在 IEEE 802.11 共存環境下 TSCH 多通道跳頻機制之效能分析

析

在 IEEE 802.11 共存環境下，其多跳之系統架構與第三章中對於單跳環境下 之實驗架構大致相同，但不同的是此次將佈建 2-hop 與 3-hop 的封包傳送環境。

本章節利用無線感測網路模擬器，分別進行 IEEE 802.15.4 DSSS 與 IEEE 802.15.4e

TSCH 的封包傳輸效能之測量。無線感測網路之網路拓樸如圖 4-3 所示，我們利 用節點 5 選擇鏈路品質較佳之路徑傳送 udp 封包至節點 1，並且於相同時間內傳 送 1000 筆 127 bytes 長度之 UDP 封包自節點 5 到節點 1。

Mote 1

Mote 2

Mote 3 Mote 4

Mote 5 Wifi AP

Wireshark

Source Destination

圖 4-3、The simulated network topology

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對照於表 4-1，不同鏈路有不同之封包接收率(PRR:Packet Receive Rate)，圖

4-4 為在 IEEE 802.15.4 DSSS 與 IEEE 802.15.4e TSCH 下，針對最佳路徑選擇之 比較。由圖中我們可以發現，由於節點 5-4-3-1 之鏈路品質相較於節點 5-2-1 鏈路 品質來得好，因此，模擬結果顯示，封包由節點 5-4-3-1 進行傳送。

圖 4-4、The better path selection

圖 4-5 為在 IEEE 802.15.4 DSSS 與 IEEE 802.15.4e TSCH 下，針對最佳路徑 選擇之理論值與實際模擬結果比較。如圖所示，當節點於 IEEE 802.15.4 DSSS 情 況下，各頻道平均封包接收率分別為 88%、89.8%、92.08%和 86.2%；理論值則 分別為 90.24%、92.12%、94.08%和 88.44%。而節點於 IEEE 802.15.4e TSCH 情

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況下，實際模擬之平均封包接收率與理論值分別為 98.1%和 1。由此可知，節點 於 IEEE 802.15.4 DSSS 下即使選擇具最佳封包接收率之路徑，其封包接收率依舊 相對於 IEEE 802.15.4e TSCH 情況下之封包接收率來的低。

圖 4-5、Average Packet Delivery Rate

圖 4-6 為 IEEE 802.15.4 DSSS 和 IEEE 802.15.4e TSCH 之間每一跳平均轉發 封包數之比較。由圖中我們可以清楚看到，節點 5 到節點 4 鏈路中，IEEE 802.15.4

DSSS 之 Channel 11、15、19、23 平均轉發封包數分別為 979、963、951 和 915 個封包；IEEE 802.15.4e TSCH 則平均轉發 992 個封包。而節點 4 到節點 3 鏈路 中，IEEE 802.15.4 DSSS 之 Channel 11、15、19、23 平均轉發封包數分別為 916、

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958、931 和 878 個封包；IEEE 802.15.4e TSCH 則平均轉發 987 個封包。節點 3 到節點 1 鏈路中，IEEE 802.15.4 DSSS 之 Channel 11、15、19、23 平均轉發封包 數分別為 880、898、929 和 862 個封包；IEEE 802.15.4e TSCH 則平均轉發 981 個封包。由此可以觀察到，以 IEEE 802.15.4e TSCH 跳頻模式傳送封包其平均轉 發封包數較 IEEE 802.15.4 DSSS 高。

圖 4-6、The Average Numbers of Forwarded Packets

由上述量測結果得知，節點同時於單一頻道環境下進行傳輸，由於該頻道之 封包傳輸率並非能保證所有路徑均有最佳之鏈路品質，因此傳輸效能相對降低；

倘若使用動態跳頻機制動態選擇最佳傳輸頻道進行封包傳輸，將可使傳輸效能大 幅的提升。

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4.2.1 多跳傳輸環境下的動態跳頻機制

圖 4-7 為多跳傳輸環境下的動態跳頻機制，當發送端節點要傳送 IPv6 封包時，

Root 會先發送廣播封包進行同步並等待 Ack 回覆，而接收到 Ack 後，網路層將 先檢查路由，再經由 Adaptation Layer 將 IPv6 封包切割為數個符合 IEEE 802.15.4e 規格之片段(Fragments)封包，之後透過媒體存取控制層(Media Access Layer)進行 時間同步通信並選擇最佳頻道進行跳頻傳輸，最後將這些片段封包逐一傳送出。

然而，Mesh-under 屬於 Adaptation Layer 中的路由機制，主要用於 6LoWPAN 內 部節點之封包傳送，並無使用任何到網路層之 IP 路由，從網路層送來的封包將 會被切割成數個符合 IEEE 802.15.4e 封包大小之片段封包，此片段封包將可透過 不同條路徑進行傳送，而中間的節點只進行轉發之動作，每經過一次節點轉發，

節點選擇最佳頻道進行跳頻傳輸，片段封包將在目的端節點進行封包之重組，封 包被送往 Adaptation Layer 進行重組，若有片段封包在傳輸過程中遺失，目的端 節點將會要求來源端節點重傳該完整封包，重複此動作直到片段封包可重組成功，

此方法雖可降低封包傳送之延遲，但若有任一片段封包遺失，可能將導致更大時 間之延遲。相較於傳統路由使用單一頻道進行傳輸，動態跳頻機制將動態選擇最 佳頻道進行封包傳輸，將可提升片段封包的傳輸可靠性，進而提高 IPv6 的封包 在端對端的接收成功率。

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Root Mote Mote Client

Adv synchronization Adv-ack

Adv synchronization Adv-ack

Sending fragement1

Packet

Sending fragement1 Fragement1 ack

Sending fragement2 Fragement2 ack Sending fragement1

Fragement1 ack

Sending fragement2 Fragement2 ack

Sending fragement2 Fragement2 ack 網路封包分析軟體(Wireshark)，觀察 UDP 封包大小來探討對於網路效能之影響。

因此，在測試環境的建構部份，本章節為實現 IEEE 802.15.4e TSCH 架構，並針 對同頻與跳頻間之效能分析與模擬，本研究透過 openWSN 無線感測網路模擬器，

分析節點同時於單一頻道環境下進行傳輸時之傳輸效率，由於該頻道之封包傳輸 率並非最佳鏈路品質，因此傳輸效能相對降低；倘若使用動態跳頻機制選擇最佳