1.1 研究背景
台積電(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd)董事長張忠謀於 2014 年 3 月在臺灣半導體產業協會(Taiwan Semiconductor Industry Association, TSIA)發表「下一個發展」專題演講時，稱物聯網(Internet of Things, IoT)為下一個 未來的「Big Thing」。但早在國內於近年開始關注物聯網前，國外產業及學界已 研究此技術達數十年已久。早在 1995 年，微軟(Microsoft)創辦人暨董事長比爾‧
蓋茲(Bill Gates)初次提及物物互聯(Gates, 1995)的概念，只是當時受限於硬體、網 路及感測設備的發展，當時並未受太多人矚目。1998 年，美國麻省理工大學提出 了電子產品代碼(Electronic Product Code, EPC)(USA: MIT Auto-ID Center, 2002)的 物聯網構想。隨後於 1999 年，Auto-ID 公司首先將物聯網定調於無線射頻辨識 (Radio Frequency Identification, RFID)技術、物品編碼及網際網路的結合技術。隨 著網路及射頻技術的發展， 現今最常被提及的物聯網概念為國際電信聯盟 (International Telecommunication Union, ITU)於 2005 發布的報告(Geneva: ITU, 2005)，這份報告裡提及物品的聯網及應用。物聯網的概念來自網際網路的類比，
不同研究提出不同的角度去給予定義。狹義來說，只要物品透過感測網路(Sensor Network)連接而成的網路都算物聯網的一類，但廣義來看，物聯網不只可定義於 物與物之間，甚至可以連上電信網路無縫接合，讓人與物之間可以進行互動，形 成泛在網路(Ubiquitous Network)。
無線感測器網路(Wireless Sensor Network, WSN)為物聯網核心技術之一，至 今有許多研究均在探討無線感測器網路在物聯網應用裡扮演的角色，不論是在環 境監測(Lazarescu, 2013)或是工業應用(Chi, Q. et al., 2014)等等。拜科技快速成長，
近二十年來，無線感測器網路從萌芽、茁壯到開花結果。現在，無線感測器網路
其相關研究成果已帶給人類日常生活上無比貢獻，人類在觀察事物上能擁有更寬 2025 年達到 2.7~6.2 兆美元(USA: McKinsey Global Institute, 2013)；而早在 1999 年，無線感測器網路即曾被美國商業週刊(Businessweek)評選為 21 世紀重要的技 術之一(USA: Bloomberg L.P., 1999)。在 2003 年，美國 MIT 技術評論(USA:
Technology Review, 2003)提出於十種足夠改變製造、運輸、醫療、計算及能源基 礎設施的新發展之技術中，無線感測器網路位居首位。在國內，2003 年工研院電 通所在中研院引入下，進行了 SACN(Sense, Compute, And Network)相關研究。國 科會亦在 2006 年發起推動大型計劃整合各領域資源投入研究無線感測器網路。由 監測(Rao et al., 2013)、海洋生態監測(Dunbabin and Marques, 2012)等等，甚至到 醫療照護(Ruben and Jose Ignacio, 2011)、交通工具監測(Luo et al., 2012)，智慧家 庭(Wang et al., 2013)及戰場監控(Durisic et al., 2012)等等，都可以看到無線感測器 網路的應用的身影。然而，在無線感測器網路開發上仍舊受到許多挑戰，例如能 量損耗問題(Tseng et al., 2014)、感測資料可靠度(Reliability)與完整性問題(Islam et al., 2012)以及無線通訊干擾問題(Xu et al., 2011)，如何設計完善的程式控制流程，
使無線感測器網路在實際應用時能克服上述問題，是一個非常重要的議題。針對 這些問題，無線感測器網路研究又可細分成以下幾個重要方向(Culler et al., 2004) 如容錯能力(Fault Tolerance)、資料管理(Data Management)、覆蓋率研究(Coverage)、
節能(Power Saving) 、媒介存取協定(Medium Access Protocol)、網路路由協定 (Routing Protocol) 、 網 路 安 全 性 (Network Security) 以 及 物 體 追 蹤 與 定 位 (Localization)等等，希望透過這些研究，使無線感測器網路能更穩定，並能將資 料以更安全的方式傳回至使用者。
1.2 研究動機及目的
無線感測器網路在剛開始發展初期是以生態環境監測為主要目的(Romer and Mattern, 2004)。例如，美國 Great Duck Island 上的鳥類生態監測(Mainwaring et al., 2002)或是冰川環境監測(Martinez et al., 2004)。在這些應用中，無線感測器網路被 架設於研究人員難以到達或者無法長期維護觀測設備的觀測點，所以如何節省感 軍事目標追蹤(He et al., 2004)、病患生理狀況監測(Heinzelman et al., 2004)以及像 是工業管線的監測(Stoianov et al., 2007)等等。在這些應用中，除了對延遲時間有 所要求(Delay-Intolerant)外，另一個就是對資料可靠度的要求，也就是這類應用是
不可以容忍資料在傳輸過程有所遺失(Loss-Intolerant)。以工業管線監測為例，若 包機制，例如定義於 IEEE 802.11 無線通訊標準協定(IEEE Std 802.11-1997, 2007) 的要求傳送(Request to Send, RTS)訊框與允許傳送(Clear to Send, CTS)訊框機制，
則封包碰撞即會發生。封包碰撞除了造成資料封包遺失外，亦有可能因為大量重 複傳送封包增加耗能而使網路壽命降低。在 IEEE 802.15.4 無線網路協定(IEEE Std 802.15.4-2011, 2011)採用的是簡化修改過的碰撞避免式載波偵測多重存取(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance; CSMA/CA)，這方法雖然可以大幅 地降低能量消耗，但盲目型隨機後退(Blind Random Backoff)(Sheu et al., 2009)機制 卻無法有效地避免封包碰撞的問題。
根據上述問題，本研究提出一個植基於 IEEE 802.11 無線通訊標準協定裡的 RTS/CTS 交握機制，並且使用重傳機制來提高整體封包傳送成功率之媒介存取控 制層。本研究實現於德州儀器(Texas Instruments, TI)所開發以 IEEE 802.15.4 無線 通訊協定之 CC2530 系統晶片(System on Chip, SoC)( USA: Texas Instruments, 2011) 上，以驗證本研究所提出之媒介存取控制層各方面的效能與實用性。
1.3 論文架構
本論文共分為六個章節，每一章節的內容概述如下：
第一章：簡介無線感測器網路的背景，並敘述本論文研究之主要動機、目的以及 論文架構。
第二章：介紹無線感測器網路的網路架構、網路拓樸、網路管理以及作業系統，
並會在此章介紹網路協定棧。
第三章：介紹媒介存取控制層的相關文獻，首先會介紹無線存取技術、媒介存取 控制層相關演進，並介紹本篇論文研究實驗平台的無線通訊標準，IEEE 802.15.4 無線通訊標準協定所制定的媒介存取控制層，在此章最後會介 紹對可靠度及傳輸延遲時間有特殊要求的重要任務應用傳輸。
第四章：介紹本研究所提出的媒介存取控制層，並介紹媒介存取控制層內每個機 制相關設定與操作流程。於此章也會介紹本研究的研究平台。
第五章：列出基於實驗平台所做出的實驗結果並做討論，以驗證本研究所提出的 媒介存取控制層可適應高可靠度傳輸。
第六章：討論實驗結果，並提出結論與未來工作。