• 沒有找到結果。

無線感測網路中使用代理節點改善能量洞問題

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "無線感測網路中使用代理節點改善能量洞問題"

Copied!
8
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

無線感測網路中使用代理節點改善能量洞問題

Agent Nodes Improve the Energy Hole Problem

in Wireless Sensor Networks

段裘慶 趙書榮 劉政旺

C.-C. Tuan S.-J. Chao Z.-W. Liu 國立臺北科技大學 電腦與通訊研究所

cctuan@ntut.edu.tw s4419001@ntut.edu.tw t5418008@ntut.edu.tw

摘要

無 線 感 測 網 路 是 由 許 多 感 測 節 點 (Sensor Node, SN)所組成,每個感測節點 因受限通訊範圍,所以距離資料收集點 (sink)較遠的 SN,資料傳遞以逐點跳躍的 方式,把資料逐步轉送到 sink。因此距離 sink 較近的 SN 由於頻於轉送資料,而使 得電能消耗非常快速,當 sink 附近的 SN 均耗盡電能時,將導致 sink 無法再收到資 料,形成能量洞問題。本研究針對上述問 題,提出在 sink 附近佈署代理節點,減少 sink 附近 SN 之能量洞問題,延長無線感 測網路的存活時間。 關鍵詞:無線感測網路、能量洞、 代理節點

一、簡介

無 線 感 測 網 路 (Wireless Sensor Networks, WSN)是由許多感測節點(Sensor Node, SN)所組成的,每個 SN 可以感測外 在環境的物理量,例如:溫度、溼度、分 子濃度等。SN 具有以下的特性:(1)小體 積,(2)低電能,(3)低耗能,(4)有限記憶體, (5)有限計算能力,(6)短距無線通訊,(7) 支援 Ad-Hoc, multihop,(8)具感測能力。 基於以上特性,WSN 廣泛的運用於各種領 域,例如:環境監測、農業與生態監控、 居家照護等。 WSN 依照傳輸模式可分為:(1)多對 多 與 (2) 多 對 一 。 多 對 多 傳 輸 模 式 為 在 WSN 的範圍內,由隨機的傳輸對互相傳送 資料。而多對一傳輸模式是由一個 sink 接 收所有 SN 傳遞的資料,此 sink 類似一個 資料匯集點,可儲存分析所收集到的資 料。WSN 的傳輸方法是以點跳躍(hop by hop)的方式將資料傳送到 sink,因此,SN 必須具備轉送資料的功能,但是受限於 SN 電量有限,當經常轉送資料的 SN 耗盡電 量而失效後,就易形成網洞(Hole)現象。 網洞的產生可分為兩類:(1)佈署時遇 到自然環境的障礙而產生,(2)為 SN 因為 本身電量的不足所造成。佈署 WSN 時通 常利用載具(如:飛機)灑下大量的 SN,因 為地形的因素(如:湖泊、高山),導致部 分的區域沒有 SN 或數量太少以至於形成 網洞。另一個形成網洞的原因是當 SN 耗 盡了電能後,因而運作失效,而在其周圍 的 SN 將額外分攤原 SN 資料轉送的工 作。因此,網洞區域會逐步擴大,如果沒 有替代的 SN 或是作電量的補充,此 WSN 會面臨網路分割,而喪失 WSN 的功能。 本研究章節安排如下:第二節探討相 關文獻、第三節說明代理節點的架構與佈 署方式,第四節展現實驗的方法,第五節 為結論與未來工作。

二、文獻探討

因 SN 電量不足而產生的網洞中,其 中一種稱為能量洞(Energy Hole)[2]。在多

(2)

對一傳輸的情況下,以 sink 為中心,周圍 的 SN 將感測到的物理量,以點跳躍的方 式把資料傳遞給 sink,如圖一所示。 圖一、能量洞示意圖 上圖中每一Ring是邏輯切割的環狀 帶,以sink為中心,SN的無線通訊半徑r 為一個Ring的寬度,最靠近sink的Ring標為 Ring-0,在WSN中SN是均勻且隨機的分 佈。設Ring-3 的SN a要傳輸資料時,因傳 輸距離過遠,因此會選擇a→b→c→d的路 徑作資料轉遞,若SN b亦有資料要傳送, 則透過b→c→d→sink。當外圍各Ring有資 料要傳輸時,Ring-0 內的SN均須參與轉送 資料的工作,故其電量消耗將比其他Ring 中之SN更快速。當Ring-0 裡的SN因為電 量消耗殆盡而無法轉送資料時,即使外環 的SN有資料要傳送,卻因為Ring-0 裡的SN 失效,而造成傳送資料失敗,sink無法再 收到任何資料,而在sink周圍所形成的網 洞,稱為能量洞。 [2,3]作者提出幾個策略來減輕能量 洞的問題,包含降低傳送資料量、壓縮資 料、增加 SN 密度、佈署輔助節點等。目 的就是要延緩能量洞的形成,達成負載平 衡。另外[3]作者提出一個階層式方法,將 網路區域劃分為若干個網格(grid),每個網 格內均有一輔助節點與其他的 SN。輔助 節點比一般的 SN 有較大的電量與傳輸範 圍,當 SN 有資料要傳給 sink 時,SN 就傳 送資料給輔助節點,輔助節點再以點跳躍 方式把資料傳至 sink。 [8] 作者設 SN 於 WSN 中採不均勻分 佈,以數學推導出完全避免能量洞的產生 是不可行,再以數學模型推導出 Ring-0 之 外各 Ring 的能量平衡是可達成的,且提出 一路由演算法來加強 SN 能量的平衡,可 使得 SN 所耗費的能量可以下降至 10%。 [6,9]為了延長 WSN 的存活時間提出 使用轉送節點(relay node),來轉送資料, [9]中提出一個階層式架構,將把 SN 分為 數群,群與群的距離較遠,資料傳輸時也 較耗費電能,而設置轉送節點來協助轉送 資料,希望找出最佳位置來提高 WSN 的 存活時間。 [1,7]預估 SN 的能量模型,使用數學 式來描述 SN 的電量消耗,[1]以一個短距 離、低電源 SN 為分析的目標,把 SN 的 狀態分為開始、接收與傳送等三種,並且 建立三種狀態的能量消耗模型,如果電源 效率愈高、開始狀態的時間越短時,電源 壽命可以持續較久的時間。[7]使用調整工 作週期的方式來改變 SN 的工作耗能,亦 即把 SN 活動的時間作一妥善的配置,非 工作的時間就進入睡眠模式,達到節能的 效果;在工作週期裡,再劃分接收與傳送 資料的時間,讓 SN 活動時所耗費的電能 能夠降到最低。 [4]則提供一個研究無線感測網路的 平台,包括硬體設計架構、CPU 活動與休 息時的消耗電量、平台的作業系統,並對 於 WSN 所需要的一些參數,均有詳細的 描述。 本 研 究 提 出 代 理 節 點 (Agent Node, AN)的佈署方式,有別於佈署 16 個輔助節 點的方式,在相同 SN 分佈環境下,AN 的 佈署量少於 16 個。此可減少 Ring-0 能量 洞產生,而延長 WSN 之存活時間。

(3)

三、AN 佈署方法

代理節點 AN 之特性為:(1)通訊半徑 是一般 SN 的 2 倍,(2)擁有電量為 SN 的 2 倍,(3)MAC 層假設是理想的,即不會碰 撞、不用重傳資料。運用此 AN 目的在於 分擔 Ring-0 環的傳遞工作量,使得 Ring-0 的 SN 只需把資料直接傳給 sink 即可,不 需擔負外環的轉送工作。至於外環的 SN 仍需借助距離 sink 較近的 SN 或 AN 來傳 送資料,因此,讓外環的 SN 可透過 AN 來轉送資料,有助延緩 Ring-0 能量洞的形 成。 3.1 能量消耗估計 找出何區域之電能耗損較快,則針對 此區域佈置 AN 以延緩能量洞問題的發 生。假設 WSN 中每個 SN 均往 sink 傳送 資料。 在 WSN 中,可分為 n 環,每一 Ring 裡共有α個 SN,故 WSN 中共有 n×α個 SN 均勻分佈在每一 Ring 裡。假設 Ring-i 內單一 SN 作傳輸所耗電能為 ,作接收 所耗的電能為 。當 Ring-0 中之 SN 有資 料要傳輸資料至 sink,此時,Ring-0 中 SN 的電能消耗為: i t E i r E 0 0 t E E =α (1) 若 Ring-1 中之 SN 作資料傳送,則需要透 過 Ring-0 的 SN 來轉送資料給 sink,所以 此時 Ring-1 傳送資料所消耗的電量為: E1 =α(Et1+Er0 +Et0) (2) 推導 WSN 由 Ring-i 到 sink 之 SN 總耗電 量為: ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ≥ + + = =

− = 1 ), ( 0 , 1 0 i E E E i E E i j j t j r i t i t i α α (3) 假設 WSN 有 n 環,則整個 WSN 的耗電量 為: T E ) ) 1 ( ) ( ( 1 0 2 0 1 0

− = − = − = − − + − = = n i n j j r i t n i i T E j n E i n E E α (4) 表一、 MICAz 參數 參數名稱 數值(單位) 電池初始電量 5040 (mJ) 傳送消耗電量 20.88 (mJ) 接收消耗電量 23.64 (mJ) 模擬環數 3、5、7 (環) 圖二、Ring-i 能量消耗(n=3, 5, 7) 圖二是以式子(3)所模擬得,各 SN 的 電能消耗數據如表一,係參考 MICA mote 規格[5]。模擬環數使用 3、5、7 環,由圖 得知,在 Ring-0 這一環中能量消耗為諸環 之冠,因為此環中的 SN 除了傳遞本身的 資料外,也幫忙其他環的 SN 來轉送資 料,故能量消耗最大為可預期的。

(4)

Ring-1 這一環因為也幫忙轉送部分資 料,故能量消耗僅次於 Ring-0,但因為環 數的關係而有所區別,由圖二得知,在 Ring-1 這一環中,模擬環數為 7 的電能消 耗高於其他模擬環數,模擬環數較少的 Ring 能量消耗是較低的,這也是可預期 的,分割的 Ring 越多,在 Ring-1 的 SN 要 轉送的資料量也就越大,電能消耗也就越 多,因此 Ring 數越多的 WSN 裡,能量洞 的問題會越嚴重。而在最外一環(Ring-2、 4、6)的 SN,只需傳送本身的資料,故消 耗電量為最少,至於中間的 Ring,則因在 其距離 sink 之距離而分別消耗不等的能 量,在 Ring 數分割越多的狀態下,越靠近 sink 的 SN 需消耗的能量越多。 表二、Ring-i 剩餘電能比例 3 5 7 Ring-0 0% <1% 0% Ring-1 33.2% 10.1% 4.8% Ring-2 66.8% 20.2% 9.6% Ring-3 - 29.9% 14.5% Ring-4 - 39.7% 19.1% Ring-5 - - 23.7% Ring-6 - - 28.3% 表二是每個 Ring 佔整體剩餘電量的 比例, Ring-0 所佔的整體剩餘電量至多為 小於 1%,表示此環的 SN 能量消耗最為劇 烈,Ring-1 的殘餘電量僅次於 Ring-0,這 是此環的 SN 也參與轉送資料的工作,所 以在 Ring-1 的周遭佈署 AN,以防止 SN 電量快速消耗,必可以延長網路的存活時 間,達到 SN 平均消耗電能的要求。 定義n環帶內SN之平均殘餘電能,Erem 如下: n E E E n i i i org rem

− = − = 1 0 ) ( (5) 其中, 為Ring-i內SN之總初始電 能量。E i org E rem越低表示WSN內各SN之資料傳 遞負荷更趨均勻,亦即WSN之存活時間越 長。 表三、平均殘餘電量比較 n 3 5 7 Erem (mA) 2036.7 2274.72 2365.9 如表三所示,Erem最低者為n=3,這是 因為Ring-0、1 只須幫Ring-3 轉送資料即 可,但是在n=7 的情況下,Ring-0、1 要轉 送資料的環數是Ring-3 到Ring-6,因此電 量消耗的速度比n=3 快速,也就是產生能 量洞時,n=7 的外圍環裡的SN還有大量電 能只是無法傳送到sink,因此在計算Erem時 剩下電能數值較高。 n Ring-i 由上述圖表可知 Ring-0 的電能消耗是 迅速的,而佈署 AN 的目的就是要減緩 Ring-0 的電能消耗,使其與它環 Ring 的消 耗電能的速率能夠拉近,藉以延長 WSN 的存活時間。 3.2 佈署策略 由 3.1 節得知 Ring-0 中之 SN 的電能 消耗為各環之冠,導致了電能消耗的不平 衡,也縮短了 WSN 的存活時間。[3]使用 輔助節點的方法,將網路分割為 16 個網 格,每個網格中佈一輔助節點來幫忙網格 內之 SN 傳送資料給 sink。本研究提出一 AN 的佈署方式,是使用較少的 AN,能夠 獲得優於輔助節點的效果。

(5)

3.2.1 AN 的數量 AN 的個數以其通訊範圍能夠覆蓋 Ring-0 環為目標,以減少 Ring-0 內 SN 轉 送資料的機會,因此 AN 數量的選取以最 大的覆蓋面積為優先考慮。將測試多種排 列的方式,以找出最佳的 AN 數量及位 置。若只佈署一個 AN,且其通訊範圍可 覆蓋 Ring-0,則需佈署 AN 於 Ring-0 環之 邊緣,如圖三之 AN1。此 AN 涵蓋範圍雖 可達 Ring-0,但相隔 AN 較遠處未能涵蓋 到 Ring-1 環,故負擔並不均勻。 圖三、佈署一個和二個 AN 假設佈建二個 AN,希望有最大的覆 蓋範圍,尚能夠與 sink 直接的通訊,因此 將兩個 AN 相距 180 度來佈置於 Ring-1 邊 緣,兩個 AN 到 sink 之距離為相等,如圖 三的 AN2 與 AN3,佈署二個 AN 雖平均 負擔優於只佈署一個 AN,但部分 Ring-1 未覆蓋到故仍不理想。 若為佈署三個 AN 各相距 120 度,如 圖四所示,三個 AN 的佈署下,已可以把 Ring-0、Ring-1 完全覆蓋,且與 sink 也可 直接的傳送資料。但在臨近 AN1 與 AN2 覆蓋交界處的 SN 仍存在資料傳送不到 AN 的問題。 圖四、 三個 AN 的佈署 在均勻佈署四、五、六個 AN,各相 距 90、72、60 度情況下,在轉送 SN 的資 料量會比先前佈署一、二、三個 AN 多, 但重疊的面積也會越來越大。當佈署六個 AN 時,已解決在 Ring-1 內的 SN 無法一 個跳躍點就可到達 AN 的窘境,對於減輕 Ring-0 的轉送資料工作,已可用 AN 來完 全取代。因為六個 AN 的佈署已可以完全 覆蓋 Ring-0 與 Ring-1 兩環,且此兩環內的 SN 均可一個跳躍點就可將資料送達 AN 或 sink。惟佈署越多的 AN,其重疊率越 高,但成本也越高,故本研究以佈署六個 AN 為基準。 圖五、佈署六個 AN (6) ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > + + ≤ ≤ =

− = 2 ), ( 2 0 , 1 2 i E E E i E E i j j t j r i t i t i AN α α

(6)

假設已佈置六個 AN 在 WSN 內,式 子(6)為 Ring-i 的能量消耗模型,分別模擬 n=3、5、7,其能量消耗如圖六所示,在 n=3 時,Ring-0 到 Ring-2 因為有 AN 幫忙 轉送資料,所有的 SN 只需傳送資料給 sink 或 AN,故能量消耗非常平均,當 n=5 時, Ring-0、Ring-1 的消耗也很均勻,但是在 Ring-2 此環中,雖然此環中的 SN 也可以 直接傳資料給 AN,但是 Ring-3、Ring-4 的 SN 因通訊距離過遠無法直接傳送資料 給 AN,將由 Ring-2 的 SN 代為轉送,由 圖六的 Ring-2 可以得知,Ring-2 的 SN 由 於需負擔轉送資料的工作,故電能消耗是 最大的,因為此環處於可以傳送資料給 AN 的交界範圍,故能量消耗比其他 Ring 多。 圖六、佈署六個 AN 的能量消耗圖 (n=3, 5, 7) 在圖六中,可得知在不同的 n 之下 Ring-0、Ring-1 與 Ring-2 所消耗的電量也 不盡相同。在 n=3 時,三個 Ring 消耗電量 很均勻的把電能完全消耗,沒有能量洞的 問題,但是在 n=5 時,由於 Ring-4 與 Ring-5 的資料轉送工作由 Ring-2 的 SN 負擔,當

Ring-2 的 SN 能量耗盡時,Ring-0 與 Ring-1

內的 SN 並未完全消耗完其電量,後續還 是可以繼續感測資料,只是感測範圍只侷 限於 Ring-0 和 Ring-1,圖六顯示當能量洞 形成時,各 Ring 的電能消耗狀況。當 n=7 時,由於 Ring-2 的轉送資料量比 n=5 大, 所以 Ring-2 的 SN 電量耗盡時間比 n=5 早,Ring-0 與 Ring-1 的電能消耗為最小。 選擇佈署不同數量的 AN,可以依據 所處的情境與需求加以選擇,若是要監視 不緊急的事物,如:區域濕度、氣溫…等。 就可使用較少 AN 的方式來佈署,但是一 些較緊急的事件,如:敵蹤、火災…等, 則必須使用較多的 AN,來確保監視區域 的完整而沒有縫隙。 3.2.2 AN 佈署至 sink 之距離 決定 AN 個數之後,接著討論 AN 到 sink 的距離。設 AN 傳輸半徑為 SN 傳輸 半徑的 2 倍(2r),而一 Ring 的寬度為一個 SN 的傳輸半徑 r,要符合與 sink 能直接通 訊,故 AN 的位置在距離 sink 最遠 2r,也 就是在 Ring-1 之邊界。最近則是在 Ring-0 的邊界。首先假設 AN 位於 Ring-0 環,則 在 Ring-1 的 SN 受限於傳輸範圍不足以到 達 AN,故就改往 Ring-0 傳送,而沒有達 到轉移 Ring-0 環轉送工作的目的,因此 AN 設置在 Ring-0 環是沒有效果的。 圖七、AN 與 sink 的距離 接著討論 AN 位於 Ring-1 環的效果, 預期 AN 還是可與 sink 做直接的通訊, Ring-1 有資料時,就可透過 AN 來轉送到 sink,而 Ring-0 就只需專職於傳送自身的 資料至 sink 而不需再負擔轉送資料的責 任,在 Ring-2 的 SN,離 AN 較近的( r≤ ) 也可直接把資料交給 AN 代為轉送;反之 距離 AN 較遠的(> r)SN 就必須經由該環的 SN 以多重跳躍方式來傳送資料給 AN。這

(7)

樣也會消耗較多的電能,如果環數較多 時,勢必在 Ring-2 環也會造成能量快速的 消耗,此種情況成為次能量洞(sub-energy hole)問題。暫不作詳細討論。

四、實驗方式

相關實驗將以 C++或 NS2 來建置模擬 的平台,目的為找出 AN 最佳佈署形狀、 個數與距離。即建立 AN 佈署環境,以使 得 WSN 的電能可均勻的消耗,進而延長 WSN 的存活時間。 由先前的討論,預計以各種佈署形狀 來放置 AN,即先佈置一 AN,測試此 AN 對於其他 SN 之轉送資料是否能讓 Ring-0 的 SN 免除於轉送資料的負擔,再佈置 二、三、…、至六個 AN,以驗證前述討 論是否正確。決定 AN 佈署個數之後,再 試驗 AN 至 sink 之距離關係,於 Ring-0 至 Ring-1 間,試驗各種佈建的位置,可否達 成服務最多 SN。最後以 AN 與輔助節點作 比較,探討節能的效率與網路存活時間。

五、結論與未來工作

WSN 中每個 SN 都是依賴電池來提供 電能,因此如何節省電能的議題在這幾年 是一項熱門的研究。WSN 傳輸資料大多使 用點跳躍的方式將資料傳送到 sink,但使 用多重跳躍來傳送資料就會產生能量洞的 問題,我們提出佈署 AN 的方法,藉以延 長 WSN 的存活時間,另一方面也可減緩 靠近 sink 的 SN 電能消耗的速度,達到 SN 能量平均消耗的目標。 後續將討論當 sink 為可移動時 AN 之 佈置方式,以解決動態能量洞問題,以及 研究 SN 非為均勻分布下,可適時調整 AN 的通訊範圍,並探討次能量洞的解決方 法,以建立一套 AN 佈署機制。

誌謝

本論文研究獲國科會計畫「代理節點 解決無線感測網路之能量洞問題」(計劃編 號NSC-96-2221-E-027-007 )贊助,特此致 謝。

六、參考文獻

[1] Andrew Y. Wang and Charles G. Sodini, “A simple energy model for wireless microsensor transceivers,” IEEE

Communications Society Globecom

2004.

[2] J. Li and P. Mohapatra, “An analytical model for the energy hole problem in many-to-one sensor networks,” IEEE

Vehicular Technology Conference, vol.

4, pp. 2721- 2725, 2005.

[3] J. Li and P. Mohapatra, “Analytical modeling and mitigation techniques for the energy hole problem in sensor networks,” Pervasive and Mobile

Computing, vol. 3, pp. 233-254, 2007.

[4] J. L. Hill and D. E. Culler, “Mica: a wireless platform for deeply embedded networks.” IEEE Micro, vol. 22, pp. 12-24, 2002.

[5] MICAz http://www.xbow.com/ Products_pdf_files/Wireless_pdf/ MICAz_Datasheet.pdf

[6] Wei Wang, Vikram Srinivasan, and Kee-Chaing Chua, “Using mobile relays to prolong the lifetime of wireless sensor networks,”

MobiCom’05, pp. 270-283, 2005.

[7] Qun Shi, “Power management in networked sensor radios – a network

(8)

energy model,” IEEE Sensors Applications Symposium, pp.1-5, 2007.

[9] Y. Thomas Hou, Yi Shi, Hanif D. Sherali and Scott F. Midkiff, “On energy provisioning and relay node placement for wireless sensor networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 4, pp.

2579- 2590, 2005. [8] Xiaobing Wu, Guihai Chen, and Sajal

K. Das, “On the energy hole problem of nonuniform node distribution in wireless sensor networks,” IEEE MASS, pp.180-187, 2006 .

參考文獻

相關文件

左圖的ㄅㄆ線為對稱軸,請 問哪一種畫法能畫出A點的對 稱點 B

如圖,空間中所有平行的直線,投影在 image 上面,必會相交於一點(圖中的 v 點),此點即為 Vanishing Point。由同一個平面上的兩組平行線會得到兩個

 透過一系列 一系列 一系列 一系列的圖畫 圖畫 圖畫 圖畫與少許相關文字 相關文字 相關文字 相關文字或者完全沒有 文字的結合,來傳遞資訊 傳遞資訊 傳遞資訊或說故事 傳遞資訊

(2) 被動式 RFID Tag(Passive):被動式 RFID Tag 不含電池,其能量是 感應自 RFID Reader 所發射過來的 RF 無線電波能量,當 RFID

Wi-Fi 定位即利用無線網路來傳遞信號,根據各種網路參數和算法可以找出使用

要上傳 NCBI 註解序列必須要做的流程為基因預測、rRNA 預測、跟 tRNA 預 測。做基因預測後還要做基因比對才可以上傳 NCBI,如圖 34 所示。在 NCBI

無線感測網路是個人區域網路中的一種應用,其中最常採用 Zigbee 無線通訊協 定做為主要架構。而 Zigbee 以 IEEE802.15.4 標準規範做為運用基礎,在下一小節將 會針對 IEEE

接下來我們將討論切換的機制,因為在我們假設的網路環境下,所以 sink 是保持在接收資料的狀態。網路中所有的感測點都將資料往 sink 端傳送,但是