TWI432074B - Indoor wireless network sensor optimized deployment system and its method - Google Patents

Description

室內無線網路感測器優化佈建系統及其方法

本發明係關於一種室內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內無線網路感測器佈建。

目前，一般電波於室內環境傳播時，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，目前已發展出微型無線感測器，用以感應、無線通訊及處理資訊。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意位置，並可節省佈線費用。

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高成本及低效率而並不適合於廣泛使用。通常由當前感測器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。因為用於傳輸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，若感測器網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。

目前存在基於偵測系統之感測器之諸多實例。舉例而言，2001年1月2日頒予Flanagan之美國專利第6,169,476 B1號，"Early Warning System for Natural and Manmade 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日頒予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併入本文。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。

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內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，係提出一種室內無線網路感測器優化佈建系統。此系統包括一自由空間訊號傳播損失模組、一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，接收端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。

其中，自由空間訊號傳播損失模組係用以計算節點發出之訊號，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，則選擇新生節點加入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，再提出一種室內無線網路感測器優化佈建方法。其方法包括，先計算自由空間訊號傳播損失，得到一自由空間衰減資訊，再依據該自由空間衰減資訊，判斷是否產生屏障，再計算障礙物衰減損失，得到一障礙物衰減資訊，並使用一基因演算法，利用自由空間衰減資訊及障礙物衰減資訊，分析複數個節點之場強。

其中，基因演算方法，其步驟包括，先隨機產生節點，依據這些節點分別計算複數個適應函數值，並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，產生一新生節點，若新生節點與舊有節點不同，則選擇新生節點加入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。

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，本發明之室內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，去分析自由空間內之各區域場強。

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。

請參閱圖一，其係為室內無線網路感測器優化佈建系統之架構圖。圖中，其室內無線網路感測器優化佈建系統1包括一自由空間訊號傳播損失模組11、一障礙物衰減損失模組12及一接收端場強計算模組13，自由空間訊號傳播損失模組11是於傳輸時訊號的衰減，主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：

其中，P _t 是發射功率、G _t 是傳送端天線增益、G _r 是接收端天線增益、λ是波長、d 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，R 是傳送端與接收端距離(單位：公里)、f _MHz 是頻率。

L _{F ( dB )} =32.4+20logR +20logf _MHz

而障礙物衰減損失模組12則是因為室內環境有著許多隔版、牆壁等，其有著不同的衰減，在本軟體中內定四種障礙物材質，分別是水泥牆壁(concrete)、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內電波傳播模型，如下列公式所示：

其中，L _{F ( dB )} 是自由空間路徑損失、L _i 為第i 個障礙物的損失值(單位dB)、K 為傳送端與接收端之間障礙物數量、d 為傳送端與接收端之距離。接收端場強計算模組13將上列資訊代入下列公式：

P _Rx =P _Tx -L (d )+G _Tx +G _Rx

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。

請參閱圖三，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1.7 dB/公分，電波傳播模型為Free space+Wall attenuation模型，圖中係為分別為場強模擬與統計結果。

請參閱圖四，其係為室內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；(S42)　依據該自由空間衰減資訊，判斷是否產生屏障；(S43)　計算障礙物衰減損失，得到一障礙物衰減資訊(S44)　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強；以及(S45)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輻射功率即可。首先決定其它相關參數內定如下：節點頻率設定為2.48 GHz、天線增益為0 dBd、傳播模型為Free space+Wall attenuation模型。節點之個數由演算法決定，此演算法以連結度為參考值，亦經由二分逼近法來求得符合環境參數之最少Node數量。適應度函式即是將基因演算法中的族群中各染色體利用下列公式換算成Node位置。

請參閱圖五，其係為環境模擬圖。圖中，假設一模擬環境，其中(C_x ,C_y )為環境中心點、Length為環境長度之一半、Width為環境寬度之一半，○為可能節點擺放之位置。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列公式以A1(x ₁ ,y ₁ )及A2(x ₂ ,y ₂ )表示：

Chromosome a b c d

(x ₁ ,y ₁ )=(Cx+Lengh×sin(a),Cy+Width×sin(b))

(x ₂ ,y ₂ )=(Cx+Lengh×sin(c),Cy+Width×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。

C _children =[x ₁₁ ‧α+x ₂₁ ‧βx ₁₂ ．α+x ₂₂ ‧βx ₁₃ ‧α+x ₂₃ ‧βx ₁₄ ‧β+x ₂₄ ‧α]

x _knew = L _k +γ*( M _k - L _k )

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，然後一直進行疊代過程，當連續10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，如果符合即輸出結果，不吻合則再一次進入RGA迴圈，值到連結度判斷吻合才輸出最佳結果。

實數基因演算法參數設定如下，吾人考慮之參數為連結度，假設最少連結度數量為2個，節點其有效輻射功率為10 dBm，高度為3.6公尺，接收靈敏度為-78 dBm，電波傳播模型為Free space+Wall attenuation模型。

為軟體模擬結果，而此模擬環境為長33公尺、寬23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1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，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1．．．室內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

13．．．接收端場強計算模組

S41^~ S45．．．步驟

圖一為本發明之室內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圖；

圖四為本發明之室內無線網路感測器優化佈建方法之流程圖；以及

圖五為本發明之環境模擬圖。

1．．．室內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

13．．．接收端場強計算模組

Claims (10)

1. 一種室內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損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1項所述之室內無線網路感測器優化佈建系統，其中該自由空間訊號傳播損失模組係用以計算該等節點發出之該訊號，於自由空間之衰減。
3. 如申請專利範圍第1項所述之室內無線網路感測器優化佈建系統，其中該障礙物衰減損失模組係用以計算該等節點發出之該訊號，經由該等障礙物之後之衰減。
4. 如申請專利範圍第1項所述之室內無線網路感測器優化佈建系統，其中該基因演算方法，其步驟包括：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，選擇該等適應函數值大的兩個適應函數值對應之該等節點，產生一新生節點；若該新生節點與舊有該等節點不同，則選擇該新生節點加入舊有該等節點重複計算該等適應函數值；以及達到一限制條件則停止。
5. 如申請專利範圍第4項所述之室內無線網路感測器優化佈建系統，其中該限制條件可為該等節點之數目上線或重複計算之次數。
6. 一種室內無線網路感測器優化佈建方法，其步驟包括如下：計算自由空間訊號傳播損失，得到一自由空間衰減資訊；依據該自由空間衰減資訊，判斷是否產生屏障；計算障礙物衰減損失，得到一障礙物衰減資訊；以及使用一基因演算法，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強。
7. 如申請專利範圍第6項所述之室內無線網路感測器優化佈建方法，其中該基因演算方法，其步驟包括：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，選擇該等適應函數值大的兩個適應函數值對應之該等節點，產生一新生節點；若該新生節點與舊有該等節點不同，則選擇該新生節點加入舊有該等節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. 如申請專利範圍第7項所述之室內無線網路感測器優化佈建方法，其中該限制條件可為該等節點之數目上線或重複計算之次數。
9. 如申請專利範圍第7項所述之室內無線網路感測器優化佈建方法，其中該自由空間衰減資訊係為該等節點發出之一訊號，於自由空間之衰減。
10. 如申請專利範圍第7項所述之室內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衰減。