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能量與輸出量關係於無線感測網路路由協定之效能探討 林明鋒 陳清益 吳旻叡 紀又倫 吳建民南華大學資訊工程學系 摘要 先前已經有研究證明出Leach-C在資料傳量與能量的總消耗量皆比Leach和Stat-clus來的好。在本篇文章中，我們將從單位能量所得到的資料量以及每得到一筆資料所消耗的能量來重新探討不同路由協定，在無線感測網路中的效能準則。實驗中，我們在固定的網路範圍以及固定的基地台位置下，分別採用不同的叢集數和節點個數來當作變數，並針對各節點初始能量相同或不同時所產生的變化去做探討，最後算出資料傳輸量大小、每傳送一筆封包所需的能量及每一單位能量所能傳送的封包數，藉以探討比較出三種路由協定在無線感測網路能量消耗與資料傳輸量的關係。 關鍵字：Stat-clus、Leach、Leach-C 前言 無線感測器網路(Wireless Sensor Network)是由許多無線感測器(sensor node)組成，感測器主要是在特定的感應範圍內監控某物體或環境的變化，感測器經由無線感測網路傳回感應結果給使用者，在民生、軍事、環境、家庭、航太或是醫學都有廣泛的應用。其中有許多的應用，可分為呈規則分佈及呈不規則分佈[1]。像是聲音感測器，這類的感測器節點的特性是位置為固定，而且我們可以事先決定它的位置。而其架構又可分為兩大類，有基礎架構和無基礎架構，這兩種架構都應用廣泛。在這篇文章中，我們將探討無基礎架構的無線感測網路，由於無基礎架構內部每台電腦權限都是對等的，無法像有基礎架構那樣經由路由器統一管控，所以每個無線網路區塊所能容忍的網路最大連線數與每台電腦最大封包流量，就成為無基礎架構網路效能最重要的幾項控制因子。而無線感測網路的節點個數從數百到數萬個都有可能，使得網路運作非常複雜。加上所佈置的感測器，其節點位置通常是在使用者難以到達的地方，所以很難去更換他的能量裝置[2]。因此如何節約能量，來增進網路運作的時間，幾乎是所有感測器設計及協定設計首要考慮的重點。 　一個有效率的路由協定對於無線感測網路的系統效能扮演相當重要得的角色。其中一個以叢集式集合為概念的路由協定被提出來[1]。此協定主要是將多個鄰近的感測器組成一個叢集（Cluster）。每個叢集中再經由一定的程序選出一個叢集頭（Cluster head）。並由叢集頭負責收集此叢集中其他感測器的資料，整理並傳送給基地台。避免每個感測器都將自己的資料傳送給基地台，浪費不必要的能量[3-4]。本次實驗就對不同的協定去探討無線網路在這些協定下的效能比較以及分析端點之間的叢集數及節點各數對網路效能和傳輸資料量所造成的影響，並找出較好的情況下的理想產能範圍。 IEEE 802.11媒介存協定 本實驗中，將使用IEEE 802.11來當作無線感測網路的媒介存取協定。 802.11 是一種由 IEEE 所制定的無線區域網路協定，是一種無線網路的協定。IEEE 802.11使用載波感測多重存取及碰撞避免 (CSMA/CA) 的技術。IEEE 802.11有Distributed Coordination Function (DCF) 和 Point Coordination Function (PCF)兩種機制[5]。本實驗所使用的機制為DCF。 802.11 是應用於更小範圍的網路技術，簡單的說就是將原本有線區域網路改用無線的方式進行傳輸。IEEE 802.11 目的是制定一套在無線區域網路環境下作業的通訊協定。它的規格最主要部份涵蓋了 MAC 層與 PHY 層的標準。MAC 規格是為適用於所有無線網路系統而制定；PHY 則與傳輸媒介有關。IEEE 802.11 在統一的 MAC 層下面規範了各種不同的實體層，802.11 標準支援的每一種傳訊號頻寬，都有不同的 PHY 規格。 基本的分散協調式功能 (DCF) 並不支援即時多媒體的傳送。因此，IEEE 802.11 媒介存取控制的基本擷取方法無法保證即時資料的時限性，儘管是具有時限性的資料封包，一樣必須和一般的資料封包進入競爭視窗 (Contention Windows，CW) 來競爭頻道的使用權。 無線感測網路之路由協定 在分析網路效能時，我們使用了三種路由協定來做比較： Static-Clustering (Stat-clus) 整個路由算法在執行過程中，將耗能最大的網路分叢集和網路拓樸計算等任務用資源幾乎不受限制的基地台來執行，從而避免了感測器網路使用感測器節點進行網路拓樸計算和路由發現等導致過大的能量開銷[3-4]。也由於使用集中式網路拓樸計算，從而不需要感測器節點在路由發現過程中不斷的發現新路由而導致能量開銷。這樣的靜態網路可靠性高，網路結構簡單。最大可以的減少了高效率網路的建立過程的訊息傳輸過程。 Low-Energy Adapti