[46]A Group Handoff Protocol in Internet of Things

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1. 陳勇呈、陳宗禧 物聯網環境中群體移動換手協定之研究 A Group Handoff Protocol in Internet of Things 網路架構 國立臺南大學資訊工程學系 chents@mail.nutn.edu.tw 效能分析 未來展望 本論文有效使用Voronoi Diagram區分出各FFD的負責區域，並透 過選取Group LCA的方式選出適當的Group LCA，將原本需各別 發送的訊號透過Group LCA進行群體的訊號發送，根據效能分析 結果，當有效減少訊號消耗，將可有效得降低延遲時間，並且減 少電量消耗，將可有效提升提升無線感測網路的效能，加速換手 的時間。未來將透過Group LCA，進行更進一步的研究，樹狀結 構下的負載平衡、以及移動節點走向預測，使得無線感測網路在 物聯網中的使用效率更為提高。 摘要 物聯網環境中，有許多不斷的進行移動的節點，而在眾多節點的環境下，必須在節點上賦與網路位址，再透過6LoWPAN使得節 點與網際網路進行溝通。在節點在移動中，必須進行換手程序以維持移動節點與網際網路的聯結。為了降低換手期間移動節點失 去通訊時間長度，必須降低換手過程中的資料傳送次數、延遲時間。有別於過去的換手訊號必須單獨或者以固定的一個群體進行 傳送，本篇論文提出一個新的架構，使用IPv6的RPL架構建立網狀結構的無線感測網路，在網狀結構下取出樹狀特性，透過節點 的位置、方向以及時間進行分群，選取在樹狀結構中的具有相同特性的節點進行群體的位址更新。經由群體移動換手，減少資料 傳送次數，進而減少延遲時間，進而達到有效率的換手。 王證淇、陳建志 國立臺南大學電機工程學系 jjchen@mail.nutn.edu.tw 國科會研究計畫NSC 101-2221-E-024-018, 國科會研究計畫NSC 102-2221-E-024-006 MAGP FFDP LMA AAA DHCP AAA reply PBU AAA query AAA reply PBA IP configuration DOI DOI Detached MN2 FFDN MAGN DeReg PBU(MN1) MOVE DIS(MN2) DOI MN1 MOVE DeReg PBU (MN2) DeReg PBU(MN1, MN2) Tunnel DeReg PBU(MN1, MN2) PBA GLCAP GLCAN PBU(MN1, MN2) DOI DOI DOI Buffering Buffering DIS(MN1) DIS(MN1) DIS(MN2) DIS(MN1, MN2) AAA query FFD FFD Internet Gateway Sensor Network RPL Routing PMIPv6 IEEE 802.15.4 FFD FFD FFD FFD FFD Build Voronoi Diagram Build Voronoi Diagram, then select GLCA Sink node send DIO to build RPL Tree Node know itself position to build Voronoi Diagram Select Group LCA Build RPL Tree 群體移動換手協定 AAA DHCP MAG1 MAG2 MAG3 Network LMA MAG1 MAG2 MAG3 DHCP AAA : Full Function Device : Mobile Node RPL Tree 1 RPL Tree 3 RPL Tree 2 : Group: LCA Network LMA CN Router LMA : Full Function Device : Mobile Node : Group: LCA MAG1 MAG2 MAG3 0 500 1000 1500 2000 2500 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 Total Signaling Cost Number of Mobile Nodes PMIPv6 Group PMIPv6 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 Average Delay Time Number of Mobile Nodes PMIPv6 Group PMIPv6 15 20 25 30 35 40 45 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 Average Signaling Cost Number of Mobile Nodes PMIPv6 Group PMIPv6 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 Power Consumption (mJ) Number of Mobile Nodes PMIPv6 Group PMIPv6
2. 物聯網環境中群體移動換手協定之研究 A Group Handoff Protocol in Internet of Things 陳勇呈、陳宗禧 國立臺南大學資訊工程學系 chents@mail.nutn.edu.tw 王證淇、陳建志 國立臺南大學電機工程學系 jjchen@mail.nutn.edu.tw 摘要 物聯網環境中，有許多不斷的進行移動的 節點，而在眾多節點的環境下，必須在節點上 賦與網路位址，再透過 6LoWPAN 使得節點與 網際網路進行溝通。但在節點在移動中，必須 進行換手程序以維持移動節點與網際網路的 聯結。為了降低換手期間移動節點失去通訊時 間長度，必須降低換手過程中的資料傳送次 數、延遲時間。有別於過去的換手訊號必須單 獨或者以固定的一個群體進行傳送，本篇論文 提出一個新的架構，使用 IPv6 的 RPL 架構來 建立網狀結構的無線感測網路，在網狀結構下 取出樹狀特性，透過節點的位置、方向以及時 間進行分群，選取在樹狀結構中的具有相同特 性的節點進行群體的位址更新。經由效率分 析，群體移動換手機制可以減少資料傳送次 數，進而減少延遲時間，達到有效率的換手。 關鍵詞：6LoWPAN、換手協定、物聯網、IPv6、 無線感測網路。 In the Internet of Thing (IoT) environment, there are a lot of mobile nodes which are con- tinuously moving. In such an environment, IP addresses should be assigned into mobile nodes which can communicate with other computers or mobile nodes in terms of 6LoWPAN. However, when one group of mobile nodes is moving, the mobile nodes need to do hand-off to maintain the connection between the mobile nodes and the communicated computers in Internet. A novel group hand-off protocol is proposed for 6LoWPAN in IoT environment. At first, in IoT network, the mesh network is built via the RPL(IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks). The group of nodes is moved to other networks. One node in the built structure is used to handle the hand-off process for reduc- ing the hand-off overheads. By performance analysis, the group hand-off protocol can reduce the times of packet transmission and the delay latency. Keywords: 6LoWPAN, Handoff Protocols, In- ternet of Things, IPv6, Wireless Sensor Net- works. 一、緒論 近年來，由於物聯網（Internet of Things） [4] 的興起，使得無線網路（Wireless Net- works）[2] 再度被人們所重視。物聯網的目標 是在人類生活中所使用的物件裝設感測器，且 透過感測器蒐集目前物件狀態，再將資訊透過 無線網路，如 GSM、GPRS、3G、Wireless LAN、無線近身區域網路（Wireless Body Area Network）[16] 和 Sensor networks 的方式， 將物件的資訊進行傳送，使物件與物件間可以 進行互動、溝通，進而達到 M2M 的功能。其 中 最 主 要 的 網 路 通 訊 則 為 無 線 感 測 網 路 （Wireless Sensor Networks）[2] ，無線感測 網路是由多個小型節點所構成，用來感測環境 的變化，或者人體身上的變化，且均需要高度 的移動性，而感測節點的記憶體、電池容量及 裝置大小有很多的限制度。如何減少裝置移動 時所需傳遞的資料量，將是無線感測網路最大 的關鍵。 移動裝置快速增加，其特性為體積小、電 池容量小、記憶體容量小，訊號發送成為移動 管理中關鍵性的議題，如何減少訊號的遺失 率、減少其在換手間失去訊號的延遲時間。因 此使用 Internet Engineering Task Force (IETF) 的 6LowPAN Working Group 提出 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) [12] [12] ，其團隊致力於無線感測 網路與網際網路的接軌，並且使用 IPv6 來改 善 IPv4 即將耗盡的危機。使用 IP 架構的主要 優點在於過去中 IPv4 已經將網際網路的公共 建設架設的近乎完善，因此可延續使用其公共 建設，在 IPv6 壓縮其標頭檔，使其速度更快， 封包更小。延用 IP 架構將是一個非常完善的 協定。進而開創未來物聯網(IoT)的溝通協定， 其方法[12] 便是在網路七層中的第二層 MAC 層以及第三層之間加入 Adaption Layer，透過 Adaption Layer 進行區域網路以及網際網路的
3. 轉換，因此使用 802.15.4 的標準路由協定進行 區域無線網路的建立，再藉由期將資訊傳達至 其負責的路由器與外部網際網路接軌 ， 透過 IP 協定方式[6] 使無線感測網路更拓展為網際網 路的無線網路。 當移動節點必須跨越不同的網路區域 時，為了使移動節點能不中斷溝通，便須要移 動管理的程序。使用移動管理程序，進行換手 動作，而在 IPv6 的移動管理[3] ，在過去的研 究中 IETF 已提出 Mobile IPv6 (MIPv6)[9] ， 為了減少移動裝置在高速移動中所增加的換 手訊號，進而衍生出 Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6)[15] [13] ，使得移動裝置可以快速 的進行換手，為了減少訊號傳送的路徑長度， 進而衍生出 Proxy Mobile IPv6[12] [9] ，此架 構被制訂於 RFC5213 ， 減低其訊號的延遲及通 訊的消耗，而在無線感測網路中，為了使網路 可進行資料的多跳，以擴大其通訊範圍。 本篇論文將無線感測網路以網狀結構建 立後，取出樹狀結構的特性，建立出樹狀結構 的無線感測網路，並且透過地區資訊，選出樹 狀結構中群體移動的交集點，透過交集點進行 以群的為單位的傳送訊號，交集點再收集群體 移動資訊後進行一次性的資訊發送，降低發送 訊號量次數，減少移動換手中的延遲時間。第 一節為研究動機與目的說明此論文的研究背 景以及目的，第二節相關研究將說明近年來與 此論文的所相關的研究，第三節網路架構將說 明此篇論文所使用的網路架構，第四節群體換 手協定說明此篇論文的研究方法及運作方 式，第五節效能分析將使用數學分析分析其效 能，第六節結論將說明本論文的成果以及未來 工作 二、相關研究 Mobile IPv6 為 IETF 提出的移動通訊協定， 將網路分為一個 Home Network，其網路通常 為移動節點首次註冊的網路區域，其網路區域 內有一個 Home Agent (HA)負責封包的接收以 及傳送，而其他網路區域則統稱為 Foreign Network，其網路區域內也會有一個 Foreign Agent (FA)負責封包的接收與傳送。透過此種 架構，使得移動節點可移動至其他網域而不會 造成失去通訊，此協定支援每一個移動節點可 同時擁有兩個 Address，其一為 Home of Ad- dress (HoA)，另一為 Care of Address (CoA) 。 移動節點在移動進行換手時，其 HoA 是用來 辨識節點的編號，也可稱為此為移動節點永久 IP 位址，而 CoA 會隨著網路區域改變而在不 同 Router 而更改其 CoA，其原理便是在 HA 中，將 HoA 與 CoA 進行綁定，使得封包傳送 至 HA 時可順利將資料透過 CoA 轉送目前節 點區域。 PMIPv6 的架構捨棄 Home Agent，取而代 之的是 Local Mobility Anchor (LMA) 以及 Mobile Access Gateway (MAG)，LMA 取代原 本的 Home Agent 作為代理的 Home Agent，來 維持移動節點的綁定程序(Binding)，而 MAG 將負責處理移動管理中的訊號傳遞工作，且不 需要 DAD (Duplicate Address Detection)程序 [13] ， 並且移動裝置在多個 Network 中移動並 不需要改變其 IP ， 而是在 IP 前掛上一個 Prefix 作 為 其 移 動 的 根 據 。 節 點 在 移 動 至 各 個 Network 時必須不斷的進行 Prefix 的綁定程 序，然後將在 LMA 與 MAG 間使用 Tunnel 技 術，透過此架構有效的減少其訊號傳送的路 徑，透過 PMIPv6 架構減輕移動節點必須發送 換手訊號的負擔，簡單來說便是將整個綁定程 序在 LMA 中完成，接下來便是如何減少節點 通訊所需傳遞的控制訊號。 在論文[6] 中提出有效的 Group Mobili- ty，由於 Wireless Body Area Networks 主要由 人體內與體外的 Sensor 所構成，其節點可能 含有 MP3 撥放器、動作感測器、血壓測量器、 血液含氧濃度、心跳感測器、壓力感測器以及 手持裝置。這些裝置通常會隨著人體一起移 動，論文主要在此種網路下，在其網路下配置 一個 Coordinator 來控管個人網路與網際網路 之間的通訊，透過 Coordinator 將其數量壓縮 至一次性的傳送，有效的減少資訊的發送量， 減低移動換手所失去訊號的延遲時間。 在過去的研究中，當移動節點進入了另一 個網路區域時，必須進行換手，而其換手動 作，仍需以單一移動節點或者以固定的群體為 單位，進行換手訊號的發送，造成換手過程 中，需要花費過多的訊號發送次數。過多的訊 號發送數間接造延遲時間增加，且電量消耗增 加。本論文提出的架構使用於建立樹狀結構的 區域網路，透過建立樹狀結構的 FFD，切分出 負責區域後透過 FFD 進行封包的接收、轉送， 可進行群體移動的訊號發送，透過共同祖先的 群體發送，有效降低封包的發送次數，進而減 低封包遺失，達到更快更有效率的換手動作。
4. 三、網路架構 FFD FFD Internet Gateway Sensor Network RPL Routing PMIPv6 IEEE 802.15.4 FFD FFD FFD FFD FFD 圖 1：網路架構圖 四、群體移動換手協定 在本篇論文中，請參考圖 1，在 Gateway 上層使用 Proxy IPv6，而在 Gateway 下層是使 用 IET 的 RPL(IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks)[2] [17] 架構來建 立無線感測網路，在建立完成後加入位置資訊 和鄰近網路的編號資訊，並利用位置資訊建立 Voronoi Diagram[1] ，將無線感測網路以及 Voronoi Diagram 作結合，分配各 FFD 所負責 的範圍區域，再以鄰近網路編號作為節點可能 移動之位置進行分群的依據，選取 Group LCA (Least Common Ancestor)進行群體的位址更 新，由於得知節點可能移動的位置後在 RPL Tree 中 Group LCA 減少節點換手時所需傳遞 的訊號數量。 四、群體移動換手協定 群體移動換手協定中，為了進行有效的換 手程序，主要分為三個階段，首先，當區域網 路尚未建立時， Root 節點將不斷發出 DIO 訊 號使其周圍的節點建立樹狀結構，此為初始階 段所進行的程序，接下來進入註冊階段，當移 動節點進入其樹狀結構的網路區域時，便會收 到樹狀結構內節點所發出的 DIO，接著成為樹 狀的葉節點，此為註冊階段，最後，當葉節點 移動至其他的樹狀結構下時，則必須進行換 手，此時進入換手階段，本論文將藉由此三大 步驟，達到有效的換手程序，降低其封包發送 次數以及延遲時間。 4.1 初始階段 首先，建立 RPL Tree，當節點未連結成 Destination Oriented Directed Acyclic Graph(DODAG) 時 ， 節 點 將 會 定 期 的 發 出 DODAG Information Solicitation(DIS)，若周圍 已有其他節點已存在於 DODAG 時，將會回應 DODAG Information Object(DIO) 進 行 DODAG 節點的連結。 在 RPL Tree 建立完成後，第二為建立 Voronoi diagram，假設各 FFD 均知道自身位 置，然而由其 FFD 位置資訊繪製成 Voronoi Diagram，並透過 Voronoi Diagram 作為各 FFD 所負責的範圍邊界，作於在初始 Group LCA 以及換手時間點的依據。第三，選擇 Group LCA，各 FFD 均知道其管理的 MN 可能移動 到的鄰近網路區域，例如 MAG1 知道他所屬 的 MN 可能移動至 MAG2 與 MAG3，在 MAG 下一層的 FFD 節點便可再分為可能移動至 MAG2 或者 MAG3 的節點，透過此種機制來 決定其 Group LCA，以便作之後的 Group Mobility。 最後，選擇 Group LCA，RPL 建立完成 後，Group LCA 將預設於最差情況的 MAG 上，但當未來隨出現其他移動節點出現，而將 Group LCA 往下調整，以達到最佳的分群效 果，以節省其訊號花費。當 MAG 收到從某節 點所發送的封包，便會發出檢測訊號，下一層 節點在一定時間內，是否送出與 MAG 相同的 來源與目的地的封包，若是，則繼續檢測下一 層的節點是否送出與此節點相同的來源與目 的地的封包，直到某層為非，則判斷上一層為 Group LCA，因此將可找出最有效率之 Group LCA。因此，當完成 Group LCA 決定後，當 有其他節點出現時 MAG 便會重新再選取一次 Group LCA 以達到最佳的效果。 4.2 註冊階段 在群體移動的換手協定中，當移動節點首 次進入網路區域時，移動節點周遭的網路區域 內均沒有此移動節點的資訊，此移動節點必須 進行註冊動作，使得網路區域擁有此移動節點 的資訊，因此利用發送註冊封包(Reg)，使其 LMA 收到註冊封包後，可了解此移動節點的 資訊，並且分配 IP 給其移動節點，使 LMA 可 進行 IP 的綁定程序，也透過註冊使得往後移 動節點進行移動時可從此 MAG 進行換手資訊 的取得。 4.3 換手階段 為了保持移動節點與網路的聯繫，當移動 節點進行移動時，當節點移動至非原本註冊的 網域中便需要進行換手動作，而換手區分為
5. MAGP FFDP LMA AAA DHCP AAA query AAA reply PBU AAA query AAA reply PBA IP configuration DOI DOI Detached MN2 FFDN MAGN DeReg PBU(MN1) MOVE DIS(MN2) DOI MN1 MOVE DeReg PBU (MN2) DeReg PBU(MN1, MN2) Tunnel DeReg PBU(MN1, MN2) PBA GLCAP GLCAN PBU(MN1, MN2) DOI DOI DOI Buffering Buffering DIS(MN1) DIS(MN1) DIS(MN2) DIS(MN1, MN2) 圖 2：群體換手協定 Intra-MAG Handoff、Inter-MAG Handoff 以及 我們所提出的 Group-Handoff，當移動節點從 一個網路區域移動至另一目標網路區域，而其 目標網路區域仍為相同 MAG 所管理，則稱為 Intra-MAG Handoff，因其換手動作無需至 LMA 進行重新註冊的動作因而其訊號花費較 為少，反之，若移動節點從一個網路區域移動 至另一目標網路區域，而其目標網路區域為不 同 MAG 所 管 理 ， 則 稱 為 Inter-MAG Handoff ，相較於其一則需消耗較大的訊號花 費，而 Group-Handoff 則是將多個移動節點， 找出其 LCA 進行節點管理，進而減少訊號的 花費。 4.4 群體換手階段 在此階段，當多個移動節點出現於同棵 RPL Tree 下時，其 FFD 經由封包發送的時間、 來源及目的選出 LCA，透過 LCA 收到第一個 訊號封包後，便會等待一段時間，將資料 Buffer 住，等待後續的封包再度送達 LCA，若 等待時間內，有收到新的訊息時，便將這些訊 息合併成為一個訊息，再向上傳送，因此，可 省下各別傳送的傳送次數，能有效降低封包的 延遲時間，加速換手程序。 當有多個節點進行 Inter-MAG Handoff 移 動時，請參考圖 2，當 MN1 及 MN2 移動時， 解除註冊封包(DeReg)封包將分別由最靠近 MN1 及 MN2 的 FFDP 往 MAG 傳送，當封包 經過 Group LCA 時，Group LCA 會 Buffer 封 包，等待是否還有其他封包要送至相同的網路 區域，若有將會把封包資訊整理為一個封包， 圖中為 DeReg(MN1)以及 DeReg(MN2)，將兩 個封包合併後如圖中 ReDeg(MN1, MN2)再往 上進行傳送以減少原本單次的傳送封包，封包 送至 LMA 後，MN1 及 MN2 移動至 FFDN 下， 而 FFDN 將收到其兩個 DIS 封包，將其 DIS 封 包分別送往 MAGN 進行換手，在送往 MAGN 的過程中，將經過新的 GLCAN 進行群體的封 包傳送，將兩個 DIS 封包合併為 DIS(MN1, MN2)送至 MAGN ，MAGN 接著將此封包送至 LMA 等待 AAA 認證後，各別往下傳遞 MN1 的 DOI 封包以及 MN2 的 DOI 以完成群體換手 程序。 透過 Group LCA 的合併封包進行群體發 送後，將可減低原本由 Group LCA 至 LMA 的 封包發送次數，降低封包的傳送次數，當封包 傳送次數下降，其需傳送的跳躍數就會下降， 使得傳送延遲時間下降，且電量消耗也將下 降。 五、效能分析 本節將透過數學方法分析換手中的訊號 消耗，參數請參考表 1，比較先前的論文僅使 用 PMIPv6 架構方法以及本論文的 PMIP 搭配 GLCA 的方法，我們將考慮一個移動節點由一 個 Previous-MAG (MAGp) 所 負 責 的 Previous-FFD (FFDp) 移 動 至 另 一 個 由 Next-MAG (N-MAG) 所 負 責 的 Next-FFD(FFDn)之下，而分析其移動過程中， 所 需 進 行 的 資 料 傳 遞 量 ， 稱 為 訊 號 消 耗 (Signaling Cost)，而我們的分析不考慮 AAA 的認證程序以及 DHCP 的訊號消耗且假設在 MAG 以及 LMA 中間的通訊過程需要 2 跳才 可完成，本篇論文主要改善換手訊號的上行部 分。
6. 表 1: 實驗分析符號定義 Definition of Notations Nodei Number i of node, where i= {1, 2, 3, …, n} CX Cost of X, where X={pmip, Gpmip}, Cpmip : Cost of implement PMIP process CGpmip : Cost of implement Group PMIP process CX-Y Cost of X to Y, where X-Y={(MN-FFD), (FFD-MAG), (MAG-LMA), (LMA-MAG), (MAG-FFD), (FFD-MN), (FFD-GLCA), (G LCA-LMA),} RankX Hop count to MAG of X , where X= {FFDp, FFDn, FFDGLCA GLCA….} 在 PMIPv6 架構下各節點的發送訊號互不 影響，各節點均必須從鄰近的 FFD 開始換手 訊號，各別送至 MAG，再由 MAG 各別送至 LMA，最後送至下一個網路的 FFD 中，各節 點均做一次這樣的程序，因此當節點數量增 加，其發送次數必然與單一節點發送次數成倍 數成長，其發送訊號的成長幅度會成線性。再 者，分析本論文所提出的 PMIPv6 使用 Group LCA 的架構下，當節點經過其樹狀結構中的 Group LCA 時，Group LCA 會將封包進行 Buffer 的動作，以等待一段時間中的封包，在 等待時間中若有其他封包送至 Group LCA 中，Group LCA 將會進行封包的合併，緊接著 將封包一次性的向上傳遞，以減少上行的封包 傳送次數，進而減少 Signaling Cost，因此其發 送分為四部分，第一部分為節點送至鄰近的 P-FFD，再由 P-FFD 送至 Group LCA，第二部 分為 Group LCA 送至 P-MAG 中，以上兩部分 為無線鏈結，第三部分為 P-MAG 送至 LMA， 以及 LMA 送至 N-MAG，第四部分則為 N-MAG 送至 N-FFD 中。 CPMIP =CMN-FFD +CFFD-MAG +(CMAG-LMA +CLMA-MAG ) +CMAG-FFD + C FFD-MN =1+RankFFDp +(CMAG-LMA +CLMA-MAG )+RankFFDn +1 CGPMIP =CMN-FFD +CFFD-LCA +CLCA-MAG +(CMAG-LMA + CLMA-MAG )+CMAG-FFD +CFFD-MN –(n-1)*RankGLCA 在 PMIPv6 with Group LCA 的架構下，每 當節點從同一位置發出時，且時間間隔距離相 近時，便會透過 Group LCA 進行群體訊號的 發送，減少了多次的發送次數，且特別在節點 數越多的時候，其效能差距越來越大。因此， 將兩架構記算出的 Signaling Cost 相減後剩餘 (n-1)*(RankGLCA +RankMAG-LMA )表示其差距與其 節點個數有絕對的相關，且在每次進行換手時 便會出現這樣的數目差距，因此可有效的減低 其訊號發送次數，當訊號發送次數降低時，期 延遲時間也將與之有絕對的相關性，進而可改 善換手的時間。 CN Router LMA : Full Function Device : Mobile Node : Group: LCA MAG1 MAG2 MAG3 圖 3：分析場景圖 模擬場景請參考圖 3，有 n 個節點，分成 兩群進行移動，其中一群採順時針移動，另一 群採逆時鐘移動，主要將與 PMIPv6 比較平均 延遲時間(Average Delay Time)、訊號消耗 (Signal Cost)以及電量消耗。 5.1 訊號消耗 圖 4：Signaling Cost 數據圖 訊號消耗模擬結果，如圖 4，為節點由 2 個節點至 50 個節點的模擬結果，而縱軸則為 發送次數，由 0 次到 2500 次，而此圖表示當 移動節點增多時，未使用 Group LCA 之網路 架構下，訊號消耗差距將相對較高，也由於透 過 Group LCA 進行 Intra-MAG 的換手，可避 免封包傳送至 MAG 的次數。 在平均的訊號消耗部分，參考圖 5， Average Signaling Cost 數據圖為總訊號消耗除 上節點數得出平均訊號消耗，當節點個數 1 個 時，其訊號消耗將與無使用此架構的訊號消耗 相同，當節點個數增加至 15 個時，由於 Group LCA 能減少從 FFDp 至 MAG 的訊號消耗，以 及 MAG 至 LMA 之訊號消耗因此迅速的降低 其訊號消耗，而在 15 個節點以上時，由於節
7. 點傳輸個數多因此其訊號消耗量將逐漸大於 其所能減少的部分，其趨勢漸趨穩定，因此， 其訊號消耗逐漸由原本 39 次下降至約 27 次。 圖 5：平均 Signaling Cost 數據圖 5.2 平均延遲時間 圖 6：平均 Delay Time 數據圖 在平均延遲時間部分，請參考圖 6，由於 在無線鏈結下有效降低其訊號消耗，降低訊號 發送次數，因此在延遲時間大幅減低，平均延 遲時間將由 1 個節點的延遲時間 147ms 至 11 個節點下降至 87ms，由於其個數增加，可減 少的次數將逐漸趨於平緩，趨勢漸趨穩定至 50 個節點下降至 82ms，與無使用 Group LCA 相差約 70ms 的平均延遲時間。 5.3 電量消耗 透過訊號消耗、延遲時間、電量消耗的分 析結果，請參考圖 7，當有效減低訊號消耗 時，將可因其減低的訊號消耗，影響至後兩 項，有效將平均訊號消耗由平均一個節點必須 發送 39 次下降於 27 次，延遲時間由 147ms 下降於 87ms，也將電量消耗在 50 個節點的情 況下，由 1451mJ 下降於 1135mJ，有此可知， 在此架構下，將可使無線感測網路的效能增 加，將可因電量消耗減少而增加其節點的存活 時間。 圖 7：電量消耗數據圖 六、結論 在過去的訊息傳遞中，各移動節點將封包 送至 FFD 後，必須個別進行傳送，因此造成 了大量的訊號傳送數量。本論文有效使用 Voronoi Diagram 區分出各 FFD 的負責區域， 並透過選取 Group LCA 的方式選出適當的 Group LCA，將原本需各別發送的訊號透過 Group LCA 進行群體的訊號發送，根據分析結 果，當有效減少訊號消耗，將可有效得降低延 遲時間，並且減少電量消耗，將可有效提升提 升無線感測網路的效能，加速換手的時間。 未來將透過 Group LCA，進行更進一步的 研究，如在樹狀結構下的無線感測節點負載平 衡、以及移動節點走向預測，使得無線感測網 路在物聯網中的使用效率更為提高。 致謝 本研究由國科會研究計畫 NSC-101-2221- E-024-018 及 NSC-102-2221-E-024-006 部分經 費補助。 參考文獻 [1] A. Aggarwal, L. J. Guibas, J. Saxe, and P. W. Shor, "A linear-time algorithm for computing the Voronoi diagram of a convex polygon," Dis- crete & Computational Geometry, vol. 4, no. 1, pp. 591-604, 1989. [2] I. F. Akyilidiz, W. Su, Y. Sanlarasubramaniam, and E. Cayirer, "Wireless Sensor Networks: A Survey," Journal of Computer Networks, vol. 38, no. 4, pp. 393-422, March 2002. [3] I. Al-Surmi, M. Othman, and B. Mohd Ali, “Mobility management for IP-based next gener- ation mobile networks: Review, challenge and perspective,”Journal of network and Computer Application, Vol. 35, Issue.1, January 2012. [4] L. Atzori, A. Iera, and G. Morabito, ” The Inter-
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