第三章 無線感測網路能源消耗
3.4 無線感測網路在競爭節點共存環境下之效能分析結果
3.4.1 理想通道與非理想通道環境之傳送機率結果分析
此章節為節點密度、封包長度及通道品質對於傳輸成功機率之影響。
(a)有ACK回傳機制之傳輸機率 (b)無ACK回傳機制之傳輸機率 圖 3-6、3 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之傳輸機率
(a)有ACK回傳機制之傳輸機率 (b)無ACK回傳機制之傳輸機率 圖 3-7、5 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之傳輸機率
(a)有ACK回傳機制之傳輸機率 (b)無ACK回傳機制之傳輸機率 圖 3-8、7 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之傳輸機率
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圖3-6為3個競爭節點在具有ACK回傳及無ACK回傳的二種機制下、理想通道 及非理想通道下之傳輸機率分析，傳送封包長度依序為1~14個時槽，當通道品質 為理想通道至BER為10-5時，不論是否有ACK機制，成功傳送機率皆在0.95左右，
3個競爭節點為非通道飽和狀態，成功傳輸機率較高。當通道品質降至10-4及10-3 時，可明顯觀察封包長度增加，其封包傳送成功機率越低，原因為通道品質降低 造成封包接收錯誤且持續重傳，而隨著封包長度變長，需傳送的時間也變長，其 它未能及時傳送而進入Backoff的競爭節點需等待的時間也相對增加，而Backoff 次數達到Backoff之上限而將封包丟棄，以上均為封包成功傳送機率降低之原因。
圖3-7為5個節點在具有ACK回傳及無ACK回傳的二種機制下、理想及非理想 通道下之傳輸機率分析，由於競爭節點數量增加，造成整體傳送封包機會降低，
使其他競爭節點平均處於Backoff狀態的時間提高，易造成封包無法成功傳輸而丟 棄，在此考慮因通道品質下降而造成ACK封包錯誤的機率上升，在單次封包傳送 時，有ACK回傳機制的整體成功傳送機率低於無ACK機制，但有ACK回傳機制的 整體封包成功傳送機率會因重傳而提升，因此整體封包成功傳輸機率則高於無 ACK機制的封包成功傳送機率。
圖3-8為7個節點在具有ACK回傳及無ACK回傳的二種機制下、理想通道及非 理想通道下之傳輸機率分析，競爭節點數量增加至7個，使通道更為壅塞，因此 與3個及5個競爭節點相比有較低的成功傳輸機率，其他競爭節點的平均Backoff 時間也比前述情況更長，因此整體傳輸成功機率也來的更低。從結果可知，競爭 節點密度的增加將會降低節點爭取到傳輸的機率，而封包長度增加也將延長其餘
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競爭節點的平均Backoff時間，通道品質的降低更會導致節點因封包錯誤而重傳，
這些皆為節點成功傳輸機率下降的主要原因。
3.4.2 理想通道與非理想通道環境之能源消耗結果分析
此章節為節點密度、封包長度及通道品質對於能源消耗之影響。
(a)有ACK回傳機制之能源消耗 (b)無ACK回傳機制之能源消耗 圖 3-9、3 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之能源消耗
(a)有ACK回傳機制之能源消耗 (b)無ACK回傳機制之能源消耗 圖 3-10、5 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之能源消耗
(a)有ACK回傳機制之能源消耗 (b)無ACK回傳機制之能源消耗 圖 3-11、7 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之能源消耗
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此能源消耗分析根據傳輸機率之結果來預估節點傳送 1000 個封包之能源消 耗，圖 3-9 為 3 個競爭節點在具有 ACK 回傳及無 ACK 回傳二種機制、理想通道 及非理想通道下之能源消耗分析，在無 ACK 回傳機制下，不需確認封包是否正 確抵達，因此不需計算重傳之能源消耗，節點僅消耗傳送 1000 個封包的能源。
根據封包傳輸成功機率之預估結果，在有 ACK 回傳機制下，需將錯誤封包進行 重傳的動作，而圖 3-9(a)中，通道品質下降至 BER=10-3，使重傳次數增加，造成 能源消耗突然上升，因此有 ACK 及無 ACK 環境的能源消耗差別主要在重傳的部 分。而在封包 overhearing 的部分，鄰近節點也會因此產生額外的接收能源消耗，
而隨著封包長度變長，所需傳送的時間增加，消耗的能源也因此提升，而通道品 質降低，封包錯誤機率提高，因此重傳數量也跟著變多，能源消耗也隨之提升，
因此解釋為何在 ACK 回傳機制下，理想通道與非理想通道能源消耗的差別所在。
圖 3-10 與圖 3-11 分別為 5 個、7 個競爭節點在具有 ACK 回傳及無 ACK 回 傳的二種機制、理想通道及非理想通道下之能源消耗分析，隨著競爭節點變多，
節點競爭成功機會降低，於 Backoff 的平均時間提高，因此閒置能源消耗也隨著 競爭節點變多而提升，而通道品質降低，封包錯誤率提高，節點重傳數量將大幅 提升，而其餘競爭節點 overhearing 的程度也隨著節點重傳數量增加而提升，節點 將收到更多 overhearing 的封包，因此當節點增加、通道品質降低時，節點在重傳、
overhearing 及 Backoff 也就是傳輸、接收及閒置的能源消耗會相對的提升。
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3.4.3 理想通道與非理想通道環境之 Throughput 結果分析
此章節為節點密度、封包長度及通道品質對於Throughput之影響。
(a)有ACK回傳機制之Throughput (b)無ACK回傳機制之Throughput 圖 3-12、3 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之 Throughput
(a)有 ACK 回傳機制之 Throughput (b)無 ACK 回傳機制之 Throughput 圖 3-13、5 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之 Throughput
(a)有ACK回傳機制之Throughput (b)無ACK回傳機制之Throughput 圖 3-14、7 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之 Throughput
Ideal 10-6 10-5 10-4 10-3
15000
Throughput / bps
BER
Ideal 10-6 10-5 10-4 10-3
25000
Throughput / bps
BER
Ideal 10-6 10-5 10-4 10-3
6000
Throughput / bps
BER
Ideal 10-6 10-5 10-4 10-3
15000
Throughput / bps
BER
Ideal 10-6 10-5 10-4 10-3
3000
Throughput / bps
BER
Ideal 10-6 10-5 10-4 10-3
8000
Throughput / bps
BER
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3.4.4 理想通道與非理想通道環境之Goodput結果分析
此章節為節點密度、封包長度及通道品質對於Goodput之影響。
(a)有ACK回傳機制之Goodput (b)無ACK回傳機制之Goodput 圖 3-15、3 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之 Goodput
(a)有ACK回傳機制之Goodput (b)無ACK回傳機制之Goodput 圖 3-16、5 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之 Goodput
(a)有ACK回傳機制之Goodput (b)無ACK回傳機制之Goodput 圖 3-17、7 個競爭節點在有 ACK 及無 ACK 機制數值分析之 Goodput
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在Goodput的分析方面，與Throughput的差異為Throughput為整個封包來做計 算，其中數據量包含payload與header，而Godput則單純計算payload的部分，圖3-12 及圖3-15分別為3個節點在具有ACK回傳及無ACK回傳二種機制、理想通道及非 理想通道下之Throughput及Goodput分析，由於3個節點為非飽和狀態，因此理想 通道下，封包抵達率較高，封包長度越長，則throughput與goodput越高，當通道 品質降低，傳送成功機率隨之降低，導致封包被丟棄，且有ACK機制下因為重傳 導致傳輸時間延長，均為throughput與goodput降低的原因，由於考慮ACK封包錯 誤，因此有ACK機制下throughput與goodput相較於無ACK機制低。
而圖3-13、圖3-14、圖3-16及圖3-17則分別為5個及7個節點在具有ACK回傳及 無ACK回傳二種機制、理想通道及非理想通道下之Throughput及Goodput分析，隨 著競爭節點數量增加，封包傳輸機率降低，封包成功傳輸的數量則相對減少，無 ACK回傳機制下，因為封包長度增加，導致其餘競爭節點處於Backoff狀態的平均 等待時間增加，導致傳輸同樣封包量的情況下，整體時間延長，造成throughput 與goodput降低，而在有ACK機制下，除了平均Backoff時間增加，多加了重傳的 因素，使其傳輸時間延長，這是解釋為何有ACK回傳機制下比無ACK回傳機制的 throughput與goodput來的較低的原因。
前述章節之結果分析顯示，當競爭節點密度與封包長度增加時，不論傳輸機 率、能源消耗、throughput與goodput皆有一定的影響，而當通道品質變差時，影 響將會顯著的成長。
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圖 3-19、封包長度 14 個時槽，throughput 之驗證結果Ideal 10-6 10-5 10-4
10000
Throughput / bps
BER
Ideal 10-6 10-5 10-4
20000
Throughput / bps
BER
Ideal 10-6 10-5 10-4
10000
Throughput / bps
BER
Ideal 10-6 10-5 10-4
20000
Thoughput / bps
BER
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Ideal 10-6 10-5 10-4
0.0
Ideal 10-6 10-5 10-4
2.0x10-10
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3.5 無線感測網路能源消耗結論
本章節主要提出無線感測網路中能源消耗模型來計算無線感測網路中節點的 能源消耗，此能源模型考慮節點在網路中運作的方式及CSMA/CA競爭機制，並 考慮因overhearing而產生額外的能源消耗，並參考了IEEE 802.15.4標準協定[1]及 Jennic[35]在節點運作流程中所計算出的各種詳細時間參數，此外建構了傳輸機率 模型來表示節點在與其他競爭節點共存環境下可能產生的事件及傳輸機率。
而本研究利用Prism模擬器模擬出節點與多個競爭節點在共存環境下且彼此 競爭通道時的傳輸機率，並加入了理想通道及非理想通道的考量，在利用此傳輸 機率進一步推算出節點在理想通道與非理想通道中的網路效能，如:能源消耗、
throughput與goodput。而也利用Qualnet模擬器模擬出throughput及接收每bit所消耗 的能源來與數值分析之結果做驗證及比較，藉此證明此能源消耗模型所預測之效 能具有一定的預測準確度。從此結果顯示，競爭節點的密度、傳輸的封包長度及 網路品質對網路的效能影響甚大，而除了預測網路效能外，還可從此結果數據來 分析佈建網路時該選擇何種部屬方式才能發揮最大的網路效能，例如:在節點密度 較高的環境下，可選擇避免傳送過長的封包來提升節點的成功傳輸機率，避免節 點消耗多餘的能源，藉此延長網路壽命。
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第四章
6LoWPAN 能源消耗
6LoWPAN 為 IOT 的概念，是基於 IEEE 802.15.4 的標準在低功率的無線網路 的環境下運作，因此能源消耗在此也是相當重要的議題，而由於 6LoWPAN 的運 作是基於 IEEE 802.15.4 的標準協定，因此此章節的 6LoWPAN 能源消耗模型將以 第三章的無線感測網路能源消耗模型為基礎來做延伸，並考慮 6LoWPAN 中路由 機制方式 Mesh-under 以及 Route-over 傳送時需將封包分割為符合 802.15.4 的封包 大小來進行傳送，接收時需將封包進行重組的特性，本研究針對二種路由機制分 別建構不同的能源消耗模型，而此章節將會分析並比較此二種路由機制在理想通 道與非理想通道下傳送不同分割封包數量的能源消耗，可利用此模擬的結果來判 斷在何種環境下應該選擇何種路由。而此章節也進入本研究之重點:入侵偵測機制，
利用此能源消耗之結果檢測節點是否遭受到網路攻擊，而由於 Route-over 封包傳 送主要經由處理能力較強的 router 處理，因此已有許多防火牆及金鑰演算法來抵 擋外部網路的攻擊，因此此部分只考慮內部網路也就是在 Mesh-under 上的能源入 侵偵測，而在此章節則採用常見的 DoS 攻擊來模擬 Mesh-under 受攻擊時的數據。