Luận án Nghiên cứu kiến trúc tính toán tiên tiến cho mạng thế hệ mới trong y tế thông minh

Tên luận án:

PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC TÍNH TOÁN TÍCH HỢP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HỆ THỐNG Y TẾ THÔNG MINH

Ngành:

Kỹ thuật điện tử

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung vào việc phát triển một kiến trúc tính toán tích hợp nhằm nâng cao hiệu năng cho hệ thống y tế thông minh (IoHT), đặc biệt trong bối cảnh yêu cầu xử lý dữ liệu thời gian thực và sự phát triển của mạng 6G cùng Internet vạn vật (IoT). Đề tài giải quyết thách thức về khả năng đáp ứng tức thời trong các tình huống cấp cứu và tối ưu hóa xử lý dữ liệu y tế khổng lồ, vốn là hạn chế của các kiến trúc đám mây truyền thống.

Mục tiêu chính của luận án là thiết kế và đánh giá các giải pháp kiến trúc và thuật toán tính toán tiên tiến. Cụ thể, đề tài đề xuất kiến trúc IoHT ba tầng Edge-Fog-Cloud, kết hợp mô hình hàng đợi ưu tiên M/M/C/K, nhằm giảm thời gian phản hồi, tối ưu chất lượng dịch vụ (QoS) và đảm bảo các ràng buộc Thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) cho dữ liệu y tế có nhiều mức độ ưu tiên. Đồng thời, luận án xây dựng giải pháp phân bổ tài nguyên linh hoạt dựa trên Mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) để cân bằng tải và nâng cao khả năng đáp ứng. Một mô hình giảm tải tối ưu cho thiết bị đeo cũng được phát triển để cân bằng giữa thời gian phản hồi, tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành.

Các phương pháp nghiên cứu bao gồm hệ thống hóa lý thuyết, xây dựng mô hình toán học cho kiến trúc IoHT tích hợp, và mô phỏng theo kịch bản bệnh viện với tải động. Kết quả mô phỏng cho thấy kiến trúc đề xuất giúp giảm Thời gian phản hồi trung bình (MRT) toàn hệ thống xuống dưới 10 ms ngay cả ở tải cao, đồng thời duy trì sự phân biệt ưu tiên rõ rệt giữa dịch vụ khẩn cấp (Class 1) và thông thường (Class 2) với mức chênh lệch 30-35%. Giải pháp giảm tải thích nghi cho thiết bị đeo giúp tiết kiệm tới 18% năng lượng so với xử lý cục bộ. Luận án cung cấp cơ sở định lượng, kỹ thuật và các khuyến nghị cấu hình hạ tầng tối ưu, góp phần phát triển bền vững hệ thống y tế thông minh.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

  • 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
  • 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
    • 2.1. Mục đích nghiên cứu
    • 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
  • 3. Phương pháp nghiên cứu
  • 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
    • 4.1. Ý nghĩa khoa học
    • 4.2. Ý nghĩa thực tiễn
  • 5. Những đóng góp mới của đề tài
  • 6. Cấu trúc của luận án
    • Chương 1: Cơ sở lý thuyết.
    • Chương 2: Kiến trúc IoHT tích hợp và mô hình hiệu năng.
    • Chương 3: Đề xuất mô hình giảm tải và phân bổ tài nguyên.

• CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

  • 1.1. Tổng quan hệ thống y tế thông minh và kiến trúc tham chiếu
    • 1.1.1. Khái niệm, phạm vi và vai trò của y tế thông minh
    • 1.1.2. Kiến trúc tích hợp Edge-Fog-Cloud và luồng dữ liệu trong IoHT
    • 1.1.3. Phân loại dịch vụ y tế thông minh và yêu cầu thời gian thực
  • 1.2. Đặc tính dữ liệu và tiêu chí đánh giá hiệu năng trong y tế thông minh
    • 1.2.1. Đặc thù dữ liệu
    • 1.2.2. Tiêu chí hiệu năng, ràng buộc SLA và liên hệ với mô hình hàng đợi
  • 1.3. Cơ sở lý thuyết về mô hình hàng đợi trong y tế thông minh
    • 1.3.1. Giới thiệu lý thuyết hàng đợi
    • 1.3.2. Các mô hình hàng đợi cơ sở
    • 1.3.3. Hệ thống hàng đợi dung lượng hữu hạn
    • 1.3.4. Hàng đợi có ưu tiên
  • 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
    • 1.4.1. Nghiên cứu trong nước
    • 1.4.2. Nghiên cứu trên thế giới

• CHƯƠNG 2. KIẾN TRÚC TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH HÀNG ĐỢI TRONG HỆ THỐNG IOHT

  • 2.1. Giới thiệu chương
  • 2.2. Kiến trúc tích hợp Edge-Fog-Cloud trong hệ thống IoHT
    • 2.2.1. Mô tả kiến trúc đề xuất
    • 2.2.2. Quá trình xử lý dữ liệu trong kiến trúc tích hợp
  • 2.3. Thiết lập mô hình đánh giá hiệu năng kiến trúc
    • 2.3.1. Kiến trúc mô hình hàng đợi
    • 2.3.2. Giả định chung
    • 2.3.3. Mô hình hàng đợi cho từng thành phần
  • 2.4. Phân lớp dịch vụ, tham số và quản lý SLA trong hệ thống IoHT
    • 2.4.1. Phân lớp dịch vụ và cơ chế ưu tiên
    • 2.4.2. Tham số cơ bản của mô hình hàng đợi
    • 2.4.3. Ràng buộc liên thông
    • 2.4.4. Kịch bản tải và tác động đến SLA
  • 2.5. Đánh giá hiệu năng của hệ thống
    • 2.5.1. Mô hình lớp biên
  • 2.6. Mô phỏng và phân tích hiệu năng của hệ thống
    • 2.6.1. Thiết lập kịch bản mô phỏng
    • 2.6.2. So sánh hiệu năng giữa kiến trúc truyền thống và kiến trúc đề xuất
    • 2.6.3. Phân tích hiệu năng và triển khai kiến trúc tích hợp IoHT

• CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH GIẢM TẢI VÀ PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN CHO Y TẾ THÔNG MINH

  • 3.1. Đặt vấn đề
  • 3.2. Mô hình tổng quát giảm tải trong IoHT
  • 3.3. Giải pháp phân bổ tài nguyên y tế dựa trên SDN
    • 3.3.1. Kiến trúc tích hợp SDN-IoHT
    • 3.3.2. Cơ chế phân bổ tài nguyên dựa trên SDN
    • 3.3.3. Thuật toán điều phối giảm tải dựa trên SDN
    • 3.3.4. Mô phỏng và đánh giá thuật toán điều phối SDN
  • 3.4. Giải pháp giảm tải hệ thống y tế dựa trên thiết bị đeo
    • 3.4.1. Kiến trúc phân tầng
    • 3.4.2. Mô hình toán học cho bài toán giảm tải thiết bị đeo
    • 3.4.3. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả mô hình giảm tải thiết bị đeo
    • 3.4.4. Phân tích kết quả
    • 3.4.5. Nhận xét tổng hợp và liên hệ SLA

• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO