直接傳送

直接傳送[3]分成兩種類別，一種是每個節點將自己的感測資料 直接傳送至基地台做分析，這是最簡單的拓撲環境；另一種是在叢集 的環境中作傳送，每一個叢集都會有一個節點成為叢集頭將同一叢集 的節點資料做一次收集，再將集合的資料轉傳給基地台，這是所謂的 叢集式網路架構。

圖 3. (a)一般網路直接傳送 (b)叢集網路直接傳送

二、 多跳傳送(Multi-hop)

多跳傳送[4]是距離基地台較遠的感測節點，先將資料傳送至周

圍較近的節點，再建構出樹將資料傳送至基地台，可以避免因為距離 太遠而大量消耗能源，造成節點壽命縮短。

圖 4. 多跳傳送

第三節 固定錨節點的資料路由

一、 LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

在[5]中，作者的演算法分成兩種階段，設定階段以及穩定階段，

在設定階段，會將感測區域內的節點透過隨機的門檻值選出總數量 5%的叢集頭，其他的節點會發送訊號加入離自己近的叢集頭並加入 此叢集，接著進入穩定階段，叢集頭會開始收集以及接收叢集內節點 的資料，整合後傳送至基地台，這樣稱為第一回合，接著重覆同樣的 動作。

二、 HexDD (Hexagonal cell-based Data Dissemination)

在參考文獻[6]中，作者將感測區域劃分成若干個相同大小的正 六邊形，將其稱為蜂巢式排列，如圖(5)。它將正中間的六邊形設為起 始區並為每一個六邊形都標註為[H,I]，H 為節點到起始區一跳的次數，

I 為六邊形區 H 的六邊形一跳編號。

圖 5. 蜂巢排列

在蜂巢排列上定義三條線(border lines)作為封包匯聚的區域並分 成六個方向且六邊形平面會分成6 個區域 k，封包會沿著這六個方向 進行封包轉傳至中心六邊形。它的移動方法如式(1)。

[H,I]=[H-1,I-k] (1) 透過上式可以算出每一個六邊形下一跳的位置，之後進入border line 的部份就往中心點傳送。如圖(6)。

第四節 移動錨節點的路徑規劃

移動錨節點的移動路徑會影響到節點的覆蓋率，在良好的覆蓋率 下區域內的節點可以全部覆蓋到，並將資料傳送至錨節點不會有遺漏 的情況。另一方面，覆蓋率不佳的情況下，會有許多的節點沒有覆蓋 到導致資料無法傳送至錨節點。路徑規劃中大致分成，隨機路徑、預 設路徑、可控制路徑[7]。

一、 MASP (Maximum Amount Shortest Path)

在參考文獻[8]中，作者提出的方法是移動錨節點沿著感測範圍 進 行 移 動 ， 感 測 範 圍 內 分 成 兩 個 部 份 ， 直 接 通 訊 區 域(Direct Communication Area, DCA) 以 及 多 跳 通 訊 區 域 (Multi-hop Communication Area, MCA)，如圖(7)。DCA 分佈在移動錨節點移動的 路徑旁，分佈在上面的節點稱為subsinks；MCA 分佈在較遠的區域分 佈在上面的節點稱為 members。 Subsinks 會將封包做直接傳送給移 動錨節點，而members 會選擇一個距離自己較近的 subsink 作為中繼 點將封包傳送至移動錨節點。

圖 7. MSAP 的例子

移動錨節點的移動路徑預設在感測區域的左邊邊線上，接著找出 subsinks 和 members，Members 分別找一個 subsink 作為目標，接下來 移動錨節點就沿著路徑持續的等速收集資料。這個方法也提出多數的 移動錨節點，路徑分別預設在圖(8)，使用多個移動錨節點可以有效提 升資料收集以及降低能源的消耗。

圖 8. 複數移動錨節點預設路徑

二、 MSRP (Mobile Sink-based Routing Protocol)

抵達任何一個目的地後會做一次廣播，在通訊範圍內的鄰近叢集頭就 會將收集到的資料以及剩餘能量傳送給錨節點，如圖(9)所示。

移動錨節點會在第一回合在預設的路徑上進行移動及廣播，第二 回合過後會按照叢集頭剩餘能量的高低，由高到低進行路徑的選擇。

圖 9. MSRP 示意圖

三、 TGS(Triangle Grid Scan)

在參考文獻[10]中，作者將平面劃分成若干個相同大小的正三角 形，讓移動錨節點在起始點的地方開始以蛇行掃描的方式進行路徑移 動，如圖(10)。並在三角形的頂點處廣播封包，如果遇到障礙物，則 繞過障礙物回到下一個三角形的頂點處廣播封包，直到錨節點移動到 最後的位置。

圖 10. TGS(9*6)路徑移動方式

四、 希爾伯特路徑移動方式

在[11]中，作者使用希爾伯特曲線(Hilbert Curve)，當做移動錨節 點的路徑，希爾伯特曲線屬於空間填充曲線的一種，它是將平面劃分 成相同大小的正方形並可以填滿正方形平面的分行曲線，其路徑有規 則且可以持續擴展，正方形的網格數為4 ，n 為 Order 數，編號方法 為0 到2 1，i 為 Order 數，如圖(11)。

圖 11. 希爾伯特曲線 Order 1 和 Order 2

作者透過感測區域的大小以及節點密度去改變希爾伯特曲線的 Order 數。首先，透過式(2)取得區域大小的 Order 數 k，利用 k 可以得

到每一個小區的最佳節點密度 ，將密度代入式(3)能得到密度的

Order 數 d，利用 d 就能得到新的密度 ，如圖(12)所示。

log √ (2) log √ ∗ (3)

圖 12. Order 的變化

第三章 六邊形環數編號與固定錨節點的路由機制

在相關研究第一節中，我們得知正六邊形的幾何劃分可以得到最 少的幾何圖形，在節點分佈上是將感測節點佈署在相同大小的正六邊 形網格內。在相關研究[6]中，提到的 HexDD 路由方法，我們覺得它 的資料量過於集中在 border lines 導致區域內的節點能源消耗過快容 易過早死亡，讓網路的存活時間縮短。所以我們提出一個改良的方法，

將感測區域做正六邊形的切割並將錨節點置於區域的正中心位置，我 們採用類似極座標的方式對於平面上的正六邊形加以定址，透過六邊 形環數的編號，規劃出多跳傳送的路由路徑，再依此路徑將感測資料 送到中心位置的基地台。

第一節 六邊形環數編號

參考文獻[12]中，提出了一個六邊形 Gosper Islands 的座標系統，

對每一個六邊形網格進行編號並計算每一個六邊形中點的直角座標。

首先，假設 為 Gosper Islands 正中心六邊形的中心點，環繞在 正中六邊形的六個六邊形組成第一環，繼續繞可以形成第二環、第三

√3 cos , sin , where i =0,1,…,5. (4)

此外，各六邊形的座標可以透過 以及 的線性組合算出來，

如式(5)。

, where . (5)

圖 13. Gosper Islands 環數編號[12]

第二節 封包路由選擇

圖(14)是一個六邊形的環數編號系統 ，當 n=8 時的圖形。假設

有一資料封包位於 的六邊形內，若要封包送到位於中心六邊形的

固定錨節點中，我們透過每一環編號的觀察，歸納出向中心六邊形移 動的兩個式子，分別是式(6)和式(7)。

, if k mod n 0 (6)

, 0 (7)

數學式(6)是紅色箭頭(圖 14)六邊形編號的式子，透過式子可以計 算出下一環的六邊形編號；數學式(7)是箭頭以外的六邊形編號的式 子，透過式子可以取得下一環的兩個編號。式(7)可以取得兩個編號，

利用這兩個編號可以選擇不一樣的路徑傳送至中心錨節點，如圖(15)，

我們將此方法命名為六邊形路徑選擇路由(Hexagonal Path Selection Routing, HPSR)。

圖 15. 路徑選擇

第三節

能源消耗問題

錨節點在接收封包及發送封包時都需要花費定量的能量，能量的 大小取決於封包大小以及距離的遠近，如式參考文獻[5]所採用的式(8) 和式(9)。

, ,

, (8) (9) 式(8)為傳送封包時的能量消耗公式，其中 為發送封包時所消 耗的能量， 為封包的大小，d 為節點到錨節點的距離， 為發送及

接收時每單位位元的能源消耗， 為距離平方發送時能源放大的消

耗， 為距離四次方發送時能源放大的消耗， 為能源消耗

的門檻值，當 d 小於門檻值，能源消耗會與距離平方成正比；當 d 大 於 時，能源消耗會與距離4 次方成正比。式(9)為封包接收的能源消

耗公式， 為接收封包時所消耗的能量。

第四節 路由演算法

在這一節，我將描述我們的路由演算法HPSR。

HPSR 演算法

輸入： 六邊形網格大小 r

輸出： 所有六邊形到中心六邊形 的路由路徑 步驟 1. 將六邊形網格依網格大小 r 設置到地圖；

步驟 2. 將六邊形網格進行編號 ； 步驟 3. 節點找出自己的六邊形編號 ；

步驟 4. 選出相同六邊形編號內節點的叢集頭；

步驟 5. 叢集頭每傳送一次封包並計算自己的能源消耗；

步驟 6. 利用式(6)和式(7)計算路由的下一跳編號，從式(7)取得的 兩個六邊形網格編號中，選出能量較高的節點進行轉傳，直到抵 達中心六邊形 的錨節點。

步驟 7. 重覆步驟 6，直到目前被選取的 cell 內的所有節點能源皆 為 0。

第四章 Node-Gosper Curve 與移動錨節點的資料收 集機制

相關研究第四節中，我們得知路徑規劃的重要，如果錨節點以隨 機的方式移動，則不能保證能夠走遍整個感測區域，也可能導致節點 覆蓋率不佳或是重複性過大，造成封包接收率過低的情形。在這一章 節中，我們提出一種空間填充曲線-稱為 Node-Gosper Curve-作為錨節 點的移動路徑。

第一節 Gosper Curve 特性

Gosper Curve[13]的結構，如圖(16)。基本的曲線是由七個線段組 成，藉由頂點的替換與適當的旋轉反射可以形成 Level-2，它是一種 遞迴曲線可以不斷的延伸Level 數，可填滿一個類六邊形的區域，稱 為Gosper Islands。下一節我們將更詳細的討論 Gosper Islands。

以持續的向更高的Level 數擴展，圖(17)為 Gosper Curve A 和 B 的曲 線順序。

圖 17. Gosper Curve Level-1 A 和 B A 與 B 遞迴規則如下:

1. A  A l B l l B r A r r A A r B 2. B  A l B B l l B l A r r A r B

其中A、B 為前進方向(圖 17)，r 為向右轉 60°，l 為向左轉 60°，根據此遞迴規則，Gosper Curve 可以持續擴充至 Level-n。

在參考文獻[15]中，作者介紹一種 Gosper Curve 的變種，它是以 正六邊形網格的中心點作為頂點，稱為Node-Gosper Curve。如圖(18) 所示，七個六邊形的中心點形成的曲線為Node-Gosper Curve 的基本 曲線Level-1，可以遞迴生成 Level-2 (圖 19)或更高的 Level。

圖 18. (a) Gosper Curve. (b) Node-Gosper Curve

圖 19. Node-Gosper Curve Level-2

圖 20. Node-Gosper Curve Level-2 G 和 R G 與 R 遞迴規則如下:

1. G  G l  R l  R  r G  r G l  G  r R |  ll l rr  r  r 

2. R  G l  R  r R l  R l  G  r G  r R |  l  l  ll  r  rr 

其中G、R 為 Level-1 的曲線順序(圖 20)，r 為向右轉 60°，l 為 向左轉60°，為下一個基本六邊形區域中心點直行移動，根據此遞迴 規則，Node-Gosper Curve 可以持續擴充至 Level-n。

將Gosper Islands 旋轉並反射，形成新的 Gosper Islands 及 Node-Gosper Curve，讓六邊形網格是以邊為底的形狀，如圖(21)所示，其遞 迴規則也會改變。

圖 21. 新的 Level-2 Node-Gosper Curve G 和 R 新的遞迴規則如下:

1. G  G rr  l R rr  l R r  ll G r  ll G rr  l G r ll R |  rr  r  ll  l  l 

2. R  G rr  l R r  ll R rr  l R rr  l G r ll G r  ll R |  r  r  rr  l  ll  其中G、R 為 Level-1 的曲線順序(圖 21)，r 為向右轉 60°，l 為 向左轉60°，為下一個基本六邊形區域中心點直行移動，根據此遞迴 規則，Node-Gosper Curve 可以持續擴充至 Level-n。

第二節 Gosper Islands 座標系統

上一節中，我們介紹了Node-Gosper Curve 以及它的遞迴規則，

由於錨節點安裝在自走車上移動，所以要知道錨節點下一個廣播封包 的座標位置。在上一章中已經提到正六邊形的環數編號，接下來要說

由於錨節點安裝在自走車上移動，所以要知道錨節點下一個廣播封包 的座標位置。在上一章中已經提到正六邊形的環數編號，接下來要說