Routing For Wireless Sensor Networks

Routing For Wireless Sensor Networks • • • 2004/11/1 指導教授 : 林振緯 課程 : 行動通訊系統 年級 : 碩職一 學號 : 493515157 姓名 : 陳奉建

無線感測器網路概論 1/2 (Wireless Sensor Networks) 隨著時代的演進 , 科技技術不斷更新 , 微型製造、通訊 及電池技術的 翻新 ，促使微小的感測器（ Sensor） 可具 有感應、無線通訊及處理資訊的能力 。 因此 不但能夠 感應及偵測環境的目標物及改變，並且可處理收集到 的數據，並將處理過後的資料以無線傳輸的方式送到 資料收集中心或基地台（ base station）。 此類感測器多為微小及便宜的裝置，因 此 可 大量放置 於環境中形成一個 巨大且分布不平均的 感測器網路 以對環境 進行 目標 偵測。 由於此類感測器 , 通常為低能量 , 且電源不具補充性 ， 為了節省傳輸時 的 能量消耗， 當 基地台距離感測器太 遠時，感測器需要利用網路路由 （ routing） 的方法將資 料經由多個感測器組成的路徑傳回基地台。 2004/11/1

無線感測器網路概論 2/2 (Wireless Sensor Networks) 特點 : 網路規模 : Sensor Network的節點數遠大於 Ad Hoc Network (數十倍至數千倍 )。 節點密度 : Sensor Network 節點密度高 。 低能量 : Sensor Network結點能量低 , 且能源一般不能補充。 低成本考量 : 目標小於 1美元 , 容易故障。 Network Topology經常變化 : 使用廣播通訊 : • • • 使用資料聚集 /融合 data aggregation /fusion)技術和通信的 不對稱 。 • 沒有共通的 Identification. 2004/11/1

應用 (Applications) 略分五大類加以描述其應用 : 軍事應用 : 人員識別 , 戰場偵測 , 偵察任務 , 核子、生物和 化學 偵測 1. 環境應用 : 監測空氣污染、水污染及土壤污染 , 生態監 控 2. 健康應用 : 監測人體各項健康數據 3. 居家應用 : 空調微調 , 溫度偵測 , 遠端遙控 4. 商業應用 : 業污染偵測 , 噪音 , 空氣偵測 2004/11/1

Ad Hoc Network Routing Protocol ? Network Topology規模愈大則網路收斂時間愈長， Network Topology規模越大，主動（proactive） 路由協議的路 由收斂時間和需求 （ on-demand） 路由協議的路由發現時間就 越 長，相對地 , Network Topology愈小 , 發現時間則越短。 導致 : 1. 在 MANET中 作很好的路由協議，在 Sensor Network性 能 卻可能顯著下降，甚至根本無法使用。 2. 且傳統協議以最短路徑或最小延遲為優化目標，必然 導致 通往 Sink結點的關鍵路徑上結點能量迅速耗盡 。 2004/11/1

Example Ad Hoc網路中 , 有名的路由協定（ routing protocol） DSR(Dynamic Source Routing) and AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing)便無 法直接運用 於 Sensor Network。 Sensor Network的特性 : 網路變化性很大，為節省能量 及增加效能，在資料送回基地台之前必須加以處 理，此過程通常稱為資料聚集（ data aggregation） 或 資料融合（data fusion）。 但 Ad Hoc網路協定 如 DSR及 AODV皆無法支援資料融 合的功能，因此它們將無法有效運用於感測器網 路上。 2004/11/1

路由協定（routing protocol） 由於 Wireless Sensor Network 低 能量、低 記憶體 , 無共通的 identification等特性 , 因此 大多數路由協定 必須 將降低能 量消耗列為 首 要考量。 以下 列出 幾個比較 重要 的協定 : 1. SPIN（ Sensor Protocols for Information via Negotiation） 2. DD（ Directed Diffusion） 3. LEACH（ Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy） 4. Ge. Raf（ Geographic Random Forwarding） 5. Medium Access Control， MAC 6. S-MAC 7. 睡眠排程演算法 2004/11/1

SPIN （ Sensor Protocols for Information via Negotiation） 主要是 解決因泛播（flooding） 傳送所導致的資料 大量重複 傳 送的缺點。 當網路中任一節點要傳送資料給它的鄰居時， 它先廣播一個稱為超資料（ meta-data） 的資料描述符號（ information descriptor） 給它的鄰居。 而它的鄰居先比對此超資料是否已經接收過並存於資 料庫中。如果沒有，則利用事先設計的規則（中提供數 種針對不同的應用所設計的規則）通知傳送超資料的 節點將真正資料傳送給它們。 2004/11/1

直接擴散 （ directed diffusion） 協定是一個以資料為中心（ datacentric） 的方法。 此協定的特色是每一節點不以位址來區分，而是以它所 感 測到的資料來定址。 在此協定中，觀測者首先送出一個詢問（ query）， 然後此詢 問將透過網路中其它節點擴散出去。當任何一個節點 擁有滿足此詢問的資料時，它便將本身的資料傳回基 地台。因為直接擴散協定傳送詢問及感測器回傳資料 皆是區域性交換資訊（即鄰居們互相交換資訊），因此 這個協定十分適合動態網路架構，而且每一個感測器 不需儲存太多路由資訊。 2004/11/1

LEACH （ Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy） LEACH（ Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy） 是一個可以 應用於直接傳送或多重跳躍的路由協定。此協定主要是 將多個鄰近的感測器組成一個個叢集（ Cluster）。 每個叢集中再經由一定的程序選出一個叢集頭 （ cluster head ）。 叢集頭則負責將此叢集中其它感測器的資料加以整理 或進行資料融合後傳送給基地台。 如此可避免每一個感 測器皆將資料傳回基地台，因而消耗大量的能源 。至於選 擇叢集頭及如何形成叢集的程序主要是以節省能量及分 散式的方式進行。其中最重要的規則是於一定時間內讓 每個感測器能夠消耗差不多的能量以延長整體網路的有 效 作期間 。 LEACH的架構非常適合進行資料融合，因此 可更進一步節省能量。 2004/11/1

Ge. Raf （ Geographic Random Forwarding） Ge. Raf（ Geographic Random Forwarding） 被提出以容許各種 睡眠機制應用於感測器網路上 。 Ge. Ra. F假設每個感 測器知道自己及基地台的位置。當傳送資料前，感 測器先 廣播自己的位置（及基地台的位置） 給它的 鄰居。如果有 鄰居 的位置比它還要 靠近基地台 ，這 些鄰居將依事先製定好的規則回應給此感測器。 如果此感測器成功收到一個鄰居的回應，它便將 資料傳給這個鄰居。 此鄰居再依同樣的方式將資 料前傳至下一個距離基地台更近的感測器 。 Ge. Ra. F 的好處是只需要每個感測器知道自己的位置，而 此訊息通常是一個感測器網路所必備的。同時因 為路徑並不需於傳送資料前先尋找及設定，因此 Ge. Ra. F非常適合網路架構經常變動的應用，也同時 適合任何睡眠機制。再加上此協定所提出的降低 碰撞機會的 MAC（ Medium Access Control）（ 部份將 此 於下一單元中描述）系統，它於能量消耗上將大幅 2004/11/1 降低 。

通道進接控制 （ Medium Access Control， MAC） 通道進取控制機制主要是 解決共用通道的使用權 問題 。一般而言，無線感測器網路的通道進取控制 必須考量如何降低能量的消耗，亦即如何減少碰 撞的次數。對於感測器而言， 無線傳輸所消耗的能 量已被證實為最主要的能量消耗部份 。例如傳送 1 位元 100公尺所需的能量大致等於感測器內部執行 3000個指令。因此如何 避免碰撞並降低傳送次數 是 MAC設計的主要考量。 2004/11/1

S-MAC • S-MAC主要是將 睡眠機制置入 IEEE 802. 11的 MAC系 統中以節省能量的消耗 。設計一個有效率的睡眠 排程（ sleeping schedule）為 S-MAC的主要節省能源的 方法。此排程安排互為鄰居的感測器同步建構一 個睡眠排程。此方法的 缺點為同步維護是一個經 常性的額外消耗能源的裝置。 2004/11/1

睡眠排程演算法 • 4. 睡眠排程演算法 • 睡眠機制是最有效節省能源的一個方式之一 。但如 何安排睡眠排程而不影響感測器網路的正常運作 十分重要。尤其此排程不能影響感測器網路感測 的功能，亦即網路的感測涵蓋範圍 （ sensing coverage） 不能降低太多，否則此網路便無法正常運作。 • S-MAC雖然將睡眠排程溶 入 IEEE 802. 11 MAC中，此 排程基本上屬於隨機（ random） 排程。亦即每個感測 器依據一定的機率進入睡眠狀態。則強調增加網 路中感測器的數目，並允許多餘的感測器進入睡 眠狀態。不過主要的考量為感測涵蓋範圍而非節 省能量。 2004/11/1

結論 路由主要目的 : 1. 減少能量消耗。 2. 促進節點與節點彼此負載均衡，提高網路生存時間。 3. 提供傳送效率。 2004/11/1

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參考文獻 3/6 附錄：主要研究單位和資金以及研究的領域 以下是四個最重要的計畫敘述： Smart Dust Project 計畫負責單位：U. C. Berkeley HTTP location: http: //robotics. eecs. berkeley. edu/~pister/Smart. Dust · 這個計畫已於 2000年完成, 這個計畫是主要由DARPA資助, 計畫完成時已製造出下列感測器： 1. Macro mote：這個感測器技術將溫度計、濕度計、氣壓計、光感應器、頃斜和振動感測器、磁場 感測器、雙向無線通訊裝置、微處理器和電池全部置於一英吋立方的空間中。它擁有20公尺 的通訊範圍並擁有一星期連續操作的生命（假如使用 1% duty cycling則可達兩年的生命）。 2. Laser mote：此感測器有21公里通訊能力。從計畫的最後展示，此感測器可從舊金山傳輸資訊到 Berkeley。 3. Corner Cube Reflector (CCR) mote：CCR mote是MEMS的裝置，它可以允許被動的雷射通訊。它是 用在展示Smart Dust計畫的通訊演算法時所採用的展示感測器。 4. Mini mote ：Mini mote是小型化的RF mote（它只有溫度計）。它的簡單電路設計使其非常便宜和 可以非常簡單的操作。 5. MALT：此感測器主要是展示可操作雷射光束的通訊能力(steerable laser beam communication) ，它 可以和另一個起初不知位置的MALT感測器通訊。 6. we. C：此感測器是另一個版本的Mini mote。它主要的優點是可以重新經由無線媒介寫入新的程式 (reprogrammed wirelessly) 。 7. Ir. DA：是溫度感測器，他允許和其它商業產品直接溝通 · 值 得一提的是，由Smart Dust計畫所發展出的技術已進一步的商業化。Intel公司負責投資Crossbow Technology，同時Crossbow Technology將Smart Dust的技術商業化，並且將負責製造和行銷。 · 雖然U. C. Berkeley的Smart Dust計畫已經完成但是還有許多研究需要持續，NEST計畫即是架構在 Smart Dust計畫的基礎上繼續發展。 2004/11/1

參考文獻 4/6 NEST (Network Embedded System Technology) Project 計畫負責單位：U. C. Berkeley和Intel HTTP location: http: //webs. cs. berkeley. edu/nest-index. html 此計畫包含多項子計畫： 1. Tiny. OS： -發展無線感測器網路所需的作業軟體。 -主要是設計在許多資源有限的操作環境下的感測器作業軟體。 -資料和操作必須能迅速在感測器端、制動器和網路間移動。 -為component-based和事件驅動作業軟體的架構。 -Tiny. OS 1. 10即將於 2003年 9月發表和釋出。 2. TOSSIM：是Tiny. OS的模擬器。 3. Mate：是Tiny. OS感測器的虛擬機器。 4. Tiny. DB：是要設計使用在Tiny. OS感測器網路的詢問處理系統。 5. Nes. C：是Tiny. OS的顧客編譯支援。 6. Great Duck Island：一個要佈署在野生環境的感測器網路計畫。 7. Ivy：一個設計給Berkeley的 College of Engineering的感測器網路基礎結構。 8. Cost. Bots：以現有可用的商業產品製造便宜可移動的感測器機器人。 9. Tiny. SEC：研究微小感測器裝置連結層的加密過程。 2004/11/1

參考文獻 5/6 Multi-domain Power aware Sensors) 計畫負責單位：Massachusetts Institute of Technology HTTP location: http: //www-mtl. mil. edu/research/icsystems/uamps · 由DARPA、ARL Collaborative Technology Alliance和Texas Instruments共同資助和支持。 · 主要是發展無線感測器網路所需的適應性power-aware系統。它並不只是設計低功率 的軟硬體技術，並且著重於創造和開發可以兼顧性能和系統生命時程(lifetime)的彈 性平台。 · μAMPS-I已完成垂直整合各無線感測器網路各層次以及感測器節點的能量最佳化管 理。這些層次包含物理層(physical layer)、資料連結層(data link layer) 、通道進取控 制層及網路層。 · μAMPS-II正在進行的研究為製造一個包含兩個晶片且能滿足下列目標的感測器： 1. 10 MIPS Energy-scalable的微功率DSP。 2. 支援DSP的硬體加速器並可以在能量和性能間做調整。 3. 一個協定處理器用來卸下和支援通訊管理的功能。 4. 無線電訊提供power-awareness的功能且有足夠 彈性於 10 m到 1 km的通訊範圍傳輸高達 1 Mbps的速率。 5. 在不包含功率放大器下，總體功率消耗必須小於 100μW。 2004/11/1

參考文獻 6/6 WINS (Wireless Integrated Network sensors) 計畫負責單位：UCLA電機 程學系 HTTP location: http: //www. janet. ucla. edu/WINS · 這個計畫是由Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) 和 Army Research Laboratory (ARL) Laboratories program共同贊助。 · 此計畫和Rockwell Science Center共同合作。 · WINS計畫的前身是 Low Power Wireless Integrated Microsystems (LWIM) 計畫。 · WINS技術在 1998年 9月24號被House Science Committee宣布為國家的 科技重大突破。 · WINS主要發展能提供由分散式網路和網際網路去操作置於任何環境 中的感測器。它可用來監控環境的變化，並可用於軍事用途、商 業用途和人的健康監視。WINS主要結合微感測器技術、低功率訊 號處理、低功率計算和低費用的無線網路管理能力。 2004/11/1