(1)

โพรโทคอลคนหาเสนทางบนเครอขายเซนเซอรไรสายท�คานงถงพลงงาน Energy Awareness Routing Protocol in Wireless Sensor Networks

ธนวฒน หอจตรพธพร Thanawat Horjaturapittaporn

วทยานพนธน@เปนสวนหน�งของการศกษาตามหลกสตรปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมคอมพวเตอร

มหาวทยาลยสงขลานครนทร A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Engineering in Computer Engineering Prince of Songkla University

2554 ลขสทธZของมหาวทยาลยสงขลานครนทร

(2)

ช�อวทยานพนธ โพรโทคอลคนหาเสนทางบนเครอขายเซนเซอรไรสายท�คานงถงพลงงาน ผเขยน นายธนวฒน หอจตรพธพร สาขาวชา วศวกรรมคอมพวเตอร บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบน0 เปนสวนหน�งของการศกษา ตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมคอมพวเตอร ……………………………..…….…………. (ศาสตราจารย ดร.อมรรตน พงศดารา) คณบดบณฑตวทยาลย

อาจารยท�ปรกษาวทยานพนธหลก ……………………………........................... (ผชวยศาสตราจารย ดร.วรรณรช สนตอมรทต)

คณะกรรมการสอบ ……………………………….....ประธานกรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.สนทร วทสรพจน) ………………………...........................กรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.ศกด< ชย ทพยจกษรตน) ………………………….........................กรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.วรรณรช สนตอมรทต)

(3)

ช�อวทยานพนธ Energy Awareness Routing Protocol in Wireless Sensor Networks ผเขยน นายธนวฒน หอจตรพธพร สาขาวชา วศวกรรมคอมพวเตอร ปการศกษา 2553

บทคดยอ เครอขายเซนเซอรไรสายในปจจบนไดรบการพฒนาใหมความกาวหนาไปอยาง

รวดเรวและถกนาไปประยกตใชงานจรงกนอยางแพรหลาย ขอจากดของเครอขายเซนเซอรไรสายคอแหลงจายพลงงานของโหนด เครอขายจะตองทางานไดอยางตอเน�องและใหยาวนานมากท�สดแมวาโหนดบางตวอาจจะหมดพลงงานและไมสามารถทางานไดตามปกต และเพ�อใหรองรบการทางานของเครอขายเซนเซอรไรสายท�มโหนดจานวนมาก จงมโพรโทคอลในกลม Hierarchical จานวนมากถกนาเสนอในชวงหลายปท�ผานมา วทยานพนธน0 เปนการพฒนาโพรโทคอลคนหาเสนทางท�คานงถงพลงงาน โดยไดทาการพฒนามาจากพ0นฐานของโพรโทคอล Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) ใหสามารถทางานบนเครอขายท�มขนาดใหญได จากผลการทดลองพบวาโพรโทคอลท�ไดออกแบบข0นใหมมการทางานท�ดกวา LEACH ในขนาดเครอขายท�ใหญข0นได โดยมคา Packet Delivery Ratio (PDR) ท�สงกวา LEACH ถง 50% สาหรบการจาลองเครอขายขนาด 250x250 เมตร มคาพลงงานเฉล�ยท�ใชในเครอขาย 38.14 จล, 39.5 จล และ 40.31 จล บนเครอขายขนาด 100x100, 250x250 และ 400x400 เมตรตามลาดบ และมระยะเวลาการทางานนานถง 832 วนาท กอนท�โหนดตวแรกจะหมดพลงงาน ซ� งมอายการทางานนานกวาโพรโทคอล LEACH 1.42 เทา คาสาคญ: เครอขายเซนเซอรไรสาย, โพรโทคอลคนหาเสนทาง, การใชพลงงานอยางมประสทธภาพ, LEACH

(4)

Thesis Title Energy Awareness Routing Protocol in Wireless Sensor Networks Author Mr.Thanawat Horjaturapittaporn Major Program Computer Engineering Academic year 2010

Abstract Nowadays, the sensor network has been advance developed and widely used.

The outstanding limitation of the sensor network is the limited power source of nodes. These nodes are expected to continually function as long as possible though some nodes may run out of batteries and cannot perform expected functionalities. So there were a number of Hierarchical protocols group presented from many researches during the past years to support the large sensor network which consists of a large number of nodes to function properly. The above information is an inspiration for this research which its purpose is finding the route by consider the power consumption. The implementation is done based on Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) protocol while it is able to function in a large network. The test results indicate the Packet Delivery Ratio (PDR) is 50% higher than LEACH from simulation of the network size 250x250. The average power consumption by the network is 38.14, 39.5 and 40.31 joule on 100x100, 250x250 and 400x400 network size respectively. And the continual function duration is 832 seconds before the first node ran out of battery which is 1.42 times longer than LEACH.

Keywords: wireless sensor network, routing protocol, energy efficiency, LEACH

(5)

กตตกรรมประกาศ

ขอแสดงคาขอบพระคณ ผชวยศาตราจารย ดร.วรรณรช สนตอมรทต อาจารยท�ปรกษางานวจย ท�ไดกรณาใหการสนบสนนและฝกฝนการทาวจย กรณาอทศเวลาในการใหคาปรกษา แนะนาและใหแนวคดในการทาวจย เอกสาร ขอมลตางๆ เปนอยางด รวมท0งการขดเกลากระบวนการคดและใหกาลงใจในการแกไขปญหาท�เก�ยวกบการวจย ตลอดจนตรวจสอบและแกไขวทยานพนธใหดาเนนไปอยางลลวงสมบรณ

ขอขอบพระคณผชวยศาสตราจารย ดร. สนทร วทสรพจน ท�กรณาใหเกยรตเปนประธานกรรมการสอบวทยานพนธ ใหคาแนะนาท�มประโยชนตอการวจยตลอดจนตรวจแกไขวทยานพนธใหดาเนนไปอยางสมบรณ

ขอขอบพระคณผชวยศาสตราจารย ดร. ศกด< ชย ทพยจกษรตนท�กรณาใหเกยรตเปนกรรมการสอบวทยานพนธ ใหค าแนะนาท�มประโยชนตอการวจยตลอดจนตรวจแกไขวทยานพนธใหดาเนนไปอยางสมบรณ ขอขอบพระคณ บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร วทยาเขตหาดใหญ ท�ใหการสนบสนนทนในการทาวจยและใหความชวยเหลอดานการประสานงานตางๆ ขอขอบพระคณ คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร ท�กรณาใหทนสนบสนนการเผยแพรผลงานวจยแกขาพเจา ขอขอบพระคณ คณาจารย บคลากร นกศกษาปรญญาโท และนกศกษาปรญญาเอกภาควชาวศวกรรมคอมพวเตอรทกคนท�ไดชวยเหลอ ใหคาปรกษา และเปนกาลงใจในการทางานเปนอยางดเสมอมา และสดทาย ขาพเจาขอนอมราลกถงพระคณของ บดามารดา และครอบครว ท�สงเสรม สนบสนน ใหคาแนะนา ใหคาปรกษา ใหกาลงใจท�ดเสมอมาแกขาพเจาจนสาเรจการศกษา

ธนวฒน หอจตรพธพร

(6)

สารบญ บทคดยอ ............................................................................................................................................ 3

Abstract ............................................................................................................................................. 4

กตตกรรมประกาศ ............................................................................................................................. 5

สารบญ .............................................................................................................................................. 6

รายการตาราง ..................................................................................................................................... 9

รายการภาพประกอบ ....................................................................................................................... 10

สญลกษณคายอ ............................................................................................................................... 12

บทท� 1 บทนา ................................................................................................................................... 1

1.1 ความสาคญและท�มาของวทยานพนธ .............................................................................. 1

1.2 การตรวจเอกสารท�เก�ยวของ ............................................................................................ 3

1.2.1 รายละเอยดของกลมโพรโทคอล ............................................................................ 4

1.2.1.1 โพรโทคอลท�ยดขอมลเปนศนยกลาง ............................................................ 4

1.2.1.2 โพรโทคอลแบบลาดบช0น ............................................................................. 5

1.2.1.3 โพรโทคอลแบบยดตาแหนงท�ต0ง .................................................................. 5

1.2.2 โพรโทคอลในกลมแบบลาดบช0น .......................................................................... 6

1.3 วตถประสงคของวทยานพนธ ......................................................................................... 8

1.4 ขอบเขตการทาวทยานพนธ ............................................................................................. 8

1.5 ข0นตอนและระยะเวลาในการทาวทยานพนธ .................................................................. 8

บทท� 2 ทฤษฎและหลกการ .............................................................................................................. 9

2.1 เครอขายเซนเซอรไรสาย ................................................................................................. 9

2.2 มาตรฐาน IEEE 802.15.4 .............................................................................................. 12

2.2.1 ช0นกายภาพ (Physical Layer) ............................................................................... 13

2.2.2 ช0นควบคมการเขาถงส�อกลาง(Medium Access Control Layer) ........................... 13

2.2.3 ระดบช0นบน (Upper Layer) ................................................................................. 13

(7)

2.3 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) ............................................... 14

2.3.1 กระบวนการทางานของ LEACH ......................................................................... 16

2.3.2 ปญหาของโพรโทคอล LEACH ........................................................................... 18

2.3.2.1 กระบวนการเลอกโหนดหวหนา ................................................................. 18

2.3.2.2 ชวงเวลาการสบเปล�ยนโหนดหวหนา .......................................................... 19

2.4 แนวความคดของโพรโทคอลท�ออกแบบ ...................................................................... 19

2.4.1 การเลอกโหนดหวหนา ......................................................................................... 19

2.4.2 ชวงเวลาในการปรบเปล�ยนโหนดหวหนา ............................................................ 19

บทท� 3 การออกแบบโพรโทคอล ................................................................................................... 21

3.1 แพกเกตควบคมท�ออกแบบ ........................................................................................... 21

3.1.1 ขอความประกาศ(Advertise message หรอ ADV) ................................................ 21

3.1.2 ขอความรองขอเขารวม(Join message หรอ JOIN) ............................................... 22

3.1.3 ขอความกาหนดโหนดหวหนา(Select message หรอ SCT) .................................. 23

3.1.4 ขอความเสรจส0นการจดการเครอขาย(Finale message หรอ FIN) ........................ 23

3.1.5 ขอความกาหนดตารางคา TDMA (Time Division Multiple Access) หรอ SCH ...................................................................................................................... 24

3.1.6 ขอความรองขอเปล�ยนโหนดหวหนา(Change message หรอ CHG) .................... 25

3.1.7 ขอความหยด(Stop message หรอ STP) ................................................................ 26

3.2 การทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบ .......................................................................... 26

3.2.1 สวนเร�มตนจดการเครอขาย (Setup phase) ........................................................... 27

3.2.1.1 การทางานในสวนของสถานฐาน ................................................................ 28

3.2.1.2 การทางานในสวนของตวโหนด .................................................................. 30

3.2.2 สวนดาเนนการรบสงขอมล (Steady state phase) ................................................. 32

3.2.3 สวนการปรบปรงเครอขาย (Improved cluster head phase) .................................. 32

3.3 สรปเปรยบเทยบการทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH .......................... 33

(8)

บทท� 4 ผลการทดลองและวเคราะหผล ........................................................................................... 35

4.1 จาลองการทางาน LEACH ............................................................................................ 35

4.2 ทดลองหาชวงคาหนวงเวลาท�เหมาะสม ........................................................................ 37

4.3 จาลองการทางานรวมท0งระบบของโพรโทคอล ............................................................ 39

บทท� 5 สรปผลการทดลองและขอเสนอแนะ ................................................................................. 48

5.1 สรปผลการวจย .............................................................................................................. 48

5.2 ปญหาท�พบ .................................................................................................................... 49

5.3 ขอเสนอแนะ .................................................................................................................. 51

บรรณานกรม ................................................................................................................................... 52

ภาคผนวก ........................................................................................................................................ 54

ผลงานตพมพเผยแพรจากวทยานพนธ............................................................................................. 55

ประวตผเขยน .................................................................................................................................. 62

(9)

รายการตาราง ตารางท� 3-1 สวนของฟลดในแพกเกต ADV ................................................................................... 22

ตารางท� 3-2 สวนของฟลดในแพกเกต JOIN ................................................................................... 22

ตารางท� 3-3 สวนของฟลดในแพกเกต SCT .................................................................................... 23

ตารางท� 3-4 สวนของฟลดในแพกเกต FIN ..................................................................................... 24

ตารางท� 3-5 สวนของฟลดในแพกเกต SCH .................................................................................... 24

ตารางท� 3-6 สวนของฟลดในแพกเกต CHG ................................................................................... 25

ตารางท� 3-7 สวนของฟลดในแพกเกต STP ..................................................................................... 26

ตารางท� 4-1 คาตวแปรพ0นฐานในการจาลองการทางาน LEACH .................................................... 35

ตารางท� 4-2 คาตวแปรพ0นฐานในการจาลองการสงแพกเกตควบคมการ รองขอเขารวมกลมของโหนดในเครอขาย ....................................................................................... 38

ตารางท� 4-3 แสดงคาตวแปรในการจาลองการทางานบน NS-2 ...................................................... 39

(10)

รายการภาพประกอบ รปท� 2-1เครอขายเซนเซอรไรสาย ..................................................................................................... 9

รปท� 2-2 สถาปตยกรรมเครอขายเซนเซอรไรสาย ........................................................................... 10

รปท� 2-3 คาพลงงานท�ใชในการทางานของตวโหนดแตละสวน ..................................................... 11

รปท� 2-4แผนภาพโครงสราง IEEE 802.15.4 ................................................................................... 12

รปท� 2-5 ชวงการทางานในแตละรอบของ LEACH ........................................................................ 15

รปท� 2-6 แผนภาพการทางานของ LEACH ..................................................................................... 16

รปท� 2-7 ลกษณะเครอขายของโพรโทคอล LEACH ....................................................................... 17

รปท� 2-8 การพลาดการเช�อมตอระหวางโหนดหวหนากบสถานฐาน .............................................. 18

รปท� 3-1 รปแบบแพกเกต ADV ...................................................................................................... 21

รปท� 3-2 รปแบบแพกเกต JOIN ...................................................................................................... 22

รปท� 3-3 รปแบบแพกเกต SCT ........................................................................................................ 23

รปท� 3-4 รปแบบแพกเกต FIN ........................................................................................................ 23

รปท� 3-5 รปแบบแพกเกต SCH ....................................................................................................... 24

รปท� 3-6 รปแบบแพกเกต CHG ...................................................................................................... 25

รปท� 3-7 รปแบบแพกเกต STP ........................................................................................................ 26

รปท� 3-8 ผงงานลาดบการทางานของระบบ .................................................................................... 27

รปท� 3-9 ผงงานการทางานในสวนของสถานฐาน ........................................................................... 28

รปท� 3-10 แผนภาพการประกาศของสถานฐานและตอบกลบของโหนด ........................................ 28

รปท� 3-11 ระยะรศมในการรบสงขอมลของแตละระดบช0น ............................................................ 29

รปท� 3-12 ผงงานการทางานในสวนของตวโหนด .......................................................................... 30

รปท� 3-13 แผนภาพการเปล�ยนโหนดหวหนา .................................................................................. 33

รปท� 4-1 คา PDR ของโพรโทคอล LEACH ในเครอขายจาลอง...................................................... 36

รปท� 4-2 ผลการจาลองการตอบกลบของตวโหนดขางเคยง ............................................................ 38

รปท� 4-3 คา PDR ของโพรโทคอลท�ออกแบบ................................................................................. 40

รปท� 4-4 คาพลงงานเฉล�ยท�ใชบนเครอขายขนาด 100x100 เมตร .................................................... 41

รปท� 4-5 คาพลงงานเฉล�ยท�ใชบนเครอขายขนาด 250x250 เมตร .................................................... 42

รปท� 4-6 เปรยบเทยบเวลาท�โหนดตวแรกหมดพลงงาน ของโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH ในเครอขายขนาด 100x100 เมตร ................................... 43

(11)

รปท� 4-7 เปรยบเทยบเวลาท�โหนดตวแรกหมดพลงงาน ของโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH ในเครอขายขนาด 250x250 เมตร ................................... 44

รปท� 4-8 เปรยบเทยบคา PDR ท�ไดจากโพรโทคอลท�ออกแบบ และ LEACH บนเครอขายขนาด 100x100 เมตร ............................................................................. 45

รปท� 4-9 เปรยบเทยบคา PDR ของโพรโทคอลท�ออกแบบ และ LEACH บนเครอขายขนาด 250x250 เมตร ............................................................................. 46

รปท� 4-10 เปรยบเทยบคา PDR ของของโพรโทคอลท�ออกแบบ และ LEACH บนเครอขาย 400x400 เมตร ....................................................................................... 47

รปท� 5-1 ผลการจาลองการสรางแครอขายของจานวนโหนด 100 ตว ............................................. 50

รปท� 5-2 เปรยบเทยบการใชพลงงานระหวางโพรโทคอลท�ออกแบบ และโพรโทคอล LEACH ................................................................................................................ 51

(12)

สญลกษณคายอ APTEEN Adaptive Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network BS Base Station CH Cluster Head CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CCA Clear Chanel Assessment ED Energy Detection ENAT Estimated Node Active Time GBR Gradient Based Routing GAF Geographic Adaptive Fidelity GEAR Geographical and Energy Aware Routing IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network LQI Link Quality Indicator LLC Logical Link Control MN Member Node MAC Medium Access Control PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information System PHY Physical Layer PDR Packet Delivery Ratio SPIN Sensor Protocol for Information Negotiation SSCS Service Specific Convergence Sublayer SAP Service Access Point TEEN Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network TDMA Timer Division Multiple Access WSN Wireless Sensor Network WPAN Wireless Personal Area Network

1

บทท� 1 บทนา

1.1 ความสาคญและท�มาของวทยานพนธ เทคโนโลยเครอขายเซนเซอรไรสายในปจจบนไดรบการพฒนาใหมความกาวหนา

ไปอยางรวดเรวและถกนาไปประยกตใชงานจรงกนอยางแพรหลาย โดยการทางานจะอาศยเครอขายไรสายท�ประกอบไปดวยอปกรณสมองกลฝงตวขนาดเลกท�เรยกวาโหนดเปนจานวนมาก โหนดทาหนาท�รบและประมวลผลขอมลจากเซนเซอร รวมถงตดตอส�อสารระหวางโหนดดวยกนโดยผานทางสญญาณคล�นวทย สงผานขอมลระหวางกน ทาใหการเกบขอมล การเฝาระวง หรอควบคมสภาพแวดลอมทางกายภาพน0นๆเปนไปอยางท�วถง แมจะอยในท�หางไกลจากเครอขายส�อสารอ�นๆ

ขอจากดของเครอขายเซนเซอรไรสายท�ตองคานงถงในการใชงานคอ ขอจากดดานพลงงาน ความสามารถในการประมวลผล และทรพยากรของตวโหนด เชน หนวยความจา หรอทรพยากรดานการส�อสารเปนตน

• พลงงาน : ดวยขนาดของโหนดท�มขนาดเลกลงในปจจบน ทาใหแหลงจายพลงงานมขนาดเลกลงไปดวย เครอขายเซนเซอรไรสายจะใชพลงงานสวนใหญไปกบสวนภาครบ-สงขอมล เพราะฉะน0นการจะรกษาระดบพลงงานของตวโหนดจะตองคานงถงปจจยดงกลาวเปนลาดบแรก

• การคานวณ : เน�องดวยขอจากดของประสทธภาพ ของหนวยประมวลผลในโหนด ทาใหการคานวณหรอการใชเทคนคท�ซบซอนมากมความไมเหมาะสม

• การส�อสาร : แบนดวดทของเครอขายไรสายท�ใชเช�อมตอส�อสารกนระหวางตวโหนดน0น สามารถรบ-สงขอมลไดท�ความเรวในหนวยกโลบตตอวนาท(kbps)

ในอนาคตเทคโนโลยเครอขายเซนเซอรไรสายมความตองการใหสามารถเขาถงขอมลไดงายและการไดรบขอมลตองมคณภาพเน�องจากการทางานรวมกนของตวโหนดจานวนมาก ทาใหไดซ� งขอมลของสภาพแวดลอมทางกายภาพท�สนใจ ตวโหนดจะทางานโดยอตโนมตโดยไมตองมศนยกลางในการควบคมดแลเครอขาย และส� งท�นาสนใจอกประการหน� งของเครอขายเซนเซอรไรสายน0นคอ ตวโหนดสามารถทางานโดยตวมนเองไดสามารถทาการซอมแซมเครอขายไดดวยตวเอง ซ� งทาใหการทางานของเครอขายมประสทธภาพ

2

เครอขายเซนเซอรไรสายทางานโดยใชวธการกระจายการประมวลผลของขอมลจานวนมากออกไปยงโหนดตางๆภายในเครอขาย การกระจายการประมวลผมกระทาโดยแบงโหนดในเครอขายออกเปนกลมๆ และรวมแตละกลมโหนดเขาเปนเครอขายไรสาย โหนดแตละกลมจะทาการเกบขอมล ควบคม ดแลสภาพแวดลอมโดยรอบพ0นท�ของกลมน0นๆ ทาใหการควบคมสามารถเจาะจงหรอมงเนนไปยงเหตการณ ณ กลมหรอจดท�สนใจได ขอสาคญของเครอขายเซนเซอรไรสายจะตองยงคงทางานไดแมวาโหนดบางตวจะไมสามารถทางานไดกตาม ดงน0นเครอขายเซนเซอรไรสายจาเปนตองมการแกไขปญหา เพ�อใหเครอขายเซนเซอรไรสายยงคงทางานตอไปไดแมมโหนดท�ทางานผดพลาดกตามอยางเชน การมเสนทางสารองในการเช�อมตอเครอขาย หรอการเปล�ยนเสนทางรบสงขอมล จงไดนาไปสการคดคนโพรโทคอลข0นเปนจานวนมาก เพ�อใหการตดตอส�อสาร ควบคม และรบสงขอมลใหมประสทธภาพมากข0น เครอขายเซนเซอรไรสายท�ประกอบดวยโหนดจานวนมากโดยแตละโหนดจะทาการตรวจวดขอมลทางกายภาพ โหนดภายในเครอขายจะถกรวมกนเปนกลมยอยท�เรยกวา cluster จานวนสมาชกในแตละ cluster อาจจะแตกตางกนได ท0งน0 เพ�อลดภาระงานของโหนดท�อยในบรเวณใกลเคยงเคร�องแมขายและลดจานวนแพกเกตท�จะกระจายอยในเครอขาย เน�องจากจะมเพยงโหนดหวหนาของแตละ cluster หรอเรยกวา Cluster Head (CH) เปนตวแทนในการสงขอมลกลบไปเกบยงฐานขอมล ดงน0นประเดนท�นาสนใจของเครอขายเซนเซอรไรสายคอการจดเครอขายใหทางานไดอยางมประสทธภาพ ส�งสาคญส�งหน�งในการจดการเครอขายคอตวกลางท�เรยกวาโพรโทคอล โพโทคอลเปนตวกลางท�โหนดใชรองขอส�งการ หรอแลกเปล�ยนขอมลกนระหวางโหนด

โพรโทคอลคนหาเสนทางทาหนาท�คนหาและกาหนดเสนทางการเดนทางของขอมลภายในเครอขาย ทาการรวบรวมขอมลเพ�อหาเสนทางท�ประหยดพลงงาน หรอเสนทางท�ส0 นท�สด ความซบซอนของการคนหาเสนทางจะข0นกบขนาดของเครอขาย เครอขายท�มขนาดใหญหมายถง เครอขายท�มพ0นท�กวาง (large area) หรอมความหนาแนนของตวโหนด (node density) จากขอจากดของเครอขายเซนเซอรไรสายในเร�องพลงงาน ทาใหการการออกแบบโพรโทคอลสาหรบเครอขายขนาดใหญจะตองคานงถงการใชพลงงาน การคนหาเสนทางในเครอขายเซนเซอรไรสายแตกตางจากเครอขายในปจจบนคอ การจดจาหรอระบตาแหนงของโหนดจานวนมากดวยเทคนค IP-base protocols ไมสามารถนามาประยกตใชไดกบเครอขายเซนเซอรไรสาย เพราะมความซบซอนและจะตองใชหนวยความจาสง นอกจากน0การรบสงขอมลภายในเครอขายเซนเซอรไรสายขนาดใหญอาจจะทาใหเกดการชนกนของขอมลไดสง เพราะฉะน0นเครอขายเซนเซอรไรสายจงตองการโพรโทคอลหรอเทคนคท�จะทาการหาเสนทางเพ�อเพ�มประสทธภาพในการใชพลงงาน แบนดวดท และทรพยากรตางๆท�มอยอยางจากด

3

ในการแกปญหาของเครอขายเซนเซอรไรสายท�มขนาดใหญคอ แนวคดของ โพรโทคอลคนหาเสนทางแบบลาดบช0น (Hierarchical routing protocols) ท�แบงโหนดในเครอขายออกเปนกลมยอยในลกษณะเปนลาดบช0น โหนดในลาดบช0นท�อยบนหรอใกลกบสถานฐานมากท�สดจะมหนาท�รบผดชอบในการรวบรวมและจดการขอมลของโหนดในลาดบช0นลาง โหนดในลาดบช0นลางจะมหนาท�รบผดชอบในสวนของการเกบหรอตรวจจบขอมลท�ตองการรอบๆตวมน โพรโทคอลคนหาเสนทางในกลมน0 สามารถจดการสวนของพลงงานไดอยางมประสทธภาพมากกวาโพรโทคอลในรปแบบอ�นๆ

วทยานพนธน0 จงเสนอโพรโทคอลคนหาเสนทางแบบลาดบช0น โพรโทคอลภายในกลมน0 ตวท�รจกกนมากคอ Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchical (LEACH) เน�องจาก LEACH เปนโพรโทคอลท�มการทางานในรปแบบกลมท�เกดข0นเปนลาดบตนๆ การทางานของโพรโทคอลน0 ถกออกแบบใหทางานไดเฉพาะเครอขายท�มขนาดเลก โหนดท0งหมดภายในเครอขายสามารถส�อสารโดยตรงกบสถานฐาน (BS) และตวโหนดทกตวดงน0นวทยานพนธน0 จะทาการนาเสนอโพรโทคอลท�สามารถทางานพ0นฐานไดเหมอน LEACH แตมความยดหยนกวาสามารถทางานบนเครอขายท�มขนาดหลากหลายไดอยางมประสทธภาพอกดวย

1.2 การตรวจเอกสารท�เก�ยวของ ในการสรางการเช�อมตอหรอรบสงขอมลสาหรบเครอขายเซนเซอรไรสาย เปนไป

ไมไดท�จะระบหรอกาหนดส�งท�ใชระบตาแหนงท�อยใหตวโหนดแตละตว โดยเฉพาะในกรณท�มโหนดจานวนมาก ดงน0นการเช�อมตอตวโหนดจงมความซบซอนสงทาใหไมเกดประสทธภาพในสวนของการใชพลงงาน จงมการพฒนาโพรโทคอลคนหาเสนทางท�สามารถเลอกตวโหนด ใชการรวมขอมลและบบอดขอมลในระหวางการสงตอขอมลไปยงสถานฐาน เพ�อลดจานวนขอมลท�ทาการสง ตลอดจนนาไปสการคนหาเสนทางโดยยดขอมลเปนศนยกลาง กลาวคอเนนการสงเม�อตองการขอมลเทาน0น ซ� งจะแตกตางไปจากการคนหาเสนทางโดยยดตาแหนงท�อยของตวโหนดเปนหลก โดยจะยดการหาเสนทางเช�อมตอกนระหวางตวโหนดเทาน0นไมใชเปนการหาเสนทางท�จะไปใหถงขอมลท�ตองการ ทาใหการนาเทคนคอ�นๆท�นอกจากการคนหาเสนทางเขามาชวยเสรมเพ�อเพ�มประสทธภาพในการคนหาเสนทางภายในเครอขายและเกดการเสนอขบวนการตางๆเพ�อแกไขปญหาของการคนหาเสนทางในเครอขายเซนเซอรไรสาย ขบวนการในการคนหาเสนทางจะตองพจารณาถงลกษณะของตวโหนดในเครอขาย และโครงสรางท�จาเปน โพรโทคอลท�ใชในการคนหาเสนทางท0 งหมดสามารถแบงแยกออกเปนกลมๆ[1]ไดคอ แบบยดขอมล เปนศนยกลาง (Data-centric), แบบลาดบช0น (Hierarchical) และ แบบยดตามตาแหนงท�ต0ง (Location-based) โดย

4

กลมเหลาน0 เหมอนกนตรงท�มการทางานอยบนพ0นฐานของ Network flow และตระหนกถง Quality of Service (QoS)

โพรโทคอลแบบยดขอมลเปนศนยกลาง[1][2] เปนโพรโทคอลท�ท างานบนพ0นฐานของการรองขอขอมล และข0นกบช�อของขอมลท�ตองการโดยจะชวยลดปญหาในเร�องการสงขอมลซ0 าซอนได สวนโพรโทคอลในแบบลาดบช0น จะมเปาหมายท�จะเนนไปยงกลมของตวโหนดท�ตองการ ทาใหสามารถทาการรวบรวมและลดขอมลเพ�อประหยดพลงงานในการสงได โพรโทคอลในกลมสดทายคอ แบบยดตามตาแหนงท�ต0ง ใชประโยชนจากตาแหนงของตวโหนดเพ�อสงตอขอมลไปยงพ0นท�ท�ตองการแทนท�จะสงขอมลออกไปยงตวโหนดท0งหมดในเครอขาย

1.2.1 รายละเอยดของกลมโพรโทคอล ในสวนน0จะกลาวถงรายละเอยดของกลมโพรโทคอลหลกท0ง 3 กลม ลกษณะการ

ทางานของโพรโทคอลในแตละกลมมดงน0

1.2.1.1 โพรโทคอลท�ยดขอมลเปนศนยกลาง

โพรโทคอลในกลมน0 เม�อตวโหนดตองการขอมลจะทาการสงขอความไปถามยงโหนดท�อยในบรเวณท�สนใจ และรอขอมลจากตวโหนดท�อยในพ0นท�ดงกลาว โดยขอมลจะไดจากการรองขอผานการไตถาม attribute-based naming ท�เปนคณสมบตท�เฉพาะของขอมล ซ� งมการตดตอแลกเปล�ยนขอมลระหวางโหนดเพ�อกาจดขอมลท�มากเกนไปและเพ�อใหประหยดพลงงานในการรบสงขอมล และอกหลายๆโพรโทคอลในกลมน0 น0นเนนในเร�องของขอมลท�ตองการภายในเครอขาย โดยตวโหนดทกตวจะมอานาจหนาท�เทาเทยมกนทกตว และการเช�อมการตอระหวางตวโหนดแตละตวจะมระยะทางท�ส0นเพ�อท�จะสรางการส�อสารระหวางตวโหนดผานทางคล�นวทย การคนหาเสนทางของขอมลภายในเครอขายน0นจะสามารถทาไดโดยวธการกระจายขอความแบบ flooding หรอ broadcasting โดยจะมงเนนหาเสนทางซ� งใหไดขอมลท�ตองการมากกวาการเช�อมตอกนระหวางโหนด โพรโทคอลแบบยดขอมลเปนศนยกลางจะทาการกระจายขอมลออกไปยงตวโหนดทกตวท�สามารถสงถงกนไดภายในเครอขายโดยไมมการจดการใดๆจดประสงคเพยงเพ�อหาเสนทางท�ดท�สดแบบโหนดตอโหนดจนไปถงปลายทาง โพรโทคอลในกลมน0 มเปนจานวนมากยกตวอยางเชน Flooding[1][2], Gossiping, SPIN[2][3][6], Direct Diffusion[3][4][5], Rumor Routing[2][3][7], Gradient-Based Routing[2][3][6][7], Constrained anisotropic diffusion routing[3] และ COUGAR[2] เปนตน

5

1.2.1.2 โพรโทคอลแบบลาดบช@น

สถาปตยกรรมท�มเสนทางการสงขอมลทางเดยวน0นไมสามารถขยายขนาดสาหรบตวโหนดท�มจานวนมากเพ�อครอบคลมพ0นท�ท�มขนาดกวางได จดมงหมายหลกของการคนหาเสนทางแบบลาดบช0นคอประสทธภาพในการการใชพลงงานของตวโหนดโดยในการตดตอส�อสารจะกระทาแบบเปนชวงๆซ� งจะทาเปนกลมและการรวบรวมขอมลและรวมคาส�ง ทาใหสามารถลดจานวนการสงขอความออกไปยงเสนทางไดเน�องจากตวโหนดจานวนมากภายในเครอขายจะถกจดวางแบบสม การคนหาเสนทางแบบลาดบช0นจะทาการแบงกลมตวโหนดแยกออกเปนกลมๆ และรวมกลมตวโหนดแตละกลมเขาเปนเครอขายโดยแบงเปนลาดบช0น โดยตวโหนดแตละตวจะทาหนาท�แตกตางกนออกไปภายในเครอขาย ตวโหนดท�มพลงงานเหลอมากจะสามารถทาการคานวณและสงขอมลไดด สวนตวโหนดท�มพลงงานเหลอต�าจะถกใหทาหนาท�ตรวจจบเหตการณในพ0นท�น0นๆ วธการหาเสนทางแบบลาดบช0นน0 ใชหลกการดงกลาวทาการตดสนใจในการกาหนดหนาท�ใหกบตวโหนดแตละตวในกลมภายในเครอขายโดยหนาท�ของตวโหนดแตละตวจะสอดคลองไปกบระดบพลงงานท�เหลอของตวโหนด รปแบบของกลมตวโหนดภายในเครอขายเซนเซอรไรสายจะตองมการกาหนดตวโหนดท�จะทาหนาท�เปนหวหนาของแตละกลม โดยวธการน0 จะทาใหระยะเวลาทางานของเครอขาย ประสทธภาพในดานพลงงาน ความยดหยนของเครอขายดข0 น ตวอยางโพรโทคอลในกลมน0 คอ LEACH[1][2][3][6], PEGASIS[9], Hierarchical-PEGASIS, TEEN[1][3]และ APTEEN[8]

1.2.1.3 โพรโทคอลแบบยดตาแหนงท�ต@ง

โพรโทคอลคนหาเสนทางในแบบยดตาแหลงท�ต0งจะใชตาแหนงทางกายภาพของตวโหนดภายในเครอขายเพ�อทาการหาเสนทาง หากตาแหนงของตวโหนดภายในเครอขายมการเปล�ยนแปลง การเช�อมตอระหวางโหนดท�มการเปล�ยนแปลงจะตองมการหาเสนทางใหมเพ�อสรางการเช�อมตอใหกบโหนดท�มการเปล�ยนแปลงตาแหนงน0นๆ เครอขายเซนเซอรไรสายไมมรปแบบการระบตาแหนงท�อยเหมอนการใช IP-address ทาใหการหาเสนทางแบบยดตาแหนงท�ต0งจะใชการระบตาแหนงทางกายภาพของมนแทนเชน ระยะทางระหวางตวโหนดท�อยใกลเคยงโดยรอบสามารถท�จะคานวณหาไดจากความเขมของสญญาณท�เขามายงตวโหนด สวนตาแหนงของตวโหนดโดยรอบจะรไดโดยการแลกเปล�ยนขอมลกนระหวางโหนด หากทราบถงตาแหนงของตวโหนดพ0นท�ท�ตองการตรวจจบขอมลหรอหตการณ การรองขอขอมลสามารถระบการกระจายไปยงพ0นท�ท�ตองการไดซ� งจะเปนการลดจานวนขอมลท�กระจายไปสวนอ�นๆท�ไมเก�ยวของในเครอขายไดอยางไรกตามมโพรโทคอลหลายตวในกลมน0 ท�ไมเหมาะกบเครอขายเซนเซอรไรสายเน�องจากไมม

6

ขอมลพลงงานคงเหลอของแตละโหนด ตวอยางโพรโทคอลในกลมน0 คอ MECN[1][3], SMECN[10], GAF[10][11] และ GEAR[3][10]

ความสามารถในการขยายขนาดของเครอขายเซนเซอรไรสายเปนส�งสาคญของการนาไปประยกตใชงานจรง เครอขายขนาดใหญท�มโหนดจานวนมากเพ�อใหครอบคลมพ0นท�ของการใชงานไดกวางมากข0น ทาใหประสทธภาพของการสงขอมลลดต�าลง ตวอยางเชน การมโหนดจานวนมากสงผลใหขอมลท�กระจายอยในเครอขายกมากข0น มโอกาสเกดการชนกนของขอมลไดมากข0น ทาใหขอมลท�สามารถรบสงไดสาเรจมจานวนลดนอยลง นอกจากน0 ยงสงผลตออายการใชงานของเครอขายเชน โหนดท�อยใกลสถานฐานจะตองทาหนาท�สงผานขอมลจากโหนดอ�นเปนจานวนมาก จงทาใหพลงงานของโหนดท�อยใกลสถานฐานหมดกอนโหนดอ�น การเช�อมตอโหนดรอบนอกจงไมสามารถเขาถงสถานฐานได เม�อพจารณาลกษณะการทางานของโพรโทรคอลท0งสามกลมแลว โพรโทคอลในกลมของ Hierarchical จะมความเหมาะสมสาหรบเครอขายขนาดใหญมากท�สด ดวยลกษณะการทางานแบบเปนลาดบช0นจะสามารถลดจานวนขอมล ควบคมเซนเซอรโหนด และใชพลงงานอยางมประสทธภาพได วทยานพนธฉบบบน0 จงใหความสนใจกบโพรโทคอลใน กลม Hierarchical เปนสาคญ

1.2.2 โพรโทคอลในกลมแบบลาดบช@น โพรโทคอลท�รจกกนมากในกลมแบบลาดบช0นตวหน�งคอ Low-Energy Adaptive

Clustering Hierarchy (LEACH) ซ� งถกนาเสนอใน[13] LEACH เปนโพรโทคอลท�ไดรบความสนใจมากสาหรบเครอขายเซนเซอรไรสาย แนวความคดหลกของ LEACH คอการแบงตวโหนดออกเปนกลมๆ และใหโหนดหวหนาเปนทางเช�อมสงขอมลไปยงสถานฐาน ดวยวธการน0 จะสามารถประหยดพลงงานจากการสงขอมลได เพราะจะมเพยงแคโหนดหวหนาเทาน0นท�ทาการสงขอมลไปยงสถานฐาน โดยผคดคนโพรโทคอล LEACH ไดนาเสนอไววาจานวนโหนดหวหนาท�เหมาะสมจะมประมาณ 5% ของตวโหนดท0งหมดในเครอขาย

V-LEACH เปนโพรโทคอลท�พฒนามาจาก LEACH ถกนาเสนอใน[14] แนวความคดหลกของ V-LEACH คอมตวโหนดหวหนาสารอง (Vice-CH) เปนตวคอยข0นทาหนาท�แทนโหนดหวหนา ในกรณท�โหนดหวหนาหมดพลงงานไป หากวาโหนดหวหนาหมดพลงงานจนกระท�งไมสามารถทางานตอไดกลมโหนดน0นจะหมดประโยชนลงทนท เน�องจาก โหนดหวหนาเปนตวคอยรบขอมลจากเซนเซอรโหนดภายในกลม และทาการสงตอไปยงสถานฐาน หากโหนดหวหนาใชพลงงานจนหมด ขอมลจากกลมโหนดจะไมสามารถสงถงสถานฐานไดอกเลย ดงน0น V-LEACH จงไดมการกาหนดตวโหนดหวหนาสารองไวทาหนาท�โหนดหวหนาแทนในกรณท�

7

โหนดหวหนาพลงงานหมด ทาใหขอมลยงคงสามารถสงถงสถานฐานได และไมตองทาการคดเลอกโหนดหวหนาใหมอกดวย ทาใหอายการใชงานของเครอขายยาวนานข0น

โพรโทคอล Energy-LEACH (E-LEACH) ถกนาเสนอข0นใน[15] เปนโพรโทคอลท�ปรบปรง LEACH ในเร�องของการคดเลอกโหนดหวหนา โดยแนวความคดหลกคอ ใชคาพลงงานท� เหลอของโหนดเขามารวมเปนตวตดสนใจวาโหนดตวใดจะข0 นทาหนาท�โหนดหวหนา โพรโทคอล E-LEACH จะทางานพ0นฐานเหมอนกบ LEACH ท0งหมดคอ แบงการทางานออกเปนรอบๆ ในรอบแรกความนาจะเปนในการเปนโหนดหวหนาของโหนดท0งหมดจะเทากนหมด ในรอบถดจากน0นคาความนาจะเปนจะตางกนออกไปตามคาพลงงานท�เหลออยของแตละโหนด โหนดท�มคาพลงงานเหลอมากจะมคาความนาจะเปนสงกวาตวโหนดท�มคาพลงงานเหลอนอยกวา

ในสวนของ V-LEACH และ E-LEACH จะเปนการพฒนาจาก LEACH ในสวนท�เก�ยวกบโหนดหวหนาท0 งส0น ดานนงไดมการนาเสนอโพรโทคอลท�พฒนาจาก LEACH แตปรบเปล�ยนในดานการจดรปแบบเครอขายคอ Two Levels-LEACH (TL-LEACH)[16] ใน LEACH โหนดหวหนาจะเปนตวคอยเกบรวบรวมขอมลจากเซนเซอรโหนดภายในกลม และสงตอไปยงสถานฐานโดยตรง โหนดหวหนาบางตวอาจอยไกลจากสถานฐาน ดงน0นโหนดหวหนาจะใชพลงงานสงในการสงขอมลยงสถานฐาน ทาใหพลงงานของโหนดหวหนาจะหมดเรวกวาโหนดอ�นๆภายในกลม TL-LEACH ถกนาเสนอในแนวคดท�วาแทนท�โหนดหวหนาจะสงขอมลโดยตรงไปยงสถานฐาน ในโพรโทคอล TL-LEACH โหนดหวหนาจะใชโหนดหวหนาตวอ�นๆท�อยระหวางตวมนกบสถานฐานเปนตวสงขอมลตอไปยงสถานฐานแทน

ภายหลงไดมการนาเสนอโพรโทคอลท�พฒนาตอจาก TL-LEACH โดยถกนาเสนอในช�อวา M-LEACH[16] โดยการทางานพ0นฐานจะเหมอน LEACH เชนเดยวกนกบ TL-LEACH ยกเวนการสงขอมลไปยงสถานฐานของโหนดหวหนาซ� งใชการสงแบบ multi-hop ระหวางกลมโหนดหวหนาแทน

จากเอกสารท0งหมดท�ไดกลาวมาจะเหนวา LEACH ไดรบความสนใจอยางย�งยวดในโพรโทคอลรปแบบ Hierarchical โดยไดมการพฒนาข0นในหลายๆดานแตจะเหนวาโพรโทคอล LEACH ยงมหลายๆดานท�ทางานไดไมดพอดงเชน การทางานของโพรโทคอล LEACH ยงจากดอยบนเครอขายท�มขนาดไมใหญมาก หรอแมกระท�งการคดเลอกโหนดหวหนากยงทาไดไมเกดประสทธภาพเทาท�ควร ดงน0นวทยานพนธน0 จะมงไปยงการพฒนาโพรโทคอล LEACH ใหมประสทธภาพบนเครอขายท�มขนาดใหญมากย�งข0น โดยรายละเอยดการทางานของ LEACH จะกลาวในบทท� 2 ตอไป

8

1.3 วตถประสงคของวทยานพนธ เพ�อเสนอแนวทางการออกแบบโพรโทคอลคนหาเสนทางสาหรบเครอขาย

เซนเซอรไรสายแบบลาดบช0นมลกษณะการทางานในรปแบบกลม (Cluster-based) ท�สามารถทางานพ0นฐานไดเหมอนโพรโทคอลLEACH แตมความยดหยนกวาโดยสามารถทางานไดท0งในเครอขายท�มขนาดเลกและขนาดใหญได

1.4 ขอบเขตการทาวทยานพนธ 1.4.1 ศกษาและออกแบบโพรโทคอลคนหาเสนทางสาหรบเครอขายเซนเซอรไร

สายท�มลกษณะการทางานแบบกลม 1.4.2 ทดสอบและจาลองผลการทางานของโพรโทคอลบนเครอขายเซนเซอรไร

สายจาลองในขนาดตางๆและวเคราะหผล

1.5 ข@นตอนและระยะเวลาในการทาวทยานพนธ ข0นท� 1 ศกษาคนควาขอมลและแนวทางข0นตอนการทาวทยานพนธ ข0นท� 2 ศกษาคนควาขอมลเอกสารท�เก�ยวของกบโพรโทคอลคนหาเสนทางในเครอขายแบบตางๆ เพ�อนามาประยกตใชสาหรบโพรโทคอลท�ออกแบบ ข0นท� 3 ศกษาคนควาขอมลเก�ยวกบโปรแกรมท�จะใชในการทดสอบจาลองการทางานของโพรโทคอล ข0นท� 4 ศกษาและทาการทดสอบการทางานของโพรโทคอลคนหาเสนทางท�คดเลอก และวเคราะหผลท�ได ข0นท� 5 ทาการออกแบบโพรโทคอลคนหาเสนทางสาหรบเครอขายเซนเซอรไรสายโดยประยกตจากโพรโทคอลท�ทดสอบ ข0นท� 6 วเคราะหผลการทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบ ปรบปรงการทางานใหดข0น และทาการจาลองการทางานอกคร0 งเพ�อทดสอบผล ข0นท� 7 สรปผลและจดทารายงานผลการทาวทยานพนธฉบบสมบรณ

9

บทท� 2 ทฤษฎและหลกการ

ในบทน0 จะเปนการกลาวถงทฤษฎและหลกการพ0นฐานท�เก�ยวของกบการทาวทยานพนธ โดยจะเปนการกลาวถงรายละเอยดของสวนประกอบตางๆของเครอขายเซนเซอรไรสาย รวมไปถงการทางานของโพรโทคอล LEACH ซ� งเปนโพรโทคอลตนแบบในการทาวทยานพนธ

2.1 เครอขายเซนเซอรไรสาย เครอขายเซนเซอรไรสายเปนเทคโนโลยท�สามารถนาไปใชประโยชนไดในหลายๆ

ดานเชน ดานการตรวจสอบสภาพแวดลอม ดานการแพทยดานทางการทหาร หรอดานเกษตรกรรม เครอขายเซนเซอรไรสารประกอบไปดวยตวโหนดขนาดเลกท�ใชพลงงานต�ามอนเตอรเฟสตดตอกนแบบไรสายสามารถทางานไดโดยไมตองการการดแลบารงรกษา สามารถเคล�อนยายไดงาย ดวยขนาดท� เลกทาใหทรพยากรมจานวนคอนขางจากดไมวาจะเปนหนวยประมวลผล หรอหนวยความจา เครอขายเซนเซอรไรสายจะทาหนาท�รบคาขอมลทางกายภาพเชน อณหภม ความช0น ความดน แสงสวาง การส�นสะเทอน ความแรงของสนามแมเหลก เปนตนและทาการสงขอมลผานทางเครอขายไรสายแบบ Ac-hoc ไปยงสถานฐาน (Base Station หรอ sink) แลวเกบไวในฐานขอมล และยงสามารถสราง Web Application เพ�อเขาไปอานคาขอมล แสดงผลผานทางอนเตอรเนตใหผ ใชได

Sensor Nodes

รปท� 2-1เครอขายเซนเซอรไรสาย

10

จากรปท� 2-1 จะเหนวาตวโหนดในเครอขายจะทาการตรวจหาขอมลท�ตองการ เม�อไดขอมลท�ตองการจะทาการสงขอมลดงกลาวกลบไปยงสถานฐานเน�องจากขอจากดในเร�องระยะทางการส�อสารของตวโหนดไมสามารถสงขอมลโดยตรงไปยงสถานฐานได เพราะตวโหนดมกาลงสงท�คอนขางต�า และสถานฐานอยหางจากตวโหนดมาก ทาใหการสงขอมลกลบไปยงสถานฐานน0น จาเปนตองสงผานตวโหนดท�อยขางเคยงตอๆไปยงสถานฐานแทน ดวยจานวนโหนดท�มมากในเครอขาย การสงขอมลผานไปยงโหนดท�อยขางเคยงไปยงสถานฐานจาเปนจะตองมการหาเสนทางท�ดท�สด ดงน0นการคนหาเสนทางท�มประสทธภาพ และมความนาเช�อถอในการสงขอมลจากตวโหนดไปยงสถานฐานจงมความสาคญสาหรบเครอขายเซนเซอรไรสายเปนอยางย�ง

จากขอจากดในหลายๆอยางของเครอขายเซนเซอรไรสายทาใหระบบของเครอขายมความแตกตางกนไปตามการใชงานเชน ระบบเครอขายตองการความเรวในการรบสงสง ตองการความนาเช�อถอในการรบสงขอมลสง หรอระบบเครอขายตองการการรบสงขอมลจานวนมากๆ เปนตน ดงน0นการเลอกและออกแบบโพรโทคอลจะตองมความเหมาะสมกบการใชงานในแตละเครอขาย

รปท� 2-2 สถาปตยกรรมเครอขายเซนเซอรไรสาย

จากรปท� 2-2 แสดงถงสถาปตยกรรมของระบบเครอขายเซนเซอรไรสาย โดยแสดงในรปแบบเปนช0นบลอก ในแตละช0นบลอกจะทาหนาท�แตละอยางแตกตางกนตามมาตรฐานของเครอขายและในแตละช0นจะคอยใหบรการแกระดบช0นท�อยเหนอมน ในสวนของบลอกแนวต0งจะแสดงถงการทางานในสวนท�ขามช0น(cross-layer functions) เชนการจดการพลงงาน การจดการระบบ หรอ ในสวนของความปลอดภย โดยการทางานเหลาน0 จะมอนเตอรเฟสทาหนาท�เช�อมตอกบระดบช0นท0งหมด อยางเชนการจดการพลงงานเปนส�งจาเปนเพ�อเพ�มประสทธภาพในเร�องของพลงงาน ในช0นเนตเวรคสามารถดงคาพลงงานท�เหลออยมาเพ�อใชตดสนใจวาจะทาการสงขอความ

โปรแกรมประยกต

เนตเวรค

เช�อมตอขอมล

กายภาพ

การจ

ดการ

ระบบ

ความ

ปลอด

ภย

การจ

ดการ

พลงง

าน

11

คนหาเสนทางออกไปหรอไม หรอในช0นเช�อมตอขอมลดงคาพลงงานท�เหลอเพ�อใชตดสนใจในการสงขอมลออกไปหรอไม ในสวนของความปลอดภยทาหนาท�เขารหสขอมลดงน0นจงอาจจะมการเรยกใชไดในหลายๆช0นเชน ช0นโปรแกรมประยกต ช0นเนตเวรค หรอช0นเช�อมตอขอมลได

ระดบช0นของโพรโทคอลและฟงกช�นการทางานเปนส� งจาเปนในการกาหนดมาตรฐานและพฒนาของกรอบการทางานรวมกนสาหรบการทางานในอนาคตท0งหมดในระบบเครอขายเซนเซอรไรสาย โดยช0นท�มความสาคญอยางมากช0นหน�งคอ เนตเวรค ซ� งทาหนาท�ในการตดตอกนระหวางเซนเซอรโหนดมการทางานสองสวนดวยกนคอ

• Routing ทาการหาเสนทางท�เหมาะสมในการสงตอขอมล

• Forwarding ทาการสงตอขอมลจากอนเตอรเฟสหน�งไปยงอนเตอรเฟสหน�ง

รปท� 2-3 คาพลงงานท�ใชในการทางานของตวโหนดแตละสวน

จากรปท� 2-3 แสดงถงการใชพลงงานในการทางานแตละสวนของตวโหนด ซ� งประกอบไปดวยสองสวนหลกคอ ฮารดแวร และลกษณะการใชสญญาณวทย โดยจะเหนวาทางดานกายภาพจะมสองสวนคอ สวนสาหรบตรวจจบขอมลท�ตองการ(Sensors) และสวนของการประมวลผล(CPU) สองสวนดงกลาวจะใชพลงงานไมมากเม�อเทยบกบสวนของการใชสญญาณวทย ลกษณะการใชสญญาณวทยมดวยกน 4 ลกษณะคอ ใชสงขอมล รบขอมล ใชในขณะตวโหนดอยในสถานะวางงาน และสดทายใชในขณะตวโหนดอยในสถานะหลบ จะเหนวาการใชพลงงานในการสงขอมลจะสงท�สด ในการรบขอมลและขณะตวโหนดอยในสถานะวางจะมคาสงรองลงมา โดยท�หากวาตวโหนดอยในสถานะหลบน0นสญญาณวทยจะปดตวลง ทาใหคาพลงงานท�ใชจะมคาต�าท�สด จะเหนไดวาพลงงานสวนใหญจะถกใชไปกบการรบสงขอมล ดงน0นในการรบสงขอมลใหม

12

ประสทธภาพจะเกดจากการทางานบอนช0นเนตเวรคเปนหลก วทยานพนธน0 จงพฒนาการทางานบนช0นดงกลาวซ� งกคอทาการพฒนาโพรโทคอลคนหาเสนทางท�ทาหนาท�อยบนช0นเนตเวรค

2.2 มาตรฐาน IEEE 802.15.4

รปท� 2-4แผนภาพโครงสราง IEEE 802.15.4

เม�อปลายป 2002 องคกร IEEE ไดเร�มจดทารางมาตรฐานสาหรบการรบสงขอมลผานโครงขายสวนบคคลระยะใกลท�มอตราในการสงขอมลต�าและเนนการส�อสารท�ทนตอสภาพสญญาณรบกวนสง ซ� งเรยกวา LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network) โดยศกษาการรางมาตรฐานของช0นกายภาพ(Physical Layer: PHY) และช0นการควบคมการเขาใชส�อกลาง (Medium Access Control: MAC) ของโครงขายแบบ WPAN ท�มอตราการรบสงขอมลอยระหวาง 1-5 Mbps แตมการใชพลงงานต�าเปนพเศษโดยใชประมาณ 100 µW ทาใหแบตเตอร� มอายการใชงานไดหลายเดอนหรอหลายป

PHY Layer

MAC Layer

SSCS

802.2 LLC

Upper Layers

Physical Medium

13

2.2.1 ช@นกายภาพ (Physical Layer) ช0นกายภาพจะประกอบไปดวยสวนของอนเตอรเฟซระหวางช0นการควบคมการ

เขาใชส�อกลางและสวนของชองสญญาณคล�นวทยช0นกายภาพ ในช0นน0 จะทาหนาท�ใหบรการ 2 สวนดวยกนโดยผานจดเขาถงการบรการ (Service Access Point: SAPs) คอ บรการขอมลช0นกายภาพ (PHY data service) และ การจดการบรการช0นกายภาพ (PHY management service) เชนการควบคมการเปดปดสญญาณวทยท�ใชในการรบสงขอมล การเลอกความถ�ชองสญญาณท�ใช Energy Detection (ED), Link Quality Indicator (LQI), Clear Channel Assessment (CCA) และรวมไปถงการรบสงขอมลผานส�อกลางกายภาพดวย

2.2.2 ช@นควบคมการเขาถงส�อกลาง(Medium Access Control Layer) ช0นควบคมการเขาถงส�อกลางประกอบไปดวยสวนของอนเตอรเฟซระหวางช0น

ยอย SSCS (Service Specific Convergence Sublayer) และช0นกายภาพดงแสดงในรปท� 2-4 ในช0นน0จะใหบรการ 2 สวนลกษณะเดยวกนกบช0นกายภาพคอ บรการขอมลช0นควบคมการเขาถงส�อกลาง และการจดการบรการช0นการควบคมการเขาถงส�อกลาง ช0นยอยการควบคมการเขาถงส�อกลางจะนาเสนอการเขาถงส�อกลางจากอปกรณรวมภายในเครอขายสวนบคคล และช0นยอยการควบคมการเขาถงส�อกลางน0 ยงใหบรการในการเขาถงชองสญญาณช0นกายภาพสาหรบการโอนถายขอมลในทกๆแบบอกดวย ตามมาตรฐาน IEEE 802.15.4 ช0นยอย Logical Link Control (LLC) สามารถเขาถงช0นควบคมการเขาถงส�อกลางไดโดยผานช0นยอย SSCS

2.2.3 ระดบช@นบน (Upper Layer) ในระดบช0นบนจะประกอบไปดวยช0นเนตเวรค และช0นโปรแกรมประยกต ในช0น

เนตเวรคทาหนาท�กาหนดคาเครอขายตางๆ การจดการเครอขาย และการคนหาเสนทางสาหรบขอความ ในสวนของช0นโปรแกรมประยกตน0นทาหนาท�ในสวนของการทางานของอปกรณในเครอขาย

14

2.3 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) LEACH เปนโพรโทคอลท�ไดรบความสนใจมากตวหน�งในกลมโพรโทคอลแบบ

ลาดบช0นสาหรบเครอขายเซนเซอรไรสาย แนวความคดหลกของโพรโทคอลตวน0 คอ แบงตวโหนดในเครอขายออกเปนกลมๆโดยพจารณาจากความเขมของสญญาณเปนหลกในการแบงกลม และใหตวโหนดหวหนาเปนทางเช�อมตอไปยงตวสถานฐาน ดวยวธการน0 จะสามารถประหยดพลงงานจากการสงขอมลไดเพราะการสงขอมลถงสถานฐานจะมเพยงแคตวโหนดท�เปนหวหนากลมเทาน0น โหนดอ�นๆไมตองสงขอมลมายงสถานฐานโดยตรงแตจะใชโหนดหวหนาเปนตวสงตอขอมลไปยงสถานฐานแทน ซ� งจานวนของตวโหนดท�เปนหวหนาจะมประมาณ 5% ของตวโหนดท0งหมดภายในเครอขายตามท�ไดถกกลาวเอาไวใน[13]

โหนดหวหนาแตละตวจะมภาระหนาท�ในการรวบรวมขอมลท0งหมดภายในกลมและประมวลผล บบอดกอนสงตอไปยงสถานฐาน เน�องจากโหนดหวหนาจะมภาระหนาท�เยอะกวาตวโหนดอ�นๆทาใหมการใชพลงงานคอนขางสงกวา โหนดหวหนาในเครอขายจงจะถกสมเปล�ยนตามเวลาท�กาหนดเพ�อกระจายการใชพลงงานของตวโหนดใหสมดลภายในเครอขาย โดยการตดสนใจดงกลาววาโหนดตวใดจะเปนโหนดหวหนา เร�มแรกโหนดแตละตวจะกระทาการสมเลอกหมายเลขระหวาง 0 กบ 1 ข0นมาและโหนดตวใดสมเลอกตวเลขไดคาท�มคาต�ากวาคาเกณฑ จะเปนโหนดหวหนา โดยคาเกณฑจะคานวณไดจากสมการท� (1) ดงน0

���� = � ��∗� ������ ��� ∈ �,

0 ��ℎ���� �! (1)

โดยท� P เปนจานวนเปอรเซนตของตวโหนดหวหนาท�ตองการในเครอขายตอจานวนโหนดท0งหมดในเครอขาย r เปนหมายเลขของรอบ n เปนหมายเลขของโหนด G เปนชดของตวโหนดท�ยงไมเคยทาหนาท�เปนโหนดหวหนาใน 1/P รอบ จากสมการท� (1) จะเหนวาโหนดทกตวในเครอขายจะตองทาหนาโหนดหวหนา 1 รอบภายใน 1/P รอบ เม�อโหนดตวใดทาหนาท�เปนโหนดหวหนาแลว ในรอบท�เหลอภายใน 1/P รอบจะมคาความนาจะเปนเทากบ 0 หมายความวาโหนดดงกลาวจะไมไดรบเลอกเปนโหนดหวหนาอก เร�มตนโหนดแตละตวจะทาการสมคาตวเลขข0นมาหน�งคา โดยคาดงกลาวจะมคาระหวาง 0 ถง 1 และนาคาดงกลาวมาเทยบกบคาเกณฑท�ไดในสมการท� (1) หากวาคาท�สมไดมคาต�ากวาคาเกณฑตวโหนดท�สมคาน0นจะทาหนาท�เปนโหนดหวหนา

15

การพฒนาโพรโทคอล LEACH ในลกษณะการแบงตวโหนดออกเปนกลมเพ�อชวยลดการใชพลงงานของเครอขาย คณลกษณะท�สาคญของการทางานของโพรโทคอล LEACH ท�เหนเดนชดจะมอยสามขอดวยกนดงน0

• มการจดการระบบดวยตวมนเอง (self-organizing)

• สบเปล�ยนหมนเวยนการทาหนาท�โหนดหวหนา เพ�อกระจายการใชพลงงาน

• มกระบวนการบบอดขอมลเพ�อลดทอนขอมลท�ไมจาเปนกอนสงตอไปยงสถานฐาน

LEACH มปจจยในการลดการใชถง 7 ประการดวยกนโดยเทยบกบตว Direct Diffusion ท�มปจจยในการลดการใชพลงงานเพยงแต 3-4 ปจจยเทาน0น LEACH สามารถท�จะทางานไดสมบรณกวาและไมตองการขอมลกายภาพทางดานเครอขายมากนก โดยโพรโทคอล LEACH จะทางานไดบนเครอขายท�มคณลกษณะดงน0

• ตวโหนดไมมการเคล�อนท�

• ตวโหนดรถงตาแหนงท�ต0งของตวมน และมพลงงานเร�มตนเทากนทกตว

• ตวโหนดสามารถกาหนดคากาลงการสงขอมลของตวมนได

• สถานฐานมตาแหนงท�แนชด

• โหนดทกตวสามารถรบสงขอมลกบสถานฐานไดโดยตรง

จากคณลกษณะดงกลาวทาใหเกดขอจากดของเครอขายท� LEACH สามารถทางานไดคอนขางมาก โดยจะกลาวรายละเอยดในหวขอถดไป

รปท� 2-5 ชวงการทางานในแตละรอบของ LEACH

จากรปท� 2-5 โพรโทคอล LEACH จะแบงการทางานออกเปนรอบๆในแตละรอบจะมสวนการทางานสองชวงดวยกนคอ ชวงการสรางเครอขาย (Setup) และชวงระยะคงตว (Steady State) โดยในชวงการสรางเครอขาย จะกระทาการแบงตวโหนดในเครอขายออกเปนกลมๆ สวนในชวงของระยะคงตวจะเปนชวงของการสงขอมลจากเซนเซอรโหนดท0งหมดไปยงสถานฐาน

16

2.3.1 กระบวนการทางานของ LEACH

รปท� 2-6 แผนภาพการทางานของ LEACH

จากรปท� 2-6 แสดงข0นตอนการทางานของโพรโทรคอล LEACH เร�มตนตวโหนดทกตวภายในเครอขายจะทาการตดสนตวเองวาตวมนจะทาหนาท�เปนโหนดหวหนาหรอไม จานวนของโหนดหวหนาในเครอขายจะข0นกบคาเปอรเซนตท�กาหนดไวต0งแตตน โหนดแตละตวจะทาการสมคาตวเลขข0นมาหน� งคาท�มคาระหวาง 0 ถง 1 และนาคาดงกลาวมาเทยบกบคาเกณฑท�ไดในสมการท� (1) หากวาคาท�สมไดมคาต�ากวาคาเกณฑ ตวโหนดท�สมคาน0นจะทาหนาท�เปนโหนด

หวหนาและทาการสงขอความประกาศตวสมไดมคาสงกวาคาเกณฑตวโหนดท�สมคาน0นจะไมไดทาหนาท�เปนโหนดหวหนา และจะรอการประกาศตวของตวโหนดหวหนาตอไป เม�อตวโหนดรอการประกาศตวจากโหนดหวหนา

เม�อตวโหนดไดรบการประกาศตวจากโหนดหวหนาแลว โหนดแตละตวจะทาการเกบคาตางๆของโหนดหวหนาจากขอความท�ไดรบท0งหมด เน�องจากโหนดแตละตวอาจไดรบการประกาศตวจากโหนดหวมากกวา 1 ตว หลงจากน0นโหนดแตละตวจะทาการตดสนใจวาจะเขารวมกลมกบโหนดหวหนาตวใด โดยการตดสนใจดงกลาวจะคานงถงคาความเขมของสญญาณท�ไดรบขอความจากโหนดหวหนาเปนหลก ซ� งความเขมสญหวหนาน0นๆ โดยจะเลอกเอาคาความเขมสญญาณท�มากท�สดน0นคอระยะทางระหวางโหนดส0นท�สด เม�อโหนดแตละตวตดสนใจไดแลว มนจะทาการรองขอเขารวมกลมกบโหนดหวหนาน0นๆ โดยทาการสงขอความรองขอ (REQ)โหนดภายในกลมท0งหมดไว เม�อโหนดหวหนาไดรบขอมลท0งหมดจากโหนดสมาชกในกลมแลว โหนดหวหนาจะทาการสรางตารางดงกลาวจะถกกระจายไปยงโกลมๆและสงขอมลไปยงสถานฐานดงแสดงใน

รปท�

หวหนาและทาการสงขอความประกาศตว (ADV) ออกไปยงโหนดท�อยขางเคยงใหทราบ แตถาคาท�สมไดมคาสงกวาคาเกณฑตวโหนดท�สมคาน0นจะไมไดทาหนาท�เปนโหนดหวหนา และจะรอการประกาศตวของตวโหนดหวหนาตอไป เม�อตวโหนดรอการประกาศตวจากโหนดหวหนา

เม�อตวโหนดไดรบการประกาศตวจากโหนดหวหนาแลว โหนดแตละตวจะทาการเกบคาตางๆของโหนดหวหนาจากขอความท�ไดรบท0งหมด เน�องจากโหนดแตละตวอาจไดรบการประกาศตวจากโหนดหวหนามากกวา 1 ขอความ กลาวคออาจไดรบขอความจากโหนดหวหนา

ตว หลงจากน0นโหนดแตละตวจะทาการตดสนใจวาจะเขารวมกลมกบโหนดหวหนาตวใด โดยการตดสนใจดงกลาวจะคานงถงคาความเขมของสญญาณท�ไดรบขอความจากโหนดหวหนาเปนหลก ซ� งความเขมสญญาณจะสะทอนถงคณภาพหรอระยะหางระหวางตวโหนดกบโหนดหวหนาน0นๆ โดยจะเลอกเอาคาความเขมสญญาณท�มากท�สดน0นคอระยะทางระหวางโหนดส0นท�สด เม�อโหนดแตละตวตดสนใจไดแลว มนจะทาการรองขอเขารวมกลมกบโหนดหวหนาน0นๆ โดยทา

(REQ) ไปยงโหนดหวหนา โหนดหวหนาแตละตวกจะทาการเกบขอมลโหนดภายในกลมท0งหมดไว เม�อโหนดหวหนาไดรบขอมลท0งหมดจากโหนดสมาชกในกลมแลว โหนดหวหนาจะทาการสรางตาราง TDMA เพ�อบอกวาโหนดแตละตวจะทาการสงขอมลเม�อใดบาง ตารางดงกลาวจะถกกระจายไปยงโหนดสมาชกภายในกลมทกตว สดทายตวโหนดจะถกจดเปนกลมๆและสงขอมลไปยงสถานฐานดงแสดงในรปท� 2-7

รปท� 2-7 ลกษณะเครอขายของโพรโทคอล LEACH

17

ออกไปยงโหนดท�อยขางเคยงใหทราบ แตถาคาท�สมไดมคาสงกวาคาเกณฑตวโหนดท�สมคาน0นจะไมไดทาหนาท�เปนโหนดหวหนา และจะทาการรอการประกาศตวของตวโหนดหวหนาตอไป เม�อตวโหนดรอการประกาศตวจากโหนดหวหนา

เม�อตวโหนดไดรบการประกาศตวจากโหนดหวหนาแลว โหนดแตละตวจะทาการเกบคาตางๆของโหนดหวหนาจากขอความท�ไดรบท0งหมด เน�องจากโหนดแตละตวอาจไดรบการ

กลาวคออาจไดรบขอความจากโหนดหวหนาตว หลงจากน0นโหนดแตละตวจะทาการตดสนใจวาจะเขารวมกลมกบโหนดหวหนาตว

ใด โดยการตดสนใจดงกลาวจะคานงถงคาความเขมของสญญาณท�ไดรบขอความจากโหนดหวหนาญาณจะสะทอนถงคณภาพหรอระยะหางระหวางตวโหนดกบโหนด

หวหนาน0นๆ โดยจะเลอกเอาคาความเขมสญญาณท�มากท�สดน0นคอระยะทางระหวางโหนดส0นท�สด เม�อโหนดแตละตวตดสนใจไดแลว มนจะทาการรองขอเขารวมกลมกบโหนดหวหนาน0นๆ โดยทา

ไปยงโหนดหวหนา โหนดหวหนาแตละตวกจะทาการเกบขอมลโหนดภายในกลมท0งหมดไว เม�อโหนดหวหนาไดรบขอมลท0งหมดจากโหนดสมาชกในกลมแลว

เพ�อบอกวาโหนดแตละตวจะทาการสงขอมลเม�อใดบาง สดทายตวโหนดจะถกจดเปน

2.3.2 ปญหาของโพรโทคอล โพรโทคอล

เพ�อใหมการใชพลงงานนอยท�สด จากการทางานของโพรโทคอล และขอจากดของกลาวมาขางตน แสดงใหเหนวา เครอขายท�มขนาดใหญข0นLEACH ท�ไดจากการวเคราะหการทางานคอ การเลอกโหนดหวหนาโดยใชคาความนาจะเปน มการสบเปล�ยนโหนดหวหนาโดยกาหนดเวลาโดยมรา

2.3.2.1 กระบวน

กระบวนการเลอกโหนดหวหนาของโพรโทคอล น0นมขอเสยคอ ไมสามารถคาดเดาตวโหนดหวหนาได ซ� งทาใหการเช�อมตออยนอกเหนอการควบคมโดยส0นเชง ซ� งเหนปญหาอยางชดเจนเม�อนาโพรโทคอล ขนาดใหญ

รปท� 2-8 การพลาดการ

จากรปท� โหนดท�อยไกลเกนรศมการส�อสารของสถานฐาน ตวโหนดในกลมน0นๆจะไมสามารถสงขอมลมายงสถานฐานไดเลย เน�องจากโหนดสมาชกจะใชโหนดหฐานท0งหมด ทาใหการเลอกโหนดหวหนาดวยคาความนาจะเปนจงไมเหมาะ

ปญหาของโพรโทคอล LEACH โพรโทคอล LEACH ถกออกแบบใหมการทางานท�เนนความ

เพ�อใหมการใชพลงงานนอยท�สด จากการทางานของโพรโทคอล และขอจากดของกลาวมาขางตน แสดงใหเหนวา LEACH จะเกดปญหากบการทางานบนเครอขายบางลกษณะน0เครอขายท�มขนาดใหญข0นจะสงผลโดยตรงตอการทางานของโพรโทคอล

ท�ไดจากการวเคราะหการทางานคอ การเลอกโหนดหวหนาโดยใชคาความนาจะเปน บเปล�ยนโหนดหวหนาโดยกาหนดเวลาโดยมรายละเอยดดงน0

กระบวนการเลอกโหนดหวหนา

กระบวนการเลอกโหนดหวหนาของโพรโทคอล LEACH โดยใชความนาจะเปนน0นมขอเสยคอ ไมสามารถคาดเดาตวโหนดหวหนาได ซ� งทาใหการเช�อมตออยนอกเหนอการควบคมโดยส0นเชง ซ� งเหนปญหาอยางชดเจนเม�อนาโพรโทคอล LEACH ไปทา

การพลาดการเช�อมตอระหวางโหนดหวหนากบสถานฐาน

รปท� 2-8 จะเหนวา หากการเลอกโหนดหวหนาดวยคาความนาจะเปนโหนดท�อยไกลเกนรศมการส�อสารของสถานฐาน ตวโหนดในกลมน0นๆจะไมสามารถสงขอมลมายงสถานฐานไดเลย เน�องจากโหนดสมาชกจะใชโหนดหวหนาเปนตวสงตอขอมลมายงสถานฐานท0งหมด ทาใหการเลอกโหนดหวหนาดวยคาความนาจะเปนจงไมเหมาะ

18

ถกออกแบบใหมการทางานท�เนนความเรยบงายไมซบซอน เพ�อใหมการใชพลงงานนอยท�สด จากการทางานของโพรโทคอล และขอจากดของโพรโทคอลท�ได

เครอขายบางลกษณะน0นคอ จะสงผลโดยตรงตอการทางานของโพรโทคอล LEACH ปญหาของ

ท�ไดจากการวเคราะหการทางานคอ การเลอกโหนดหวหนาโดยใชคาความนาจะเปน และ

โดยใชความนาจะเปนน0นมขอเสยคอ ไมสามารถคาดเดาตวโหนดหวหนาได ซ� งทาใหการเช�อมตออยนอกเหนอการ

ไปทางานบนเครอขายท�ม

ระหวางโหนดหวหนากบสถานฐาน

จะเหนวา หากการเลอกโหนดหวหนาดวยคาความนาจะเปนไดตวโหนดท�อยไกลเกนรศมการส�อสารของสถานฐาน ตวโหนดในกลมน0นๆจะไมสามารถสงขอมล

วหนาเปนตวสงตอขอมลมายงสถาน

19

2.3.2.2 ชวงเวลาการสบเปล�ยนโหนดหวหนา

โพรโทคอล LEACH มลกษณะการทางานเปนรอบๆ เม�อทางานครบ 1 รอบจะมการสบเปล�ยนโหนดหวหนา เพ�อกระจายการใชพลงงานของเครอขาย โดยเวลาในการทางาน 1 รอบน0นจะข0นกบเวลาท�ผใชเปนผกาหนดข0น ซ� งการสบเปล�ยนโหนดหวหนาตามชวงเวลาทางานน0 จะใหผลเสยในกรณท�โหนดหวหนาเกดมพลงงานท�ต �าและหมดพลงงานกอนถงชวงเวลากาหนดท�ตองทาการสบเปล�ยนโหนดหวหนา จะทาใหขอมลของโหนดในกลมน0นๆไมสามารถสงถงสถานฐานไดในทนท อกท0งในกระบวนการเปล�ยนโหนดหวหนาแตละคร0 งยงทาใหเกดการใชพลงงาน เม�อโหนดหวหนาบอยคร0 งพลงงานท�สญเสยไปในกระบวนการดงกลาวกมากตามไปดวย

วทยานพนธฉบบน0 จะทาการแกไขปญหาของ LEACH เพ�อใหโพรโทคอลมการทางานท�มประสทธภาพมากข0น โดยทาการออกแบบโพรโทคอลโดยมโพรโทคอล LEACH เปนพ0นฐาน และทาการแกไขปญหาขางตน โพรโทคอลท�ออกแบบจะกลาวไวในบทท� 3

2.4 แนวความคดของโพรโทคอลท�ออกแบบ จากขอดอยของ LEACH ท�กลาวในหวขอยอยท�ผานมาไดนามากาหนดเปน

ประเดนท�สาคญของวทยานพนธ และนาเสนอในสวนของแนวความคดของโพรโทคอลท�จะออกแบบ เพ�อแกปญหาของโพรโทคอล LEACH ดงตอไปน0

2.4.1 การเลอกโหนดหวหนา จากปญหาในการเลอกโหนดหวหนาโพรโทคอล LEACH ใชการสมคาตวเลขและ

ความนาจะเปนในการเลอกโหนดหวหนา ดงน0นการคาดเดาหรอควบคมตาแหนงของโหนดหวหนาน0นไมสามารถกระทาได โพรโทคอลท�ออกแบบจงมแนวความคดนาในสวนของระยะการส�อสารของตวโหนดเขามาเก�ยวของในการเลอกโหนดหวหนาในแตละคร0 ง โดยการใชระยะการส�อสารเขามาเก�ยวของน0 เพ�อท�จะใหการเลอกโหนดหวหนาไดตวโหนดท�สามารถตดตอส�อสาร หรอสงขอมลกลบมายงสถานฐานไดเสมอ อกท0งในการเลอกโหนดหวหนาของโพรโทคอลท�ออกแบบน0จะยงคงคานงถงคาพลงงานท�เหลอของตวโหนดอกดวย โดยรายละเอยดในการเลอกโหนดหวหนาจะกลาวไวในบทท� 3

2.4.2 ชวงเวลาในการปรบเปล�ยนโหนดหวหนา โพรโทคอล LEACH จะทาการปรบเปล�ยนโหนดหวหนาทกคร0 งในแตละรอบการ

ทางาน โดยรอบการทางานแตละรอบจะทางานตามเวลาท�ไดถกกาหนดโดยผใชเทาน0น ในสวนของโพรโทคอลท�ออกแบบ การปรบเปล�นโหนดหวหนาจะกระทาโดยการใชคาพลงงานท�เหลอเปนตว

20

ตดสนใจในการปรบเปล�ยนโหนดหวหนา โดยจะกาหนดคาเกณฑเพ�อใชเปรยบเทยบกบพลงงานท�เหลอของโหนดหวหนา เม�อคาพลงงานของโหนดหวหนามคาต�ากวาคาเกณฑ โหนดหวหนาจะทาการรองขอเพ�อทาการเปล�ยนโหนดหวหนาใหม ซ� งแนวความคดน0 จะทาใหการปรบเปล�ยนโหนดหวหนาจะเกดข0นในกรณท�จาเปนเทาน0น และยงปองกนการหมดพลงงานระหวางรอบการทางาน ดงท�เกดปญหาในโพรโทคอล LEACH อกดวย ซ� งรายละเอยดการทางานจะกลาวในบทท� 3 ตอไป

21

บทท� 3 การออกแบบโพรโทคอล

ในบทท� 3 น0 จะเปนการนาเสนอการออกแบบแพกเกตควบคมของโพรโทคอล

อธบายถงการทางานของโพรโทคอลท�ไดออกแบบ รวมท0งสรปผลการการทางานของโพรโทคอล

3.1 แพกเกตควบคมท�ออกแบบ แพกเกตควบคมของโพรโทคอลใชสาหรบรองขอขอมล แลกเปล�ยนขอมล สงขอมล หรอส�งการไปยงโหนดตางๆ เพ�อจดการเครอขายใหทางานเปนไปตามวตถประสงคในแตละแพกเกตของโพรโทคอลน0นๆ โพรโทคอลคนหาเสนทางท�ทาการออกแบบน0 มสวนของแพกเกตควบคมท0งหมด 7 ประเภทดวยกน โดยจะมท0งในสวนของแพกเกตท�ดดแปลงเพ�มเตมจากแพกเกตในโพรโทคอล LEACH และสวนของแพกเกตท�ออกแบบเพ�มเตมข0นสาหรบโพรโทคอล

แพกเกตควบคมท�นาของโพรโทคอล LEACH เดมมาใชและท�ดดแปลงเพ�มเตมจะม แพกเกต ADV, แพกเกต JOIN และ แพกเกต SCH โดยจะมการเพ�มเตมในสวนของขอมลสวนหวบางสวนเชน คาพลงงานท�เหลอ หรอหมายเลขของกลมโหนด เพ�มเตมเขาไปจากรปแบบแพกเกตเดมเพ�อใหสามารถทางานไดบนโพรโทคอลท�ออกแบบน0

แพกเกตควบคมท�ออกแบบข0นใหม เพ�อใชงานในสวนของการทางานท�เพ�มเตมจากโพรโทคอล LEACH จะมในสวนของ แพกเกต SCT, แพกเกต FIN, แพกเกต CHG และ แพกเกต STP โดยในแตละแพกเกตจะดงมรายละเอยดตอไปน0

3.1.1 ขอความประกาศ (Advertise message หรอ ADV)

รปท� 3-1 รปแบบแพกเกต ADV

แพกเกตควบคม ADV เปนแพกเกตท�ใชการสงแบบกระจาย (broadcast message) เปนแพกเกตใชสาหรบประกาศส� งท�ตองการใหโหนดขางเคยงทราบอยางท�วกน มโครงสรางรปแบบดงแสดงในรปท� 3-1 ซ� งสวนของขอมลท�บรรจอยในแพกเกตมดงน0

22

ตารางท� 3-1 สวนของฟลดในแพกเกต ADV

ช�อฟลด คา / ความหมาย Type 1 cID หมายเลขกลมของโหนดท�ทาการประกาศ Reseved สวนสารองไวสาหรบขอมลอ�นๆ Data สวนของขอมล

3.1.2 ขอความรองขอเขารวม (Join message หรอ JOIN)

รปท� 3-2 รปแบบแพกเกต JOIN

แพกเกตควบคม JOIN เปนแพกเกตท�ใชการสงแบบหน�งตอหน�ง (one-to-one) ใชในการรองขอการเขารวมกลมกบโหนดท�ทาการประกาศตวผานทางแพกเกตควบคม ADV มโครงสรางรปแบบดงแสดงในรปท� 3-2 ซ� งสวนของขอมลท�บรรจอยในแพกเกตมดงน0

ตารางท� 3-2 สวนของฟลดในแพกเกต JOIN

ช�อฟลด คา / ความหมาย Type 2 cID หมายเลขกลมของโหนดท�รองขอเขารวม er คาพลงงานท�เหลอขณะท�สงแพกเกต Reseved สวนสารองไวสาหรบขอมลอ�นๆ Data สวนของขอมล

23

3.1.3 ขอความกาหนดโหนดหวหนา (Select message หรอ SCT)

รปท� 3-3 รปแบบแพกเกต SCT

แพกเกตควบคม SCT เปนแพกเกตท�ใชการสงแบบหน�งตอหน�ง (one-to-one) ใช

ในการกาหนดตวโหนดท�ทาหนาท�เปนโหนดหวหนา (Cluster Head) ของโหนดลาดบช0นลาง มโครงสรางรปแบบดงแสดงในรปท� 3-3 ซ� งสวนของขอมลท�บรรจอยในแพกเกตมดงน0

ตารางท� 3-3 สวนของฟลดในแพกเกต SCT

ช�อฟลด คา / ความหมาย Type 3 chID หมายเลขโหนดท�เปนโหนดหวหนา cID หมายเลขกลมของโหนดท�รองขอเขารวม Reseved สวนสารองไวสาหรบขอมลอ�นๆ Data สวนของขอมล

3.1.4 ขอความเสรจส@นการจดการเครอขาย (Finale message หรอ FIN)

รปท� 3-4 รปแบบแพกเกต FIN

แพกเกตควบคม FIN เปนแพกเกตท�ใชการสงแบบหน�งตอหน�ง (one-to-one) ใชในการแจงไปยงโหนดหวหนาของกลมท�เขารวมเม�อการจดรปแบบเครอขายแบบลาดบช0นเสรจส0น

24

กลาวคอเม�อการกาหนดโหนดหวหนาของลาดบช0นสดทายเสรจส0น มโครงสรางรปแบบดงแสดงในรปท� 3-4ซ� งสวนของขอมลท�บรรจอยในแพกเกตมดงน0

ตารางท� 3-4 สวนของฟลดในแพกเกต FIN

ช�อฟลด คา / ความหมาย Type 4 cID หมายเลขกลมของโหนดท�รองขอเขารวม Reseved สวนสารองไวสาหรบขอมลอ�นๆ Data สวนของขอมล

3.1.5 ขอความกาหนดตารางคา TDMA (Time Division Multiple Access)หรอ SCH

รปท� 3-5 รปแบบแพกเกต SCH

แพกเกตควบคม SCH เปนแพกเกตท�ใชการสงแบบกระจายใชในการแจงคาตารางลาดบการสงขอมลของโหนดในกลมไปยงโหนดท0งหมด กลาวคอเม�อเสรจส0นการจดรปแบบเครอขายออกเปนลาดบช0น โหนดหวหนาของแตละลาดบช0นจะทาการสรางและสงตาราง TDMA ไปยงโหนดในกลมท0งหมดSCH มโครงสรางรปแบบดงแสดงในรปท� 3-5 ซ� งสวนของขอมลท�บรรจอยในแพกเกตมดงน0

ตารางท� 3-5 สวนของฟลดในแพกเกต SCH

ช�อฟลด คา / ความหมาย Type 5 cID หมายเลขกลมของโหนดท�รองขอเขารวม T_size ขนาดจานวนของ TDMA

25

TDMA สวนกาหนดลาดบการสงของโหนดท0งหมด Data สวนของขอมล

3.1.6 ขอความรองขอเปล�ยนโหนดหวหนา (Change message หรอ CHG)

รปท� 3-6 รปแบบแพกเกต CHG

แพกเกตควบคม CHG เปนแพกเกตท�ใชการสงแบบหน�งตอหน� งใชในการรองขอทาการเปล�ยนโหนดหวหนา กลาวคอเม�อคาพลงงานของโหนดหวหนาเดมมคาต�า และเส�ยงตอการใชพลงงานหมดโหนดหวหนาจะทาการสงแพกเกตควบคม CHG ไปยงโหนดหวหนาของลาดบช0นมน เพ�อรองขอทาการเปล�ยนโหนดหวหนาใหม CHG มโครงสรางรปแบบดงแสดงในรปท� 3-6 ซ� งสวนของขอมลท�บรรจอยในแพกเกตมดงน0

ตารางท� 3-6 สวนของฟลดในแพกเกต CHG

ช�อฟลด คา / ความหมาย Type 6 cID หมายเลขกลมของโหนดท�รองขอทาการ

เปล�ยนโหนดหวหนา Reseved สวนสารองไวสาหรบขอมลอ�นๆ Data สวนของขอมล

26

3.1.7 ขอความหยด (Stop message หรอ STP)

รปท� 3-7 รปแบบแพกเกต STP

แพกเกตควบคม STP เปนแพกเกตท�ใชการสงแบบกระจายใชในการรองขอใหหยดสงขอมล กลาวคอเม�อมการรองขอทาการเปล�ยนโหนดหวหนา โหนดภายในกลมจาเปนตองหยดสงขอมลช�วคราว เพ�อใหการปรบเปล�ยนโหนดหวหนาเสรจส0นโดยเรวและไมเกดการขดของจากการชนกนของขอมล STP มโครงสรางรปแบบดงแสดงในรปท� 3-7 ซ� งสวนของขอมลท�บรรจอยในแพกเกตมดงน0

ตารางท� 3-7 สวนของฟลดในแพกเกต STP

ช�อฟลด คา / ความหมาย Type 7 cID หมายเลขกลมของโหนดท�รองขอใหหยด

สงขอมล Reseved สวนสารองไวสาหรบขอมลอ�นๆ Data สวนของขอมล

3.2 การทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบ จากปญหาของโพรโทคอลคนหาเสนทาง LEACH ท�ใชวธการเลอกโหนดหวหนา

และทาการจดกลมเครอขายดวยความนาจะเปนน0น ทาใหเกดปญหาในเร� องของการเช�อมตอระหวางโหนดหวหนาและสถานฐานในเครอขายท�มขนาดใหญ ดงน0นโพรโทคอลท�ออกแบบน0จะทาการแกไขปญหาน0

โพรโทคอลท�ออกแบบเพ�อรองรบการทางานบนเครอขายท�มขนาดใหญ ดวยขนาดของเครอขายท�ใหญกวาระยะการรบสงขอมลของโหนดในเครอขาย ทาใหการตดตอส� อสารโดยตรงจากตนทางไปยงปลายทางน0นเปนไปไดยาก แนวความคดหลกของโพรโทคอลคนหาเสนทางท�ออกแบบน0 จงคานงถงระยะการตดตอส�อสารของโหนดเปนสาคญในการจดเครอขายการ

27

ทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบน0 จะแบงชวงการทางานออกเปน 3 สวนคอ ชวงเร�มตนจดการเครอขาย (setup phase) ชวงดาเนนการรบสงขอมล (steady state phase) และชวงปรบปรงเครอขาย (improved cluster head phase) โดยภาพรวมท0งหมดของสญญาณท�เกดข0นจากการทางานของ โพรโทคอลจะแสดงไดดงรปท� 3-8

รปท� 3-8 ผงงานลาดบการทางานของระบบ

3.2.1 สวนเร�มตนจดการเครอขาย (Setup phase) แนวความคดหลกของโพรโทคอลน0 คอ จดรปแบบเครอขายใหมลกษณะเปนลาดบ

ช0 นโดยมศนยกลางคอ สถานฐานหรอโหนดหวหนา ในแตละช0 นจะทางานในลกษณะกลม (cluster base) แตละช0นแตละกลมจะมโหนดซ� งทาหนาท�รวบรวมขอมลและควบคมโหนดท0งหมดภายในกลมน0นๆ

ในสวนของระบบท�ทาการออกแบบจะมสองสวนดวยกนคอ สวนการทางานของ สถานฐาน (BS) และสวนของตวโหนด โดยสถานฐานเปนตวเร�มตนการทางานเสมอ เน�องจากระบบตองการการทางานท�เปนข0นตอน หากแตละสวนของระบบทางานแยกกนจะทาใหการจดการขอมลซบซอนและยงยากกบการจดการเร�องของการชนกนของขอมล เพราะการจดการเครอขายท0งเครอขายพรอมๆกนในคร0 งเดยว การสงขอความกลบมายงสถานฐานจะไมสามารถคาดเดาไดทาใหการสงขอมลในแตละกลมอาจเกดการชนกนข0นท0งในระหวางกลมโหนดและภายในกลมโหนดเอง

1

28

3.2.1.1 การทางานในสวนของสถานฐาน

สถานฐานในเครอขายเซนเซอรไรสายเปนสวนสาคญในการทาหนาท�เกบขอมลท�ไดจากเซนเซอรโหนดในเครอขายเซนเซอรไรสาย ควบคมการทางานและตดตอกบผใชงาน (Users) หรออาจตดตอกบเครอขายอ�นๆ เชน อนเทอรเนต เปนตน ดงน0 นการโพรโทคอลท�ออกแบบจงเร�มตนการทางานจากสถานฐานเปนอนดบแรก

รปท� 3-9 ผงงานการทางานในสวนของสถานฐาน

รปท� 3-10 แผนภาพการประกาศของสถานฐานและตอบกลบของโหนด

1 2

3

จากรปท� 2 สวนคอสวนการจดการเครอขายและการรบสงขอมลการทางานในรปท� 3-10 ตวเองออกไปบรเวณขางเคยงหาโหนดขางเคยงท0งหมดท�อยโดยประมาณ)โดยหลงจากโหนดขางเคยงไดรบรการประกาศของสถานฐานตวโหนดจะตอบกลบสถานฐานดวยแพกเกตควบคม และขอรวมกลม ในการตอบกลบของโหนดแตละตวจะมการกาหนดเพ�อเล�ยงการชนกนของแพกเกตเม�อสถานฐานไดทราบถงโหนดขางเคยงท0งหมด จานวนโหนดขางเคยงท0งหมดเพ�อทาหนาท�เปนโหนดหวหนา สวนของหมายเลข 3

รปท�

จากรปท� ของพลงงานและระยะทางรวมดวย โดยใหตวโหนดท�มคาพลงงานสงท�สดประกอบกบมระยะหางจากตวสถานฐานออกไปเพ�อใหการครอบคลมของระยะในกาออกไปไดไกลท�สด ดงแสดงในโหนดหวหนาน0 นจะใหคาไมเทากน โดยจะใหน0 าหนกกบคตดสนใจมากกวาคาระยะทางของตวโหนด ความสมพนธดงสมการ (1)

"#$

รปท� 3-9 แสดงผงการทางานในสวนของสถานฐานท0งหมดโดยจะแบงไดเปนสวนคอสวนการจดการเครอขายและการรบสงขอมล ซ� งในสวนของการจดการเครอขายจะแสดง

เปนการทางานในสวนเร�มแรกซ� งจะเร�มจากสถานฐานบรเวณขางเคยงดวยแพกเกตควบคม ADV (แสดงรายละเอยดใน

หาโหนดขางเคยงท0งหมดท�อยภายในรศมการรบสงขอมลกบตวสถานฐานโดยหลงจากโหนดขางเคยงไดรบรการประกาศของสถานฐานตวโหนดจะตอบกลบ

ควบคม JOIN (แสดงรายละเอยดในรปท� 3-2) เพ�อแจงใหสถและขอรวมกลม ในการตอบกลบของโหนดแตละตวจะมการกาหนดคาหนวงเวลา

แพกเกตท�ตอบกลบดงแสดงในรปท� 3-10 ในสวนของหมายเลข ทราบถงโหนดขางเคยงท0งหมด จากน0นจะทาการเลอกโหนดข0นมาหน� งตวใน

งหมดเพ�อทาหนาท�เปนโหนดหวหนา (CH) ใหกบระดบช0นถดไปแสดงใน

รปท� 3-11 ระยะรศมในการรบสงขอมลของแตละระดบชMน

รปท� 3-10 ในการเลอกตวโหนดหวหนา(หมายเลข 3) จะทาการคดเลอกจากคาของพลงงานและระยะทางรวมดวย โดยใหตวโหนดท�มคาพลงงานสงท�สดประกอบกบมระยะหาง

ออกไปเพ�อใหการครอบคลมของระยะในการรบสงขอมลของระดบช0นถดไปออกไปไดไกลท�สด ดงแสดงในรปท� 3-11 โดยคาน0าหนกของพลงงานและระยะทางในการเลอกตวโหนดหวหนาน0 นจะใหคาไมเทากน โดยจะใหน0 าหนกกบคาพลงงานเขามามน0 าหนกในการตดสนใจมากกวาคาระยะทางของตวโหนด หรอใหคาน0 าหนกของระยะทางมากกวา โดยม

(1)

"#$%�&1 ( )�� * �&2 ( ,�- → /0 (1)

29

แสดงผงการทางานในสวนของสถานฐานท0งหมดโดยจะแบงไดเปน ซ� งในสวนของการจดการเครอขายจะแสดง

งานในสวนเร�มแรกซ� งจะเร�มจากสถานฐานทาการประกาศแสดงรายละเอยดในรปท� 3-1) เพ�อทาการ

ภายในรศมการรบสงขอมลกบตวสถานฐานได (100 เมตร โดยหลงจากโหนดขางเคยงไดรบรการประกาศของสถานฐานตวโหนดจะตอบกลบ

เพ�อแจงใหสถานฐานทราบคาหนวงเวลา (delay time)

ในสวนของหมายเลข 1 และ 2 จากน0นจะทาการเลอกโหนดข0นมาหน� งตวใน

ใหกบระดบช0นถดไปแสดงใน

ระยะรศมในการรบสงขอมลของแตละระดบชMน

จะทาการคดเลอกจากคาของพลงงานและระยะทางรวมดวย โดยใหตวโหนดท�มคาพลงงานสงท�สดประกอบกบมระยะหาง

รรบสงขอมลของระดบช0นถดไปโดยคาน0าหนกของพลงงานและระยะทางในการเลอกตว

าพลงงานเขามามน0 าหนกในการหรอใหคาน0 าหนกของระยะทางมากกวา โดยม

30

จากสมการ (1) W1 เปนคาน0 าหนกในการตดสนใจของคาพลงงาน, W2 เปนคาน0 าหนกในการตดสนใจของคาระยะทาง, Er เปนคาพลงงานท�เหลออยของตวโหนด, d เปนคาระยะทางระหวางโหนด

หลงจากไดโหนดหวหนาแลวสถานฐานจะทาการสงไปแจงตวโหนดดงกลาวดวยแพกเกตควบคม SCT (แสดงรายละเอยดในรปท� 3-3) เม�อตวโหนดไดรบการคดเลอกแลวจะทาการประกาศหาโหนดขางเคยงของตวมนเองตอไปเพ�อสรางระดบช0นถดไปข0นมาเหมอนกระบวนการขางตนตอๆไป จนกระท�งตวโหนดหวหนาของระดบสดทายท�ไมสามารถหาหรอคดเลอกตวโหนดหวหนาข0นมาไดอก กจะทาการสงขอความไปแจงยงตวโหนดหวหนาระดบช0นบนตอๆไปจนถงสถานฐานเม�อสถานฐานไดรบขอความกจะทาการสราง TDMA schedule เพ�อกาหนดชองเวลา (time slot) ในการสงขอมลของตวโหนดแตละตว และทาการสงออกไปบอกตวโหนดท0งหมด ตวโหนดหวหนาของแตละระดบช0นกจะทาการสราง TDMA schedule ของระดบช0นตวเองข0นมาเชนกนและทาการสงไปใหตวโหนดในระดบช0นท0งหมด เม�อตวโหนดไดรบ TDMA schedule แลวกจะทาการสงขอมลตามชวงเวลาท�ไดรบตอไป

3.2.1.2 การทางานในสวนของตวโหนด

รปท� 3-12 ผงงานการทางานในสวนของตวโหนด

31

จากรปท� 3-12 แสดงการทางานในสวนของตวโหนด โดยตวโหนดท0งหมดจะทาการรอการประกาศ (Advertise message) ของสถานฐานหรอตวโหนดหวหนาเม�อตวโหนดไดรบ ADV จากสถานฐานแลวตวโหนดจะทราบถง หมายเลขระดบช0น (cID) และตวโหนดท�ตวมนจะตองทาการสงขอมลให (Cluster Head ID) ตวโหนดจะทาการตอบกลบดวยแพกเกตควบคม JOIN เพ�อใหสถานฐานทราบถงตวมนไดอยภายในลาดบช0นน0 ดวย โดยตว JOIN แพกเกตจะประกอบไปดวย ประเภทของแพกเกต (type) หมายเลขลาดบช0น (cID) และคาพลงงานท�เหลอ ณ ขณะน0นของตวมน (Er) เพ�อไวใชในการตดสนใจเลอกตวโหนดหวหนาในรอบถดไป โดยรปแบบแพกเกตแสดงไดดงรปท� 3-2

หลงจากสถานฐานหรอโหนดหวหนาไดรบแพกเกต JOIN จากโหนดรอบขางตามเวลาท�กาหนด จะทาการตดสนใจเลอกตวโหนดหน�งตวจากในจานวนโหนดขางเคยงท0งหมดข0นมาทาหนาท�เปนโหนดหวหนาของลาดบช0นถดไปตอไป โดยเกณฑในการเลอกโหนดหวหนาน0นจะมคาท�เก�ยวของอยสองคาดวยกนคอ คาพลงงานท�เหลอ และคาระยะหางระหวางตวโหนดกบสถานฐาน มความสมพนธตามสมการท� (1) มรายละเอยดดงน0

W1 คอคาน0าหนกของคาพลงงานท�เหลอ Eri คอคาพลงงานท�เหลอของโหนด I W2 คอคาน0าหนกของคาระยะหางระหวางโหนด I กบสถานฐาน Di คอคาระยะหางระหวางโหนด I กบสถานฐาน

โหนดตวใดมคา T มากท�สดจะไดรบเลอกใหเปนโหนดหวหนาหลงจากน0นสถานฐานจะทาการสงแพกเกตควบคม SCT (select message) ไปยงตวโหนดหวหนาท�ไดรบเลอก เพ�อใหตวโหนดทราบวาไดรบเลอกใหเปนตวโหนดหวหนาของาดบช0นถดไป โดยรปแบบแพกเกตแสดงไดดงรปท� 3-3

เม�อตวโหนดหวหนาไดรบการเลอกแลว (ไดรบแพกเกตควบคม SCT) ตวโหนดหวหนาจะทาการประกาศตวออกไปเพ�อหาตวโหนดขางเคยงดงเชนท�สถานฐานหรอโหนดหวหนาลาดบช0นบนทาขางตนตอๆไป จนกระท�งถงลาดบช0นท�ตวโหนดหวหนาของลาดบช0นไมไดรบการตอบรบจากโหนดขางเคยงหรอไมมโหนดขางเคยงอกแลว ตวโหนดหวหนากจะทาการสงแพกเกตควบคม FIN กลบไปยงโหนดหวหนาของลาดบช0นกอนหนาลาดบช0นของตวมน เพ�อบอกถงการเสรจส0นการเช�อมตอของลาดบช0นเครอขาย โดยรายละเอยด FIN แสดงดงรปท� 3-4

ในสวนของโหนดท�ไมไดรบเลอกเปนโหนดหวหนาจะทาการรอตารางเวลาสาหรบสงขอมล (TDMA schedule) เพ�อทราบถงชวงเวลาในการรบสงขอมลของตวเอง และทาการสงขอมลตามชวงเวลาท�ไดรบ

32

3.2.2 สวนดาเนนการรบสงขอมล (Steady state phase) เม�อข0นตอนการจดการเครอขายเปนลาดบช0นเสรจส0น หลงจากท�ตวโหนดไดรบ

FIN แพกเกต ตวโหนดจะทาการสง FIN แพกเกตตอๆข0นไปยงลาดบช0นบนตอไป และทาการสรางตารางชองเวลา (TDMA schedule) เพ�อกาหนดชองเวลาในการสงขอมล (Slot time) ใหกบตวโหนดท0งหมด และทาการสงตารางชองเวลาดงกลาวไปกบแพกเกตควบคม SCH (มรายละเอยดดงรปท� 3-5) เพ�อบอกใหตวโหนดท0งหมดภายในลาดบช0นรบทราบ

เม�อตวโหนดไดรบตารางชองเวลาจากตวโหนดหวหนาแลว ตวโหนดจะทาการตรวจสอบวาตวเองสามารถสงขอมลไดในชองเวลาท�เทาไหร หลงจากทราบถงชวงเวลาท�สามารถสงขอมลแลวตวโหนดจะทาการสงขอมลไปยงตวโหนดหวหนาตามชวงเวลาท�ไดรบ จนกวาจะมการเปล�ยนแปลงเกดข0น

3.2.3 สวนการปรบปรงเครอขาย (Improved cluster head phase) ในโพรโทคอล LEACH การปรบเปล�ยนโหนดหวหนาจะกระทาโดยกาหนดคา

เวลาในการทางานของเครอขายในแตละรอบ เม�อถงเวลาครบรอบจะทาการปรบเปล�ยนโหนดหวหนา 1 คร0 งทาใหเกดปญหาหากโหนดหวหนาหมดพลงงานระหวางรอบการทางาน จะทาใหไมสามารถทาการรบสงขอมลระหวางโหนดกลมน0นและสถานฐาน โพรโทคอลท�ออกแบบน0 จงทาการแกไขปญหาในเร�องของระยะเวลาในการเปล�ยนโหนดหวหนาใหม

ในสวนของโหนดหวหนาเม�อมการรบสงขอมลระดบพลงงานจะลดลงเร�อยๆ ซ� งโหนดหวหนาจะมการรบสงขอมลมากกวาโหนดท�วไปในเครอขาย เน�องจากโหนดหวหนาจะทาการรบขอมลจากโหนดลกภายในกลมท0งหมด และทาการประมวลผล บบอด และลดขอมลซ0 าซอนกอนสงไปยงสถานฐานดงน0นจงตองมการทาการปรบเปล�ยนตวโหนดหวหนาเพ�อกระจายภาระการใชพลงงานไปยงโหนดตวอ�นๆ เพ�อปองกนการลอเหลวในการสงขอมลไปยงสถานฐานโดยการปรบเปล�ยนจะข0นกบคาพลงงานของโหนดหวหนาเปนหลก โดยเปนไปตามสมการท� (2)

Eth= P * Estart (2)

โดยท� P เปนคาเปอรเซนตของระดบพลงงานท�เหลอท�ตองการใหทาการ

ปรบเปล�ยนโหนดหวหนาและ Estartเปนระดบพลงงานเร�มตนในการทาหนาท�หวหนา

33

รปท� 3-13 แผนภาพการเปล�ยนโหนดหวหนา

จากรปท� 3-13 แผนภาพแสดงการทางานเม�อมการเปล�ยนโหนดหวหนา หากวาโหนดหวหนามระดบพลงงานต�ากวาคา Ethโหนดจะทาการสงแพกเกตควบคม CHG (Change message) เพ�อรองขอไปยงสถานฐานเพ�อขอทาการปรบเปล�ยนตวโหนดหวหนาใหม แพกเกตควบคม CHG ท�สงเพ�อรองขอการปรบเปล�ยนประกอบไปดวย ประเภทของแพกเกต (type), หมายเลขโหนด (srcID) และหมายเลขลาดบช0น (cID) โดยรปแบบแพกเกตแสดงไดดงรปท� 3-6

หลงจากสถานฐานไดรบแพกเกตควบคม CHG ตวสถานฐานจะทาการสงแพกเกต STP (Stop message) ไปยงโหนดในกลมเพ�อแจงใหหยดการสงขอมลช�วคราวกอนทาการเปล�ยนโหนดหวหนาใหม โดยแพกเกตควบคม STP จะประกอบไปดวย ประเภทของแพกเกต (type) และหมายเลขลาดบช0น (cID) โดยรปแบบแพกเกตแสดงไดดงรปท� 3-7

หลงจากน0นกจะเขากระบวนการในการเลอกโหนดหวหนาเหมอนดงขางตนท�ไดกลาวมาแลว จนกวาเครอขายจะไมสามารถเช�อมตอโหนดถงสถานฐานไดแลวกจะทาการหยดการทางานของเครอขายลง

3.3 สรปเปรยบเทยบการทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH โพรโทคอลท�ออกแบบจะยงคงแนวความคดหลกเหมอนกบโพรโทคอล LEACH

คอ การแบงตวโหนดในเครอขายออกเปนกลมๆ และในแตละกลมมโหนดหวหนาเพ�อทาหนาท�รวบรวมขอมลของแตละกลมและสงตอไปยงสถานฐาน แตในสวนของโพรโทคอลท�ออกแบบจะทาการพฒนาในสวนของการเลอกโหนดหวหนา และการเปล�ยนโหนดหวหนาใหม อกท0งในการสงขอมลจากโหนดหวหนาไปยงสถานฐานจะใชวธการสงแบบ multi-hop ในระหวางกลมโหนด

34

หวหนาเอง แทนท�จะใชการสงตรงไปยงสถานฐานดงท�ใชในโพรโทคอล LEACH โดยจากการทางานหลกของโพรโทคอลท�ออกแบบยงคงมสวนของการทางาน 2 สวนเหมอนดงโพรโทคอล LEACH คอ Set-up phase และ Steady-state และการทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบจะเพ�มสวนการทางานในสวนของ Improved cluster phase ซ� งเปนสวนการทางานในชวงการเปล�ยนโหนดหวหนาใหม ในการทางานปลกยอยในแตละสวนจะมการพฒนาเพ�มเตมจากโพรโทคอล LEACH ดงน0

• Setup phase : พฒนาในสวนของการเลอกโหนดหวหนาใหม โดยใชคาระยะการส�อสารเขามามสวนในการคดเลอก และทาการแบงกลมตวโหนดเปนช0นๆ ทละช0นตอไปเร�อยๆ

• Steady-state : เพ�มขอมลการสงในสวนของพลงงานท�เหลอของโหนด เพ�อนาไปใชในสวนของการทางาน Improved cluster phase

• Improved cluster phase : พฒนาในสวนการเปล�ยนโหนดหวหนาใหมท0งหมด

35

บทท� 4 ผลการทดลองและวเคราะหผล

ในบทน0จะกลาวถงผลการทดลองดวยโปรแกรมจาลองการทางาน NS-2 ของโพรโทคอลท�ไดออกแบบและพฒนาโดยจะนาเสนอประสทธภาพของโพรโทคอลดวยการวดคาตางๆดงน0คาหนวงเวลา คาพลงงานเฉล�ย และอตรารบสงขอมลเฉล�ย รวมถงวเคราะหผลการทดลองตางๆ

4.1 จาลองการทางาน LEACH หวขอน0 จะทาการจาลองการทางานจากกระบวนการทางานของ LEACH ท�ได

กลาวไวในบทท� 2 หวขอท� 2.3 ซ� งการจาลองจะจาลองบนโปรแกรมจาลองเครอขายท�ช�อวา Network Simulator 2 (NS-2) โดยการจาลองน0 จะจาลองตวโหนดในเครอขายเปนจานวน 100 150 และ 200 ตว ในเครอขายขนาด 100x100 เมตร 250x250 เมตร และ 400x400 เมตร รวมท0งหมด 9 การจาลอง โดยคาตวแปรท�สาคญในการจาลองมรายละเอยดดงตารางท� 4-1

ตารางท� 4-1 คาตวแปรพMนฐานในการจาลองการทางาน LEACH

ตวแปร คาท�กาหนด กาลงงานการสงขอมล 74.4 mW กาลงงานการรบขอมล 64.8 mW กาลงงานขณะวางงาน 5.52 µW โพรโทคอลช0น MAC และ PHY IEEE 802.15.4 จานวนโหนด 100, 150, 200 ตว พลงงานเร�มตน 0.5J ขนาดขอมล 100 bytes ขนาดเฮดเดอร 25 bytes ขนาดเครอขายท�สนใจ 100 x 100 m.

250 x 250 m. 400 x 400m.

การกระจายตวโหนด uniform ระยะการเปล�ยนโหนดหวหนา 100 วนาท

ในแตละการจาลองจะทาการสมโครงสรางเครอขายข0นมาท0งหมด และทาการจาลองการทางานในแตละโครงสรางเครอขายเปนจานวน จาลองจะทาการจาลองท0งหมด จาลอง ไดผลการจาลองดง

รปท� 4-

จากรปท� สเขยวแทนการจาลองเครอขายขนาด 400x400 เมตร คา Packet Delivery Ratio (PDR ) ทางไปยงปลายทาง โดยคานวนได

PDR = 122

แตละการจาลองจะทาการสมโครงสรางเครอขายข0นมาท0งหมด และทาการจาลองการทางานในแตละโครงสรางเครอขายเปนจานวน 10 รอบ รวมแลวในแตละการจาลองจะทาการจาลองท0งหมด 100 รอบ และหาคาอตราสวนการรบสงขอมลเฉล�ยในแตละการจาลอง ไดผลการจาลองดงรปท� 4-1

-1 คา PDR ของโพรโทคอล LEACH ในเครอขายจาลอง

รปท� 4-1 เสนกราฟสน0 าเงนแทนการจาลองเครอขายขนาด สเขยวแทนการจาลองเครอขายขนาด 250x250 เมตร และเสนสแดงแทนการจาลองเครอขายขนาด

Packet Delivery Ratio (PDR ) คอคาอตราความสาเรจในการรบสงขอมลจากตนทางไปยงปลายทาง โดยคานวนไดดงสมการ (4)

122 343563� �171 814937: 17 ;<

122 814937: :3=7 7� ;<

36

แตละการจาลองจะทาการสมโครงสรางเครอขายข0นมาท0งหมด 10 โครงสราง รอบ รวมแลวในแตละการ

การรบสงขอมลเฉล�ยในแตละการ

ในเครอขายจาลอง

เสนกราฟสน0 าเงนแทนการจาลองเครอขายขนาด 100x100 เมตร เสนเมตร และเสนสแดงแทนการจาลองเครอขายขนาด

าอตราความสาเรจในการรบสงขอมลจากตน

(4)

37

จากกราฟในรปท� 4-1 จะเหนวาคา PDR จะมคาสงในเครอขายท�มขนาดเลกคอ 100x100 เมตรโดยใหคา PDR ท� 70-90% คา PDR ลดลงเลกนอยเม�อจานวนโหนดในเครอขายมจานวนเพ�มข0น เน�องจากจานวนโหนดท�เพ�มข0นในเครอขายท�มขนาดเทาเดม (ความหนาแนนของโหนดสงข0น) ทาใหโอกาสเกดการชนกนของขอมลสงข0น คา PDR จงลดลง และเม�อเครอขายมขนาดใหญข0นคอ 250x250 เมตร และ 400x400 เมตร จะเหนวาคา PDR ตกลงมาคอนขางมาก เน�องจากระยะการสงขอมลของโหนดสงไมถงสถานฐานและการทางานของ LEACH มลกษณะการสงแบบโหนดตอโหนด ทาใหขอมลหายไประหวางทางเปนจานวนมาก

จากผลการทดลองน0จะเหนวาโพรโทคอล LEACH มการทางานบนเครอขายขนาดใหญไดไมดเทาท�ควร ซ� งจะเหนไดจากคาอตราการสงขอมลสาเรจมคาต�าลงมากในเครอขายท�มขนาดใหญข0นแมวาจะเพ�มจานวนโหนดมากข0นกตาม เปนผลมาจากการคดเลอกโหนดหวหนาดวยความนาจะเปนตามท�กลาวไวในบทท� 2

4.2 ทดลองหาชวงคาหนวงเวลาท�เหมาะสม ในกระบวนการหาโหนดขางเคยง แพกเกตจะถกกระจายเขาสเครอขายเปนจานวน

มาก การตอบกลบของตวโหนดหลายๆตวพรอมกน จะทาใหเกดปญหาการชนกนหรอชองสญญาณไมวางไมสามารถจองชองสญญาณไดสาหรบกระบวนการของ CSMA ตวโหนดท�ตองการสงขอความจะทาการตรวจสอบชองสญญาณกอนการสงทกคร0 งดงน0นการตอบกลบของโหนดแตละตวจะมการหนวงเวลากอนตอบกลบ โดยใชวธการสมคาหนวงเวลาข0นมาหน�งคาเม�อโหนดตองการตอบกลบ จะทาการสมคาหนวงเวลาจากชวงของคาท�กาหนดข0นเน�องจากคาหนวงเวลาดงกลาวจะมผลตอเวลารวมท�ใชในการสรางการเช�อมของเครอขายท0งหมด ดงน0นการกาหนดชวงคาของการสมคาหนวงเวลาน0นจะตองมความเหมาะสมท�สด จงไดทาการทดสอบเพ�อหาชวงของคาท�เหมาะสมโดยจาลองหาความสมพนธระหวางเปอรเซนตของโหนดท�สามารถเขารวมในคลสเตอรไดกบชวงคาของการสมคาหนวงเวลา ซ� งจะทาการทดลองกบเครอขายท�มจานวนโหนดแตกตางกน โดยการทดลองน0จะจาลองการสงแพกเกตควบคมรองขอเขารวมกลมของโหนดในเครอขายเทาน0น และทาการวดผล การจาลองน0จะทาการกาหนดคาตวแปรพ0นฐานดงตารางท� 4-2

38

ตารางท� 4-2 คาตวแปรพMนฐานในการจาลองการสงแพกเกตควบคมการ รองขอเขารวมกลมของโหนดในเครอขาย

ตวแปร คาท�กาหนด จานวนโหนด 10, 20, 30 และ 40 ตว ขนาดเฮดเดอร 25 bytes ขนาดเครอขาย 100 x 100 m. ระยะการสงขอมลสงสด 100m.

การจาลองจะกาหนดใหชวงคาของการสมคาหนวงเวลาใหอยในชวง 0.0 – 3.0

(โดยเพ�มคาคร0 งละ 0.1) และมจานวนโหนดท�ทาการตอบกลบจานวน10, 20, 30 และ 40 ตว ไดผลดงรปท� 4-2

รปท� 4-2 ผลการจาลองการตอบกลบของตวโหนดขางเคยง

39

จากรปท� 4-2 แสดงถงผลของการตอบกลบของตวโหนดขางเคยงโดยทาการกาหนดชวงคาในการสมคาหนวงของการตอบกลบ กราฟ (a) ในรปท� 4-2 แสดงจานวนเปอรเซนตโหนดท�ทาการตอบกลบสาเรจเม�อมการใชชวงของการสมคาหนวงเวลาจาก 0 – 3.0พบวาเม�อเพ�มคาหนวงเวลาไปจนถง 1.5 วนาท เปอรเซนตโหนดท�ตอบกลบสาเรจจะเขาสสภาวะคงท�ท�มากกวา 80% โดยแนวโนมของผลท�ไดจะเหมอนกนไมวาจานวนโหนดจะเปล�ยนแปลงไป ดงน0นหากตองการจานวนโหนดท�สามารถตอบกลบสาเรจมากกวา 80% ควรกาหนดชวงคาการสมไวท�มากกวา 1.0

จากกราฟ (b) ในรปท� 4-2 แสดงคาเวลารวมท�ใชในการตอบกลบของตวโหนดท0งหมดมหนวยเปนวนาท โดยจะเหนวาการกาหนดชวงคาการสมของเวลาหนวงน0นมผลกระทบโดยตรงตอเวลารวม ย�งคาชวงในการสมกวางข0นเทาไหรคาเวลารวมท�ใชจะมากข0นเร� อยๆ หากระบบคานงถงเวลาท�ใชในการจดการระบบมากกวาจานวนโหนดแลว ควรท�จะกาหนดคาชวงในการสมใหเหมาระสมตอไป ท0งน0กข0นอยกบรปแบบของงานประยกตท�ใช แลวจงทาการกาหนดคาชวงใหเหมาะสมตอไป โดยในการจาลองน0จะใชคาชวงเวลาหนวงท� 0-1.0 วนาท ซ� งคาเวลาหนวงน0สงผลใหเวลาในการจดสรางเครอขายอยท�เวลาประมาณ 10 – 15 วนาท

4.3 จาลองการทางานรวมท@งระบบของโพรโทคอล การทดลองน0 จะทาการจาลองการทางานบน NS-2 กาหนดคาพลงงานเร�มตนของ

โหนดท0งหมดไวท� 0.5 จล โดยโหนดแตละตวใชกาลงงานในการรบขอมล 64.8mW ใชกาลงงานในการสงขอมล 74.4 mW และคากาลงงานในชวงหยดน�ง 5.52 µW กาหนดขนาดเครอขายสาหรบทดสอบไวท0งหมด 3 ขนาดคอ 100x100, 250x250 และ 400 x 400 เมตร กาหนดจานวนโหนดท0งหมดในเครอขาย 100, 150 และ 200 ตว กระจายตวแบบสม (uniform) ภายในพ0นท�เครอขายกาหนดใหระยะในการรบสงขอมลอยท� 100 เมตร สวนตวแปรท�สาคญอ�นกาหนดคาดงตารางท� 4-3

ตารางท� 4-3 แสดงคาตวแปรในการจาลองการทางานบน NS-2

ตวแปร คาท�กาหนด กาลงงานการสงขอมล 74.4 mW กาลงงานการรบขอมล 64.8 mW กาลงงานขณะหยดน�ง 5.52 µW ช0น MAC และ PHY IEEE 802.15.4 จานวนโหนด 100, 150, 200 ตว

พลงงานเร�มตนขนาดขอมลขนาดเฮดเดอรขนาดเครอขาย

การกระจายตวโหนดระยะการสงขอมลสงสดพกดสถานฐาน

จากรปท� สเขยวแทนการจาลองเครอขายขนาด 400x400 เมตร จากกราฟในคา PDR ท�ไดอยในชวง 70

พลงงานเร�มตน 0.5J ขนาดขอมล 100 bytes ขนาดเฮดเดอร 25 bytes ขนาดเครอขาย 100 x 100 m.

250 x 250 m. 400 x 400m.

การกระจายตวโหนด uniform ระยะการสงขอมลสงสด 100m. พกดสถานฐาน ก�งกลางเครอขาย

รปท� 4-3 คา PDR ของโพรโทคอลท�ออกแบบ

รปท� 4-3 เสนกราฟสน0 าเงนแทนการจาลองเครอขายขนาด สเขยวแทนการจาลองเครอขายขนาด 250x250 เมตร และเสนสแดงแทนการจาลองเครอขายขนาด

เมตร จากกราฟในรปท� 4-3 จะเหนวาคา PDR ในเครอขายขนาดตางๆหางกนไมมาก โดย70-80% ในเครอขายท�มขนาดเลกคอ 100x100 เมตรใหคา

40

เสนกราฟสน0 าเงนแทนการจาลองเครอขายขนาด 100x100 เมตร เสนเมตร และเสนสแดงแทนการจาลองเครอขายขนาด

ในเครอขายขนาดตางๆหางกนไมมาก โดยเมตรใหคา PDR ท�นอยกวา

ขนาดเครอขายท�ใหญข0น เน�องจากขอมลสงข0น คา PDR จง250x250 เมตร และ 400x400

จากผลการทดลองน0 จะเหนวาโพรโทคอลท�ออกแบบขนาดใหญไดดไมตางจากทางานบนเครอขายขนาดเลกมคาใกลเคยงกนในเครอขายท�มขนาดใหญข0น ใหมจากโพรโทคอล LEACH

รปท� 4-4

จากรปท� เครอขายขนาด 100x100 เมตร ณ เวลาตางๆ โดยจะเหนวาเม�อเครอขายเร�มทางานจะเร�มลดลงจนเหลออยท�คาประมาณเน�องจากพลงงานหมด หรออาจหยดทางานดวยเหตผลอ�นๆเชน เครอขายโดยรวมไมสามารถทางานไดอก เปนตน

ขนาดเครอขายท�ใหญข0น เน�องจาก ความหนาแนนของโหนดสง ทาใหโอกาสเกดการชนกนของจงนอยกวาขนาดเครอขายท�ใหญข0น และเม�อเครอขายมขนาดใหญข0นคอ

400x400 เมตร จะเหนวาคา PDR มากข0น กผลการทดลองน0 จะเหนวาโพรโทคอลท�ออกแบบ มการทางานบนเครอขาย

ไมตางจากทางานบนเครอขายขนาดเลก ซ� งจะเหนไดจากคาอตราการสงขอมลสาเรจในเครอขายท�มขนาดใหญข0น เปนผลมาจากการคดเลอกโหนดหวหนา

LEACH

4 คาพลงงานเฉล�ยท�ใชบนเครอขายขนาด 100x100 เมตร

รปท� 4-4 เปนกราฟแสดงคาพลงงานเฉล�ยรวมของโหนดท0งหมดเมตร ณ เวลาตางๆ โดยจะเหนวาเม�อเครอขายเร�มทางาน

จะเร�มลดลงจนเหลออยท�คาประมาณ 10-20 จล โหนดภายในเครอขายเร�มมการหยดทางานเน�องจากพลงงานหมด หรออาจหยดทางานดวยเหตผลอ�นๆเชน โหนดบางตวหมดพลงงานทาใหเครอขายโดยรวมไมสามารถทางานไดอก เปนตน ทาใหคาพลงเร�มลดชาลงจนก

41

ทาใหโอกาสเกดการชนกนของและเม�อเครอขายมขนาดใหญข0นคอ

มการทางานบนเครอขายซ� งจะเหนไดจากคาอตราการสงขอมลสาเรจ

เปนผลมาจากการคดเลอกโหนดหวหนาท�พฒนาข0น

เมตร

รวมของโหนดท0งหมดท�เหลออยของเมตร ณ เวลาตางๆ โดยจะเหนวาเม�อเครอขายเร�มทางานพลงงานท�เหลออย

โหนดภายในเครอขายเร�มมการหยดทางานโหนดบางตวหมดพลงงานทาให

ทาใหคาพลงเร�มลดชาลงจนกระท�งคอนขางคงท�

โดยจดท�เสนกราฟเร�มลดระดบชาลงน0น เวลาชวตของเครอขาย (Network lifetime)

จากกราฟจะลดชากวาเครอขายท�มจานวนโหนดมากกวา เน�องจากในการรบสงขอมลในแตละคร0 งจะมการใชคาพลงงานจานวนหน�ง ดงน0นเม�อจานวนโหนดมจานวนมากในขณะท�ขนาดของเครอขายเทากน หรอความหนาแนนของตวโหนดภายในเครอขาย ทาการสงขอมลออกมาโหนดรอบขางจะสญเสยและหากมการสงขอมลพรอมๆกนหลายโหนดจะเกดการชนกนของขอมลตองสงขอมลดงกลาวใหมอกคร0 ง

ปจจยเร� องของความหนาแนนโหนดจงเปนประเดนท�ควรศกษาตอไป ความหนาแนนของโหนดสงผลกระทบตอการใชพลงงานในเร�องการรบสงขอมล โดยความหนาแนนท�มากเกนความจาเปน จะทาใหเกดการรบสงขอมลท�ไรประโยชนเน�องจากการรบสงขอมลของโหนดกระทาโดยผานคล�นวทย ทาใหไมวาจะรบหรอสงขอมลแตละคร0 งจะสงผลตอพลงงานของโหนดจานวนหน�งท�อยรอบๆ แนวทางแกไขอาจจะทาการปดโหนดท�ไมจาเปน หรอจดการการใชชองสญญาณในการรบสงขอมลใหมประสทธภาพ ลดการชนกนของขอมล และรบสงขอมลท�ไมจาเปนลง

รปท� 4-5

เร�มลดระดบชาลงน0น สะทอนถงชวงเวลาท�เครอขายกาลงจะหยดทางานลง หรอ(Network lifetime)

จากกราฟยงพบอกวาหากจานวนโหนดภายในเครอขายมจานวนนอย คาพลงงานจะลดชากวาเครอขายท�มจานวนโหนดมากกวา เน�องจากในการรบสงขอมลในแตละคร0 งจะมการใช

งงานจานวนหน�ง ดงน0นเม�อจานวนโหนดมจานวนมากในขณะท�ขนาดของเครอขายเทากน หรอความหนาแนนของตวโหนดภายในเครอขาย (Node density) มคาสง เม�อโหนดใดโหนดหน�งทาการสงขอมลออกมาโหนดรอบขางจะสญเสยพลงงานไปดวยสวนหน�งในการรบขอมล

สงขอมลพรอมๆกนหลายโหนดจะเกดการชนกนของขอมล (data collision) ตองสงขอมลดงกลาวใหมอกคร0 ง

ปจจยเร� องของความหนาแนนโหนดจงเปนประเดนท�ควรศกษาตอไป ความของโหนดสงผลกระทบตอการใชพลงงานในเร�องการรบสงขอมล โดยความหนาแนนท�

เกนความจาเปน จะทาใหเกดการรบสงขอมลท�ไรประโยชนเน�องจากการรบสงขอมลของโหนดกระทาโดยผานคล�นวทย ทาใหไมวาจะรบหรอสงขอมลแตละคร0 งจะสงผลตอพลงงานของโหนดจานวนหน�งท�อยรอบๆ แนวทางแกไขอาจจะทาการปดโหนดท�ไมจาเปน หรอจดการการใช

ญญาณในการรบสงขอมลใหมประสทธภาพ ลดการชนกนของขอมล และรบสงขอมลท�ไม

5 คาพลงงานเฉล�ยท�ใชบนเครอขายขนาด 250x250 เมตร

42

สะทอนถงชวงเวลาท�เครอขายกาลงจะหยดทางานลง หรอ

หนดภายในเครอขายมจานวนนอย คาพลงงานจะลดชากวาเครอขายท�มจานวนโหนดมากกวา เน�องจากในการรบสงขอมลในแตละคร0 งจะมการใช

งงานจานวนหน�ง ดงน0นเม�อจานวนโหนดมจานวนมากในขณะท�ขนาดของเครอขายเทากน มคาสง เม�อโหนดใดโหนดหน�ง

งในการรบขอมลดงกลาว (data collision) ทาให

ปจจยเร� องของความหนาแนนโหนดจงเปนประเดนท�ควรศกษาตอไป ความของโหนดสงผลกระทบตอการใชพลงงานในเร�องการรบสงขอมล โดยความหนาแนนท�

เกนความจาเปน จะทาใหเกดการรบสงขอมลท�ไรประโยชนเน�องจากการรบสงขอมลของโหนดกระทาโดยผานคล�นวทย ทาใหไมวาจะรบหรอสงขอมลแตละคร0 งจะสงผลตอพลงงานของโหนดจานวนหน�งท�อยรอบๆ แนวทางแกไขอาจจะทาการปดโหนดท�ไมจาเปน หรอจดการการใช

ญญาณในการรบสงขอมลใหมประสทธภาพ ลดการชนกนของขอมล และรบสงขอมลท�ไม

เมตร

ในรปท� 4เหนวาพฤตกรรมยงคงไมตางไปจากเครอขายขนาดเลก เม�อทาการจาลองเครอขายท0งสองขนาดแลว สงเกตไดวาจานวนโหนดกบคาพลงงานเฉล�ยสรปท� 4-4 คาพลงงานเฉล�ยสดทายของจานวนโหนด กราฟน0 คาพลงงานเฉล�ยสดทายท�เพราะการใชพลงงานน0นข0นกบลกษณะโครงสรางเครอขาย

รปท� ของโพรโทคอลท�ออกแบบและ

จากกราฟในโดยคาเวลาดงกลาวจะแสดงใหเหนถการใชพลงงานเปนไปอยางมประสทธภาพ เวลาท�โหนดจะเร�มหมดพลงงานจะตองใชเวลานาน เสนกราฟสน0 าเงนจะแสดงเวลาท�โหนดตวแรกหมดพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบ ซ� งจะเหนวาจะมคาสงกวาเวลาในเสนกราฟสเขยวซ�กระจายพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบสามารถทาไดดกวาโพรโทคอล

4-5 แสดงคาพลงงานเฉล�ยท�เหลอของเครอขายขนาด เหนวาพฤตกรรมยงคงไมตางไปจากเครอขายขนาดเลก เม�อทาการจาลองเครอขายท0งสองขนาดแลว

วาจานวนโหนดกบคาพลงงานเฉล�ยสดทาย ไมสมพนธกนโดยตรงเน�องจากจะพบวาในคาพลงงานเฉล�ยสดทายของจานวนโหนด 150 ตวมคาต�ากวาจานวนโหนด

ล�ยสดทายท�ต �าสดเปนของการจาลองเครอขายท�จานวนโหนด เพราะการใชพลงงานน0นข0นกบลกษณะโครงสรางเครอขาย (Topology) อกดวย

รปท� 4-6 เปรยบเทยบเวลาท�โหนดตวแรกหมดพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH ในเครอขายขนาด 100x100

จากกราฟในรปท� 4-6 เปนคาเวลาท�โหนดในเครอขายหมดเร�มพลงงานเปนตวแรกโดยคาเวลาดงกลาวจะแสดงใหเหนถงการกระจายการใชพลงงานในเครอขาย หากวาการกระจายการใชพลงงานเปนไปอยางมประสทธภาพ เวลาท�โหนดจะเร�มหมดพลงงานจะตองใชเวลานาน เสนกราฟสน0 าเงนจะแสดงเวลาท�โหนดตวแรกหมดพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบ ซ� งจะเหนวาจะมคาสงกวาเวลาในเสนกราฟสเขยวซ� งเปนของโพรโทคอล LEACH กระจายพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบสามารถทาไดดกวาโพรโทคอล LEACH

43

แสดงคาพลงงานเฉล�ยท�เหลอของเครอขายขนาด 250x250 เมตร จะเหนวาพฤตกรรมยงคงไมตางไปจากเครอขายขนาดเลก เม�อทาการจาลองเครอขายท0งสองขนาดแลว

โดยตรงเน�องจากจะพบวาในตวมคาต�ากวาจานวนโหนด 200 ตว แตใน

ต�าสดเปนของการจาลองเครอขายท�จานวนโหนด 200 ตว เปนอกดวย

100x100 เมตร

เปนคาเวลาท�โหนดในเครอขายหมดเร�มพลงงานเปนตวแรก งการกระจายการใชพลงงานในเครอขาย หากวาการกระจาย

การใชพลงงานเปนไปอยางมประสทธภาพ เวลาท�โหนดจะเร�มหมดพลงงานจะตองใชเวลานาน เสนกราฟสน0 าเงนจะแสดงเวลาท�โหนดตวแรกหมดพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบ ซ� งจะเหน

LEACH แสดงใหเหนวา การLEACH

รปท� ของโพรโทคอลท�ออกแบบและ

จากรปท� เครอขายสามารถทางานไดมากนก เปนเพราะขนาดท�เปล�ยนไปของเครอขายมผลตอการใชพลงงานของโหนดในเครอขายสาหรบกาลงสงท�มากข0นเทาพลงงานเปนตวแรก ไมแตกตางจากขนาดของเครอขายท�เลกเทาน0นท0งน0 ข0นกบโครงสรางของเครอขายดวย ดงท�เหนจากผลของเครอขายท�มจานวนโหนด ตวและ 100 ตวบนเครอขายขนาด

รปท� 4-7 เปรยบเทยบเวลาท�โหนดตวแรกหมดพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH ในเครอขายขนาด 250x250

รปท� 4-7 จะพบวาขนาดท�เปล�ยนไปของเครอขายไมสงผลกระทบตอเวลาท�เครอขายสามารถทางานไดมากนก เปนเพราะขนาดท�เปล�ยนไปของเครอขายมผลตอการใชพลงงานของโหนดในเครอขายสาหรบกาลงสงท�มากข0นเทาน0น ทาใหเวลาท�โหนดในเครอขายหมดเร� ม

ไมแตกตางจากขนาดของเครอขายท�เลกกวา หรออาจแตกตางเพยงเลกนอยเทาน0นท0งน0 ข0นกบโครงสรางของเครอขายดวย ดงท�เหนจากผลของเครอขายท�มจานวนโหนด

ตวบนเครอขายขนาด 250x250 เมตร ของโพรโทคอล LEACH คาเวลา

44

x250 เมตร

จะพบวาขนาดท�เปล�ยนไปของเครอขายไมสงผลกระทบตอเวลาท�เครอขายสามารถทางานไดมากนก เปนเพราะขนาดท�เปล�ยนไปของเครอขายมผลตอการใชพลงงาน

ท�โหนดในเครอขายหมดเร� มวา หรออาจแตกตางเพยงเลกนอย

เทาน0นท0งน0 ข0นกบโครงสรางของเครอขายดวย ดงท�เหนจากผลของเครอขายท�มจานวนโหนด 200 คาเวลาตางกนไมมาก

รปท� 4-

จากรปท� อตราสวนในการรบสงขอมลขอความท�โหนดตนทางทาการสงและจานวนขอความท�โหนดปลายทางไดรบ น0จะใหความสนใจในระดบช0น ฐานและโหนดตนทางคอโหนดท0 งหมดภายในเครอขาย จากกราฟโพรโทคอลท�ออกแบบใหคาท�ประมาณท�ประมาณ 70-85 % ดวยขนาดเครอขายท�มขนาดเลก โพรโทคอลท�ออกแบบมการจดการท�ซบซอนกวาโพรโทคอล LEACH ทาใหทางานอยบนเครอขายท�มขนาดเลกไดแตใหผลท�ต �ากวาโพรโทคอล LEACH อยเลกนอย จากกราฟPDR จะลดลงเน�องจากมจานวนขอมลท�สงผานในเครอขายจานวนมากข0น เปนเหตใหการชนของขอมลสงข0นตามไปดวย

จากกราฟสงผลกระทบตอการรบสงขอมลเปนอยางมาก โดยตว บนเครอขายขนาด 100x100

-8 เปรยบเทยบคา PDR ท�ไดจากโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH บนเครอขายขนาด 100x100 เมตร

รปท� 4-8 เปนกราฟแสดงคา PDR ณ สถานฐานโดยคา อตราสวนในการรบสงขอมลท�สาเรจ คา PDR สามารถคานวณไดจากอตราสวนของจานวนขอความท�โหนดตนทางทาการสงและจานวนขอความท�โหนดปลายทางไดรบ

สนใจในระดบช0น transport layer ดงสมการท� (4) โดยในท�น0 โหนดปลายทางคอสถานฐานและโหนดตนทางคอโหนดท0 งหมดภายในเครอขาย จากกราฟจะเหนวาคา โพรโทคอลท�ออกแบบใหคาท�ประมาณ 70-78% และของโพรโทคอล LEACH

ดวยขนาดเครอขายท�มขนาดเลก โพรโทคอลท�ออกแบบมการจดการท�ซบซอนทาใหทางานอยบนเครอขายท�มขนาดเลกไดแตใหผลท�ต �ากวาโพรโทคอล

อยเลกนอย จากกราฟจะสงเกตวาเม�อจานวนโหนดมากข0น จานวนขอมลจะเพ�มข0น แต จะลดลงเน�องจากมจานวนขอมลท�สงผานในเครอขายจานวนมากข0น เปนเหตให

สงข0นตามไปดวย

จากกราฟในรปท� 4-8 แสดงใหเหนวาเครอขายท�มความหนาแนนของโหนดสงสงผลกระทบตอการรบสงขอมลเปนอยางมาก โดยพบวาเม�อทาการจาลองเครอขาย

100x100 เมตร จะใหคา PDR ท�ประมาณ 72% เทาน0น สาเหตมาจากเม�

45

ท�ไดจากโพรโทคอลท�ออกแบบ

สถานฐานโดยคา PDR แสดงถงอตราสวนของจานวน

ขอความท�โหนดตนทางทาการสงและจานวนขอความท�โหนดปลายทางไดรบ ในวทยานพนธฉบบโดยในท�น0 โหนดปลายทางคอสถาน

จะเหนวาคา PDR ของ LEACH สามารถใหคา PDR

ดวยขนาดเครอขายท�มขนาดเลก โพรโทคอลท�ออกแบบมการจดการท�ซบซอนทาใหทางานอยบนเครอขายท�มขนาดเลกไดแตใหผลท�ต �ากวาโพรโทคอล

เม�อจานวนโหนดมากข0น จานวนขอมลจะเพ�มข0น แต จะลดลงเน�องจากมจานวนขอมลท�สงผานในเครอขายจานวนมากข0น เปนเหตใหโอกาสเกด

ความหนาแนนของโหนดสงจะวาเม�อทาการจาลองเครอขายท�มโหนด 200

สาเหตมาจากเม�อความ

หนาแนนของโหนดมสง ทาใหมาก คา PDR ท�ไดจงลดลง

รปท�

ในรปท� 4เครอขายท�มจานวนโหนด เครอขายลดลง) สงผลใหคา หาเสนทาง LEACH กลบต�าลงเกนไปจะสงผลใหการสงขอมลมายงสถานฐานคอนขางมทางเลอกนอยลงดวยจานวนโหนดท�นอยน0นเอง อกท0งโพรโทคอล โหนดหวหนาไมอาจควบคมได การสงขอมลไปยงสถานฐานจงเปนไปไดยากมาก

หนาแนนของโหนดมสง ทาใหเกดการชนกนของขอมลสงข0นและขอมลเกดการสญหายเปนจานท�ไดจงลดลง

รปท� 4-9 เปรยบเทยบคา PDR ของโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH บนเครอขายขนาด 250x250 เมตร

4-9 แสดงคา PDR ของเครอขายขนาด 250x250 เมตร จากกราฟน0จะเครอขายท�มจานวนโหนด 200 ตวเม�อทางานอยบนเครอขายท�มขนาดใหญ (มคาความหนาแนนของ

สงผลใหคา PDR สงข0นอยางเหนไดชด ในทางกลบกนคา PDR กลบต�าลง สาเหตมาจากหากคาความหนาแนของตวโหนดในเครอขายต�า

เกนไปจะสงผลใหการสงขอมลมายงสถานฐานคอนขางมทางเลอกนอยลงดวยจานวนโหนดท�นอยอกท0งโพรโทคอล LEACH ใชการเลอกโหนดหวหนาดวยความนาจะเปนทาใหการกระจาย

โหนดหวหนาไมอาจควบคมได การสงขอมลไปยงสถานฐานจงเปนไปไดยากมาก

46

ขอมลเกดการสญหายเปนจานวน

โพรโทคอลท�ออกแบบ

เมตร จากกราฟน0จะพบวา คาความหนาแนนของ

PDR ของโพรโทคอลคนสาเหตมาจากหากคาความหนาแนของตวโหนดในเครอขายต�า

เกนไปจะสงผลใหการสงขอมลมายงสถานฐานคอนขางมทางเลอกนอยลงดวยจานวนโหนดท�นอยใชการเลอกโหนดหวหนาดวยความนาจะเปนทาใหการกระจาย

โหนดหวหนาไมอาจควบคมได การสงขอมลไปยงสถานฐานจงเปนไปไดยากมาก

รปท� 4-10

จากรปท� ของจานวนโหนดตางๆมคาใกลเคยงกน แสดงใหเหนถงการทางานของโขนาดใหญไดอยางไมมปญหาใกลเคยงเครอขายขนาดอ�น ต�าลงกวาเครอขายขนาด 250x250 หวหนาในโพรโทคอล LEACH

10 เปรยบเทยบคา PDR ของของโพรโทคอลท�ออกแบบและ LEACH บนเครอขาย 400x400 เมตร

รปท� 4-10แสดงคา PDR ของเครอขายขนาด 400x400 เมตร จะของจานวนโหนดตางๆมคาใกลเคยงกน แสดงใหเหนถงการทางานของโพรโทคอลบนเครอขายท�มขนาดใหญไดอยางไมมปญหา ในสวนของเครอขายท�มจานวนโหนด 200 ตวสามารถใหคา

เครอขายขนาดอ�น กลบกนโพรโทคอลคนหาเสนทาง LEACH กลบทาใหคา 250x250 ลงไปอก ดวยขนาดเครอขายท�ใหญข0นทาใหตาแหนงของโหนด

LEACH มโอกาสอยหางไกลจากสถานฐานมากข0นไปอก

47

ของโพรโทคอลท�ออกแบบ

เมตร จะพบวาคา PDR พรโทคอลบนเครอขายท�ม

ตวสามารถใหคา PDR ท�กลบทาใหคา PDR ท�ได

ลงไปอก ดวยขนาดเครอขายท�ใหญข0นทาใหตาแหนงของโหนดมโอกาสอยหางไกลจากสถานฐานมากข0นไปอก

48

บทท� 5 สรปผลการทดลองและขอเสนอแนะ

ในบทน0จะกลาวถงบทสรปจากผลการทดลองและขอเสนอแนะจากผลการทดลองท�เกดข0 น เพ�อจะเปนประโยชนในการพฒนาโพรโทคอลบนเครอขายเซนเซอรไรสายตอไปในอนาคต

5.1 สรปผลการวจย โพรโทคอลท�ทาการออกแบบมความยดหยนในการทางานบนเครอขายขนาดตางๆ

ได เน�องจากในการจดกลมหรอคนหาเสนทางไปยงสถานฐานน0น ไดใชระยะทางความสามารถในการรบสงขอมลของตวโหนดเปนประการสาคญ ในการเลอกเสนทางของขอมลในเครอขายดงจะเหนไดจากผลการทดลองในบทท� 4 รปท� 4-1และรปท� 4-3 ในทางกลบกนโพรโทคอล LEACH สามารถทางานไดบนเครอขายขนาดเลกไดคอนขางด แตเม�อเครอขายมขนาดท�ใหญข0น โพรโทคอล LEACH คอนขางมปญหาในการสงขอมลไปยงสถานฐานโดยมคา PDR ลดลงถง 50% จะเหนวาคา PDR ท�ไดจากโพรโทคอลท�ออกแบบในเครอขายขนาดตางๆ จะใหคาท�ไมตางกนมาก ในขณะท�โพรโทคอล LEACH เม�อขนาดเครอขายใหญข0นคา PDR ท�ไดจะลดต�าลงคอนขางมาก ซ� งขนาดเครอขายท�โพรโทคอลท�ออกแบบสามารถทางานไดดกวาโพรโทคอล LEACH อยางชดเจนน0นจะตองมขนาดท�ใหญกวาระยะการส�อสารของโหนด ซ� งใหคา

การทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบน0 มแนวความคดหลกคอ ทาการจดรปแบบของเครอขายใหมลกษณะเปนกลมในแบบตอเน�องกนเปนช0 นๆหรอท� เ รยกวา Hierarchical Clustering ในแตละช0นจะมตวโหนดจานวนหน�งท�ทาหนาท�เปนโหนดหวหนา โดยโหนดหวหนาจะเปนตวโหนดท�รบขอมลจากโหนดช0นถดไปจากช0นท�ตวมนอยหน� งช0น และทาการสงขอมลท0งหมดตอไปยงโหนดหวหนาของช0นหนอมนข0นไปอกหน� งช0น การรบสงขอมลน0นจะเกดข0 นหลงจากทาการจดรปแบบเครอขายออกเปนช0นๆแลวน0น แตละช0นจะเร�มทาการสงขอมลข0นไปในแตละช0นจนถงสถานฐาน ในการสงขอมลจะใชวธการแบงชองเวลากนในแตละกลม ตวโหนดหวหนาจะทาการจดสรรชองเวลาภายในกลมช0นและสงออกไปยงโหนดภายในกลมท0งหมด

เน� องจากตวโหนดหวหนา มภาระงานท�มากกวาโหนดรบสงขอมลปกต เพราะฉะน0นโหนดหวหนาจะมการใชพลงงานมากกวา ระดบการใชพลงงานของโหนดปกต ทาใหจาเปนตองมการปรบเปล�ยนตวโหนดท�ทาหนาท�เปนโหนดหวหนาในกรณท�ระดบพลงงานต�ากวา

49

กาหนด ซ� งสถานฐานจะเปนผทาการตดสนใจเลอกตวโหนดของช0นแรกเสมอ ในสวนของช0ดถดๆมาจะเปนหนาท�ของตวโหนดหวหนาในการเลอกโหนดหวหนาของช0นถดๆมาตอๆไป

โพรโทคอลท�ออกแบบข0นใหมมการจดการเครอขายท�ซบซอนกวาโพรโทคอล LEACH เดมท�ออกแบบมาโดยเนนความเรยบงาย ทาใหการใชพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบมคาสงกวาโพรโทคอล LEACH แตระยะเวลาการทางานของเครอขายกอนท�โหนดตวแรกจะหมดพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบน0นมระยะเวลายาวนานกวาโพรโทคอล LEACH 1.42 เทา โดยระยะเวลาดงกลาวแสดงใหเหนถงการกระจายการใชพลงงานในเครอขายของโพรโทคอลท�ออกแบบสามารถทาไดดกวาโพรโทคอล LEACH ทาใหการใชพลงงานจนหมดของโหนดตวแรกในเครอขายเกดข0นชากวาโพรโทคอล LEACH

5.2 ปญหาท�พบ ในการทางานของตวโพรโทคอลสามารถทางานไดบนเครอขายท�มขนาดใหญข0น

แตในเร�องของความครอบคลมของตวโหนดภายในเครอขายยงถอวาคอนขางต�า เน�องมาจากเหตผลท�วาในการเลอกโหนด CH ไมสามารถควบคมได ทาใหทศทางในการเช�อมตอมโอกาสมงไปในทศทางเดยวได

ในพ0นท�เครอขายการกระจายของตวโหนดท�มความสาคญ เน�องจากในการสรางการเช�อมตอของกลมท�มสมาชกโหนดมากจะใชเวลาในการสรางการเช�อมตอภายในกลมนาน ดวยเหตวาตวโหนดท0งหมดใชชองสญญาณเดยวกนจงไมสามารถทาการรบสงขอมลพรอมกนไดในเวลาเดยวกน มฉะน0นจะเกดการชนกนของขอมล (collision) ทาใหหากโหนดมการกระจายตวไมสม�าเสมอ กลมโหนดแตละกลมจาเปนตองรอการจดการเปนเวลาคอนขางนานไปดวย

50

รปท� 5-1 ผลการจาลองการสรางแครอขายของจานวนโหนด 100 ตว

จากรปท� 5-1 แสดงผลการจาลองการเช�อมตอเครอขายของจานวนโหนด 100 ตวในรอบตางๆ โดยจะเหนวาในรอบท� 1 การกระจายตวของกลมยงคอนขางด มตวโหนดท�ไมไดเขารวมกลมใดๆเลยเพยงไมก�โหนด ซ� งโหนดดงกลาวสวนใหญจะอยตามขอบของพ0นท�เครอขายถงยากตอการเช�อมตอกบโหนดใดๆ เม�อเขาสในรอบท� 2 จะเหนวาการกระจายตวของกลมเบนไปฝ�งขวาเพยงฝงเดยว เน�องจากในการเลอกโหนดหวหนาจากสถานฐานไมสามารถกาหนดทศทางได จงมโอกาสเปนไปไดท�จะเกดกรณดงกลาว คอทศทางการเช�อมตอของเครอขายมงไปยงทศทางเดยว ทาใหเครอขายมการเช�อมตอไปทางฝ�งเดยวดงภาพ การเช�อมตอจงไมท�วถง และอกเหตผลประการหน� งคอ ในรอบหลงๆโหนดตางๆในเครอขายมการใชพลงงานจนหมด หรอโหนดเกดขดของไมสามารถเช�อมตอกบโหนดอ�นไดอก ทาใหการเช�อมตอไปยงสถานฐานมทางเลอกนอยลง การเช�อมตอเครอขายจงเปนไปไดยากข0นเร�อยๆในรอบหลงๆ

51

5.3 ขอเสนอแนะ

รปท� 5-2 เปรยบเทยบการใชพลงงานระหวางโพรโทคอลท�ออกแบบ และโพรโทคอล LEACH

โพรโทคอลท�ออกแบบไดพฒนาการทางานจากโพรโทคอล LEACH โดยเพ�มการจดการในสวนของการเลอกโหนดหวหนา การรบสงขอมลภายในเครอขาย อกท0งพฒนาในสวนของการเปล�ยนโหนดหวหนา ทาใหการทางานของโพรโทคอลท�ออกแบบน0 นมการจดการท�ซบซอนกวาโพรโทคอล LEACH คอนขางมาก เพ�อการทางานท�มประสทธภาพมากย�งข0นบนเครอขายท�มขนาดหลากหลาย ทาใหการใชพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบคอนขางสงกวา โพรโทคอล LEACH ดงแสดงในรปท� 5-2 โดยจากกราฟ (a) จะแสดงการใชพลงงานในเครอขายของโพรโทคอลท�ออกแบบ จะเหนวาเสนกราฟลดลงเรวกวาเสนกราฟในกราฟ (b) ซ� งแสดงการใชพลงงานของโพรโทคอล LEACH จากผลการทดลองในบทท� 4 จะเหนวาการทางานของ โพรโทคอลท�ออกแบบในสวนอ�นใหผลท� ดกวาการทางานของโพรโทคอล LEACH เม�อเปรยบเทยบผลการทดลองระหวางโพรโทคอลท�ออกแบบและโพรโทคอล LEACH ดงน0นผใชจงควรเลอกโพรโทคอลใหเหมาะสมกบงานประยกตท�ตองการใชงาน

แนวทางท�อาจจะชวยลดการใชพลงงานของโพรโทคอลท�ออกแบบอาจจาเปนตองพจารณาในสวนของโอเวอรเฮดท�เกดข0น เน�องจากโพรโทคอลท�ออกแบบน0 คานงถงการจดการเครอขายใหสามารถทางานไดบนเครอขายท�มขนาดหลากหลาย โดยในสวนน0 เม�อนามาพจารณาอยางละเอยดอาจทาการลดจานวนโอเวอรเฮดท�เกดข0นลงได ทาใหการใชพลงงานลดลงดวย

52

บรรณานกรม

[1] K. Akkaya and M. Younis, "A survey on routing protocols for wireless sensor networks" Ad Hoc Networks Journal, vol.3, no.3, pp.325–349, May 2005.

[2] V. Jolly and S. Latifi,”Comprehensive Study of Routing Management in Wireless Sensor Networks-Part-1”, in Proceedings of International Conference of Wireless Networks 2006 (ICWN 2006), pp.37-44, 2006.

[3] J. N. Al-Karaki and A. E. Kamal, "Routing techniques in wireless sensor networks: a survey," IEEE Wireless Comm., vol. 11, pp. 6-28, 2004.

[4] D. Estrin, R. Govindan, J. Heidemann, and S. Kumar, “Next century challenges: scalable coordination in sensor networks,” in Proceedings of ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking, pp. 263–270, August 1999.

[5] C. Intanagonwiwat, R. Govindan, and D. Estrin, “Directed diffusion: a scalable and robust communication paradigm for sensor networks,” in Proceedings of the 6th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MOBICOM '00), pp. 56–67, August 2000.

[6] M. Perillo and W. Heinzelman, "Wireless Sensor Network Protocols,'' Appears in Fundamental Algorithms and Protocols for Wireless and Mobile Networks”, CRC Hall, 2005.

[7] D. Braginsky and D. Estrin, "Rumor Routing Algorithm for Sensor Networks," in the Proceedings of the First Workshop on Sensor Networks and Applications (WSNA), pp.22-31, October 2002.

[8] A. Manjeshwar and D. P. Agrawal, "APTEEN: A Hybrid Protocol for Efficient Routing and Comprehensive Information Retrieval in Wireless Sensor Networks," in the Proceedings of the 2nd International Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile computing, pp.195-202, April 2002.

53

[9] S. Lindsey and C. S. Raghavendra, "PEGASIS: Power Efficient GAthering in Sensor Information Systems," in the Proceedings of the IEEE Aerospace Conference, pp. 3-1125-3-1130, March 2002.

[10] V. Jolly and S. Latifi,”Comprehensive Study of Routing Management in Wireless Sensor Networks-Part-2”, in Proceedings of International Conference of Wireless Networks 2006 (ICWN 2006), pp.49-62, 2006.

[11] Y. Xu, J. Heidemann, and D. Estrin, "Geography informed energy conservation for ad hoc routing," in the Proceedings of the 7th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom’01), pp.70-84, Rome, Italy, July 2001.

[12] L. Xia, X. Chen and X. Guan, “A New Gradient-Based Routing Protocol in Wireless Sensor Networks”, in Proceeding of International Conference on Embedded Software and Systems (ICESS), pp.318-325, 2004

[13] Endi B. Heizelman, Anantha P. Chandrakasan, and Hari Balakrishnan, “An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol 1. No. 4, pp. 35-80, October 2002.

[14] M. Bani Yassein, A. Al-zou'bi, Y. Khamayseh and W. Mardini , "Improvement on LEACH Protocol of Wireless Sensor Network (VLEACH) ", JDCTA: International Journal of Digital Content Technology and its Applications, Vol. 3, No. 2, pp. 132 - 136, 2009.

[15] F. Xiangning and S. Yulin, “Improvement on LEACH Protocol of Wireless Sensor Network”, in the Proceeding of International Conference on Sensor Technologies and Applications, pp. 260 - 264, Oct.2007.

[16] V. Loscri, G. Morabito, and S. Marano, “A two-levels hierarchy for low-energy adaptive clustering hierarchy (TL-LEACH),” in VTC-2005-Fall. 2005 IEEE 62nd Vehicular Technology Conference, pp. 1809-1813, 2005.

54

ภาคผนวก

55

ผลงานตพมพเผยแพรจากวทยานพนธ

56

57

58

59

60

61

62

ประวตผเขยน

ช�อ สกล นายธนวฒน หอจตรพธพร รหสประจาตวนกศกษา 5010120027 วฒการศกษา วฒ ช�อสถาบน ปท�สาเรจการศกษา วศวกรรมศาสตรบณฑต มหาวทยาลยสงขลานครนทร 2549 (วศวกรรมคอมพวเตอร) ทนการศกษา (ท�ไดรบระหวางการศกษา)

• ทนศษยกนกฏ คณะวศวกรรมศาสตร ประจาปการศกษา2550 การตพมพเผยแพรผลงาน

• T. Horjaturapittaporn, W. Suntiamorntut, “Scalable Routing Protocol in Wireless Sensor Networks”, Proceedings of International Conference on Computer and Communication Devices (ICCCD 2011), Bali Island, Indonesia, 1st-3rd April 2011, pp.V1-234 – V1-238.