在非理想通道環境下之 6LoWPAN 封包成功傳輸率實驗

建構 6LoWPAN 網路環境有許多種，像是常用在無線感測網路中的作業系統

－TinyOS，或是近年來慢慢發展起來為了 IoT 研究開發之 Contiki 作業系統。然

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而，普遍的作業系統只考慮到單一頻道的傳輸，並無考慮跳頻機制；而本研究中 則是使用 OpenWSN 作為 6LoWPAN 之開發分析平台，其物理層使用 IEEE

802.15.4 協議，媒體存取層部分則使用 IEEE 802.15.4e 協議中的 TSCH 來實現多 通道跳頻機制，在 Adaptation Layer 與 NetworkLayer 中，分別使用 IPv6 (6LoWPAN) 與低功耗有損網路的路由協議(RPL)，實現 IPv6 在無線感測網路使其能無縫銜接 到網際網路中，本研究透過 openWSN 的軟體開發環境及網路模擬測試環境，建 構本研究在 6LoWPAN 封包傳輸效能分析的實驗環境。

雖然 OpenWSN 能提供 IEEE802.15.4e 媒體存取控制層標準的時槽式通道跳頻 模式(Time Slotted Channel Hopping, TSCH)。但是，其物理層的限制而無法實現異 質無線網路共存之環境。因此，為符合本研究在非理想通道之研究目標，接下來 將以實際量測 IEEE 802.11b/g 之 WiFi 干擾環境下之實驗，分析無線感測節點之 IPv6 封包的傳輸成功機率，並依據實際量測之結果，實現於 OpenWSN 中以實現 異質無線網路共存之狀況。

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Source Destination

5m 5m 0.5m

0.5m

Wireshark

圖 5-4、非理想通道環境下之系統架構圖

圖 5-4 為非理想通道環境下之系統架構圖，由於現實環境中干擾源來自四面 方，分佈於各個頻道之中，為了讓模擬更能符合實際環境，因此，我們分別於 IEEE

802.11 b/g 中 Channel 1、Channel 3、Channel 6 以及 Channel 11 之 WiFi 干擾環境 下以不同傳輸功率進行干擾，無線感測節點佈建於不同頻道中 6LoWPAN 效能分 析之環境(目前將只考慮 Channel 11、Channel 15、Channel 19 以及 Channel 23 四 組頻道)，其中 WiFi 干擾與目的端感測節點、來源端與目的端感測節點間皆為五 公尺之距離，WiFi 干擾部分，我們使用 Iperf 進行 UDP 封包之傳送來達到干擾之 目的；而無線感測節點之間可透過 IPv6 Address 互相溝通，此時將讓 6LoWPAN 感測節點傳輸 1000 筆 IPv6 之 UDP 封包，並監測封包傳輸成功機率。

表 5-1 至表 5-4 為無線感測節點分別於 IEEE 802.11 b/g 中 Channel 1、Channel 3、Channel 6 以及 Channel 11 之不同傳輸功率干擾環境下，傳輸 1000 筆 IPv6 之 UDP 封包，並監測封包傳輸成功機率。由表中可以發現，當 WiFi AP 干擾之傳輸

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功率越大，無線感測節點所受到影響越大，甚至 WiFi AP 傳輸功率於 20dBm 時，

無線感測節點封包傳輸成功機率下降到介於 0.5~0.6 之間。當 WiFi AP 於 Channel

1 進行干擾，所干擾之無線感測節點其 Channel 11 封包傳輸成功率明顯下降，最 低到 0.574；WiFi AP 於 Channel 3 進行干擾時，無線感測節點之 Channel 15 封包 傳輸成功率明顯受到影響，最低封包傳輸成功率為 0.588；WiFi AP 於 Channel 6 進行干擾時，無線感測節點之 Channel 19 封包傳輸成功率明顯受到影響，最低封 包傳輸成功率為 0.591；WiFi AP 於 Channel 11 進行干擾時，其無線感測節點之

Channel 23 封包傳輸成功率明顯下降，最低封包傳輸成功率為 0.533。因此，本研 究目前將只考慮無線感測節點中 Channel 11、15、19 以及 23 四組頻道進行跳頻，

並進行非通道理想環境下效能分析。

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表 5-1、無線感測節點於 WiFi AP(CH 1)不同傳輸功率下封包傳輸成功機率

表 5-2、無線感測節點於 WiFi AP(CH 3)不同傳輸功率下封包傳輸成功機率

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表 5-3、無線感測節點於 WiFi AP(CH 6)不同傳輸功率下封包傳輸成功機率

表 5-4、無線感測節點於 WiFi AP(CH 11)不同傳輸功率下封包傳輸成功機率

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為了驗證實際量測結果之可信度，我們將在 OpenWSN 中加入被 WiFi AP (Channel 6) 0dBm 干擾下 Channel 19 之封包傳送成功機率，並以 IEEE 802.15.4e TSCH 跳頻機制傳送 1000 筆 127 bytes 封包，記錄各頻道之間的封包傳送成功個 數。而我們也將 TSCH 跳頻模式燒入無線感測節點之中，並於 WiFi AP (Channel 6)

0dBm 干擾下進行實際量測，距離與先前量測一致，記錄各頻道之間的封包傳送 成功個數，以驗證量測結果之可信度。由表 5-5 可知，透過 WSN 與實際利用 TI

CC2538，實際量測之封包數值相當接近。因此接下來將可以進行模擬環境之自由 空間傳播模型分析。

表 5-5、OpenWSN 模擬與實際 WiFi AP(CH6)干擾環境下量測結果之比較

WiFi(CH6) OpenWSN CC2538 無線感測節點

Wifi Tx-power Channel 封包傳送成功個數 封包傳送成功個數

0 dBm

11 247 253

15 252 251

19 230 228

23 251 249

在 OpenWSN 中，對於傳輸節點距離與接收訊號強度的計算方式，主要建構 於自由空間傳播模型(Free Space Propagation Model)下。自由空間傳播模型即是用 來估測當傳送端和接收端之間沒有任何障礙物時，所量測到的訊號強度，此時傳 送端與接收端之間的距離是以可視直線傳輸的最短距離為主。基本上，在這種通 道傳播模式下，依球面積和能量守恆定律可以得知，接收端所接收到的訊號強度

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和距離的平方成反比。在自由空間傳播模型中，最常用的是 Friis Free Space Model，

在已知傳送端和接收端的距離時，此模型提供了接收端的平均接收功率。經由

Friis Free Space Equation 我們可以得到當傳送端與接收端之間距離為 D 時，接收 訊號的平均功率

P

  D

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另外在方程式(5)中，還有一個用來修正的參數 L，此參數通常是由整個通訊 系統中的傳輸線衰減、濾波器散逸、和天線散逸所造成，若 L=1 則代表在系統硬 體上並無任何功率散逸。

為了讓實際量測於 IEEE 802.11b/g 之 WiFi 干擾環境下，無線感測節點之間

IPv6 封包的傳輸成功機率之結果，更能符合 OpenWSN 計算距離與傳輸成功機率 之間的關係，因此，我們將實際量測之傳輸功率與距離，利用 Friis Free Space

Equation 換算出 IEEEn 802.11 b/g 訊號強度(RSSI)與距離之間的關係，並撰寫程 式於 OpenWSN 中，如表 5-6 所示。

表 5-6、以 Friis Free Space Equation 換算出 IEEEn 802.11 b/g 訊號強度(RSSI)與距 離之間的關係

Tx-power Distance RSSI Tx-power Distance

20dBm 5m -34 20dBm 5m

15dBm 5m -39 20dBm 9m

10dBm 5m -44 20dBm 16m

0dBm 5m -54 20dBm 50m

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