無線感測網路之群組化繞徑研究

(1)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告無線感測網路之群組化繞徑研究

計畫類別：

;

個別型計畫 □ 整合型計畫計畫編號：NSC 96－2221－E－011－055

執行期間： 96 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日

計畫主持人：黎碧煌共同主持人：

計畫參與人員：吳槐桂、連振宏、張志峰

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：

;

精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

;

出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，

;

一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學電機工程系

中華民國 97 年 8 月 31 日

(2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告無線感測網路之群組化繞徑研究

計畫編號：NSC-96-2221-E-011-055

執行期間：96 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日主持人：黎碧煌國立台灣科技大學電機工程系

計畫參與人員：吳槐桂、連振宏、張志峰國立台灣科技大學電機工程系

一、中文摘要

在無線感測網路中，能量消耗的降低一直是很重要的研究議題。為了降低無線感測網路的能量消耗並延長其壽命，在 IEEE 802.15.4 標準中，採用超碼框結構來做資料的傳送。然而該標準並沒有辦法根據整體網路的狀況，適應性的調整超碼框。因此，當網路中之感測節點數量增加或網路負載提高時，在有限的活動區間內將導致裝置傳送機會減少以及碰撞機率增加，進而造成能量消耗的增加及整體網路效能降低。為了解決上述問題，本計畫提出適應性超碼框調整機制 (adaptive superframe adjustment scheme; ASFAS)，本機制根據協調者觀測到的網路特徵，適應性的調整超碼框，

以增加感測節點傳輸機會並提升整體網路效能。從模擬的結果得知，本計畫所提出的機制，對於有效產能、傳輸延遲及能量消耗均有較好的表現。

關鍵詞：IEEE 802.15.4、超碼框架構、載波偵測多重擷取/碰撞避免(CSMA/CA)、

媒體存取控制(MAC) Abstract:

Energy consumption is an important issue in wireless sensor networks. In order to increase the life time of wireless sensor network, superframe structure is used for data transmission in IEEE 802.15.4 standard.

However, the duty cycle of the superframe structure cannot be dynamically adjusted according to the situation of entire network.

Thus, when the number of devices and traffic load increase, the insufficient of active periods will decrease the transmission opportunities of devices and increase the collision probability.

Thus, the above problems will cause the performance of entire network deteriorated.

In order to solve the above mentioned problems, we proposed the adaptive superframe adjustment scheme (ASFAS), it can dynamically

adjust the duty cycle of the superframe according to the certain features observed by the coordinator, like the occupied proportion of superframe and collision proportion of devices.

ASFAS can increase transmission opportunities of devices and improve the performance of entire network. The simulation results of goodput, delay and power consumption shows the improvement of our scheme.

Keywords: IEEE 802.15.4, superframe structure, CSMA/CA, MAC.

二、計畫緣由與目的

無線感測網路[1]–[4]是由感測節點所構成，由於感測節點是以電池為供電來源，故在此種網路中，如何降低能量消耗並提升網路整體效能，是一個非常重要的議題。相較於其他的標準，IEEE 802.15.4標準[5]–[6]由於實現了低功率消耗的目標，故成為無線感測網路的主流標準。為了降低感測節點的工作週期，IEEE 802.15.4標準可以選擇性的使用超碼框架構 (superframe structure) ；然而，由於 IEEE 802.15.4標準無法適應性的調整超碼框架構，

故當網路的負載提高，在有限的工作週期之下，容易導致裝置之間資料的碰撞，因而造成額外的能量消耗與網路效能的降低。

為了能依照網路的狀況動態的調整超碼框的工作週期，一些相關的討論及機制陸續被 提出[7]-[12]。ECAP[13]機制定義了Itone來表示裝置是否成功將資料傳送出去，當裝置接收到 訊標訊框之後會將Itone設定為閒置(idle)狀態，

當裝置有資料要傳送時，則會在進行閒置通道 評估(clear channel assessment; CCA)前將Itone

設定為失敗(failure)狀態，等到接收到協調者 的確認訊框之後，則會再將Itone設定為成功 (success)狀態，反之則維持不變。等到目前超 碼框的活動週期結束之後，Itone為失敗狀態的裝置，會發出調整信號(toning signal)告知協調者，此時當協調者收到有裝置發出調整信號

(3)

後，便會廣播確認封包來告知所有裝置，目前 超碼框進行延伸活動週期的動作，供Itone為失敗狀態的裝置來傳送資料，其延伸比例與活動週期長度相同。雖然ECAP可以動態的調整超碼框，但由於每次所延伸的活動周期皆為相同的長度，所以當裝置數量增加時，封包之碰撞機率便隨之提高，且此時所延伸的活動周期將不夠使用，故對於整體網路效能的提升還是有限。DCA[14]利用裝置的某些特徵，如目前佇列長度 (queue length) 、佇列延遲 (queueing delay)等來決定是否調整超碼框。但因為協調者本身並沒有辦法得知裝置的相關資訊，所以必須依靠裝置傳送封包來告知協調者，且此機制並沒有保證此類封包一定可以成功送達至協調者。當裝置數量增加與網路負載提高時，

便會造成碰撞機率提高而導致協調者沒有辦法正常的接收到封包，進而遺失掉某些相關資訊，而影響到調整超碼框的時機。[15]中提出了交錯存取機制(interleaving access scheme;

IAS)。在此機制中，使用了一個新的參數，名 為交錯級數(interleaving order; IO)。根據交錯 級數，此機制將超碼框切割成2^IO個互斥的子週期(disjoint subperiod)，當裝置要傳送資料時，便使用這些子週期來做傳送，如此便可以提高傳送成功的機率以及降低延遲時間。然而，當交錯級數如果設定太大，且網路負載也相對提高時，太短的子週期便會影響裝置傳送資料，使得碰撞機會提高，進而造成網路效能下降。為了解決上述的缺點，本計畫提出了一適應性超碼框調整機制(adaptive superframe adjustment scheme; ASFAS)；在本機制中，協調者依照超碼框的使用比例以及通道發生碰 撞之比例，動態的調整超碼框級數(SO)，進而 改變超碼框之動作週期。

三、適應性超碼框調整機制

本計畫所提出之適應性超碼框調整機制 (ASFAS)，是利用目前協調者得到的網路特徵，適應性的調整超碼框級數，進而提升整體網路效能。目前所使用的參數有裝置數量、封包長度、傳送及接收封包所需的時間、傳送封包成功的裝置數量和傳送封包失敗的裝置數量。在IEEE 802.15.4標準中，訊標訊框發送的 間隔時間(beacon interval; BI)及超碼框之活動 週期(superframe duration; SD)可由下列關係式 表示。其中 aBaseSuperframeDuration 之值為 960 Symbols。

ion SO frameDurat aBaseSuper

SD= ×2 (1)

ion BO frameDurat aBaseSuper

BI = ×2 (2)

此外，根據IEEE 802.15.4標準定義，一個單位後退週期(unit backoff period; UBP)之長度為 20 Symbols，故在活動週期內全部的單位後退週期總數如下：

SO Symbols

SUBPs SO SD 48 2

_ = 20 = × (3) 假設訊標訊框的長度為22 Symbols，則傳送訊標訊框所佔用的單位後退週期為

20 2 22

_ = _⎥=

⎥

⎢ ⎤

⎢

⎡

Symbols Symbols

SUBPs Beacon (4)

根據CSMA/CA機制的方式，可以得知裝置傳送資料所及接收確認訊框所要花費的單位後退週期數分別為

=

data

NodeTx_

)) ( (

2 )

(Backoff UBPs Symbols Pktsize

E + + (5)

= NodeRx_ack

)) (

(Symbols T Ack IFS

UBPs ack+ + (6)

將(5)式及(6)式相加，即為成功傳送資料訊框總單位後退週期數：

ack data

Tx total

UBPs Node Node

Node _ = _ + Rx_ (7) 假設在一個超碼框中，協調者收到的封包數量 為PacketReceived，則超碼框的佔用比例為

% 100

_ _

_

Re ×

−

×

CFP UBPs Beacon UBPs SO UBPs

total UBPs ceived

S S

S

Node

Packet (8)

此外，在我們的機制中，無法送出資料的裝置可於禁能週期發出調整信號，以告知協調者該裝置無法成功傳送資料。因此協調者除了可以知道成功的接收了幾個裝置的資料，亦可得知有多少個裝置是因為碰撞而無法進行資料傳送，故碰撞比例為：

% 100

_ _

_ ×

+ Data FAILURE

SUCCESS Data

FAILURE Data

Node Node

Node (9)

當協調者得到上述相關參數及資訊之後，就可以決定是否要調整下一個超碼框，其調整超碼框的方式，則是根據超碼框的佔用比例以及裝置的碰撞比例，其共分為四種情況，如表1所 示。其中THSuperframeOccupy 及THCollision分別為超碼框佔用比例及裝置碰撞比例之臨界值，對於以上四種情況，協調者各有不同的調整方式，

但會與所設定的THSuperframeOccupy和THCollision之值有關。當協調者發現為情況一時，代表目前網路的負載較輕，所以裝置之間的碰撞則會比較低，此時協調者會先檢查目前預設值的超碼框級數之後再遞減超碼框級數，因為根據此機制，遞減超碼框時，其值不能低於一開始所預設的超碼框級數；若為情況二時，則表示目前網路的負載變重，因為裝置間碰撞機會增加的

(4)

表1 適應性超碼框調整機制狀況描述表

情況狀況描述

一 超碼框佔用比例 < THSuperframeOccupy

&&裝置碰撞比例 < THCollision

二 超碼框佔用比例 < THSuperframeOccupy

&&裝置碰撞比例 ≥THCollision

三超碼框佔用比例 ≥THSuperframeOccupy

&&裝置碰撞比例 < THCollision

四超碼框佔用比例 ≥THSuperframeOccupy

&&裝置碰撞比例 ≥THCollision

關係，而導致資料不易傳送成功，故超碼框佔用比例降低，此時協調者將會先檢查目前所預設的訊標級數之後再遞增超碼框級數，因為根據IEEE 802.15.4標準定義，其超碼框級數只能小於或等於訊標級數；而為情況三時，表示目前的活動區間足夠讓所有的裝置傳送資料，且所造成的碰撞並不會很嚴重，故協調者並不會調整超碼框級數；最後為情況四時，表示目前超碼框佔用比例很高，且碰撞比例也很高，此時協調者就會比照情況二的方式，遞增超碼框級數。詳細的流程圖如圖1至圖3所示：

圖1 協調者調整超碼框流程圖之一

圖2 協調者調整超碼框流程圖之二

SO BO

B

SO ++

圖3 協調者調整超碼框流程圖之三

四、系統模擬及結果分析

本節將針對我們所提出的適應性超碼框調整機制，在不同臨界值下之情形進行模擬，

並與ECAP(extended contention access period) 及IEEE 802.15.4標準進行比較。我們假設網路為飽和(saturation)狀態，且為星狀拓樸之型態，由一個個人區域網路之協調者及數個裝置所組成。在網路中所有的裝置全部都是固定的，且協調者之位置位於模擬環境的中間。此外，我們假設無線通道無雜訊且不考慮錯誤，

且沒有隱藏節點問題(hidden node problem;

HNP)之存在，即每個裝置的傳送範圍均相同，且可以涵蓋所有的裝置。在所有的模擬結 果中，ASFAS(x-y)中之x代表THSuperframeOccupy，y 代表THCollision。

三種不同機制的有效產能結果，分別如圖 4至圖5所示，其訊標級數為4，超碼框級數為0 及2，封包大小為40bytes。

(5)

由圖4-2中可以看到，適應性超碼框調整機制的有效產能，明顯較比 ECAP 及 IEEE 802.15.4標準來的好，這是因為當裝置數目增加時，所造成的碰撞較為嚴重，此時適應性超碼框調整機制，便會開始調整超碼框級數，以增加裝置傳送封包成功的機會，如此便可以提高整體網路的有效產能。因為IEEE 802.15.4 標準沒有辦法適應性地調整超碼框，所以當裝置數量增加時，便會造成有效產能降低。ECAP 則是因為每次所延伸的活動週期，大小均與原本的活動週期相同，故當裝置數量增加，其所延伸的活動週期不夠使用，對於提升整體網路流量，效果仍然有限。

從圖6及圖7之封包傳輸延遲中可以觀察到，適應性超碼框調整機制的封包平均傳輸延遲，均比ECAP及IEEE 802.15.4標準還要來的低。這是因為當適應性超碼框調整機制啟動之後，可以給予每個裝置較多的傳送機會，因此可以達到較低的傳輸延遲。對於ECAP來說，

雖然當裝置無法將封包傳送出去時，此機制可以延伸同樣長度的活動週期來讓裝置傳送封包，但是僅限於給有發送調整信號的裝置使用，故對於沒有發送調整信號的裝置而言，還是必須等待一段禁能週期之後，到下一個超碼框再傳送封包，所以整體平均下來，傳輸延遲還是較高。而對於IEEE 802.15.4標準來說，因為無法適應性調整超碼框級數，所以當封包在目前的超碼框沒有辦法傳送出去時，就必須等待一段禁能週期之後，到下一個超碼框再嘗試傳送，故封包的傳輸延遲一定較高。而隨著裝置數目增加，所造成的碰撞機會增加，此時重傳次數也會增加，所以也是造成傳輸延遲提高的一個原因。

圖8及圖9為成功傳送一個封包，平均所花的能量消耗。從圖中可以觀察到，適應性超碼框調整機制對於成功傳送封包的能量消耗，均低於ECAP及IEEE 802.15.4標準。因為當適應性超碼框調整機制開始調整超碼框時，對於裝置傳送封包而言，比較不容易造成碰撞，故並不會因為重傳而造成額外的能量消耗，所以對於成功傳送的封包而言，將會造成較低的能量消耗。對於ECAP而言，因為在有限的活動週期內，裝置傳送封包時，容易發生碰撞，所以造成額外的重傳，導致能量消耗較高。IEEE 802.15.4標準無法調整超碼框，故碰撞程度較為嚴重，所造成的重傳次數也較多，故額外能量消耗就越高，所以總能量消耗均為最高。

五、結論

在傳統的IEEE 802.15.4標準中，並沒有存在一個機制可以針對目前網路負載動態調整超碼框來增加網路效能。當負載提高時，對於傳統的IEEE 802.15.4標準而言，便會造成效能降低的情形。因此，本計畫針對此缺點，提出了一個適應性超碼框調整的機制，根據目前協調者觀測到的網路特徵，動態調整超碼框的動作週期，以改善不同負載下之網路效能。

我們將所提出的方法與IEEE 802.15.4標準及ECAP做比較，由模擬結果中可以發現，

適應性超碼框調整機制在有效產能、傳輸延遲及能量消耗上都比IEEE 802.15.4標準及ECAP 要來的好，這表示我們所提出的機制可以根據目前網路的負載情形，適應性的調整超碼框級數，有效的提升整體網路效能。

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(6)

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1523-1527, Jun. 2005.

Number of nodes

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Goodput (Kbps)

0 10 20 30 40 50 60

Std ECAP ASFAS(30-10) ASFAS(30-30) ASFAS(50-10) ASFAS(50-30) ASFAS(70-10) ASFAS(70-30)

圖 4 整體網路之有效產能，BO=4，SO=0，

PacketSize=40bytes

Number of nodes

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Goodput (Kbps)

0 10 20 30 40 50 60

圖 5 整體網路之有效產能，BO=4，SO=2，

PacketSize=40bytes

Number of nodes

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Delay (ms)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

圖 6 封包平均傳輸延遲， BO=4， SO=0，

PacketSize=40bytes

Number of nodes

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Delay (ms)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

圖 7 封包平均傳輸延遲， BO=4， SO=2，

PacketSize=40bytes

(7)

Number of nodes

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Average power consumption per packet (J)

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

圖 8 封包平均能量消耗， BO=4， SO=0，

PacketSize=40bytes

Number of nodes

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Average power consumption per packet (J)

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008

圖 9 封包平均能量消耗， BO=4， SO=2，

PacketSize=40bytes

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告無線感測網路之群組化繞徑研究