無線感測網路之省能繞送研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

無線感測網路之省能繞送研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC93-2213-E-011-065-

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系

計畫主持人： 黎碧煌

報告類型： 精簡報告

報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 10 月 18 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 無線感測網路之省能繞送研究 ※

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計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC－93-2213-E-011-065

執行期間：93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 計畫主持人： 黎碧煌

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

執行單位： 國立台灣科技大學 電機工程系

中 華 民 國 94 年 8 月 15 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 無線感測網路之省能繞送研究

計 畫 編 號：NSC-93-2213-E-011-065

執 行 期 間：93 年 8 月 1 日 至 94 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、吳孟翰、鄭宗仁 國立台灣科技大學電機工程系

一、中文摘要

無線感測網路是近年來快速成長的新興 領域，而 IEEE 802.15.4 標準的發表，更加速 了無線感測網路的實現及普及。IEEE 802.15.4 標準的目標在實現一低功率消耗、低成本之無 線感測網路。IEEE 802.15.4 的傳輸週期可分 為競爭週期(contention access period; CAP)及 非 競 爭 週 期 (contention free period; CFP) 二 種，其中競爭週期的資料傳輸是以載波偵測多 重 擷 取 / 碰 撞 避 免 (carrier-sense multiple access/collision avoidance; CSMA/CA)做為其 競 爭 機 制 。 本 計 畫 針 對 IEEE 802.15.4 的 CSMA/CA 機制加以研究，並提出一延遲後退 演算法(delayed backoff algorithm; DBA)。根據 模擬的結果，我們提出的演算法能在相同的功 率消耗下，提高有效資料傳送量(goodput)並降 低媒體存取控制層之延遲(MAC delay)，明顯 的提升無線感測網路的服務效能。

關鍵詞：IEEE 802.15.4、載波偵測多重擷取/

碰撞避免(CSMA/CA)、媒體存取控制 (MAC)、後退演算法

Abstract:

Wireless sensor networks rapidly become popular recently. IEEE 802.15.4 standard is to implement sensor networks with low power consumption and low cost. The transmission period of IEEE 802.15.4 consists of contention access period (CAP) and contention free period (CFP). CAP applies carrier-sense multiple access/collision avoidance (CSMA/CA) for its contention mechanism. This project proposes a delayed backoff algorithm (DBA) to solve contention problem. According to the simulation results, DBA performs better than those in IEEE 802.15.4 for the effective data goodput and MAC delay under the same power consumption.

Keywords: IEEE 802.15.4, CSMA/CA, MAC, backoff algorithm

二、計畫緣由與目的:

無線感測網路[1]是由感測節點所構成，

感測節點間互相通訊以傳輸資料，故感測器節 點必須具有感測、通信及計算之能力。可預期 的，感測節點必須具有低功率及簡單之特性，

而IEEE 802.15.4 [2]−[6]標準，符合了以上的特 性，能夠滿足感測器網路的需求。在IEEE 802.14.5的主碼框(superframe)架構中，競爭週 期的傳輸方式是使用CSMA/CA機制，每個感 測節點在資料傳送之前，使用二元指數隨機演 算法於(0, 2^BE-1)之間取一隨機倒退時間後等 待，等待完畢後經過二次CCA(clear channel assessment)確認目前通道無人使用，才進行資 料的傳送。若進行CCA的過程中發現通道正被 使用，則感測節點使用二元指數隨機演算法於 (0, (2^(BE+1)-1))之間，重取一隨機倒退時間進行 等待後，再重新進行CCA動作。其中BE的起 始值為macMinBE，最大值為macMaxBE。

傳統的CSMA/CA機制中，隨機等待時間 (backoff period)容易導致頻寬的浪費，而IEEE 802.15.4的CSMA/CA機制中，為了減少功率的 消耗，將macMinBE僅設定為3，如此雖然可以 降低功率的消耗及頻寬的浪費，但於網路流量 增加時，相當容易導致碰撞的發生，因而使得 感測節點消耗的功率增加及網路的流量下 降。為了解決這個問題，已經有一些演算法被 提出，如FCR(fast collision resolution)[7]，動態 後退演算法(dynamic backoff algorithm)[8]以 及 指 數 升 降 演 算 法 (exponential increase exponential decrease algorithm)[9]等，但依然有 不相容於主訊框架構及通道使用率偏低等缺 點。本計畫針對隨機等待時間的機制進行研 究，並提出改良之CSMA/CA演算法，期望使 需要傳送資料的感測節點，在相同的功率消耗 下能夠快速的開始傳送之目標，以解決傳統 IEEE 802.15.4中流量偏低及高碰撞率之問題。

三、延遲後退演算法:

本節將說明我們所提出的延遲後退演算 法(delayed backoff algorithm; DBA)。我們所提 出之演算法適用於具有主碼框架構的IEEE 802.15.4無線感測網路。由於隨機倒退時間容 易導致頻寬的浪費，故在主碼框架構的競爭週 期中，欲傳送資料的感測節點其倒退時間可分 為已預先設定及未預先設定二種。在第n個主 碼框中已預先設定倒退時間之感測節點，代表 其於第(n-1)個主碼框中傳送資料時，已得知其 於第n個主碼框中將進行資料的傳送，並以夾 帶的方式向協調者(coordinator)要求預先配置 倒退時間。協調者依據要求配置的先後，將配 置(0, 1, 2, ..., j)的預設等待時間供感測節點於 第n個主碼框使用。此外，協調者於第n個主碼 框中發送信標(beacon)信號給感測節點時，將 發送資料等待訊息(pending frame notification) 給感測節點，告知協調者上有資料等待感測節 點索取，並告知感測節點於第(n-1)個主碼框中 已配置的等待時間j。此時被通知有等待訊息 的感測節點，依照信標(beacon)訊框中資料等 待欄位的順序，於稍後發送資料要求封包給協 調者時將使用(j+1, j+2, ..., k)做為其預設等待 時間，其中k為已預先設定等待週期之感測節 點總數。其餘未預先配置等待時間，但欲進行 資料傳送之感測節點，於稍後發送資料封包 時，均使用(k+1)至(2^macMaxBE-1)之亂數值做為 其等待時間。

進入第n個主碼框之競爭週期時，為了有 效降低功率之消耗，我們將競爭週期分為二階 段；在第一階段中，所有欲傳送資料之感測節 點均使用上述的倒退時間做為延遲時間，而在 第二階段中尚未完成資料傳送的感測節點，不 論是否有預先配置的等待時間，一律使用原本 的二元指數倒退法及CSMA/CA做為其競爭機 制，另每一節點之最大傳送時間為tmax，則所 有節點在第一階段所花費之時間t1，可以下式 表示：

t1 = k × tmax (1)

在第一階段進行資料傳送的感測節點，我們亦 修改其CSMA/CA機制如下：

步驟一：依配置之等待時間進行等待。

步驟二：進行二次CCA動作，若任何一次CCA 失敗，則將預先配置的時間減1，並 持續進行CCA到通道未使用為止。

步驟三：若花費總時間超過t1，則進入第二階 段 ， 使 用 標 準 之 CSMA/CA 進 行 競 爭，否則重複步驟一。

圖一 DBA 流程示意圖 (一)

A

Locate backoff boundary

Delay for rand(2^BE-1) unit backoff periods

Perform CCA on backoff period bondary

CW=2, NB=NB+1, BE=min(BE+1, aMaxBE)

CW=0?

Channel idle?

NB>

macMaxCSMABackoff?

CW=CW-1

Success N

Y Y

Failure Y

N

圖二 DBA 流程示意圖 (二)

完 整 的 競 爭 週 期 流 程 如 圖 一 及 圖 二 所 示，其中BP為等待時間，而GTime為Global Time。在第一階段中欲傳送資料的感測節點，

均可在同一時間開始其等待動作，且對於預先 配置等待時間之節點，其等待時間均不相同，

故可有效降低等待時間及碰撞發生率。

四、系統模擬及結果分析：

本節主要針對所提出的延遲後退演算法 之 模 擬 結 果 分 析 ， 同 時 與 傳 統 的 IEEE 802.15.4競爭機制進行比較。我們針對250 kbps 之IEEE 802.15.4網路進行模擬，假設網路中有 49個排列成正方形之感測節點，位於正中央者 為協調者，且協調者有能力與所有的節點溝 通。針對消耗功率的模擬，我們參考Chipcon 公司之IEEE 802.15.4實體層晶片CC2420，其 參數如傳送功率(transmit power)、接收功率 (receive power)、空閒功率(idle power)分別是 31 mw、35 mw、30 mw[10]。

由圖三的有效資料流量及圖四的資料傳 送成功率中，我們可以很清楚的看出當網路負 載增加時，DBA能夠有效的增加有效資料流量 及傳送成功率。此外，從圖五可以看出DBA 的平均MAC延遲時間並不會因網路流量增加 而增加，反而因為DBA的機制而有些許下降。

圖六則呈現出，因為DBA的固定延遲時間，有 效降低了感測節點傳輸資料時碰撞的發 生 率。圖七則呈現了關於功率的消耗，使用DBA 在傳送封包時，每個封包所花費的功率遠低於 標準的IEEE 802.15.4。

五、結論：

本研究針對IEEE 802.15.4的CSMA/CA競 爭機制進行探討，提出了延遲後退演算 法 (DBA)。從以上各項分析及效能指標表現中，

DBA不但可以在相同的功率消耗下有效的提 高網路流量及資料傳送率，更可降低碰撞發生 機率及減少延遲時間。此外，我們所提出的演 算法於其他需要競爭存取的環境中，有相當大 的發展性。

五、參考文獻：

[1] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubmmaiam, E. Cayirci, “A Survey on Sensor Networks,”

IEEE Comm. Magazine, pp. 102−114, Aug.

2002.

[2] Ed Callaway, Paul Gorday, Lance Hester etc.,

“Home Networking with IEEE 802.15.4: A Developing Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Networks,” IEEE Comm.

Magazine, pp. 70−77, Aug. 2002.

[3] J. A. Gutierrez, “On the use of IEEE 802.15.4 to enable wireless sensor networks in building automation,” in Proc. IEEE PIMRC’04, vol. 3, pp. 1869−1869, Sept. 2004.

[4] IEEE Std 802.15.4, “Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANS),”

October 2003.

[5] Gang Lu, B. Krishnamachari and C. S.

Raghavendra, “Performance evaluation of the IEEE 802.15.4 MAC for low-rate low-power wireless networks,” IEEE Int’l Conference on Performance, Computing, and Comm., pp.701−706, April 2004.

[6] Jianliang Zheng and M.J. Lee, “Will IEEE 802.15.4 Make Ubiquitous Networking a Reality?: A Disscussion on a Potential Low Power, Low Bit Rate Standard,” in IEEE comm. Magazine, vol. 42, pp. 140−146, June 2004.

[7] Younggoo Kwon, Yuguang Fang and H.

Latchman, “Design of MAC protocols with fast collision resolution for wireless local area networks,” IEEE Trans. on Wireless Comm., vol. 3, pp. 793−807, May 2004.

[8] Ai-Chun Pang and Hsueh-Wen Tseng,

“Dynamic backoff for wireless personal networks,” in IEEE GLOBECOM, vol. 3, pp.

1580−1584, Nov, 2004.

[9] N. O. Song et al., “Enhancement of IEEE 802.11 distributed coordination function with exponential increase exponential decrease backoff algorithm,” in Proc IEEE VTC’03, vol. 3, pp. 2775−2778, Apr. 2003.

[10] Chipcon corporation, “Chipcon AS SmartRF® CC2420 Datasheet (rev 1.2),”

2004.

圖三 有效資料流量相對於網路負載之比較

圖四 傳送成功率相對於網路負載之比較

圖五 平均 MAC 延遲相對於網路負載之比較

圖六 平均碰撞次數相對於網路負載之比較

圖七 單位功率消耗相對於網路負載之比較