TWI734249B - 網路系統以及決策方法 - Google Patents

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Abstract

一種網路系統包含多個物聯網裝置、多個運算伺服器，以及多個閘道器。此些運算伺服器之至少一者經組配以：根據此些物聯網裝置的訊號之訊號品質以標記此些物聯網裝置為多個第一設備及多個第二設備；計算與各閘道器連線的此些第一設備的設備數目以及與各閘道器連線的此些第二設備之可連接的閘道器數目；計算關聯於各閘道器的設備數目及閘道器數目的負載指標；計算各閘道器與各運算伺服器之間連線的第一鏈結的傳輸能耗指標；根據各閘道器的負載指標及傳輸能耗指標，選擇欲進行通訊的閘道器；以及獲得通訊網路。

Description

網路系統以及決策方法
本案係有關於一種通訊系統及方法，且特別是有關於一種網路系統及決策方法。
近年來物聯網的快速發展，由於佈建方式方便，各種物聯網的應用琳瑯滿目。由於感測器的儲存電力有限，若感測器的感測資料在網路中丟失時，重新傳送的次數增加會加速感測器的電力消耗。因此，在追求快速組網的同時，如何在位於網路終端的感測器至骨幹的核心網路當中，建立傳輸可靠度高的網路並且減少電力消耗實為相當受關注的議題。
發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本案內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本案實施例的重要/關鍵元件或界定本案的範圍。
根據本案之一實施例，揭示一種網路系統， 包含多個物聯網裝置、多個運算伺服器，以及多個閘道器。此些閘道器通訊連接於此些物聯網裝置及此些運算伺服器，其中此些運算伺服器之至少一者經組配以：根據此些物聯網裝置的訊號之訊號品質以標記此些物聯網裝置為多個第一設備及多個第二設備；計算與各閘道器連線的此些第一設備的設備數目以及與各閘道器連線的此些第二設備之可連接的閘道器數目；計算關聯於各閘道器的設備數目及閘道器數目的負載指標；計算各閘道器與各運算伺服器之間連線的第一鏈結的傳輸能耗指標；根據各閘道器的負載指標及傳輸能耗指標，選擇欲進行通訊的閘道器；以及獲得通訊網路，其中通訊網路包含此些第一設備、此些第二設備以及所選擇的此些閘道器。
根據另一實施例，揭示一種決策方法，適用於網路系統，網路系統包含多個物聯網裝置、多個運算伺服器以及多個閘道器。此些閘道器通訊連接於此些物聯網裝置及此些運算伺服器，其中決策方法包含：根據此些物聯網裝置的訊號之訊號品質以標記此些物聯網裝置為多個第一設備及多個第二設備；計算與各閘道器連線的此些第一設備的設備數目以及與各閘道器連線的此些第二設備之可連接的閘道器數目；計算關聯於各閘道器的設備數目及閘道器數目的負載指標；計算各閘道器與各運算伺服器之間連線的第一鏈結的傳輸能耗指標；根據各閘道器的負載指標及傳輸能耗指標，選擇 欲進行通訊的閘道器；以及獲得通訊網路，其中通訊網路包含此些第一設備、此些第二設備以及所選擇的此些閘道器。
M1~M4‧‧‧運算伺服器
D1~D6‧‧‧閘道器
L1~L5‧‧‧物聯網裝置
SW1~SW5‧‧‧交換設備
200‧‧‧決策方法
S210~S270‧‧‧步驟
S211~S218‧‧‧步驟
2、3、4、6‧‧‧成本
以下詳細描述結合隨附圖式閱讀時，將有利於較佳地理解本揭示文件之態樣。應注意，根據說明上實務的需求，圖式中各特徵並不一定按比例繪製。實際上，出於論述清晰之目的，可能任意增加或減小各特徵之尺寸。
第1圖繪示根據本案一些實施例中的網路系統的初始網路拓樸示意圖。
第2圖繪示根據本案一些實施例中的決策方法的流程示意圖。
第3圖繪示根據本案一些實施例中的標記物聯網裝置的流程示意圖。
第4圖繪示根據本案另一些實施例中的網路系統的示意圖。
第5A圖及第5B圖，其繪示第4圖中的其中一網路拓樸的示意圖。
以下揭示內容提供許多不同實施例或實例，以便實施本案之不同特徵。下文描述元件及排列之 特定實例以簡化本案。當然，該等實例僅為示例性且並不欲為限制性。另外，本案可在各實例中重複元件符號及/或字母。此重複係出於簡明性及清晰之目的，且本身並不指示所論述之各實施例及/或配置之間的關係。
參照第1圖，其繪示根據本案一些實施例中的網路系統100的初始網路拓樸示意圖。網路系統100包含多個物聯網裝置、多個運算伺服器以及多個閘道器。舉例而言，網路系統100中的物聯網裝置可以為隨機設置於物理環境的多個感測器，此些感測器所擷取的感測資料透過閘道器而被傳送至運算伺服器及骨幹網路。
在一些實施例中，本案的網路系統100包含多接取邊緣運算(multi-access edge computing，MEC)網路，可於多接取網路的邊緣(edge)提供雲端運算服務。舉例而言，網路系統100的閘道器具備運算能力，可於本地端進行資料處理後，再將資料傳遞至骨幹網路，例如電信營運者提供的雲端伺服器。
如第1圖所示，網路系統100包含物聯網裝置L1~L5、運算伺服器M1~M4，以及閘道器D1~D6。網路階層而言，網路系統100大致可分為第一階層的物聯網裝置L1~L5、第二階層的閘道器D1~D6、第三階層的運算伺服器M1~M4，以及第四階層的交換設備SW1~SW5。物聯網裝置L1~L5的資料可從第一階層被傳送至第四階層。物聯網裝置L1~L5例如是感測器。運算伺服器M1~M4例如是多接取邊緣運算(multi-access edge computing，MEC)伺服器。交換設備SW1~SW5例如是電信服務提供者所維護的骨幹網路之交換器。值得一提的是，第1圖所示的網路系統100之網路拓樸僅為一實施例以供說明，本案不限於此。
另一方面，第1圖所示的網路拓樸為初始化的狀態，舉例而言，於一開始佈設物聯網裝置L1~L5時，閘道器D1~D6基於通訊協定而與物聯網裝置L1~L5建立基礎通訊。換言之，網路拓樸中各節點之間的連線係指各節點之間的基礎通訊能力，本案的目的之一在於從初始化網路拓樸中找出對於整體而言(例如閘道器D1~D6、運算伺服器M1~M4及交換設備SW1~SW5)最節省能耗的資料傳輸路徑。為更進一步說明如何建立具有最節省能耗的網路系統100的網路架構，以下一併參照第1圖及第2圖。
參照第2圖，其繪示根據本案一些實施例中的決策方法200的流程示意圖。決策方法200適用於網路系統100。
於步驟S210中，根據物聯網裝置L1~L5接收的訊號之訊號品質，標記此些物聯網裝置L1~L5為第一設備及第二設備。
於一些實施例中，由於環境因素(例如距離、障礙物等)，物聯網裝置L1~L5分別在各閘道器D1~D6的服務範圍內可取得的訊號強度可能會不同。舉例而言，以訊號對干擾與雜訊比(signal to interference and noise ratio，SINR)來說，若物聯網裝置位於一個閘道器的訊號範圍內並且位於訊號涵蓋範圍的邊緣，則訊號強度越小，因此SINR值越小。另一方面，若物聯網裝置位於兩個及/或以上的重疊範圍內，則干擾與雜訊的強度越大。本案中，基於目前的網路拓樸，進一步判斷物聯網裝置L1~L5的訊號品質(例如物聯網裝置L1相對於閘道器D1及D2的訊號品質等)，可透過閘道器D1~D6來傳送至運算伺服器M1~M4，以分析各物聯網裝置L1~L5是否屬於受干擾的設備。為說明步驟S210，以下配合參照第3圖，其繪示根據本案一些實施例中的標記物聯網裝置的流程示意圖。
於步驟S211中，解析物聯網裝置L1~L5接收的訊號之訊號品質。
訊號品質例如是訊號對干擾與雜訊比(signal to interference and noise ratio，SINR)、訊號干擾比(signal to interference ratio，SIR)、接收訊號強度指標(received signal strength indication，RSSI)等資訊。此些資訊包含訊號強度/干擾與雜訊，用以判斷物聯網裝置L1~L5是否為受干擾的設備。
於步驟S212中，判斷訊號品質是否小於第一門檻值。
由於當物聯網裝置被設置在閘道器的服務訊號邊緣時，物聯網裝置的訊號品質會較差，因此訊號品質可被用來判斷此些物聯網裝置是否被設置在閘道 器的邊緣。舉例而言，若檢測到物聯網裝置的訊號強度小，則可判定此物聯網裝置屬於邊緣設備。
於一些實施例中，若判斷訊號品質小於第一門檻值，則執行步驟S214。若訊號品質大於第一門檻值，則回到步驟S211。
若判斷訊號品質小於第一門檻值，則於步驟S214中，判斷訊號中是否存在干擾訊號。在一些實施例中，若判斷訊號品質小於或等於第一門檻值時，則執行步驟S214。於一些實施例中，干擾訊號可以為干擾源接收功率，例如物聯網裝置可在多個閘道器的服務覆蓋區域中收到各閘道器的訊號，而使得此些閘道器的訊號在競爭網路環境下形成物聯網裝置的干擾源。
由於當物聯網裝置被設置在多個閘道器的重疊涵蓋範圍時，物聯網裝置的訊號品質中的干擾訊號會較大，因此訊號品質可被用來判斷此些物聯網裝置是否被設置在多個閘道器的重疊涵蓋區域。舉例而言，若檢測到物聯網裝置的訊號中存在干擾訊號，則判定此物聯網裝置位於多個閘道器的重疊涵蓋區域。於步驟S214中，若判定訊號中存在干擾訊號，則執行步驟S216。若訊號中不存在干擾訊號或者干擾訊號極小，則回到步驟S211。
於步驟S214中，若訊號中存在干擾訊號，則於步驟S216中，判斷干擾訊號的強度是否大於第二門檻值。
於一些實施例中，若干擾訊號的訊號強度大於第二門檻值，則可判定此物聯網裝置為介於多個閘道器的重疊涵蓋區域，則執行步驟S218。若干擾訊號的訊號強度不大於第二門檻值，則回到步驟S211。
若物聯網裝置為介於多個閘道器的重疊涵蓋區域，則於步驟S218中，標記該些物聯網裝置為受干擾設備。
於一些實施例中，若物聯網裝置被設置於僅涵蓋在一個閘道器之範圍內時，則不會受到不同的閘道器的訊號干擾。此些物聯網裝置在本案中被稱為不受干擾設備(或稱第一設備)。若物聯網裝置被設置於涵蓋在兩個(或以上)的閘道器之重疊範圍內時，物聯網裝置將受到不同的閘道器的訊號干擾。此些物聯網裝置在本案中被稱為受干擾設備(或稱第二設備)。舉例而言，如第1圖所示，物聯網裝置L1設置於閘道器D1~D2的涵蓋範圍(即物聯網裝置L1可透過閘道器D1或D2傳送資料)、物聯網裝置L2設置於閘道器D2~D4的涵蓋範圍，以及物聯網裝置L3~L4設置於閘道器D4~D6的涵蓋範圍，因此物聯網裝置L1~L4將被標記為第二設備。物聯網裝置L5僅設置於閘道器D6的涵蓋範圍，因此物聯網裝置L5將被標記為第一設備。
於一些實施例中，運算伺服器M1~M4經配置以計算閘道器D1~D6與物聯網裝置L1~L5的從屬群組關係，說明如下。
復參照第2圖，於步驟S220中，計算與各個閘道器D1~D6連線的第一設備的設備數目(下稱設備數目)，以及與各個閘道器連線的第二設備之可連接的閘道器的數目(下稱閘道器數目)，以計算一負載指標。
以下說明計算關聯於閘道器D1的設備數目與閘道器數目的過程。如第1圖所示，於一些實施例中，物聯網裝置L1~L4為受干擾設備，物聯網裝置L5為無受干擾設備。
在一些實施例中，本文件中的負載指標可由公式(1)來表示。
Figure 108140502-A0101-12-0009-1
公式(1)中，l(i)為閘道器Di的負載指標，Di為閘道器Di。D i 下無受干擾IoT Devices數目為與閘道器Di連線的無受干擾設備(第一設備)的設備數目。IoT device j
Figure 108140502-A0101-12-0009-24
同時隸屬IoT Gateways個數為與閘道器Di連線的受干擾設備(第二設備)中，此些受干擾設備可連接的閘道器數目。
以閘道器D6為例，物聯網裝置L5為與閘道器D6連線的無受干擾設備，因此關聯於閘道器D6下無受干擾的物聯網裝置的數目為1。另一方面，隸屬於閘道器D6的受干擾物聯網裝置L3可與閘道器D4、D5及D6連線，因此物聯網裝置L3總共隸屬於3個閘道器。以及， 隸屬於閘道器D6的受干擾物聯網裝置L4可與閘道器D4、D5及D6連線，因此物聯網裝置L4總共隸屬於3個閘道器。如此，透過公式(1)可計算出閘道器D6的負載指標為5/3(即[1+(1/3+1/3)]，其中1為D6下無受干擾物聯網裝置的設備數目，1/2+1/3為L3與L4同時隸屬閘道器數目的倒數之總和)。再以閘道器D1為例，閘道器D1下沒有無受干擾的物聯網裝置。以及，隸屬於閘道器D1的受干擾物聯網裝置L1可與閘道器D1及D2連線，因此物聯網裝置L1總共隸屬於2個閘道器。如此，獲得公式(1)閘道器D1下無受干擾物聯網裝置的設備數目及L1同時隸屬的閘道器數目，而可計算出閘道器D1的負載指標為1/2(即0+1/2，其中0為閘道器D1下無受干擾物聯網裝置的設備數目，1/2為L1同時隸屬閘道器數目的倒數)。以此類推，閘道器D2的負載指標為5/6(即0+1/2+1/3，其中0為D2下無受干擾物聯網裝置的設備數目，1/2+1/3為L1與L2同時隸屬閘道器數目的倒數之總和)，閘道器D3的負載指標為1/3(即0+1/3)，閘道器D4的負載指標為1(即0+1/3+1/3+1/3)，以及閘道器D5的負載指標為2/3(即0+1/3+1/3)。
於步驟S230中，計算各個閘道器與各個運算伺服器之間連線的第一鏈結的傳輸能耗指標。
於一些實施例中，傳輸能耗指標可由公式(2)來表示。
Figure 108140502-A0101-12-0011-2
公式(2)中，u(i)為閘道器Di的傳輸能耗指標。第k條路徑傳輸每單位資料之能耗為閘道器Di與運算伺服器之間的路徑(或稱第一鏈結)之能耗。傳輸能耗指標為這些第一鏈結的能耗總和之平均的倒數。舉例而言，如第1圖所示，閘道器D1與運算伺服器M1之間的路徑的能耗為2，閘道器D1與運算伺服器M2之間的路徑的能耗為6，閘道器D2與運算伺服器M1之間的路徑的能耗為4，以此類推。
透過公式(2)中的計算，閘道器D1的傳輸 能耗指標為1/4(即
Figure 108140502-A0101-12-0011-3
)，閘道器D2的傳輸能耗 指標為1/4，閘道器D3的傳輸能耗指標為1/5，閘道器D4的傳輸能耗指標為1/3，閘道器D5的傳輸能耗指標為1/5，以及閘道器D6的傳輸能耗指標為1/3.5(即
Figure 108140502-A0101-12-0011-4
於步驟S240中，根據各個閘道器的負載指標及傳輸能耗指標，選擇欲進行通訊的閘道器以獲得一通訊網路。此通訊網路包含第一設備、第二設備以及所選擇的閘道器。
於一些實施例中，於閘道器被選擇用來與物聯網裝置來進行通訊之前，會計算各個閘道器的傳輸路 徑彈性指標。所述傳輸路徑彈性指標可由公式(3)來表示。
Figure 108140502-A0305-02-0014-2
於公式(3)中，p(i)為閘道器Di的傳輸路徑彈性指標。其中，第k條路徑傳輸每單位資料之能耗為閘道器Di與運算伺服器之間的路徑之能耗。傳輸路徑彈性指標為根據閘道器Di的所有第一鏈結的能耗總和的平方值以及閘道器Di的所有第一鏈結的能耗平方值的總和而計算得到(即能耗總和的平方值除以能耗平方值的總和)。
在一些實施例中，透過公式(3)中的計算， 閘道器D1的傳輸路徑彈性指標為8/5(即
Figure 108140502-A0305-02-0014-3
)，閘道器 D2的傳輸路徑彈性指標為1，閘道器D3的傳輸路徑彈性指標為1，閘道器D4的傳輸路徑彈性指標為1，閘道器D5的傳輸路徑彈性指標為1，以及閘道器D6的傳輸路徑彈性指標為49/25。
於一些實施例中，於計算各個閘道器的傳輸路徑彈性指標之後，於步驟S250中，進一步計算各個閘道器的負載指標、傳輸能耗指標及傳輸路徑彈性指標的一總和，以獲得各閘道器的優先配對指數，如公式(4)所示。
w(i)=α×l(i)+β×u(i)+γ×p(i)...公式(4)
於公式(4)中，w(i)為閘道器Di的優先配對 指數，α、β、γ為權重係數，其總和為1。為進一步說明優先配對指數，以α值為0.3、β值為0.35以及γ值為0.35作為實施例說明。換言之，各閘道器的優先配對指數為基於此些權重係數來計算各閘道器的負載指標、傳輸能耗指標以及傳輸彈性指標的總和。值得一提的是，本案不侷限於此組數值，可根據實際操作需求而有不同的數值配置，例如越重視的項目會對應地設置越大的權重係數。
透過公式(4)中的計算，閘道器D1的優先配對指數為0.7975(即[0.3x(1/2)+0.35x(1/4)+0.35x(8/5)])，以此類推，閘道器D2的優先配對指數為0.6875，閘道器D3的優先配對指數為0.52，閘道器D4的優先配對指數為0.7667，閘道器D5的優先配對指數為0.62，以及閘道器D6的優先配對指數為1.286(即[0.3x(5/3)+0.35x(1/3.5)+0.35x(49/25)])。
於步驟S260中，根據此些總和的大小順序，設定欲進行通訊的閘道器為多個第一閘道器，使得通訊網路包含此些第一設備、此些第二設備以及此些第一閘道器。
舉例而言，所有閘道器的優先配對指數由大至小依序為1.286(閘道器D6)、0.7975(閘道器D1)、0.7667(閘道器D4)、0.6875(閘道器D2)、0.62(閘道器D5)以及0.52(閘道器D3)。本文件參考所有閘道器的優先配對指數，於一些實施例中，會先選取優先配對 指數最大的閘道器，並記錄此閘道器所服務的物聯網裝置。接著，再選取優先配對指數次大的閘道器，並記錄此閘道器所服務的物聯網裝置。直到所有的物聯網裝置都被多個(例如2個)閘道器所服務。詳細的內容說明如下。
於一些實施例中，對於與無受干擾設備(第一設備)連線的閘道器會被優先設定為第一閘道器。舉例而言，如第1圖所示，物聯網裝置L5為無受干擾設備(第一設備)，而與物聯網裝置L5連線者僅為閘道器D6。因此，閘道器D6將優先被選取，以被設定為第一閘道器。如此，可以確保處於邊緣網路的物聯網裝置L5不會因為沒有選擇到閘道器D6而無法將資料上傳至核心網路。
於一些實施例中，根據各閘道器的優先配對指數由大至小，依序檢視各閘道器所服務的受干擾設備(第二設備)。若通訊網路中的受干擾設備(第二設備)未被一定數目的閘道器所服務，則繼續往下選取後順位的閘道器，以將其設定為第一閘道器，使各第二設備與第一閘道器之間總共可建立多重連線。舉例而言，優先配對指數由大至小依序為閘道器D6、D1、D4、D2、D5及D3。以下舉多重連線的數目為2作為實施例說明(即每一個物聯網裝置都分別與兩個閘道器連線(或稱雙重連線)，例如一個物聯網裝置有機會被兩個閘道器中的一者所服務，另一閘道器則作為備援閘道器)。首先， 閘道器D6被設定為第一閘道器(如上所述)，其中閘道器D6除了服務物聯網裝置L5(由於物聯網裝置L5為第一設備，因此不考慮物聯網裝置L5是否與閘道器之間存在多重連線)外，尚可服務物聯網裝置L3與L4。接著，具有第二大優先配對指數的閘道器D1被設定為第一閘道器，其中閘道器D1僅能服務物聯網裝置L1。具有第三大優先配對指數的閘道器D4被設定為第一閘道器，其中閘道器D4可服務物聯網裝置L2、L3及L4。具有第四大優先配對指數的閘道器D2被設定為第一閘道器，其中閘道器D2亦可服務物聯網裝置L1及L2。由於此些閘道器D1、D4及D2已可確保所有受干擾的物聯網裝置L1~L4(第二設備)均可選擇性地與兩個閘道器中之一者建立連線(雙重連線)，因此於此實施例中則不考慮閘道器D3及D5來作為物聯網裝置之資料傳輸的中繼節點，而停止設定剩餘的閘道器D3及D5。值得一提的是，本案不限於多重連線的數目，任何可基於一預設數目的連線均可實施於本案。
於一些實施例中，剩餘的閘道器D3及D5會被設定為休眠狀態或關機狀態。
參照第4圖，其繪示根據本案另一些實施例中的網路系統400的示意圖。與經過前述的決策方法200後，產生較節省能耗的網路系統400。舉例而言，原本需要啟動六個閘道器D1~D6來服務物聯網裝置L1~L5，於優化之後只需要啟動四個閘道器D1、D2、D4及D6即 可。於此實施例中，通訊網路包含閘道器D1、D2、D4及D6以及物聯網裝置L1~L5。
復參照第2圖，於步驟S270中，根據第一鏈結成本、第二鏈結成本以及第三鏈結成本來計算多個網路拓樸之拓樸成本，以於此些運算伺服器中設定欲進行通訊的第一伺服器。
值得一提的是，為易於閱讀本案內容，本文中的「第一鏈結」係指閘道器與運算伺服器之間的鏈結，「第二鏈結」係指閘道器與物聯網裝置之間的鏈結，「第三鏈結」係指運算伺服器與運算伺服器之間經過交換器的鏈結。另一方面，「第一鏈結成本」、「第二鏈結成本」以及「第三鏈結成本」係分別指此些鏈結總共所需的成本。
舉例而言，如第4圖所示，運算伺服器M1與閘道器D1之間為第一鏈結，且運算伺服器M1與閘道器D1之間的第一鏈結成本為2單位。物聯網裝置L1與閘道器D1之間為第二鏈結，且物聯網裝置L1與閘道器D1之間第二鏈結成本為1單位。第三鏈結為資料在運算伺服器M1~M4之間經過交換設備SW1~SW5的鏈結總數。舉例而言，以運算伺服器M1為起點，經過交換設備SW1及SW2，到達運算伺服器M2，其總共經過3個鏈結，因此第三鏈結成本為3，以此類推。
於一些實施例中，可根據公式(5)來計算多個網路拓樸之拓樸成本並獲得這些拓樸成本中的最 小者。公式(5)如下所示。
Figure 108140502-A0101-12-0017-7
於公式(5)中，其結果值為通訊網路的整 體能耗，
Figure 108140502-A0101-12-0017-8
為通訊網路中的第一鏈結成本之總和，
Figure 108140502-A0101-12-0017-9
為通訊網路中的第二鏈結成本之總和，
Figure 108140502-A0101-12-0017-10
為通訊網路中的第三鏈結成本之總和。值得一 提的是，此時所考慮的通訊網路為經過前述步驟S260，排除閘道器D3及D5之後的網路拓樸。
值得一提的是，如第4圖所示的網路系統400存在多個網路拓樸(即從物聯網裝置L1~L5到運算伺服器M1~M4之間有多個不同可能的連線態樣，例如物聯網裝置L1的資料可經由閘道器D1被傳送置運算伺服器M1、物聯網裝置L2的資料可經由閘道器D4被傳送置運算伺服器M3、物聯網裝置L3的資料可經由閘道器D6被傳送置運算伺服器M3、物聯網裝置L4的資料可經由閘道器D4被傳送置運算伺服器M3，以及物聯網裝置L5的資料可經由閘道器D6被傳送置運算伺服器M4，視為一個網路拓樸)。換言之，以下將說明如何於此些眾多的網路節點當中，計算出最節省能耗的網路拓樸。
以下舉其中兩個網路拓樸來說明之。參照第5A圖及第5B圖，其繪示第4圖中的其中的網路拓樸410及420的示意圖。
如第4圖所示，閘道器D1可分別與運算伺服器M1及M2通訊(兩個第一鏈結)。於第5A圖中繪示閘道 器D1選擇與運算伺服器M2連接的情況，其第一鏈結成本為6。相似地，在閘道器D2選擇與運算伺服器M1連結的情況，其第一鏈結的成本為4。在閘道器D4選擇與運算伺服器M3連結的情況，其第一鏈結的成本為3。在閘道器D6選擇與運算伺服器M4連結的情況，其第一鏈結的成本為3。因此，第一鏈結成本之總和為16。
於一些實施例中，各物聯網裝置傳送的封包可依據實際情況而有不同的路由路徑。舉例而言，物聯網裝置L1與閘道器D1及D2連接，同時閘道器D1與運算伺服器M1及M2介接，因此物聯網裝置L1的封包可能透過閘道器D1被傳送至運算伺服器M1或M2，或者透過閘道器D2被傳送至運算伺服器M1。於計算第三鏈結成本時，舉例而言，若物聯網裝置L1需與運算伺服器M2介接但不限制閘道器的選擇路徑，且若閘道器D1選擇轉發資料至運算伺服器M1，則資料需要從運算伺服器M1轉發至交換設備SW1、從交換設備SW1轉發至交換設備SW2，以及從交換設備SW2轉發至運算伺服器M2，總共經過3個鏈結，因此對應物聯網裝置L1的第三鏈結成本為3(以一個鏈結的成本視為1)。以此類推，物聯網裝置L1~L5所需的第三鏈結成本如表一所示，而可計算出對應各物聯網裝置的第三鏈結成本。因此，於此實施例中，第三鏈結成本之總和為16。
表一：第三鏈結成本
Figure 108140502-A0101-12-0018-11
Figure 108140502-A0101-12-0019-12
於一些實施例中，各物聯網裝置可連接的閘道器的鏈結，將被作為第二鏈結。舉例而言，物聯網裝置L1可連接於閘道器D1及D2，第二鏈結的數目為2，即對應於物聯網裝置L1所發送的資料而言，會使運算伺服器執行兩次的運算。因此，對應物聯網裝置L1的第二鏈結成本總共為2(以一個鏈結的成本視為1)。以此類推，物聯網裝置L1~L5所需的第二鏈結成本如表二所示，而可計算出對應各物聯網裝置的第二鏈結成本。因此，於此實施例中，第二鏈結成本之總和為9。
表二：第二鏈結成本
Figure 108140502-A0101-12-0019-13
接著，根據公式(5)加總第一鏈結成本之總和、第二鏈結成本之總和以及第三鏈結成本之總和，而可計算出第5A圖的通訊網路的整體能耗，即41。
如第4圖所示，閘道器D1可分別與運算伺服器M1及M2通訊(兩個第一鏈結)。於第5B圖中繪示閘道器D1選擇與運算伺服器M1連接的情況，其第一鏈結成本為2。相似地，閘道器D2與運算伺服器M1之間的第一 鏈結的成本為4。閘道器D4與運算伺服器M3之間的第一鏈結的成本為3。閘道器D6與運算伺服器M3之間的第一鏈結的成本為4。因此，第一鏈結成本之總和為13。
於一些實施例中，各物聯網裝置傳送的封包可依據實際情況而有不同的路由路徑。舉例而言，若物聯網裝置L1需與運算伺服器M1介接但不限制閘道器的選擇路徑，且若閘道器D1選擇轉發資料至運算伺服器M1，則不需再透過交換設備SW1~SW5來中繼。此時，對應物聯網裝置L1的第三鏈結成本為0。以此類推，物聯網裝置L1~L5所需的第三鏈結成本如表三所示，而可計算出對應各物聯網裝置的第三鏈結成本。因此，於此實施例中，第三鏈結成本之總和為5。
表一：第三鏈結成本
Figure 108140502-A0101-12-0020-15
於一些實施例中，各物聯網裝置可連接的閘道器的鏈結，將被作為第二鏈結。舉例而言，物聯網裝置L1可連接於閘道器D1及D2，因此第二鏈結的數目為2，即對應於物聯網裝置L1所發送的資料而言，會使運算伺服器執行兩次的運算。因此，對應物聯網裝置L1的第二鏈結成本總共為2(以一個鏈結的成本視為1)。以 此類推，物聯網裝置L1~L5所需的第二鏈結成本如表四所示，而可計算出對應各物聯網裝置的第二鏈結成本。因此，於此實施例中，第二鏈結成本之總和為9。
表二：第二鏈結成本
Figure 108140502-A0101-12-0021-17
接著，加總第一鏈結成本之總和、第二鏈結成本之總和以及第三鏈結成本之總和，而可計算出第5B圖的通訊網路420的整體能耗，即27。
由於第5B圖的通訊網路420的整體能耗小於第5A圖的通訊網路410的整體能耗，可知閘道器D1選擇運算伺服器M1的路徑(而非選擇運算伺服器M2)可以讓整體能耗下降。
以此類推，對於所計算出的所有通訊網路的整體能耗，公式(5)的計算可得到最小者，而可得到具有最小的整體能耗的通訊網路。
值得一提的是，第5A圖及第5B圖僅為其中兩個網路拓樸的實施例，說明如何計算第4圖中的可能之通訊網路的整體能耗，以獲得所有可能之通訊網路的整體能耗的最小者。舉例來說，假設只有兩個可能的通訊網路(例如網路拓樸410及420)，則根據公式(5)取各通訊網路的整體能耗(或稱拓樸成本)的最小者，即27。換言之，經過決策方法200的執行之後，會選擇以網路拓樸420來作為通訊網路。換言之，以閘道器D1而言，會以運算伺服器M1作為優先路由路徑，以閘道器D6而 言會以運算伺服器M3作為優先路由路徑。第4圖的網路系統400的閘道器D1與運算伺服器M2之間的連線以及閘道器D6與運算伺服器M4之間的連線會被取消或被設定為備援連線。如此一來，網路系統400可被最佳化而獲得第5B圖的網路系統420，使得網路系統420為具有最節省能耗的通訊網路。
綜上所述，本案的網路系統及決策方法可有效率地在複雜的網路系統中計算出節能的網路拓樸。於保留物聯網裝置或感測裝置的佈建過程的情況下，仍可相容於行動邊緣運算網路的要求，並達成整體網路系統效能達至少60%以上，同時降低演算法運算的複雜度，兼具最小能耗與傳輸可靠度最大的最佳化組網。
上文概述若干實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更好地理解本案之態樣。熟習此項技術者應瞭解，可輕易使用本案作為設計或修改其他製程及結構的基礎，以便實施本文所介紹之實施例的相同目的及/或實現相同優勢。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效結構並未脫離本案之精神及範疇，且可在不脫離本案之精神及範疇的情況下產生本文的各種變化、替代及更改。
200‧‧‧決策方法
S210~S270‧‧‧步驟

Claims (26)

  1. 一種網路系統，包含：多個物聯網裝置；多個運算伺服器；以及多個閘道器，通訊連接於該些物聯網裝置及該些運算伺服器，其中該些運算伺服器之至少一者經組配以：根據該些物聯網裝置的一訊號，以標記該些物聯網裝置為多個第一設備及多個第二設備，其中該些第一設備為設置於僅涵蓋於該些閘道器中之一者之範圍內以及該些第二設備為設置於涵蓋在該些閘道器中之至少二者之重疊範圍內；計算與各該閘道器連線的該些第一設備的一設備數目以及與各該閘道器連線的該些第二設備之可連接的一閘道器數目；計算關聯於各該閘道器的該設備數目及該閘道器數目的一負載指標；計算各該閘道器與各該運算伺服器之間連線的一第一鏈結的一傳輸能耗指標；根據各該閘道器的該負載指標及該傳輸能耗指標，選擇欲進行通訊的該些閘道器；以及獲得一通訊網路，其中該通訊網路包含該些第一設備、該些第二設備以及所選擇的該些閘道器。
  2. 如請求項1所述之網路系統，其中各 該運算伺服器之至少一者還經組配以：解析各該物聯網裝置的該訊號之一訊號品質；以及當該訊號品質小於一第一門檻值，則判斷該訊號中是否存在一干擾訊號。
  3. 如請求項2所述之網路系統，其中各該運算伺服器之至少一者還經組配以：當該訊號中存在該干擾訊號，則判斷該干擾訊號的一強度是否大於一第二門檻值；以及當該干擾訊號的該強度大於該第二門檻值，則標記該些物聯網裝置為該些第二設備。
  4. 如請求項3所述之網路系統，其中未被標記為該些第二設備的該些物聯網裝置將被標記為該些第一設備。
  5. 如請求項1所述之網路系統，其中該設備數目為與各該閘道器所連線的該些第一設備的數目，各該運算伺服器之至少一者還經組配以：計算與各該閘道器連線的該些第二設備其隸屬的所有閘道器的數目，以獲得該閘道器數目；以及根據該設備數目以及該閘道器數目，計算各該閘道器的該負載指標。
  6. 如請求項1所述之網路系統，其中各該閘道器的該傳輸能耗指標為該些第一鏈結之能耗總和平均的倒數。
  7. 如請求項1所述之網路系統，其中各該運算伺服器之至少一者還經組配以：根據該些第一鏈結的能耗總和的一平方值以及該些第一鏈結的能耗平方值的一總和，計算各該閘道器的一傳輸路徑彈性指標。
  8. 如請求項7所述之網路系統，其中各該運算伺服器之至少一者還經組配以：計算各該閘道器的該負載指標、該傳輸能耗指標以及該傳輸路徑彈性指標之一總和；以及根據該些總和的一大小順序，設定欲進行通訊的該些閘道器為多個第一閘道器；其中該通訊網路包含該些第一設備、該些第二設備以及該些第一閘道器。
  9. 如請求項8所述之網路系統，其中各該運算伺服器之至少一者還經組配以：設定可與該些第一設備連線的該些閘道器為該些第一閘道器；以及根據各該閘道器的該負載指標、該傳輸能耗指標以 及該傳輸路徑彈性指標之該些總和的該大小順序，設定該些閘道器中的數個作為與該些第二設備建立連線的該些第一閘道器；其中當各該第二設備與該些第一閘道器中的數個建立一預設數目的連線時，停止設定剩餘的該些閘道器。
  10. 如請求項8所述之網路系統，其中各該運算伺服器之至少一者還經組配以：設定未被選擇的該些閘道器為一休眠狀態。
  11. 如請求項8所述之網路系統，其中各該運算伺服器之至少一者還經組配以：獲得各該第一閘道器與各該運算伺服器之間的該第一鏈結的一第一鏈結成本；獲得各該第一閘道器與各該第一設備及各該第二設備之間的一第二鏈結的一第二鏈結成本；以及計算一第三鏈結的一第三鏈結成本，其中該第三鏈結為該些運算伺服器之間所經過的一鏈結數目。
  12. 如請求項11所述之網路系統，其中各該運算伺服器之至少一者還經組配以：獲得該些第一設備及該些第二設備被服務的多個網路拓樸； 根據該些第一鏈結成本、該些第二鏈結成本以及該些第三鏈結成本計算該些網路拓樸之多個拓樸成本；以及根據該些拓樸成本之最小者，於該些運算伺服器中設定欲進行通訊的多個第一伺服器。
  13. 如請求項12所述之網路系統，其中各該運算伺服器之至少一者還經組配以：獲得該通訊網路，其中該通訊網路包含該些第一設備、該些第二設備、該些第一閘道器以及該些第一伺服器。
  14. 一種決策方法，適用於一網路系統，該網路系統包含多個物聯網裝置、多個運算伺服器以及多個閘道器，該些閘道器通訊連接於該些物聯網裝置及該些運算伺服器，其中該決策方法包含：根據該些物聯網裝置的一訊號以標記該些物聯網裝置為多個第一設備及多個第二設備，其中該些第一設備為設置於僅涵蓋於該些閘道器中之一者之範圍內以及該些第二設備為設置於涵蓋在該些閘道器中之至少二者之重疊範圍內；計算與各該閘道器連線的該些第一設備的一設備數目以及與各該閘道器連線的該些第二設備之可連接的一閘道器數目； 計算關聯於各該閘道器的該設備數目及該閘道器數目的一負載指標；計算各該閘道器與各該運算伺服器之間連線的一第一鏈結的一傳輸能耗指標；根據各該閘道器的該負載指標及該傳輸能耗指標，選擇欲進行通訊的該些閘道器；以及獲得一通訊網路，其中該通訊網路包含該些第一設備、該些第二設備以及所選擇的該些閘道器。
  15. 如請求項14所述之決策方法，還包含：解析各該物聯網裝置的該訊號之一訊號品質；以及當該訊號品質小於一第一門檻值，則判斷該訊號中是否存在一干擾訊號。
  16. 如請求項15所述之決策方法，還包含：當該訊號中存在該干擾訊號，則判斷該干擾訊號的一強度是否大於一第二門檻值；以及當該干擾訊號的該強度大於該第二門檻值，則標記該些物聯網裝置為該些第二設備。
  17. 如請求項16所述之決策方法，其中未被標記為該些第二設備的該些物聯網裝置將被標記 為該些第一設備。
  18. 如請求項14所述之決策方法，其中該設備數目為與各該閘道器所連線的該些第一設備的數目，該決策方法還包含：計算與各該閘道器連線的該些第二設備其隸屬的所有閘道器的數目，以獲得該閘道器數目；以及根據該設備數目以及該閘道器數目，計算各該閘道器的該負載指標。
  19. 如請求項14所述之決策方法，其中各該閘道器的該傳輸能耗指標為該些第一鏈結之能耗總和平均的倒數。
  20. 如請求項14所述之決策方法，還包含：根據該些第一鏈結的能耗總和的一平方值以及該些第一鏈結的能耗平方值的一總和，計算各該閘道器的一傳輸路徑彈性指標。
  21. 如請求項20所述之決策方法，還包含：計算各該閘道器的該負載指標、該傳輸能耗指標以及該傳輸路徑彈性指標之一總和；以及根據該些總和的一大小順序，設定欲進行通訊的該 些閘道器為多個第一閘道器；其中該通訊網路包含該些第一設備、該些第二設備以及該些第一閘道器。
  22. 如請求項21所述之決策方法，還包含：設定可與該些第一設備連線的該些閘道器為該些第一閘道器；以及根據各該閘道器的該負載指標、該傳輸能耗指標以及該傳輸路徑彈性指標之該些總和的該大小順序，設定該些閘道器中的數個作為與該些第二設備建立連線的該些第一閘道器；其中當各該第二設備與該些第一閘道器中的數個建立一預設數目的連線時，停止設定剩餘的該些閘道器。
  23. 如請求項21所述之決策方法，還包含：設定未被選擇的該些閘道器為一休眠狀態。
  24. 如請求項21所述之決策方法，還包含：獲得各該第一閘道器與各該運算伺服器之間的該第一鏈結的一第一鏈結成本；獲得各該第一閘道器與各該第一設備及各該第二 設備之間的一第二鏈結的一第二鏈結成本；以及計算一第三鏈結的一第三鏈結成本，其中該第三鏈結為該些運算伺服器之間所經過的一鏈結數目。
  25. 如請求項21所述之決策方法，還包含：獲得該些第一設備及該些第二設備被服務的多個網路拓樸；根據該些第一鏈結成本、該些第二鏈結成本以及該些第三鏈結成本計算該些網路拓樸之多個拓樸成本；以及根據該些拓樸成本之最小者，於該些運算伺服器中設定欲進行通訊的多個第一伺服器。
  26. 如請求項25所述之決策方法，還包含：獲得該通訊網路，其中該通訊網路包含該些第一設備、該些第二設備、該些第一閘道器以及該些第一伺服器。
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