無線感測網路最佳化設計及效能分析

在無線感測網路[16~18]中，由於感測節點的能量有限，故如何降低感測節 點的能量消耗及提高傳輸通道的使用效率，成為相當重要之研究課題。在目前相 關的通訊標準中，IEEE 802.15.4 標準[19、20]定義了低功率的個人區域網路 (wireless personal area network; WPAN)，故本子計畫針對 IEEE 802.15.4 標準進行 研究，並針對 IEEE 802.15.4 標準不足之處加以改良，以期提高本計畫之無線感 測網路效能。

2.4.3.1 延遲後退演算法(DBA)

IEEE 802.15.4 的傳輸週期可分為競爭週期(contention access period; CAP)及 非競爭週期(contention free period; CFP)二種，其中競爭週期的資料傳輸是以載波 偵 測 多 重 擷 取 / 碰 撞 避 免 (carrier-sense multiple access / collision avoidance;

CSMA/CA)做為其競爭機制。在此一機制中，每個感測節點資料傳送之前，先使 用二元指數隨機演算法於(0, 2^BE-1)之間取一隨機倒退時間進行等待，並於等待完 畢後經過二次 CCA (clear channel assessment)確認通道無人使用，才進行資料的 傳送。若進行 CCA 的過程中發現通道正被使用，則感測節點使用二元指數隨機 演算法於(0, (2^(BE+1)-1))之間，重取一隨機倒退時間進行等待後，再重新進行 CCA 動作。其中 BE 的起始值為 macMinBE，最大值為 macMaxBE。

在 IEEE 802.15.4 的 CSMA/CA 機制中，將 macMinBE 設定為 3，雖然此一 數值較 IEEE 802.11 標準之設定為低，但如此的作法於網路負載低時，依然會造 成隨機等待時間的浪費，且於網路負載高時，容易導致碰撞的發生，因而導致感 測節點消耗的功率增加且降低網路的流量。為了解決此一問題，我們提出了延遲 後退演算法(delayed backoff algorithm; DBA)。在我們提出的 DBA 中，為了減少 隨機等待時間的浪費並降低碰撞的發生，協調者將主動配置不同的倒退時間 (backoff period)給以下二類資料傳輸：

且由於所有被配置倒退時間之感測節點，均會在相同的時間開始進行等待的動 作，因此碰撞的現象可有效的被避免。且對於使用 DBA 的感測節點而言，隨機 等待時間所造成之浪費可有效的降低。

為了比較 DBA 與其他方法之效能差異，我們將 DBA 與 MBS+EWMA[21]、

STS[22]與 IEEE 802.15.4 標準進行模擬，假設網路中有 9 個(N=9)及 49 個(N=49) 排列成正方形之感測節點，位於正中央者為協調者，且協調者有能力與所有的節 點溝通。封包長度固定為 120Bytes。

圖 2-35 為網路中有九個感測節點時的有效資料流量，我們可以很清楚的看 出，當網路負載增加時，DBA 能夠有效的增加有效資料流量；當網路負載為滿 載時，DBA 的流量較標準之 IEEE 802.15.4 增加約 59%，但 MBS+EWMA 及 STS 的有效流量僅較 IEEE 802.15.4 增加約 8.5%及 2%。圖 2-36 為網路中有九個感測 節點時之單位封包能量消耗，我們可看出相較於 EWMA+MBS 及 STS，DBA 能 夠有效的降低能量消耗。此外圖 2-37 及圖 2-38 為網路中有四十九個感測節點時 之有效資料流量及單位封包能量消耗。從圖 2-37 及圖 2-38 中，我們可發現 DBA 不但適用於小規模之感測網路，且對於大規模之感測網路亦有所助益。

圖 2-35 有效資料流量相對於網路負載之比較(N=9)

EnergyConsumption/Packet(mJ)

圖 2-36 單位能量消耗相對於網路負載之比較(N=9)

圖 2-37 有效資料流量相對於網路負載之比較(N=49)

圖 2-38 單位能量消耗相對於網路負載之比較(N=49)

2.4.3.2 公平且動態的分群策略(FDGS)

在以無線進行方式傳送的網路環境之中，隱藏節點問題(hidden node problem;

HNP)[23]一直是造成重複傳送的重要原因。在星狀拓樸的無線感測網路中，雖然 協調者的傳送訊號可以涵蓋所有的感測節點，但由於感測節點間的信號不一定能 互相涵蓋，故隱藏節點問題依然可能發生。在 IEEE 802.15.4 標準中，對於隱藏 節點問題並沒有防範的機制，且以往避免隱藏節點的方式，如 RTS/CTS(request to send/ clear to send)[24]在交換 RTS/CTS 封包時會造成多餘的能量消耗，故難以用 於 IEEE 802.15.4 標準。

為了解決 IEEE 802.15.4 環境中之隱藏節點問題，LJ Hwang et al.[25]針對星 狀拓樸(star topology)提出了以分群策略(grouping strategy)為基礎的解決方案，將 網路依區域分成多個群，並令各群在不同的時槽進行競爭，以解決隱藏式主機的 問題。然而，由於分群策略使用時槽進行傳送時間之分配，當 SO 大時，將導致 各群傳送時間分配不均之問題。此外，由於分群策略使用群內的感測節點個數來 分配時槽之數量，在分配時槽上缺乏彈性，故當區域性事件發生時，分群策略將 導致資料傳送時產生較大的延遲及較差的流量，進而導致能量消耗的增加。

為了解決以上所述之問題，我們提出了公平且動態的分群策略(fair and dynamic grouping strategy; FDGS)，在我們的方法中，協調者(coordinator)可依照

群使用。當群中之感測節點有需要傳送的資料時，便於其所屬之單位後退週期發 標準進行模擬，首先我們藉由 Fairness index[26]比較 GS 與 FDGS 分群結果的公 平性，Fairness index 之值介於 0 到 1 之間，越接近 1 表示公平性越佳。在此網路 中的節點為隨機散布，且網路總節點數 N=25、50、75、100，並針對各節點數之 情形進行 100 次模擬後，計算其個別之 Fairness index 並加以平均。其結果如圖 2-40 所示。從圖中可以明顯得知 FDGS 的分群演算法，在任何節點數的情況下，

其公平性皆較 GS 佳。

Number of nodes

20 40 60 80 100

Traffic load (superframe)[20]規範感測節點的工作週期。超碼框之架構如圖 2-42 所示，以協 調者發送之訊標訊框(beacon frame)作為起始，至下一個訊標訊框開始發送前結 束。超碼框的時間可分為活動週期(active period)跟禁能週期(inactive period)，活 動週期又可以分為競爭存取週期(contention-access period; CAP)以及免競爭週期 (contention-free period; CFP)，協調者只在活動週期和個人區域網路中的裝置傳送 資料，而在禁能週期則可以進入睡眠模式以減少能量消耗。 superframe adjustment scheme; ASFAS)，本機制根據協調者觀測到的網路特徵，

如感測節點數量、資料傳送之碰撞次數及感測節點佇列是否有資料等參數，計算 出在活動週期中有效資料傳送花費的時間比例為

及感測節點傳送資料發生碰撞之次數比例為

 Data FAILURE

SUCCESS

ECAP[27]及 IEEE 802.15.4 標準進行模擬。在此假設網路為飽和(saturation)狀態，

且網路拓樸為星狀，由一個個人區域網路協調者及數個感測節點所組成，且協調 者之位置位於模擬環境的中間。此外，我們假設沒有隱藏節點問題(hidden node problem; HNP)之存在且不考慮免競爭週期。在超碼框的參數方面，BO 之值設定 為 4，SO 之起始值設定為 0。在模擬結果中，ASFAS(x-y)中之 x 代表在活動週期 中有效資料傳送花費的比例臨界值(THSuperframeOccupy)，y 代表裝置傳送資料發生碰 撞之次數比例臨界值(THCollision)。

由圖 2-43 中可以看到，ASFAS 的有效資料流量明顯較 ECAP 及 IEEE 802.15.4 標準為佳，這是因為當感測節點增加時，資料傳輸時發生之碰撞亦隨之上升，此 時 ASFAS 便開始調整超碼框級數，以增加資料傳送成功率，進而提高整體網路 的有效產能。圖 2-44 為成功傳送一個封包平均所花的能量消耗。從圖中可以觀 察到，適應性超碼框調整機制對於成功傳送封包的能量消耗，均低於 ECAP 及 IEEE 802.15.4 標準。

Number of nodes

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

圖 2-43 整體網路之有效資料流量，PacketSize=40Bytes

gyconsumptionperpacket(J)

圖 2-44 封包平均能量消耗，PacketSize=40Bytes

2.4.3.4 無線感測網路平台之實做

在實作部分，我們使用 Crossbow 公司之 MICAz 搭配 MTS300/310 進行無線 感測網路平台之建構。MICAz 為一相容於 IEEE 802.15.4/ZigBee 標準之傳輸模 組，並以 TinyOS 為作業系統，可在其上利用 nesC 語言進行應用程式之開發。

MTS310 為一感測模組，支援 MICAz 所提供之傳輸介面，可進行溫度、濕度、

光線、加速度及磁場等物理現象之感測。此外，為了增加無線感測網路的傳輸距 離，在我們的環境中，資料的傳輸以 multi-hop 的方式進行。我們所建立的感測 網路平台，可以將 MTS310 所感測到之各項物理資料，透過感測網路傳送到資料 收集端(sink)之資料庫進行比較及分析，此外資料庫之資料亦可供外部連接，以 進行遠端監控等多樣化用途之實現。