公平性問題(Fairness Problem)

Mesh networks 其本質為 multi-hop wireless networks，所以在發生在 ad-hoc networks 中的“公平性問題，將會同樣發生在 mesh networks，一旦發生此問題，會造成距離 MPP 愈遠的節點，所能達到的最高傳送速度愈低的現象。

Mesh networks 中的”公平性問題”[15]，來自兩個原因，一、節點競爭(node contention)，

二、連結競爭(link contention)。圖 1.1(a)(b)中，皆在節點 N1 發生了節點競爭問題，由於 mesh networks 中的節點，通常以單一佇列方式存放接收到的封包，並沒有針對 local traffic 及 forward traffic 作分類，導致佇列中的封包，都被到達速度較高的 local traffic 的封包所 佔據，發生佇列分配不公平的現象，導致 N1 都只傳送本身的 local traffic，而完全忽略 N2 的封包，造成 mesh networks 中發生不公平的情況。圖 1.1(a)(b)為四個節點的串列拓 撲，其中 N1 與 N3 互為隱藏節點，兩者之間發生了連結競爭(link contention)現象，一旦 發生上述現象，將會造成 N1 及 N3 兩者之間所能成功傳送封包的機會，產生相當大的落 差，甚至造成 N3 完全無法成功將封包傳送至 N2。本小節茲就上述兩個問題，分別詳細 描述。

2.2.1 節點競爭(Node Contention)

Mesh networks 的節點中，接收封包的存放佇列上會有兩種類的封包: local traffic 封 包與 forward traffic 封包，如圖 2.2 所示。local traffic 的封包來自於該節點本身所產生以 及該節點所服務之 STAs 利用獨立的無線頻道所傳送過來之封包，由於封包都來由於一 個跳躍(one hop)以內的距離，到達速度較快；而 forward traffic 的封包，來自於網路中其 它節點所轉送，此一類別的封包，所經過之跳躍數(hop count)較大，到達速度較慢。由 於此兩種類之間的到達速度有所不同，若節點使用單一佇列 FCFS 演算法處理封包，將 會造成各節點中的佇列，都由較近端之節點所傳送過來之封包所佔據。佇列分布不平均 的現象，是造成”公平性問題”的一大主因。

圖 2.2: 節點內部佇列結構示意圖 

2.2.2 連結競爭(Link Contention)

802.11 MAC 中的 contention windows back-off 機制，其基本特性使用於 mesh networks，

會造成公平性問題的主因有二：一、back-off window；二、隱藏節點問題。

圖 2.3(a)中，N2 及 N3 處於同一 collision domain，而 N2 及 N3 基於 back-off window 機制，倒數至同一時間點，於相同時間點發出了資料封包(data packet)至下一節點(next hop)；其中，N2 的封包成功的傳送至下一節點 N1，而 N3 的封包在傳送至 N2 時，N2 正處於傳送封包的階段，並無法接收封包。兩個相鄰的節點，於相同的時間發送相同的 封包，但是由於 N2 及 N3 距離目的地節點的距離不同，在兩個節點之間，發生了不公平 的結果。隨著 N3 發送封包的失敗，將導致 N3 將自身的 back-off windows 再次加倍，並 參與下一次的競爭，由於此現象，更提高了 N2 成功傳送封包的機率，而相對的降低了 N3 的傳送機會。

(a) 末端兩節點的競爭情況 (b) 隱藏節點問題下的競爭情況

圖 2.3: 四節點發生連結競爭 

圖 2.3(b)中，其中 N1 及 N2 處於同一 collision domain，而 N2 及 N3 處於 single collision domain。N1、N2 及 N3 構成了 multiple collision domain，其中 N1 及 N3 互為隱藏節點，

當 N1 及 N3 同時發送封包至下一節點時，N1 得以成功將封包送達至 N0，而相對地，

N3 在傳送封包至 N2 時，N2 同時也接收到 N1 傳送封包的訊號干擾，導致 N3 所傳送的 封包，無法成功送達；而此現象一旦發生，亦會造成 N3 無法成功傳送封包，並發生如 前述現象，不斷將自身 back-off window 加倍，降低取得傳送機會的機率。

當兩個節點處於 single collision domain 之下，由於下一節點(next hop)的不同，導致 其中一個節點受到較不公平的對待，造成無法成功傳送封包；然而，當兩個同時競爭的 傳送機會的結點，互相處於 multiple collision domain，可以發現，距離 MPP 越遠的節點，

同時受到前述兩種情況的連結競爭，並於兩種情況之下，都發生較難取到傳送機會的狀 況，無法成功傳送封包。

為了解決隱藏節點問題，802.11 無線網路中的標準 RTS/CTS 機制，是一個最立即、

也最簡易的解決方案。觀察圖 2.4(a)中，啟用 RTS/CTS 機制，N1 及 N3 競爭傳送機會，

而 N3 藉由 RTS/CTS 機制，成功的在與 N1 的競爭之下，取得了傳送機會，得以成功傳 送封包至下一節點。接下來觀察圖 2.4(b)中，同樣的競爭情況，然而，此時，N1 在與 N3 的競爭之中，同樣藉由 RTS/CTS 機制，成功取得傳送機會；此時，從圖中可以觀察 到 N3 於 N1 的傳送期間，作了一次到三次的 RTS 傳送，由於此現象，造成 N3 不斷放大 自身的 back-off window，亦會降低節點 N3 取得傳送機會的機率。

(a) RTS/CTS 解決末端節點的競爭問題 (b) RTS/CTS 機制的副作用

圖 2.4: 使用 RTS/CTS 機制，解決公平性問題 

觀察上述現象，可以發現，RTS/CTS 雖然對 multiple collision domain 之下的節點競 爭，發生效果，降低不公平現象；然而，也同時造成了額外的副作用，由於其協定特性，

造成了更不公平的現象發生。歸結 RTS/CTS 機制所造成的現象，可以觀察到，其主要問 題在於 multiple collision domain 特性使然。圖 2.4(a)中，N1 藉由 N2 所傳送之 CTS 封包，

取得了 NAV 值，而得到所需的資訊，不會於 N3 的傳送期間，作不必要的封包傳送嘗試。

相對地，在 N1 成功利用 RTS/CTS 取得傳送機會時，只有相鄰 N1 的 N0 及 N2 能接收到 N1 的 RTS 封包，而 N2 於收到 N1 之 RTS 封包，並取得 NAV 資料時，並不會再將 NAV 資訊轉送至 N3，導致 N3 無法得知 NAV 資料，並會於 N1 傳送的過程中，不斷的嘗試傳 送，造成自身 back-off window 不斷加大。總結上述之現象，可以發現，RTS/CTS 機制只 適用於 802.11 infrastructure 結構，且只適用於 single collision domain，而在 multiple

collision domain 之下，即使發生了微幅的改善，並也會因其特性，造成額外的副作用。