Luận án Nghiên cứu phương pháp nâng cao thông lượng của mạng wban phân cụm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.6

h¼nh DTMC để ph¥n t½ch độ tin cªy và thông lượng cõa m¤ng
WBAN dựa tr¶n cơ ch¸ CSMA/CA theo chu©n IEEE 802.15.6 dưới điều ki»n
b¢o háa. Trong [53] c¡c t¡c gi£ nghi¶n cùu £nh hưởng cõa c¡c mùc ưu ti¶n
 32
kh¡c nhau đến thông lượng danh định và độ tr¹ gói dú li»u trung b¼nh cõa h»
thèng, họ k¸t luªn r¬ng thông lượng cao và đë tr¹ th§p khi lưu lượng trong
m¤ng th§p, phù hñp cho ùng dụng trong lĩnh vực y học.
 C¡c nghi¶n cùu tr¶n đây v· thông lượng m¤ng WBAN, ch¿ tªp trung nghi¶n
cùu theo c§u h¼nh m¤ng h¼nh sao đơn chặng, cho trường hñp k¶nh b¢o háa
hay không b¢o háa, với c¡c trường hñp c¡c c£m bi¸n có cùng mùc ưu ti¶n
hoặc kh¡c nhau, trong điều ki»n k¶nh lý tưởng hoặc k¶nh có tên hao. Mô
h¼nh ph¥n cụm cho WBAN đã được đề xu§t và nghi¶n cùu [54], và được ph¡t
triºn th¶m ph¦n điều khiºn truy cªp trong tài li»u [55]. Nhúng công bè này
được têng hñp trong bài b¡o [56], tuy nhi¶n c¡c t¡c gi£ ch¿ x²t trong mô h¼nh
k¶nh không có léi mà chưa x²t tới trường hñp có léi b½t.
 B£n th¥n NCS cũng đã bước đầu nghi¶n cùu m¤ng WBAN đơn chặng, tø
đó nghi¶n cùu c§u h¼nh m¤ng ph¥n theo cụm [57], [58] và đ¢ nghi¶n cùu v·
mët sè phương ph¡p điều khiºn trong m¤ng ph¥n theo cụm để t«ng thông
lượng h» thèng [59]. Tuy nhi¶n, c¡c nghi¶n cùu bước đầu này được thực hi»n
trong trường hñp mô h¼nh k¶nh lý tưởng.
1.4. K¸t luªn chương 1
 Chương này, luªn ¡n đã tr¼nh bày têng quan v· ki¸n trúc cõa m¤ng không
d¥y quanh cơ thº người, nhúng ùng dụng và y¶u c¦u cõa nó trong c¡c lĩnh
vực; tr¶n cơ sở đó làm rã sự gièng nhau và kh¡c nhau giúa m¤ng c£m bi¸n
không d¥y WSN với m¤ng c£m bi¸n không d¥y quanh cơ thº WBAN. Giới
thi»u c¡c đặc t½nh cơ b£n cõa lớp vªt lý PHY và lớp điều khiºn truy cªp môi
trường MAC v· chu©n IEEE 802.15.6. Ngoài ra, luªn ¡n đã giới thi»u nhúng
nghi¶n cùu có li¶n quan tới đánh gi¡ thông lượng WBAN sû dụng giao thùc
 33
CSMA/CA cho mô h¼nh đơn chặng, mô h¼nh ph¥n cụm và ch¿ ra nhúng h¤n
ch¸ cõa c¡c nghi¶n cùu này. NCS cũng đã giới thi»u v· c¡c nghi¶n cùu ti·n
đề cõa m¼nh trong lĩnh vực WBAN đơn chặng và WBAN ph¥n cụm.
 Chương 2
 HỆ THÈNG WBAN PHÂN CỤM KHÆNG LÝ TƯỞNG
 Trong chương này, NCS tªp trung vào x¥y dựng mô h¼nh WBAN ph¥n
cụm, ph¥n t½ch, đánh gi¡ thông lượng cõa h» thèng WBAN ph¥n cụm trong
trường hñp lý tưởng, tø đó đề xu§t mô h¼nh ph¥n cụm không lý tưởng, vi»c
truy·n tin giúa c¡c cụm £nh hưởng l¨n nhau. Đặc bi»t, NCS gi£ sû tồn t¤i
léi trong qu¡ tr¼nh truy·n tin hoặc gi£i m¢ t¤i ph½a thu, và x¥y dựng c¡c
công thùc để ph¥n t½ch, đánh gi¡ h» thèng WBAN ph¥n cụm trong trường
hñp không lý tưởng, có léi b½t.
2.1. Nghi¶n cùu mô h¼nh ph¥n cụm lý tưởng
2.1.1. Mô h¼nh h» thèng
 Trong m¤ng WBAN ph¥n cụm, c¡c c£m bi¸n có thº truy·n t½n hi»u cõa
nó tới CH thay cho truy·n trực ti¸p tới bë điều phèi (H¼nh 2.1), hay nói c¡ch
kh¡c là dú li»u tø c¡c c£m bi¸n đưñc truy·n đến bë điều phèi thông qua
CH. Gi£ thi¸t vi»c thu ph¡t trong mët cụm không £nh hưởng đến c¡c c£m
bi¸n ở c¡c cụm kh¡c. Sau khi nhªn được gói tin tø c¡c c£m bi¸n, CH lªp tùc
chuyºn t½n hi»u đến bë điều phèi theo giao thùc CSMA/CA cõa chu©n IEEE
802.15.6. Gi£ thi¸t là x¡c su§t truy cªp τ cõa t§t c£ c¡c c£m bi¸n trong m¤ng
WBAN ph¥n theo cụm cũng b¬ng với x¡c su§t truy cªp cõa m¤ng đơn chặng
và sè c£m bi¸n trong méi cụm là như nhau.
 Trong trường hñp lý tưởng, méi cụm có thº xem như mët m¤ng WBAN
 34
 35
 H¼nh 2.1: Mô h¼nh ph¥n cụm cõa m¤ng WBAN
đơn chặng độc lªp. Để có thº ph¥n t½ch mô h¼nh ph¥n cụm lý tưởng, trước
h¸t mô h¼nh WBAN đơn chặng c¦n được ph¥n t½ch và x¥y dựng c¡c công
thùc cơ b£n [54] –[59].
2.1.2. Mô h¼nh WBAN đơn chặng
 H¼nh 2.2 giới thi»u v· h» thèng WBAN điển h¼nh. Trong đó, c¡c c£m bi¸n
được g­n và ph¥n bè tr¶n mët sè vị tr½ tr¶n cơ thº người để gi¡m s¡t t¼nh
tr¤ng sùc khỏe cõa con người theo c§u h¼nh h¼nh sao đơn chặng. C¡c c£m
bi¸n s³ truy·n c¡c thông tin v· sùc khỏe trực ti¸p đến bë điều phèi.
 Mô h¼nh h» thèng WBAN h¼nh sao đơn chặng được mô t£ như sau. Ta x²t
h» thèng gồm có N c£m bi¸n và 1 bë điều phèi, c¡c gói dú li»u được truy·n
đi sû dụng giao thùc CSMA/CA dựa tr¶n chu©n IEEE 802.15.6.
 Với mục ti¶u kh£o s¡t thông lượng m¤ng WBAN theo giao thùc CSMA/CA,
do đó bỏ qua c¡c ho¤t động trong giai đoạn truy cªp không tranh ch§p (MAP1
 36
và MAP2) và thi¸t lªp độ dài cõa EAP1, RAP1, EAP2, RAP2 b¬ng 0, ch¿
kh£o s¡t trong giai đoạn tranh ch§p CAP.
 H¼nh 2.2: V½ dụ v· vị tr½ c¡c c£m bi¸n tr¶n cơ thº
 Cơ ch¸ x¡c nhªn ngay I-ACK được sû dụng để x¡c nhªn khung dú li»u đã
truy·n thành công hoặc không.
 Do nghi¶n cùu tªp trung vào ph¥n t½ch kh£ n«ng m§t gói tin do xung đët
n¶n chúng tôi gi£ thi¸t là k¶nh không léi. Khi đồng thời có nhi·u hơn mët
c£m bi¸n truy cªp t¤i bë điều phèi th¼ s³ x£y ra xung đột, đây là nguy¶n
nh¥n g¥y ra l¢ng ph½ công su§t ph¡t và làm gi£m thông lượng cõa h» thèng.
Do vªy, c¦n ph£i tèi ưu x¡c su§t truy cªp cõa c¡c c£m bi¸n để toàn bë c¡c
gói tin đã khởi t¤o đều được truy·n đ¸n bë điều phèi.
 Thời gian truy·n thành công gói dú li»u T được x¡c định là têng cõa thời
 37
gian đếm ngược (TCW ), thời gian truy·n gói dú li»u (TDAT A), kho£ng c¡ch
li¶n khung (TpSIF S), thời gian truy·n cõa gói tin x¡c nhªn (TACK) và thời
gian tr¹ (α).
 T = TCW + TDAT A + TACK + 2TpSIF S + 2α: (2.1)
Với thời gian tr¹ (α) được định nghĩa là têng cõa tr¹ truy·n d¨n và tr¹ xû lý
t½n hi»u.
 C«n cù vào B£ng 1.1, ta th§y c¡c UP ch®n và UP7 gi¡ trị CWmax g§p 4
l¦n CWmin, c¡c UP cán l¤i gi¡ trị CWmax g§p 2 l¦n CWmin. Dựa theo cơ ch¸
ho¤t động cõa giao thùc CSMA/CA theo chu©n IEEE 802.15.6 như được gi£i
th½ch ở tr¶n, NCS đ· xu§t công thùc t½nh thời gian đếm ngược trung b¼nh
cõa c¡c mùc ưu ti¶n như sau:
 8
 > CWminTs 2 CWmaxTs
 < 2 + Pcol 2 với UPs: 1, 3, 5
 TCW = :
 > CWminTs 2 4 CWmaxTs
 : 2 + PcolCWminTs + Pcol 2 với UPs ch®n và UP7
 (2.2)
Trong đó, Pcol là x¡c su§t xung đột, đây là x¡c su§t khi có nhi·u hơn mët
c£m bi¸n cùng truy·n d¨n trong cùng mët khe thời gian và Ts là chi·u dài
cõa 1 khe CSMA.
 C§u trúc cõa khe CSMA đưñc biºu di¹n trong H¼nh 2.3, v¼ th¸ Ts được
t½nh như sau:
 Ts = TpCAA + TmMAC + TpP HY : (2.3)
Trong đó: TpCAA là thời gian đánh gi¡ k¶nh réi; TmMAC là thời gian khung
dú li»u truy·n tø lớp MAC đ¸n lớp vªt lý; và TpP HY là thời gian khung dú
li»u truy·n tø lớp PHY đến không gian truy·n sóng.
 38
 H¼nh 2.3: C§u trúc cõa khe CSMA
 V¼ mët khung dú li»u bao gồm mët ti·n tè, mët mào đầu lớp PHY, mët
mào đầu lớp MAC, th¥n khung MAC và chuéi kiºm tra, v¼ th¸ thời gian để
truy·n mët khung dú li»u s³ là:
 TDAT A = TP + TPHY + TMAC + TBODY + TFCS: (2.4)
Ð đây: TP , TPHY , TMAC, TBODY và TFCS l¦n lượt tương ùng với thời gian để
truy·n 1 ti·n tè, mào đầu PHY, mào đầu MAC, th¥n khung MAC và chuéi
kiºm tra. Goi Rs, Rhdr và E[P ] tương ùng là tèc độ symbol cõa mào đầu và
ti·n tè PHY, tèc độ dú li»u và k½ch thước t£i, khi đó TDAT A s³ được t½nh là:
 Ti·n tè + Mào đầu PHY 8 Mào đầu MAC + E [P ] + Chuéi kiºm tra

 TDAT A = + :
 Rs Rhdr
 (2.5)
 V¼ gói tin x¡c nhªn không chùa t£i n¶n thời gian truy·n nó được t½nh là:
 Ti·n tè + Mào đầu PHY 8 Mào đầu MAC + Chuéi kiºm tra

 TACK = + : (2.6)
 Rs Rhdr
 Dựa tr¶n lý thuy¸t x¡c su§t thèng k¶ và phương ph¡p thời gian rời r¤c chuéi
Markov [45], c¡c công thùc để t½nh thông lượng cõa m¤ng WBAN được x¥y
dựng như sau.
 Gọi têng sè c£m bi¸n trong mët WBAN là N, méi c£m bi¸n truy cªp ng¨u
 39
nhi¶n và đëc lªp vào 1 khe thời gian với x¡c su§t là τ. Với gi£ thi¸t này, x¡c
su§t réi Pidle là x¡c su§t không có c£m bi¸n nào truy cªp trong khe thời gian
đã cho và được t½nh b¬ng:
 N
 Pidle = (1 − τ) : (2.7)
Tương tự, x¡c su§t Psuc là x¡c su§t mà mët và ch¿ mët c£m bi¸n truy cªp
thành công vào 1 khe thời gian đã cho:
 N−1
 Psuc = Nτ(1 − τ) : (2.8)
 Thời gian xung đột Tc là kho£ng thời gian không có c£m bi¸n nào có thº
truy cªp k¶nh truy·n do x£y ra xung đột. Tuy nhi¶n, c£m bi¸n ph¡t t½n hi»u
đến bë điều phèi và chờ nhªn gói tin x¡c nhªn ACK tø bë điều phèi. Trong
trường hñp xung đột x£y ra, khi đó bë điều phèi không gûi gói tin ACK đến
c£m bi¸n, và lúc này c£m bi¸n s³ ti¸n hành đếm ngược bë đếm backoff. Điều
này có nghĩa là thời gian truy·n thành công mët gói tin T và thời gian xung
đột là g¦n như nhau. Trong nghi¶n cùu này, chúng tôi gi£ thi¸t T = Tc. do
đó kho£ng thời gian trung b¼nh để truy·n mët gói tin là:
 E[slot] = PidleTs + PsucT + PcolTc: (2.9)
Với Pcol = 1 − Psuc − Pidle.
 Cuèi cùng, thông lượng cõa h» thèng T hro là lượng thông tin trung b¼nh
được truy·n thành công trong 1 đơn vị thời gian:
 P E[P ] P E[P ]
 T hro = suc = suc : (2.10)
 E[slot] PidleTs + PsucT + (1 − Psuc − Pidle)Tc
Với E[P ] là k½ch thước khung MAC.
 K¸t qu£ t½nh to¡n thông lượng cõa mô h¼nh đơn chặng
 40
 Để đánh gi¡ k¸t qu£ t½nh to¡n, chúng tôi sû dụng c¡c tham sè được đưa
ra trong B£ng 2.1 như mët v½ dụ để biºn di¹n k¸t qu£, với c¡c tham sè kh¡c
cũng có thº t½nh hoàn toàn tương tự.
 B£ng 2.1: Gi¡ trị c¡c tham sè
 Tham sè Gi¡ trị
 B«ng t¦n [MHz] 2400-2483,5
 Thành ph¦n gói PSDU
 Điều ch¸ π/2-DBPSK
 M¢ k¶nh BCH (63,51)
 Tèc độ symbol Rs [ksps] 600
 Tèc độ dú li»u Rhdr [kbps] 242,9
 K½ch thước t£i [byte] 250
 Cûa sê tranh ch§p cực tiºu CWmin [slots] 16
 Cûa sê tranh ch§p cực đại CWmax [slots] 64
 Đánh gi¡ k¶nh trèng CCA [bits] 63
 Mào đầu MAC [bits] 56
 Chuéi kiºm tra [bits] 16
 Thời gian kho£ng trèng li¶n khung ng­n Tsifs [µs] 50
 Ti·n tè [bits] 88
 Tr¹ α [µs] 1
 Khi thay đổi x¡c su§t truy cªp với bước nh£y 0.0001 và thông lượng t½nh
theo công thùc (2.10) th¼ k¸t qu£ được biºu di¹n như ở H¼nh 2.4. Với méi sè
lượng c£m bi¸n, s³ có mët gi¡ trị tèi ưu cõa τ để thông lượng đạt cực đại. Sè
c£m bi¸n càng nhi·u th¼ gi¡ trị tèi ưu cõa τ càng th§p.
 C¡c gi¡ trị thông lượng cực đại, x¡c su§t truy cªp tèi ưu ùng với tøng gi¡
trị cõa têng sè c£m bi¸n được têng hñp trong B£ng 2.2.
 Tèi ưu ho¡ x¡c su§t truy cªp trong mô h¼nh đơn chặng
 Như k¸t qu£ trong H¼nh 2.4, tồn t¤i mët gi¡ trị tèi ưu cõa x¡c su§t truy
cªp để thông lượng đạt gi¡ trị cực đ¤i, và mët sè gi¡ trị tèi ưu cõa x¡c su§t
truy cªp được rút ra qua vi»c t½nh to¡n thông lượng đưñc li»t k¶ trong B£ng
 41
 200
 150
 100
 N=50
 Thông lượng [kbps] N=200
 50
 N=300
 N=400
 N=500
 0
 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
 Xác suất truy cập
 H¼nh 2.4: Thông lượng cõa h» thèng khi sè c£m bi¸n và τ thay đổi
2.2. Tuy nhi¶n, vi»c tèi ưu ho¡ x¡c su§t truy cªp b¬ng phương ph¡p to¡n học
có ý nghĩa trong vi»c ph¥n t½ch, đánh gi¡ c¡c mô h¼nh phùc t¤p hơn. V¼ th¸
trong ph¦n này, NCS ti¸n hành tèi ưu ho¡ x¡c su§t truy cªp b¬ng phương
ph¡p to¡n học.
 Tø công thùc t½nh thông lượng (2.10), v¼ với méi ùng dụng E[P ] thường
là mët h¬ng sè, v¼ th¸ thông lượng đạt cực đại khi thành ph¦n
 E[P ] P T + P T + (1 − P − P )T P (T − T ) + T
 f = = idle s suc suc idle c = idle s
 T hro Psuc Psuc
 (2.11)
đạt cực tiºu. Gi¡ trị tèi ưu cõa x¡c su§t truy cªp τopti để thông lượng h»
 @f
thèng cực đại là nghi»m cõa phương tr¼nh @τ = 0 hay
 N T N
 (1 − τopti) − (Nτopti − (1 − (1 − τopti) )) = 0: (2.12)
 TS
 42
 B£ng 2.2: Thông lượng và x¡c su§t truy cªp tèi ưu theo công thùc (2.10)
 N 50 100 150 200 250
 Thro 183.8 183.7 183.6 183.6 183.6
 τ 0.0031 0.0016 0.0010 0.0008 0.0006
 N 300 350 400 450 500
 Thro 183.6 183.4 183.6 183.3 183.6
 τ 0.0005 0.0004 0.0004 0.0003 0.0003
Phương ph¡p Taylor được ¡p dụng để gi£i được phương tr¼nh tr¶n, tuy nhi¶n
để k¸t qu£ được ch½nh x¡c, sè bªc cõa hàm Taylor c¦n được nghi¶n cùu kỹ
lưỡng. Phương ph¡p Taylor têng qu¡t được biºu di¹n như sau:
 N(N − 1) N(N − 1)(N − 2)
 (1 − τ )N = 1 − Nτ + τ 2 − τ 3
 opti 2! opti 3! opti
 N(N − 1)(N − 2)(N − 3)
 + τ 4
 4! opti
 N(N − 1)(N − 2)(N − 3)(N − 4)
 − τ 5
 5! opti
 + :::
Với c¡c gi¡ trị N = 50; 200; 450 và τ tương ùng trong B£ng 2.2 được sû
dụng để t½nh gi¡ trị cõa hàm Taylor tới bªc 9 và k¸t qu£ được biºu di¹n trong
H¼nh 2.5.
 Nhªn th§y r¬ng: tø bªc 2 trở l¶n gi¡ trị cõa hàm Taylor không thay đổi.
V¼ th¸, c¡c thành ph¦n có sè mũ lớn hơn hoặc b¬ng ba cõa τ có thº bỏ qua
và chuéi Taylor có thº l§y g¦n đúng như sau:
 N(N − 1)
 (1 − τ )N ≈ 1 − Nτ + τ 2 : (2.13)
 opti opti 2 opti
Thay (2.13) vào (2.12) th¼ phương tr¼nh được chuyºn v· phương tr¼nh bªc 2
như sau:
 N(N − 1)  T 
 1 − Nτ + 1 − τ 2 = 0: (2.14)
 2 TS
 43
 1
 N=50
 N=200
 N=450
 0.95
 0.9
 Giá trị của hàmTaylor 0.85
 0.8
 0123456789
 Số bậc của hàm Taylor
 H¼nh 2.5: Gi¡ trị cõa hàm Taylor
Và nghi»m cõa phương tr¼nh tr¶n là:
 q 2 T
 N ± N − 2N(N − 1)(1 − T )
 τ = S ; (2.15)
 opti N(N − 1)(1 − T )
 TS
 q N−1 T
 ± 1 + 2 N ( T − 1) − 1
 = S :
 (N − 1)( T − 1)
 TS
V¼ T > 1, N > 1, và τ > 0 n¶n ch¿ tồn t¤i mët nghi»m duy nh§t:
 TS
 q N−1 T
 1 + 2 N ( T − 1) − 1
 τ = S : (2.16)
 opti (N − 1)( T − 1)
 TS
 T
Mặt kh¡c, v¼  1, N  1 n¶n gi¡ trị τopti có thº rút gọn v· d¤ng đơn
 TS
gi£n hơn:
 1
 τopti = q : (2.17)
 N T
 2TS
 44
 10 -3
 3.5
 3 Công thức tính thông lượng
 Công thức tối ưu
 2.5
 2
 1.5
 1
 Xác suất truy cập tối ưu tối cập truy suất Xác 0.5
 0
 0 100 200 300 400 500
 Tổng số cảm biến
 H¼nh 2.6: So s¡nh τopti trong 2 phương ph¡p
 Gi¡ trị tèi ưu cõa τ có thº rút ra qua phương ph¡p t½nh thông lượng hoặc
t½nh trực ti¸p qua công thùc (2.17). Để đánh gi¡ t½nh ch½nh x¡c cõa phương
ph¡p tèi ưu ho¡ τ b¬ng to¡n học, gi¡ trị tèi ưu cõa τ được so s¡nh như trong
H¼nh 2.6. Có thº th§y gi¡ trị tèi ưu cõa τ trong c£ 2 phương ph¡p là g¦n như
nhau, sự ch¶nh l»ch nhỏ có thº gi£i th½ch là v¼ c¡c bước nh£y cõa τ trong
c¡ch t½nh thông lượng cán lớn. N¸u gi£m gi¡ trị bước nh£y th¼ k¸t qu£ cõa 2
phương ph¡p càng trùng khớp.
 Mặt kh¡c, như đã tr¼nh bày trong H¼nh 2.4, khi sè c£m bi¸n thay đổi th¼
gi¡ trị tèi ưu cõa τ cũng thay đổi, tuy nhi¶n thông lượng cực đại h¦u như
không đổi. Ngay c£ khi gi¡ trị x¡c su§t truy cªp cõa t§t c£ c¡c c£m bi¸n là
cè định th¼ thông lượng cũng s³ gi£m khi sè lượng c£m bi¸n t«ng l¶n. Điều
này có nghĩa là vi»c tªp trung truy·n t½n hi»u tø c¡c c£m bi¸n tới bë điều
 45
phèi đã làm gi£m thông lượng cõa h» thèng. Thay cho vi»c truy·n tªp trung
tới bë điều phèi, c¡c c£m bi¸n có thº truy·n tới cụm trưởng và cụm trưởng
s³ truy·n t½n hi»u tới bë điều phèi, điều này có thº c£i thi»n thông lượng cõa
h» thèng WBAN. Hơn núa, trong c§u h¼nh h¼nh sao đơn chặng, c¡c c£m bi¸n
truy·n trực ti¸p tới bë điều phèi n¶n y¶u c¦u công su§t ph¡t ph£i lớn, đặc
bi»t là c¡c c£m bi¸n đặt c¡ch xa bë điều phèi. Ngoài ra, mët sè li¶n k¸t trực
ti¸p tø c¡c c£m bi¸n đến bë điều phèi có thº bị gi¡n đoạn do sự chuyºn động
cõa cơ thº. V¼ vªy, vi»c nghi¶n cùu h» thèng WBAN ph¥n cụm là c¦n thi¸t.
2.1.3. Ph¥n t½ch và t½nh to¡n thông lượng cho mô h¼nh ph¥n cụm
 Đặt Nc và Ns tương ùng là sè cụm và sè c£m bi¸n trong 1 cụm (trø CH),
khi đó ta có:
 N
 Ns = − 1: (2.18)
 Nc
 Trong mô h¼nh ph¥n cụm lý tưởng, méi mët cụm trong m¤ng WBAN ph¥n
cụm có thº được coi như là mët c£m bi¸n trong m¤ng WBAN đơn chặng. Do
vªy c¡ch t½nh x¡c su§t truy cªp tèi ưu cũng tương tự như m¤ng WBAN đơn
chặng (Mục 2.1.2) đã tr¼nh bày.
 X¡c su§t truy·n thành công cõa t§t c£ c¡c c£m bi¸n trong mët cụm được
mô t£ như sau:
 s Ns−1
 Psuc = Nsτ(1 − τ) (1 − τc) : (2.19)
V¼ c¡c CH ngoài chùc n«ng c£m nhªn thông tin, tự t¤o ra c¡c gói tin cõa
ch½nh m¼nh gûi cho bë điều phèi cán có chùc n«ng chuyºn c¡c gói tin đã nhªn
được tø c¡c c£m bi¸n tới bë điều phèi, n¶n x¡c su§t truy cªp cõa c¡c CH (τc)
được t½nh b¬ng:
 s
 τc = τ:Psuc + τ: (2.20)
 46
Mët CH được xem là truy cªp thành công vào k¶nh truy·n n¸u c¡c CH kh¡c
và c¡c c£m bi¸n thành vi¶n trong cụm §y không truy·n dú li»u cùng thời
gian. V¼ th¸ x¡c su§t truy·n thành công cõa t§t c£ c¡c CH được t½nh là:
 c Nc−1 Ns
 Psuc = Ncτc(1 − τc) (1 − τ) ; (2.21)
và x¡c su§t réi cõa k¶nh truy·n tới bë điều phèi mà c¡c CH c£m nhªn được
trong h» thèng WBAN ph¥n cụm là lúc không có mët CH nào và không có
mët c£m bi¸n thành vi¶n nào trong cụm §y đang truy·n t½n hi»u được t½nh:
 c Ns Nc
 Pidle = (1 − τ) (1 − τc) : (2.22)
 Phương tr¼nh t½nh to¡n thông lượng cõa m¤ng WBAN ph¥n cụm là:
 P c E[P ]
 T hro = suc : (2.23)
 c c c c
 PidleTs + PsucT + (1 − Psuc − Pidle)Tc
2.1.4. Tèi ưu sè lượng cụm
 Tương tự với m¤ng WBAN đơn chặng, thông lượng cõa h» thèng đạt cực
đại khi hàm f đạt cực tiºu,
 2
 c 2 Nc +Nc 2
 Pidle(Ts − T ) + T (1 − Nτ − Ncτ + 2 τ )(Ts − T ) + T
 f = c ≈ 2 2 2 : (2.24)
 Psuc Ncτ + Nτ − Nc τ
 Sè cụm tèi ưu và x¡c su§t truy cªp tèi ưu cõa CH là nghi»m cõa phương
tr¼nh @f = 0 và @f = 0. Điều này tương đương với:
 @Nc @τc
 3
 Tsτ − Nτ (Ts − T )
 Nc ≈ ; (2.25)
 opti τ 3 2 4 τ 3 4
 Ts( 2 + 2τ − 2Nτ ) − T ( 2 − 2Nτ )
 p 2
 Nc + 4N(N − Nc)τ − Nc
 τcopti = : (2.26)
 2(N − Nc)
 47
 140 
 120
 100
 80
 Phân cụm
 60 Đơn chặng
 Thônglượng[kpps] 
 40
 tau=0.05
 tau=0.1
 20
 0 
 0 5 10 15 20 25
 Số lượng cụm
 H¼nh 2.7: Thông lượng cõa h» thèng khi N = 50
2.1.5. K¸t qu£ t½nh to¡n cho mô h¼nh ph¥n cụm lý tưởng
 Gi¡ trị c¡c tham sè dùng để đánh gi¡ như ở B£ng 2.1. Khi sè c£m bi¸n cè
định ở 50 và thay đổi sè cụm th¼ thông lượng cõa m¤ng WBAN ph¥n cụm
được ch¿ ra như trong H¼nh 2.7. Ta th§y r¬ng có gi¡ trị cụm tèi ưu để thông
lượng h» thèng đạt cực đại và gi¡ trị tèi ưu này s³ thay đổi khi τ thay đổi.
 Tuy nhi¶n, khi τ cè định ở gi¡ trị 0,05 và sè c£m bi¸n thay đổi: 20; 40; 60;
80; 100 th¼ gi¡ trị sè cụm tèi ưu g¦n như không đổi và v¨n ở mùc là 11 như
trong H¼nh 2.8. Điều này có nghĩa là sè luñng c£m bi¸n không t¡c động lớn
đến gi¡ trị cụm tèi ưu. Công thùc (2.25) ch¿ rã v§n đề này, n¸u bỏ qua c¡c
thành ph¦n bªc cao (lớn hơn 3) cõa x¡c su§t truy cªp th¼ công thùc t½nh sè
 48
 140
 N=20
 120
 N=40
 100
 N=60
 80
 N=80
 60 N=100
 Thông lượng [kbps]
 40
 20
 0
 0 10 20 30 40 50
 Số lượng cụm
 H¼nh 2.8: Sè cụm tèi ưu khi sè c£m bi¸n thay đổi, với τ = 0; 05
cụm tèi ưu được vi¸t l¤i như sau:
 1
 N ≈ : (2.27)
 c 2τ
Tø (2.27), ta nhªn th§y sè cụm tèi ưu ch¿ phụ thuëc vào τ mà không phụ
thuëc vào têng sè c£m bi¸n.
 H¼nh 2.8 và H¼nh 2.9 cho th§y thông lượng cõa h» thèng WBAN ph¥n cụm
phụ thuëc vào sè lượng cụm và thông lượng đạt cực đại khi sè cụm tèi ưu.
H¼nh 2.10 so s¡nh thông lượng cực đại cõa h» thèng ph¥n cụm và h» thèng
h¼nh sao đơn chặng truy·n thèng (không ph¥n cụm). Lưu ý r¬ng trong trường
hñp ph¥n cụm, luôn có ½t nh§t 1 c£m bi¸n thành vi¶n trong 1 cụm. H¼nh 2.10
nói l¶n khi τ nhỏ, thông lượng cõa h» thèng h¼nh sao đơn chặng truy·n thèng
cao hơn so với h» thèng ph¥n theo cụm, tuy nhi¶n thông lượng gi£m nhanh
 49
 140 
 120
 100
 80
 Phân cụm
 60
 Thông [kpps] lượng 
 40
 Tải =100 bytes 
 20 Đơn chặng Tải =250 bytes
 0 
 0 5 10 15 20 25
 Số lượng cụm
H¼nh 2.9: Sè cụm tèi ưu cè định khi k½ch thước t£i tin thay đổi với N = 50 và τ = 0; 05
 180
 160
 140
 Phân cụm
 120
 100
 80
 Đơn chặng
 60
 40
 Thông lượng cực đại [kpps]
 20
 0
 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
 Xác suất truy cập 
H¼nh 2.10: So s¡nh thông lưñng cõa giao thùc CSMA/CA truy·n thèng và CSMA/CA
 ph¥n theo cụm với N = 50 và t£i tin = 250
khi τ t«ng. Khi τ t«ng, thông lượng cõa h» thèng WBAN ph¥n cụm cũng
gi£m nhưng mùc gi£m kh¡ chªm và thông lượng cõa h» thèng ph¥n cụm ên
 50
định và cao hơn so với h» thèng h¼nh sao đơn chặng.
2.2. Đề xu§t mô h¼nh ph¥n cụm không lý tưởng
2.2.1. Mô h¼nh h» thèng
 Trong điều ki»n lý tưởng, mô h¼nh h» thèng WBAN ph¥n cụm đã được
gi£i th½ch trong mục 2.1.1. Trong điều ki»n không lý tưởng, WBAN theo cụm
được thº hi»n ở H¼nh 2.11, bao gồm mët bë điều phèi, c¡c cụm có 1 CH và
mët sè c£m bi¸n. Để thu được dú li»u tø t§t c£ c¡c c£m bi¸n, bë điều phèi
được đặt ở trung t¥m cõa cơ thº và c¡c c£m bi¸n được ph¥n bè đều tr¶n kh­p
cơ thº. V¼ c¡c CH ph£i thu được dú li»u tø t§t c£ c¡c c£m bi¸n thành vi¶n và
chuyºn nó tới bë điều phèi, để tr¡nh vi»c suy hao n«ng lượng qu¡ nhi·u và
đảm b£o t½nh công b¬ng cho t§t c£ c¡c c£m bi¸n, c¡c CH được gi£ sû không
t¤o ra dú li»u cõa ch½nh nó. Nói c¡ch kh¡c, CH là c¡c thi¸t bị mà nó ch¿ có
nhi»m vụ chuyºn ti¸p c¡c gói dú li»u cõa c¡c c£m bi¸n thành vi¶n, chúng
không có chùc n«ng c£m bi¸n và t¤o ra dú l