TW201225719A - Optimized deployment system of indoor wireless network sensor and the method thereof - Google Patents

Description

201225719 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種室内無線網路感測器優化佈建系 統及其方法，特別是指應用於具有障礙物的訊號傳播空間 中’可分析傳播空間中隨機節點的場強，進而達到快速優 化室内無線網路感測器佈建。 【先前技術】 _ 目前，一般電波於室内環境傳播時，傳送端與接收端 之傳播損失會因為彼此的距離及高度、隔板數目或牆壁數 目、材質等因素而有所不同，為了得到良好的覆蓋率及訊 號強度，傳送端位置及數量相對的重要，而基因演算法可 依佈建者設定的規則來完成傳送端位置及數量之優化。 由於微型製造技術、通訊技術及電池技術的進步，目 月:j已發展出微型無線感測器’用以感應、無線通訊及處理 H ^訊。微型感測器可感應及偵測環境的目標物及改變，並 可處理收集到的數據’再將處理過後的資料以無線傳輸的 方式送到資訊融合中心或基地台（Base Station)。而無線感 測網路（Wireless Sensor Networks)係由一或多個無線資 料收集器以及多個感測器（Sensor)所構成的網路系統，其 中無線感測網路中的通訊方式係採用無線通訊方式因 此，感測器或是無線資料收集器可方便地設置於任竟位 置’並可節省佈線費用。 3 201225719 然而，在無線感測網路中’往往不可避免地存在錯誤 的感測節點，感測器可能因其能源用盡或硬體損壞而送出 不正確的訊息到資訊融合中心，因而造成系統之估計正確 度的下降，並導致整體的估測準確度效能降低，或把節點 放置在不正確的位置，導致接收率降低。 而這些節點更可’用於諸多基於環境之公用安全事 故，諸如灌木叢火災、生化事故或侵蝕等。獲取關於此種 事故之即時且精確之資訊的關鍵可為遏止該事故及將損 害降至最低。 兩大處理該等事故之廣泛難題包括：（1)獲取事故處 之及時資訊；及（2)將該資訊可靠傳達至一監視台。獲取 諸如衛星成像或熱感測器之資訊之當前解決方案由於其 阿成本及低效率而並不適合於廣泛使用。通常由當前感測 盗解決方案產生之資料為無法預測的且於事故後產生。因 此’無法依靠此種資料來及時做出如何處理事故之決定。 因為用於傳輪資料之通信通道可受事故之影響，所以傳達 感測器收集之資訊亦可為無法預測的。換言之，若感測器 ’周路中之一關鍵通信節點失效或收不到訊號，則關鍵資訊 無法得以分析且無法及時起作用。 目别存在基於偵測系統之感測器之諸多實例。舉例而 ° 2001年1月2日頒予Flanagan之美國專利第6，169 476 1 號’ Early Warning System for Natural and Manmade 201225719

Disasters，"描述一種經由網路產生早期警告訊號之系 統。2001年9月25曰頒予Berry之美國專利第6,293 861 B1 號，Automatic Response Building Defense System and

Method描述一種感測接近建築物之危險污染物及採取某 種自動措施之系統。上述文獻均以引用之方式倂入本文。 遺憾的是，沒有一種先前技術描述一種以具成本效益且可 靠之方式獲取已感測之資料且傳輸該資料之穩固無線感 測系統。 【發明内容】 有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的就是在提 供一種室内無線網路感測器優化佈建系統及其方法用以 解決難以尋找訊號優良之節點。 根據本發明之一目的，係提出一種室内無線網路感測 斋優化佈建系統。此系統包括一自由空間訊號傳播損失模 、’且 障礙物衰減損失模組及一接收端場強計算模組。自 由空間訊號傳播損失模組係用以計算一訊號於一自由空 間中進行傳播之損失，障礙物衰減損失模組係用以計算訊 號經由自由空間中複數個障礙物所造成之損失，接收I場 強計算模組係連接自由空間訊號傳播損失模組及障礙物 农減損失模組之資訊，並利用—基因演算方法，計算出複 數個節點之複數個接收端場強資訊。 其中，自由空間訊號傳播損失模組係用以計算節點發 201225719 出之訊號，於自由空間之衰減 其中，障礙物衰減損失模組係用以計算節點發出之訊 號’經由障礙物之後之衰減。 其中，基因演算方法其步驟包括，先隨機產生節點， 依據節點分別計算複數個適應函數值，再依據適應函數值 的大小，選擇適應函數值大的兩個適應函數值對應之節 點，並產生一新生節點，若新生節點與舊有節點不同，則 選擇新生節點加人舊有節點重複計算適應函數值，並達到 一限制條件則停止。 其中，限制條件可為節點之數目上線或重複計算之次 數。 根據本發明之一目的，再提出一種室内無線網路感測 ，優化佈建方法。其方法包括，先計算自由空間訊號傳播 =失，得到一自由空間衰減資訊，再依據該自由空間衰減 ^ 判斷疋否產生屏障，再計算障礙物衰減損失，得到 障礙物农減資訊’並使用一基因演算法，利用自由空間 哀減貝Sfl &障礙物衰減資訊，分析複數個節點之場強。 八中基因演算方法，其步驟包括，先隨機產生節點， 依據坆些郎點分別#算複數個適應函數值，並依據適應函 數值的大小，nte -? j».i 遇擇適應函數值大的兩個適應函數值對應之

郎點，產生„如 iL 新生郎點’若新生節點與舊有節點不同，則 選擇新生筋4 卜 α入舊有郎點重複計算適應函數值，並達到 201225719 一限制條件則停止β 其中，限制條件可為節點之數目上線或重複計算之欠 數。 其中’自由空間衰減資訊係為節點發出之一訊號，於 自由空間之衰減。 其中，障礙物衰減資訊係為節點發出之訊號，經由複 數個障礙物之後之衰減。 承上所述，本發明之室内無線網路感測器優化佈建系 統及其方法，可具有一或多個下述優點： 1. 本發明利用各個節點的狀態分析圖，去分析自由 空間内之各區域場強。 2. 本發明利用各個節點代入基因演算法，經由疊代 之後找出最優化的區域場強。 【實施方式】 明參閱圖一，其係為室内無線網路感測器優化佈建系 統之架構圖。圖中，其室内無線網路感測器優化佈建系統 1包括一自W間訊號傳播損失模组U、一障礙物衰減損 失模組12 Α -接收端場強言十算模组13，自自$間訊號傳 播損失模組11是於傳輸時訊號的衰減，±要是指訊號強 度隨著距離的增加而衰減，其隨著不同之傳播模型而有所 改變。自由空間傳播路徑損失是所有傳播模型中最為簡單 模型’所謂自由空間是傳送端與接收端間無任何物體阻 201225719 擋、吸收或反射的電波傳遞，其訊號的傳播損失為自由空 間損失（Free Space Loss)，在接收端之訊號強度以下列公 式表示： ΡΜ) = P,G,GA2 (4π)2ά2 其中，C是發射功率、G，是傳送端天線增益、Gr是接 收端天線增益、A是波長、是傳送端與接收端之距離。 由上式可知接收端訊號功率與距離平方成反比。重新整理 後理得到路徑損失，如下列公式所示： 公式是將前一公式以dB表示，Λ是傳送端與接收端 距離（單位：公里）、/μη:是頻率。 = 32.4 + 201og + 201og /_ 而障礙物衰減損失模組1 2則是因為室内環境有著許 多隔版、牆壁等，其有著不同的衰減，在本軟體中内定四 種障礙物材質，分別是水泥牆壁（c ο n c r e t e)、磚塊牆壁 (brick)、夾板（plywood)及牆板（wallboard)，其損失分別 是1.7 dB/公分、1 dB/公分、2.1 dB/公分及1.3 dB/公分。 如果考慮路徑損失及障礙物，可將自由空間傳播路徑 損失式加上障礙物衰減得到一個室内電波傳播模变，如下 列公式所示： 8 201225719 = LFUiB) + Σ Li

M 其中>是自由空間路徑損失、為第〖·個障礙物的 扣失值（單位dB)、欠為傳送端與接收端之間障礙物數量、 d為傳达端與接收端之距離。接收端場強計算模組丨3將 上列資訊代入下列公式：

Prx = Ρτχ _ L(d) + GTx + Gh # 接著將損失代入上列公式來得到接收端之場強值，並 利用圖形介面來顯示，並且以不同的顏色代表不同的強度 範圍’其顯示顏色所代表之範圍如下圖所示。 請參閱圖二，其係為強度顏色示意圖。圖中，不同之 顏色代表不同之強度。 〇月參閱圖二’其係為實施例之場強示意圖。假設下圖 為長36公尺、寬24公尺的小型賣場，並設定全向性天線 鲁之發射功率為15dBm與高度為3.6公尺，接收端高度為 1.5公尺、障礙物高度為4公尺，其衰減值為i 7 /公 分’電波傳播模型為Free space + wau attenuation模型， 圖中係為分別為場強模擬與統計結果。 請參閱圖四，其係為室内無線網路感測器優化佈建方 法之流程圖。圖中，其包括下列步驟： (S41)計算自由空間訊號傳播損失，得到一自由空間 衰減資訊； 9 201225719 障； (S42)依據該自由空間衰減資訊’判斷是否產生 屏 (543) 計算障礙物衰減損失，得到-障礙物衰減資訊 (544) 使用一基因演算法，利用該自由空間衰減資訊 及該障礙物衰減資訊，分析複數個節點之場㉟；以及 (S 4 5)紀錄各個節點之場強。 假設應用於無線感測網路系統下，以網路連結度為主 要考量’執行前只需設定最小連結度數量及節點其有效妒 射功率即可。首先決定其它相關參數内定如下：節點頻： 設定為2.48GHz、天線增益為〇舰、傳播模型為⑽ SP W WaU attenuatiGn帛型。節點之個數㈣算法決 定，此演算法以連結度為參考值，亦經由二分逼近法來： Μ合環境參數之最少NGde數量。適應度函式即是將基 因决异法中的族群中各染色體利用下列公式換算成心 位置。 請參閱圖五，其係為環境模擬圖。圖中，假設一模擬 %境’其中（Cx’Cy)為環境中心點、Length &環境長度之 一半：广…境寬度之-半，。為可能節點擺放：位 置。節點可能擺放之位置很分散且沒有規律。 於基因演算法中，假設基因長度為4，代表此染色體 包涵兩個節點位置，由而此染色體所代表之節點位置由下 10 201225719 列公式以A1(W，）及A2(A，h)表示： I '： I Chromosome1 abed (XMXCx + LenghxsiiKahCy + Widthxsin^) U2, ；y2) = (Cx + Lengh x sin(c)，Cy + Width x sin(d)) 直接擺放於模擬平台上，並依使用者設定之參數及環 境擺設來進行場強模擬，並計算平均接收強度加上一定值 後再除上標準差’以其當作適應度函式值。 假設染色體數量為100條染色體，而交配及突變之方 式分別利用下列公式。 CMldren = [xu.a + X2i.fi χι2.α + Χ22.β Χΐ3.α + Χ23.β Χ]4.β + Χΐ4.α]

Xknew - ^k+y^(Mk ~Lk)

在疊代的過程中，每此均會將適應度函式結果為最大 之值存起來，㈣—直進行疊代過程，當連續H)次判斷 此次疊代族群中，最大值均相等即跳出rga演算法迴 圈’並判斷模擬環境之每個接收端其連結度數量是否吻合

使用者設定值，如果符合即 ^ at $ A 拥』出結果，不吻合則再一次進 入RGA迴圈，值到連紝声 — 埂、度判斷吻合才輸出最佳結果。 實數基因演算法參數吟宝 歎°又疋如下’吾人考慮之參數為連 結度’假設最少連|士声童旦 里為2個，節點其有效輻射功率 為10 dBm，高度為3 6公 A尺接收靈敏度為-78 dBm，電 波傳播模型為Free space + w · wall attenuation 模型。 為軟體模擬結果，而此描松、 而此拉擬環境為長33公尺、寬23 201225719 公尺及樓高4公尺，軟體利用二分逼近法所求得之最小 Sensor Node數量為12個。經運算得知，連結度數量為3 個Node所佔百分比為最大’而使用者模擬前設定最少連 結度數量需大於2個Node，由連結度數量（關聯性）為j 所佔的百分比觀察’其百分比之值已經很小，因此已經達 到優化效果。 上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體 說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未 脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於 本案之專利範圍中。 綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較 習知方法增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步 性之法定發明專利要件’爰依法提出申請，懇言青貴局核 准本件發明專利中請案，以勵發明，至感德便。 【圖式簡單說明】 圖一為本發明之室内無、線網路感測器優化佈建系統 之架構圖； 圖二為本發明之強度顏色示意圖； 圖三為本發明之實施例之場強示意圓； 圖四為本發明之室内無線網路感測器優化佈建 之流程圖；以及 去 圖五為本發明之環境模擬圖。 12 201225719

【主要元件符號說明】 1室内無線網路感測器優化佈建系統 11自由空間訊號傳播損失模組 12障礙物衰減損失模組 B接收端場強計算模組 S41-S45 步驟 13

Claims (1)

1. 201225719 七、申請專利範圍： 1. 一種室内無線網路感測器優化佈建系統，係用以提供 無線感測網路的優化資訊，其包括： 一自由空間訊號傳播損失模組，係用以計算一訊號於 一自由空間中進行傳播之損失； 一障礙物衰減損失模組，係用以計算該訊號經由該自 由空間中複數個障礙物所造成之損失；以及 一接收端場強計算模組，係連接該自由空間訊號傳播 相失模組及該障礙物衰減損失模組之資訊並利用一 基因演算方法，計算出複數個節點之複數個接收端場 強資訊。 2.如申請專利範圍第 項所述之室内無線網路感測器優

   隨機產生該等節點；

   選擇該等適應函數值大 14 201225719 的兩個適應函數值對應之該等節點，產生 若該新生節點與舊有該等節點不同，則] 點加入舊有該等節點重複計算該等適應^ 達到一限制條件則停止。 5. 如申請專利範圍第4項所述之室内無線 化佈建系統，其中該限制條件可為該等 線或重複計算之次數。 6. 一種室内無線網路感測器優化佈建方法 如下： 計算自由空間訊號傳播損失，得到一自 訊； 依據S玄自由空間衰減資訊，判斷是否羞 計算障礙物衰減損失，得到—障礙物衰 使用一基因演算法，利用該自由空間連 礙物衰減資訊，分析複數個節 ύ I場强 7.如申請專利範圍第6項所述s 1 4 <至内無與 化佈建方法，其中該基因演算方法，其 隨機產生該等節點； 該等節點分別計算複數個適應函數值； 依據該等適應函數值的大小，選擇該等 的兩個適應函數值對應之該等節點，產/ 若該新生節點與舊有該等節點不同， 一新生節點； I擇該新生節 |數值；以及 司路感測器優 Θ點之數目上 ’其步驟包括 3空間衰減資 .屏障； •資訊；以及 乞資訊及該障 〇路感測器優 驟包括： 應函數值大 -新生節點； 擇該新生節 15 201225719 點加入舊有該等節 p點重複計算該等適應函數值；以及 達到一限制條件則停止。 8 .如申請專利範衝笛*7 = 固乐7項所述之室内無線網路感測器優 化佈建方法，JL中兮Α ’、限制條件可為該等節點之數目上 線或重複計算之次數。 9.如申請專利範图坌1 τΕ ~ 圍第1項所述之室内無線網路感測器優 化佈建方法，直中兮白丄办 > 、甲°亥自由空間农減資訊係為該等節點 發出之一訊號，於自由空間之衰減。 1〇.如中請專利範圍第丨項所述之室内無線網路感測器優 化佈建方法，其中該障礙物衰減資訊係為該等節點發 出之該訊號’經由複數個障礙物之後之_減