無線感測網路通訊

1.資料及網路通訊模式[7]

在無線感測網路中，資料傳輸的工作是對網路能源消耗最大的部分。

為了與其它感測器或基地台通訊，感測器必需經過無線傳輸的技術來做發 送及接受訊息。由於感測器本身的傳輸範圍限制及為節省能源消耗，感測 器必需透過多躍式(multi -hop)來進行資料的傳送，目前大多感測器的設計 將能量消耗目標定為-20dbm[8]。研究學者除了在感測器上設計低功率電 波收發器來達到降低能源的消耗，也有研究顯示出，讓感測器進入睡眠狀 態，對於收發器才能達到較高的能量節省，但頻繁的在睡眠狀態和結束睡 眠狀態中轉換，所消耗的能源也是十分可觀[9]。因此，安排睡眠的機置也 是一個重要的研究課題。

在感測網路的通訊概念上在可以分類為二種:應用和基礎建置[7]:

(i)應用(application)通訊:

主要是將感測器所偵測到資料回傳給基地台，此類通訊模式多為端 點對端點(end-to-end)的方式，而在資料的收集及處理的方式又可分為合作 (cooperative)及非合作(non-cooperative)二種，合作型主要是多個感測器將 其收集的資訊先行處理，並設法滿足基地台的觀測者或使用者的要求，然

後才將結果送回基地台；非合作，則相反。合作型通訊已被證明較能夠提 昇感測器網路的效能並有效降低能源消耗[10-11]。

(ii)基礎建置(infrastructure)通訊:

主要是發生在感測器網路需要裝置(configure)，維持(maintain)和最佳 化(optimize)網路時。由於工作需求，在開始感測網路建置時，感測網路會 依據不同的演算法進行調整。例如根據路由協定，感測器可能需要與基地 台建立路徑；安排睡眠的時程；建立進行資料聚合的節點等。此類通訊會 增加網路效能的額外通訊負擔。

2. 資料傳送（data delivery）模式[7]

感測器偵測環境並將結果送回基地台的方式大致分為四類:

(i)連續型模式

感測器在固定的時段將偵測到的資料傳回給基地台。

(ii)事件驅動型模式

當要偵測的事件發生時，感測器才將資料回傳給基地台。

(iii)觀測者啟動模式

在基地台的觀測者也可送出指令或需求至感測網路，感測器則依據此指令 或需求回傳資料。當每一感測器收到此詢問後，便判斷偵測到的數值。若 偵測到的資料是詢問所需要的，則會回傳相關訊息包括自己的位置。

(iv)混合型資料傳送模式

以上三種型態皆有可能同時出現在同一個感測器網路，則稱之。

以上所談及的為應用方面的資料傳送方式，而網路實體層(physical layer)的資料傳送方式可分為以下三種：

(i)泛播(flooding):

泛播方式傳送資料為感測器廣播欲傳送的資料自己傳送範圍內的所有 鄰居，所有鄰居再將此資料廣播給它們的鄰居，直到基地台收到資料或廣 播次數到達上限為止。這種傳送資料方式不受網路拓樸動態的改變而受影 響，但會有大量重複資料在網路中傳送，對網路的能量消耗不小。

(ii)單播(unicast):

感測器和基地台直接通訊 ( 可能使用多躍式路由協定 ) 或和叢集頭 (cluster- head)一對一的通訊，此類方式稱為單播。

(iii)群播(multicast)

在群播方式中，鄰近感測器依應用需求建立團體，而資料傳送可直接 傳給自己團體中每一個成員。

研究顯示因為感測器不需建立及維護路由路徑至基地台，對於無線感 測器網路，泛播為一較佳選擇的資料傳送方式。

3. 網路架構[7]

依據感測器及基地台是否移動，網路架構可分為靜態(static)及動態

的感測器網路經常會進行最佳化網路的結構， 因為最佳化的額外能量消 耗通常遠小於網路最佳化後所降低的能量損耗。而靜態感測器網路的最佳 化演算法也較不複雜，因此所消耗的能量也較少。動態感測器網路的最佳 化演算法相對而言較為複雜，因而所消耗的額外能量較多。同時當網路架 構改變後，網路常需再次進行最佳化，此時不但網路的偵測功能暫停且必 須消耗額外 能量，因此動態感測器網路的最佳化與總消耗的額外能量必 須加以比較考量。

不論是靜態或動態感測器網路，為了節省能量消耗，資料融合是無可 避免的功能。為能進行資料融合，一定數量的鄰近感測器會形成一個小組 進行資料融合。因此感測器網路可看成一群一群感測器的組成。更進一 步，多個群組可能再組成更大的群組，整個網路形成階層式的架構[11]。

4.路由協定

在無線感測網路，由於網路變化性大，為節省能源和增加效能，在資 料回傳給基地台之前必須先加以處理，此過程通常稱為資料聚集(data aggregation)或資料融合(data fusion)，而在Ad Hoc網路較著名的路由協定 中，如DSR(Dynamic Source Routing)[12]及AODV (Ad Hoc On-Demand Distance VectorRouting)[13]，因無支援資料融合的功能，而無法有效運用於 無線感測網路上。

在無線感測網路低能量、低記憶體及無共通的識別證等特性，大多數

路由協定以降低能量消耗列為首要考量，以下列出幾個比較重要的協定:

(i)SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)[14]主要是解決因泛 播(flooding)傳送所導致的資料大量重複傳送的缺點。當網路中任一節點要 傳送資料給它的鄰居時，它先廣播一個稱為超資料(meta-data)的資料描述符 號(information descriptor)給它的鄰居。而它的鄰居先比對此超資料是否已經 接收過並存於資料庫中。如果沒有，則利用事先設計的規則（中提供數種 針對不同的應用所設計的規則）通知傳送超資料的節點將真正資料傳送給 它們。

(ii)直接擴散(directed diffusion)[15]是一個以資料為中心(data-centric)的方 法。此協定的特色是每一節點不以位址來區分，而是以它所感測到的資料 來定址。在此協定中，觀測者首先送出一個詢問(query)，然後此詢問將透 過網路中其它節點擴散出去。當任何一個節點擁有滿足此詢問的資料時，

它便將本身的資料傳回基地台。因為直接擴散協定傳送詢問及感測器回傳 資料皆是區域性交換資訊(即鄰居們互相交換資訊)，因此這個協定十分適合 動態網路架構，而且每一個感測器不需儲存太多路由資訊。

(iii)LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[16]是一個可以應用 於直接傳送或多重跳躍的路由協定。此協定主要是將多個鄰近的感測器組 成一個個叢集(Cluster)。每個叢集中再經由一定的程序選出一個叢集頭 (cluster head)。叢集頭則負責將此叢集中其它感測器的資料加以整理或進行

資料融合後傳送給基地台。如此可避免每一個感測器皆將資料傳回基地 台，因而消耗大量的能源。至於選擇叢集頭及如何形成叢集的程序主要是 以節省能量及分散式的方式進行。其中最重要的規則是於一定時間內讓每 個感測器能夠消耗差不多的能量以延長整體網路的有效工作期間。LEACH 的架構非常適合進行資料融合，因此可更進一步節省能量。

(iv)GeRaf(Geographic Random Forwarding)[17]GeRaF假設每個感測器知道 自己及基地台的位置。當傳送資料前，感測器先廣播自己的位置(及基地台 的位置)給它的鄰居。如果有鄰居的位置比它還要靠近基地台，這些鄰居將 依事先製定好的規則回應給此感測器。如果此感測器成功收到一個鄰居的 回應，它便將資料傳給這個鄰居。此鄰居再依同樣的方式將資料前傳至下 一個距離基地台更近的感測器。GeRaF的好處是只需要每個感測器知道自己 的位置，而此訊息通常是一個感測器網路所必備的。同時因為路徑並不需 於傳送資料前先尋找及設定，因此GeRaF非常適合網路架構經常變動的應 用，也同時適合任何睡眠機制。再加上此協定所提出的降低碰撞機會的 MAC(Medium Access Control)系統，它於能量消耗上將大幅降低。

(v)通道進接控制(Medium Access Control，MAC)主要是解決共用通道的使用 權問題。一般而言，無線感測器網路的通道進取控制必須考量如何降低能 量的消耗，亦即如何減少碰撞的次數。對於感測器而言，無線傳輸所消耗 的能量已被證實為最主要的能量消耗部份。

(vi)S-MAC[18]主要是將睡眠機制置入 IEEE 802.11 的 MAC 系統中以節省 能量的消耗。設計一個有效率的睡眠排程(sleeping schedule)為 S-MAC 的 主要節省能源的方法。此排程安排互為鄰居的感測器同步建構一個睡眠排 程。此方法的缺點為同步維護是一個經常性的額外消耗能源的裝置。

(vii)睡眠排程演算法是最有效節省能源的一個方式之一。但如何安排睡眠排 程而不影響感測器網路的正常運作十分重要。尤其此排程不能影響感測器 網路感測的功能，亦即網路的感測涵蓋範圍不能降低太多，否則此網路便 無法正常運作。