無線感測器網路拓樸架構種類介紹

無線感測器網路常應用於大監測範圍的環境，由於距離及障礙物阻隔，使的 每個無線感測器節點通訊能力受到限制，無法直接將監測資料直接傳送回閘道器 端，因此必須透過中繼節點(Relay Node)的轉傳機制來幫助傳送資料，才能將資料 完整且正確地傳送至閘道器端，因此，如何選定一個適合的監測資料回傳路徑，

亦是在無線感測器網路領域裡一個重要的議題，衍伸出許多不同的網路拓樸架構 來滿足不同應用的需求。為配合實際使用的需求，無線感測器網路拓樸架構主要 可分為下列幾種架構：鏈狀拓樸(Chain Topology)、叢集式拓樸(Cluster Topology)、

樹狀拓樸(Tree Topology)及網狀拓樸(Mesh Topology)等(唐，2004)。以下將針對這 幾種架構進行介紹。

1. 鏈狀拓樸架構

鏈狀拓樸架構是將所有網路系統內之無線感測器節點以點對點透過像一條 鍊子的路徑做通訊連接，每個無線感測器節點會挑選其通訊範圍內之最近的節點 作為轉傳節點並建立連線，最後匯集至閘道器，如圖 2-3 所示。此種網路拓樸架 構具有下列幾項優勢：

(1) 實作架構簡單，且訊息傳送時極少發生碰撞的問題，可以達到節省能源之 目的。

(2) 傳送資料僅傳送至鄰近之節點，能夠有效地降低傳送時消耗的電量。

圖 2-3 鏈狀拓樸架構圖

雖然鏈狀拓樸有上述兩點優點，但仍有缺點可修正改進(Lindsey et al., 2002)，

例如：

(1) 距離閘道器最近之節點，必須匯集並傳送整個網路系統內之資料，該節點 耗能十分龐大，非常容易因能量消耗完畢而導致節點失去網路鏈結的情 況。

(2) 由於鏈狀的架構，若網路系統內其中一顆節點不正常運作或因某些原因失 去網路鏈結，將造成網路系統內其他節點資料無法順利回傳，使網路失去 正常功能。

(3) 網路系統內之感測器節點數增加時，資料在網路內回傳時間將拉長。

2. 叢集式拓樸架構

叢集式拓樸是由鄰近的節點透過無線通訊連接互相形成一個叢集，再由每個

叢集選出一個感測器節點作為叢集首(Cluster Head)，其架構如圖 2-4 所示，每個 叢集內之感測器節點均先將其資料傳給叢集首，由叢集首匯集後再與閘道器連線 並傳送所有其轄下節點之資料。叢集的概念與群集相同，只是在名稱上有著不同 的說法，此種網路拓樸架構具有下列幾項優點：

(1) 所收集到之監測資料會具有高度相關性，因此適用於監測變動快速的環 境。

(2) 由於每個資料僅需兩次傳送就可傳至閘道器，可有效地減少封包傳遞所 花費之耗能。(Heinzelman et al., 2000)

圖 2-4 叢集式拓樸架構圖

當然叢集式拓樸也有其缺點，由於每個叢集內部測器節點數不同，會造成叢 集首有不同負載，而形成負載不平行的現象，若網路系統內其中一個叢集內部具 有大量的感測器節點，此叢集的叢集首所負責處理的資料傳輸量必定較其他叢集 多，亦即表示此叢集首的耗能會遠大於其他叢集的叢集首，而可能進一步地造成 此叢集首較其他叢集首提早失去網路連線，導致整個網路系統失去一部分的資料，

嚴重影響資料的健全性。

3. 樹狀拓樸架構

樹狀拓樸為一種結合鏈狀拓樸與叢集式拓樸的一種混合式網路拓樸架構，其 就像數目由主樹幹延伸出許多分之一樣，在樹狀拓樸架構裡，節點組成方式與鏈 狀拓樸相似，如圖 2-5 所示。由圖中可以看出，樹狀拓樸導入了父節點(Parent Node) 與子節點(Child Node)的概念，利用此概念階層間的關係，來達到分層的概念，與 鏈狀拓樸不同的是，父節點可以是多個子節點資料傳輸的終點。樹狀拓樸也會遇 到負載不平衡的問題，且可能比叢集式拓樸更為嚴苛，因為樹狀拓樸並無關聯性 相近即成一個群集的概念，轉傳次數必定上升，導致父節點更快速失去功能脫離 網路系統，造成網路壽命與資料完整性下降，因此，負載不平衡問題在樹狀拓樸 中極為重要，採用樹狀拓樸前必須考量負載不平衡的問題，以免與需求間發生不 合適的情況。

圖 2-5 樹狀拓樸架構圖

4. 網狀拓樸架構

此種網路拓樸架構與上述幾種架構有極大差異性，其拓樸架構示意圖如圖 2-6 所示，此種拓樸架構中，感測器節點傳送資料方式並無一定路徑，且傳輸路 徑選取可考慮周邊各節點狀態、其他感測器節點傳輸排程規劃以及網路中障礙物 的問題，由上述特點可看出此種網路拓樸架構可適應於最多種類的應用情境。然 而，在理論上此種網路拓樸架構為最佳拓樸架構，但是在實現上，設計極為不易，

感測器節點需要知道即時的大量其他周遭節點之資訊，例如剩餘電量、周遭節點 的資料傳輸排程以及其相對應周遭節點之地理位置。

圖 2-6 網狀拓樸架構示意圖

以上四種無線感測器網路拓樸架構各有其優點及其所面臨之缺點，使用者可 依據應用情境不同採用最合適的架構，而這四種拓樸架構亦可互相搭配使用，發 揮更大的效能，表 2.1 列出了這四種拓樸架構之比較。

表 2.1 各類型網路拓樸架構之比較