đến phần thu thông qua các bộ chuyển tiếp. Tuy nhiên, các bộ chuyển tiếp chỉ có nhiệm vụ chuyển tiếp tín hiệu. Trong hệ thống WBAN, mỗi cảm biến vừa gửi tín hiệu của chính nó vừa chuyển tiếp tín hiệu của các cảm biến khác sử dụng giao thức CSMA/CA dựa trên chuẩn IEEE802.15.6. 2. cấu hình wban hình sao một chặng 2.1. Mô hình hệ thống Hình 1 trình bày ví dụ về hệ thống WBAN. Trong đó các cảm biến được phân bố ở những vị trí cần thiết trên cơ thể để giám sát trạng thái sức khỏe. ở đây hệ thống WBAN được tổ chức theo mô hình sao một chặng, các cảm biến sẽ truyền trực tiếp dữ liệu của nó đến bộ điều phối. Các gói dữ liệu được tạo ra ở mỗi nút cảm biến theo xác suất truy cập của chúng. Trong trường hợp này sử dụng giao thức đã truy nhập nhận biết bằng sóng mang/tránh xung đột (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance - CSMA/CA) dựa trên chuẩn IEEE802.15.6. Sau khi nhận được thông tin dữ liệu từ bộ điều phối, các nút cảm biến có thể dự đoán được khoảng cách và điều kiện kênh truyền giữa nó với bộ điều phối. Vì vậy, các nút cảm biến sẽ điều chỉnh công suất phát của nó phù hợp nhất để truyền tín hiệu đến bộ điều phối. Khi đó tỉ số tín trên tạp (SNR) ở phần thu bằng với ngưỡng SNA mong muốn (dSNRthres). 2.2. Giao thức CSMA/CA theo chuẩn IEEE802.15.6 Hình 1. Mạng WBAN. Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính N.H. Hoàng,.. “ Thông lượng của cấu hình mạng phân theo cụm IEEE 802.15.6” 62 Chi tiết về giao thức CSMA/CA được trình bày trong tài liệu [6], sau đây chỉ trình bày vắn tắt về giao thức CSMA/CA theo chuẩn IEEE802.15.6. Trong CSMA/CA, các nút cảm biến đặt bộ đếm ngược của nó (backoff) ở một số nguyên ngẫu nhiên nào đó trong khoảng [1, CW] với CW thuộc khoảng (CWmin, CWmax). giá trị CWmin và CWmax thay đổi phụ thuộc vào thứ tự ưu tiên của cảm biến được cho trong bảng 1. Cảm biến bắt đầu giảm bộ đếm backoff xuống 1 đơn vị mỗi khi khe CSMA rỗi bằng giá trị pCSMASlotLength. Khi bộ đếm backoff đạt đến 0 thì cảm biến sẽ truyền đi 1 gói tín hiệu. Nếu kênh bận do có 1 gói tín hiệu đang được truyền, thì cảm biến sẽ khóa bộ đếm backoff lại cho đến khi kênh rỗi. Cảm biến nhận biết được tình trạng kênh bận nếu tỉ số SNR của tín hiệu thu lớn hơn ngưỡng SNR hiệu dụng (eSNRthres). thông thường, dSNRthres > eSNRthres. Việc truyền tín hiệu bị lỗi nếu cảm biến gặp lỗi khi nhận một (hoặc nhóm) tín hiệu xác nhận. Trong bài báo này, giả thiết cảm biến truyền từng khung một. CW sẽ được tăng gấp đôi cho mỗi lần lỗi và đến khi đạt đến giá trị CWmax. Khi dữ liệu được truyền thành công thì giá trị CW hiện tại được đặt lại thành CWmin. Thông lượng cực đại được định nghĩa là số cực đại MSDUs có thể được truyền trong một đơn vị thời gian. Mỗi MSDU mang thêm các tiền tố ở lớp MAC và lớp PHY như là các tiền tố PHY và tiền tố PHY/MAC, các khung điều khiển, khoảng trống liên khung, và thời gian backoff. Việc thêm các tiền tố này ảnh hưởng đến thông lượng cực đại của mạng. Do các cảm biến có thể điều khiển công suất phát phù hợp để truyền tín hiệu đến bộ thu, nên tỉ lệ lỗi bit (BER) được coi như đủ nhỏ và có thể bỏ qua. giả thiết không có hiện tượng mất gói do tràn bộ nhớ. Bảng 1. Bảng giá trị biên của cửa sổ tranh chấp CSMA/CA. Thứ tự ưu tiên CWmin CWmax 0 16 64 1 16 32 2 8 32 3 8 16 4 4 16 5 4 8 6 2 8 7 1 4 Thời gian phục vụ (T) là tổng thời gian để truyền một gói tin bao gồm cả thời gian backoff (TCW), thời gian để truyền gói dữ liệu (Tdata), khoảng trống liên khung (TpSIFS), thời gian của gói xác nhận (TACK) và thời gian trễ ( ): T=T T T 2T 2 .CW data ACK pSIFS     (1) Đặt Ts là chiều dài khe CSMA. Do đó: 2 min s CW TCW T  (2) Do một gói dữ liệu bao gồm một tiền tố (Tp), tiền tố vật lý (TPHY), tiền tố MAC (TMAC), khung MAC (Tbody) và chuỗi kiểm tra khung (TFCS), nên thời gian để truyền một gói dữ liệu được biểu diễn như sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29 , 02 - 2014 63 data P PHY MAC body FCST =T +T +T +T +T (3) Do tin xác nhận không chứa tải, nên thời gian truyền của nó là: ACK P PHY MAC FCST =T +T +T +T (4) 2.3. Phân tích hiệu năng Đặt số cảm biến trên cơ thể là N và mỗi cảm biến truy cập vào 1 khe thời gian một cách độc lập và ngẫu nhiên với xác suất là  . Theo đó, Pidle là xác suất mà không có cảm biến nào truy nhập vào khe thời gian đã cho l: NidleP )1(  (5) Tương tự, Psuc là xác suất khi có 1 cảm biến truy nhập vào khe thời gian đã cho là: 1)1(  Nsuc NP  (6) Thời gian xung đột Tc là khoảng thời gian mà các cảm biến khác không thể truy nhập được kênh do đang có xung đột. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, cảm biến sẽ truyền tín hiệu đến bộ điều phối và chờ gói tin xác nhận ACK từ bộ điều phối. Trong trường hợp có xung đột, thì sẽ không có gói tin ACK nào được gửi đến cảm biến, và khi đó cảm biến bắt đầu đếm ngược bộ đếm backoff của nó. Nghĩa là thời gian phục vụ T và thời gian xung đột TC là gần như nhau (giả thiết T = TC ). Vì hệ thống khe thời gian TS diễn ra trong khoảng thời gian của một khe thời gian rỗi, nên khoảng thời gian khe trung bình sẽ là: [ ] (1 )idle s suc suc idle cE slot P T P T P P T     (7) Kết quả là thụng lượng hệ thống (Thros) là lượng thụng tin trung bỡnh được truyền đi trong một khe thời gian. Với E[P] là kớch thước khung MAC trung bỡnh:     [ ] [ ] 1 sucsuc s idle s suc suc idle c P E PP E P Thro E slot P T P T P P T       (8) Thông lượng trên đạt cực đại khi mà thành phần f có giá trị nhỏ nhất: ( )idle s suc P T T T f P    (9) Giá trị tối ưu opti để thông lượng của hệ thống đạt cực đại được cho bởi nghiệm của phương trình 0 f     , ta có: 0)))1(1(()1(  Noptiopti s N opti N T T  (10) Với điều kiện  rất nhỏ hơn 1, thì ta có xấp xỉ: 2 2 )1( 1)1( optiopti N opti NN N    (11) Và vỡ vậy giỏ trị tối ưu τopti cú thể được xỏc định bằng: s opti T T N 2 1  (12) 2.4. Đánh giá cho hệ thống một chặng Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính N.H. Hoàng,.. “ Thông lượng của cấu hình mạng phân theo cụm IEEE 802.15.6” 64 Để đánh giá, chúng ta sử dụng các tham số được tổng kết trong bảng 2. Hình 2 biểu diễn thông lượng của hệ thống khi  thay đổi. Bảng 2. Giá trị các tham số 1 Băng tần [MHz] 2400-2483.5 2 Thành phần gói PSDU 3 Điều chế π/2-DBPSK 4 Tốc độ symbol Rs [kbps] 600 5 Tốc độ dữ liệu Rhdr [kbps] 242.9 6 Kích thước tải [byte] 250 7 Cửa sổ tranh chấp cực tiểu CWmin [slots] 16 8 Cửa sổ tranh chấp cực đại CWmax [slots] 64 9 Xóa đánh giá kênh [bits] 63 10 Tiền tố MAC [bits] 56 11 Đuôi MAC [bits] 16 12 Thời gian khoảng trống liên khung cực tiểu [  s] 20 13 Thời gian khoảng trống liên khung ngắn Tsifs [  s] 50 14 Tiền tố [bits] 88 15 Trễ truyền dẫn  [ s] 1 Số cảm biến là 5, 10, 15, 20. Với số lượng cảm biến khác nhau tương ứng sẽ có giá trị tối ưu  để đạt mức thông lượng cực đại. Số cảm biến càng nhiều thì giá trị tối ưu  càng thấp. G iỏ t rị c ự c đạ i τ T hụ ng l ư ợ ng [ kb ps ] Hình 2. Thông lượng khi số cảm biến thay đổi 5, 10, 15, 20. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29 , 02 - 2014 65 Hình 3 cho thấy, giá trị tối ưu  được tính theo công thức (12) khi số cảm biến tăng. Tức là khi số lượng cảm biến ít thì xác suất truyền gói tin của mỗi cảm biến sẽ tăng. Mặt khác, như đã trình bày trong hình 2 và 3, khi số cảm biến thay đổi thì giá trị tối ưu  cũng thay đổi, tuy nhiên thông lượng cực đại hầu như không đổi. Ngay cả khi tổng giá trị tối ưu  của tất cả các cảm biến là cố định thì thông lượng cũng bị giảm khi số lượng cảm biến tăng lên. Điều này có nghĩa là trong mạng WBAN phân bố theo cụm khi xác suất truy nhập của mỗi cảm biến là cố định, thì các bộ cảm biến sẽ truyền tín hiệu đến đầu cụm thay cho truyền đến bộ điều phối, do đó số lượng cảm biến truy nhập đến bộ điều phối giảm xuống và thông lượng của hệ thống sẽ được tăng lên. Hơn nữa, trong cấu hình hình sao một chặng, các bộ cảm biến phát trực tiếp tới bộ điều phối nên yêu cầu công suất phát phải lớn, đặc biệt các bộ cảm biến đặt cách xa bộ điều phối. Ngoài ra, một số liên kết trực tiếp từ các cảm biến đến bộ điều phối có thể bị gián đoạn do sự chuyển động của cơ thể. Vì vậy việc nghiên cứu hệ thống WBAN phân bố theo cụm là cần thiết. 3. Hệ THốNG WBAN THEO CụM 3.1. Mô hình hệ thống WBAN theo cụm Mô hình hệ thống WBAN theo cụm tương tự như mô hình hệ thống hình sao một chặng đã mô tả trong phần 2.1. Tuy nhiên, trong hệ thống WBAN theo cụm, cảm biến có thể truyền tín hiệu đến đầu cụm (Cluster Head) của nó thay cho đến bộ điều phối (hình 4). Vì tất cả dữ liệu được tạo ra từ các nút cảm biến đều được chuyển tiếp đến bộ điều phối thông qua đầu cụm, nên công suất phát của tất cả các cảm biến sẽ giảm xuống và thông lượng được tăng lên. Giả sử quá trình truyền dẫn trong một cụm không ảnh hưởng đến các cảm biến trong các cụm khác, thì sau khi nhận được gói tin từ một nút cảm biến, đầu cụm lập tức chuyển tiếp tín hiệu đó đến bộ điều phối (trạm gốc) dựa vào thuật toán của giao thức CSMA/CA theo chuẩn IEEE802.15.6 và xác suất truy nhập  của tất cả các cảm biến trong hệ thống WBAN phân theo cụm được giả thiết là tương tự như xác suất truy nhập của cấu hình mạng một chặng. Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính N.H. Hoàng,.. “ Thông lượng của cấu hình mạng phân theo cụm IEEE 802.15.6” 66 3.2. Đánh giá hệ thống WBAN theo cụm Mô hình hệ thống WBAN theo cụm tương tự như hệ thống WBAN nguyên bản (bảng 2). Số cảm biến là 50 và số cụm thay đổi. Số cảm biến trong mỗi cụm được giải thiết là bằng nhau (bao gồm cả đầu cụm): /S C S CN N N (13) Trong đó: NS/C là số cảm biến/cụm, NS là số cảm biến, NC là số cụm. Hình 5 và 6 đưa ra sự so sánh thông lượng của hệ thống WBAN phân theo cụm và WBAN nguyên bản với  = 0.0033 và  = 0.005. Trong trường hợp xác suất truy nhập thấp, xung đột truyền dẫn của các cảm biến trong WBAN nhỏ, do đó thông lượng của WBAN nguyên bản cao hơn so với WBAN theo cụm. Tuy nhiên, khi xác suất truy nhập tăng thì xung đột giữa tất cả các cảm biến tới bộ điều phối cũng tăng theo. Kết quả là thông lượng của WBAN nguyên bản giảm xuống. Nói cách khác là WBAN phân theo cụm có thể giảm xung đột của các cảm biến tới bộ điều phối. Hơn nữa, số lượng cảm biến trong mỗi cụm nhỏ hơn nhiều so với tổng số cảm biến, do vậy xung đột tại mỗi cụm sẽ rất nhỏ. Do đó, thông lượng của WBAN theo cụm cao hơn so với hệ thống WBAN nguyên bản khi  = 0.005. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29 , 02 - 2014 67 4. KếT LUậN Hình 6 cho thấy có số cụm tối ưu để đạt được mức thông lượng cực đại. Số cụm tối ưu thay đổi khi tham số hệ thống thay đổi, ví dụ như số lượng cảm biến, tải trọng trong một gói tin, Đối với mỗi hệ thống, ta đều có một giá trị số cụm tối ưu để đạt được mức thông lượng cao nhất. 4. KếT LUậN Qua phân tích hiệu năng của hệ thống WBAN đa chặng với giao thức CSMA/CA theo chuẩn IEEE802.15.6. Chúng ta thấy rằng có thể tìm được một giá trị xác suất truy nhập tối ưu trong cấu hình một chặng và cả hệ thống WBAN phân theo cụm hai chặng để thông lượng của hệ thống đạt cực đại. Hệ thống WBAN phân theo cụm có thể nhận được mức thông lượng lớn hơn WBAN nguyên bản khi xác suất truy nhập tăng lên. Đồng thời cũng đã chỉ ra được giá trị số lượng cụm tối ưu để đạt được mức thông lượng cao nhất. Số cụm T hụ n g lư ợ ng [ M bp s] Hệ CSMA/CA nguyờn bản Hệ CSMA/CA theo cụm Hình 6. Thông lượng của hệ thống với  =0.005. T h ụ n g lư ợ n g [ M b p s] Hệ CSMA/CA nguyờn bản Hệ CSMA/CA theo cụm Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính N.H. Hoàng,.. “ Thông lượng của cấu hình mạng phân theo cụm IEEE 802.15.6” 68 Bài báo chỉ mới phân tích thông lượng của hệ thống WBAN cấu hình hình sao một chặng và hệ thống WBAN phân theo cụm hai chặng, mà chưa xét đến tham số công suất phát, phương pháp mã hóa, phương pháp điều chế và trễ. Những tham số này sẽ được nghiên cứu trong thời gian tới. TàI LIệU THAM KHảO [1]. Yang, G. Z., Body sensor networks (Chapter: Wirelss communication). Springer, 2006. [2]. Marinkovi, S. J., Popovici, E. M., Spagnol, C., Faul, S., and Marnane, W P., "Energy-efficient low duty cycle mac protocol for wireless body area networks," IEEE Trans.Inf. Tech-nol. Biomed. 13(6):915925, 2009. [3]. Akkaya, K., and Younis, M., "A survey on routing protocols for wireless sensor net-works," Ad Hoc Networks 3(3):325349, 2005. [4]. IEEE P802.15.6/D01, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specif ications for Wireless Personal Area Networks (WPANs) used in or around a body, 2010. [5]. Giuseppe Bianchi, "Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.18, Issue 3, March 2000. [6]. Kyung Sup Kwak, Sana Ullah, and Niamat Ullah, "An overview of IEEE 802.15.6 Standard". Abstract THROUGHPUT OF CLUSTER - BASED CSMA/CA OF IEEE802.15.6 Since the elderly population is increasing all over the world, health care market keeps growing and there is a need for monitoring of health issues. A Body Area Network consists of wireless sensors attached on or inside human body for monitoring vital health related problems, i.e, Electro Cardio-gram, ElectroEncephalogram, Electronystagmogram etc. Vital data is recorded by each sensor and sent toward the coordinator. How-ever, due to the obstacle of human body, sensors can not always send the data to the coordinator. In addition, the life time of sensors meaning the reduction of transmit power of sensors should be considered. In the standard IEEE802.15.6, the transmission topology is indicated as 1 hop star plus one. In order to obtain the high throughput, reduce the transmit power of sensors, a clustering method is used. The sensor nodes are allocated to clusters and the Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29 , 02 - 2014 69 performance of WBAN is analyzed based on the CSMA/CA protocol of IEEE802.15.6. We show that the cluster-based WBAN can reaches the higher throughput than the original WBAN, and there is a value of optimum clusters reaches the highest throughput. Keywords: Multiple hops, Body area network throughput of system CSMA/CA IEEE802.15.6. Nhận bài ngày 19 tháng 12 năm 2013 Hoàn thiện ngày 05 tháng 01 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 01 năm 2014 Địa chỉ: * Học viện Kỹ thuật Quân sự; ** Trường Đại học Thông tin liên lạc.