A Queue-Based Low Power N Policy Method for Wireless Sensor Network

在無線感測網路的領域裡，電池壽命的問題已經變成一個相當重要的研究議題。因為無線感測網路所處環境的不確定性，當電池壽命用盡要置換電池或是進行充電，通常是難以完成的一件事情。所以已有一些研究開始針對延長電池壽命來進行發展與探討。 在此論文中，為了能夠量化影響系統能耗的各項參數，我們使用了佇列理論以及生死過程來建構數學模型。並且我們加上了睡眠模式來增強節能效果，以及有限度的佇列長度來貼近現實的電路情況。最後推導出系統總能耗的數學函式，並且以五個參數：資料輸入率、系統服務率、封包碰撞機率、佇列大小、佇列臨界值，作為實驗的輸入變數。 在本論文的實驗中，我們利用MATLAB輸入系統能耗的函式，分別針對五個變數分別進行驗證，觀察變數變化時對於各狀態機率的變化，進行推論與探討。最後以不同的資料輸入率來找出佇列臨界值N的最佳值，讓系統在資料輸入率變化時都可以讓系統能耗最小化。Recently, prolong the lifetime of sensor node has become an important issue in the research of the wireless sensor network. It is often that the battery of the sensor node can't be replaced or recharged because of the uncertainty of the environment. Therefore, there are some designs to extend the operational lifetime of the sensor node. In this paper, in order to quantize most of the factors that affect the system, we adopt Queueing theory and the state transition graph of Birth-Death Process to build a systematic model to analyze the probability of all states for the sensor node. Meanwhile, we considered the sleep state to reduce energy consumption of the system, and we used finite queue to make the model more realistic. Then we derived the formula of the total energy consumption of the system, which is controlled by five parameters such as input rate, service rate, collision probability, queue size, and queue threshold. We changed the parameters one at a time to show the effects of state probability. Finally, we derived optimal values of queue threshold N corresponding to each different data input rate. And these optimal values of N make the system designer have a lower power consumption and longer lifetime for the battery.中文摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 一、 簡介 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究背景 2 1.3 論文架構 3 二、相關研究 4 2.1 甦醒機制 4 2.2 S-MAC與STEM 5 2.3 佇列理論 5 三、系統架構與理論 6 3.1 系統環境與架構 6 3.2 系統的能量消耗 8 3.3 生死過程的狀態轉換圖 9 3.4 平衡方程式 11 四、實驗與討論 20 4.1 針對資料輸入率的變化 20 4.2 針對系統服務率的變化 22 4.3 針對封包碰撞機率的變化 24 4.4 針對佇列最大長度的變化 25 4.5 針對佇列臨界值的變化 26 4.6 最佳臨界值N 28 4.7 多點能量消耗 30 五、結論及未來研究方向 31 參考文獻 3