第三章 無線感測網路能源消耗
3.1 WSN 能源消耗模型
3.1.2 能源消耗模型-非飽和網路
T
idle、TBackoff time、Tturnaround、Tsleep分別代表閒置、Backoff、電路從閒置轉至睡眠及節點睡眠的時間，而 Esleep為睡眠的能源消耗。
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3.2 封包傳送機率模型
本研究所使用的傳送機率模型則根據文獻[7] 所指出的封包傳輸機率加以修 正，考慮競爭節點數量、封包大小以及通道品質來建構預測節點之封包成功傳輸 模型，首先定義A、B、C三種在無線感測網路中的影響傳輸機率的情況，並針對 各個情況來分析傳輸成功的機率，節點整體傳輸成功機率1- Ptr表示如下:
1- Ptr=(1- Pr{A})(1- Pr{B})(1- Pr{C}) ... (8) 計算Pr{A}所發生的機率
Pr{A}為事件A發生的機率，B、C以此類推，事件A為來源端發送封包到目的 端，因通道品質惡化而發生封包錯誤的機率，A事件示意圖表示為圖3-2。
Source Node
Destination Node
tx-DATA
Sending Receiving
Sending
Receiving
rx-DATA 事件A
發生封包，造成來源端節點錯誤
圖3-2、事件A示意圖
而事件A機率分析情況為，當通道品質下降，目的端接收到封包的訊號強度 低於接收靈敏度，導致封包無法辨識造成封包錯誤的機率，Pr{SINR<receive sensitivity threshold}為接收到封包的訊號強度低於接收靈敏度門檻的機率，表示
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式如下:
Pr{A}=Pr{SINR<receive sensitivity threshold} ... (9)
計算Pr{B}所發生的機率
Pr{B}為事件B發生的機率，事件B為來源端節點與競爭節點共同競爭通道之 事件，考慮到因其他競爭節點競爭通道成功得到傳輸封包的情況，使來源端進入
Backoff倒數狀態，造成來源端可能因爭取不到傳送封包的機會而持續Backoff直 到Backoff上限次數而將封包丟棄。其事件B示意圖如圖3-3
Source Node
Destination Node Sending Receiving
Sending
Receiving
Compete Node Sending
Receiving
tx-DATA
rx-DATA 事件B
目的端正在接收競爭節點發送的封包，因此來源端進入Backoff無法傳送資料。
tx-DATA
圖3-3、事件B示意圖
Pr{C}的機率分析表示如下:
Pr{競爭節點傳送封包成功的機率}=
Pr{競爭節點爭取到機會而傳送封包使通道進入忙碌狀態 | 通道為忙碌}
*Pr{ 通道為忙碌狀態}
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Tx
compete為競爭節點在隨機選取的Backoff slot結束後傳輸成功的機率。density為來源端無線範圍內競爭節點的數量。Compete
H
+(Source)為競爭節點的位置在
Packet(C,D)為競爭節點傳送封包至目的端節點的數量，T
data為傳送資料封包所需 花費的時間。26
Pr{C}=1-Pr{在電路轉換及等待 ACK 時間內，來源端無線範圍內的競爭節點沒有 傳送封包}
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的電路轉換時間加上等待 ACK 的回傳的時間，以時槽為單位，電路轉換時間為 1 個時槽，而等待 ACK 回傳的時間為 6 個時槽。Txcompete為競爭節點在隨機選取的 Backoff slot 結束後傳輸成功的機率。我們引用了文獻[7]之表示式說明此一機率。
TxCompete=
Compete
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BackoffSlot為 Backoff slot 的持續時間。將表示式(9)、(10)、(11)及(13)帶回到 公式(8)，將可計算出整體的傳輸成功機率 Ptr，並帶回到表示式(1)，計算出節點
(check channel free or busy)
backoff = 0
nb<NB_MAX check nb <NB_MAX or nb = NB_MAX
Wait ACK time out (wait turnaround&ACK time out)
Check ACK receive
No
Yes
Done
Retransmission (check NB_retry<retry_MAX
or retry=retry_MAX)
False (Drop packet)
NB_retry = Retry_MAX
NB_retry=NB_retry + 1
Backoff
(Check backoff time slot =0 or >0) backoff = backoff - 1
backoff > 0
圖 3-5、IEEE 802.15.4 狀態機流程圖
本章節將利用Prism [32]來進行數值的分析及狀態機的模擬，本研究將用於模 擬IEEE 802.15.4環境及CSMA/CA機制。本研究參考文獻[33]中IEEE 802.15.4的模 型來分析，802.15.4狀態機流程圖如圖3-5所示，當節點有封包要傳送時先進入 Backoff，從0~2be-1個時槽中隨機選取一個時槽並開始倒數，倒數結束則執行CCA
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來確認通道是否有其他節點正在進行傳送，當通道忙碌則再次進入Backoff，重複 此動作直到通道檢查為空閒或是Backoff次數上限，當到達Backoff上限則將封包 丟棄，重新開始準備新的封包傳送，當通道檢查為空閒狀態時則傳送封包，而傳 送封包後，則等待一段電路轉換時間加上ACK Time Out時間，這段時間內收到目 的端回傳的ACK則代表封包傳輸成功，無收到ACK則認為封包傳送失敗，並重傳 封包，而如果封包重傳次數到達上限，則將封包丟棄。
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
本章節將分析節點在與其他競爭節點共存的環境下封包的傳輸成功機率，並 用此傳輸機率進而預估節點的能源消耗、throughput及goodput，模擬環境主要分 為3、5、7個競爭節點，這些競爭節點位於彼此的無線傳輸範圍內且相互競爭通 道，而此一模擬環境又可區分為具有ACK回傳及無ACK回傳的二種機制，而節點 傳送的封包長度分別為1、4、7、10及14個時槽，14個時槽相當於127 bytes MAC 封包加上phy 層表頭6 bytes，而這些模擬環境也將考慮理想通道以及非理想通道 之狀況，而非理想通道的BER分別為10-6到10-4，透過以上模擬情境將分析節點傳 輸機率、能源消耗、throughput、goodput。
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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
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