實際佈建與分析

第二章文獻探討

2.2 MAC 層的相關研究

2.2.2 實際佈建與分析

在文獻[22][23][24][25]中作者便以實驗證明，IEEE 802.15.4 在有 IEEE 802.11 的同頻干擾下，封包將會產生較高的封包錯誤機率。Wei Yuan [22]主要分析封包所造成碰撞的原因而提出避免異質同頻干擾之機制，並在文獻[9]所提到 R2 環境中分析封包成功率並調整 CCA 與電路轉換時間而提升封包成功率。而 Chieh-Jan Mike Liang [23]則將 IEEE 802.15.4 節點放置於 IEEE 802.11 的環境中，其結果顯示 IEEE 802.15.4 會有大量的封包遺失，作者並自行調整 MAC 表頭的長度，並配合 Hamming code 與 Reed-Solomon Code ( RS Code )以修正封包之錯誤，將提高在 IEEE 802.11 環境下之 IEEE 802.15.4 封包傳輸成功率，依實驗結果顯示，透過 FEC(Forward Error Correction)進行封包修正，因修正後之效率不佳，因此本論文將不考慮此一方法。而 Zhang, Xinyu 等人在文獻[24][25]中提出兩種類似方法，

首先作者在 IEEE 802.15.4 節點路徑傳輸之間多建置一個節點，此節點主要用於偵測在傳輸範圍內是否有 IEEE 802.11 干擾源的存在。若有，將傳送忙碌訊息使 IEEE 802.11 感知其傳輸範圍內有 IEEE 802.15.4 節點正在傳輸；直到 IEEE 802.15.4 節點的封包傳送完為止。

2.3 異質無線網路相關研究結論

Yang Dong 等人[26]彙整了相關學者與研究單位亦投注相當心力於無線異質

網路共存相關議題的研究，由此可知相關研究議題之重要性。而在文獻[7]~[9]中

作者僅僅提出在模擬器中佈建出不同干擾之模型，卻無明確說明如何解決 IEEE

802.15.4 之傳輸機率。然而在文獻[10]~[17]皆是以無線感測網路在與 IEEE 802.11b 共存環境下，先使用通道偵測方法偵測通報是否淨空，若非淨空則切換至一個可以有效傳輸的通道。而近來更廣泛使用之 IEEE 802.11g/n 技術之分析，尤其當 IEEE 802.11n 使用 40MHz 時，對於 IEEE 802.15.4 其干擾情況勢必將與 IEEE 802.11b/g 有明顯的不同。因此文獻中所提的通道品質評估機制，仍有相當大的改善空間。在文獻[18]~[21]中作者皆先分析 MAC 層中封包會發生的碰撞情形，並調整封包傳送距離與傳送方式以達到封包傳送成功機率。而文獻[22]~[25]則是利用實際佈建情形下證明在異質無線共存網路相互間的碰撞問題，並修改封包格式以及封包傳送距離；但文獻[22]~[25]皆必須工作於文獻[9]中所提到 R1 環境下。

綜觀上述相關研究文獻，雖已明確說明與驗證 IEEE 802.15.4 在 2.4GHz 異質無線網路共存環境下，對於其傳輸效能、封包遺失等方面均有相當大的影響。因此本論文將以無線感測網路為主體，分析 IEEE 802.15.4 在 IEEE 802.11 網路環境中所遭受的問題，並且提出相關解決方法以提升 IEEE 802.15.4 的傳輸效率。

第三章

異質無線共存網路環境定義與探討

由圖 1-1 中，我們可以發現在 2.4GHz 頻段中因為 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 的頻段相互重疊，因此如沒有妥善安排 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 相互間的排程機制，二者將會發生嚴重的干擾問題；因此在本章節我們將針對無線異質共存網路的傳輸範圍與影響情形，給予初步的分析與定義，其此範圍定義與文獻[9]

相同，但其呈現方式將有所不同。並且針對 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 無線通訊協定間，對 Markov chain 模型與 CSMA/CA 差異各別說明與分析。

3.1 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 共存環境定義

針對目前研究分析結果，我們將異質無線網路在 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 的傳輸範圍區分為三種不同區域，並各別探討，圖 3-1 表示 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 通訊協定相互間的傳輸範圍。其中 AP(Access Point)為 IEEE 802.11 節點、

Zigbee 為 IEEE 802.15.4 的節點。

ZigbeeA

ZigbeeB transmission range

ZigbeeC transmission range ZigbeeB ZigbeeC AP(Access Point)

AP transmission range Range1 Range2 Range3

IEEE 802.11 (Access Point) IEEE 802.15.4 (Zigbee) ZigbeeA transmission range

圖 3-1、IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 共存環境示意

IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 依相互間之傳輸範圍做區分：

 Range1：IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 互相可以聽到彼此正在傳輸。

 Range2：IEEE 802.15.4 可以監聽到 IEEE 802.11 正在傳輸，但是 IEEE 802.11 感測不到 IEEE 802.15.4 正在傳輸。

 Range3：由於距離較遠，IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 相互間均無法接收彼 此之訊號。

3.1.1 Range1 之相互傳輸範圍

在此一範圍 IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 互相可以監聽到彼此正在傳輸，圖 3-2 表示詳細的 Range1 傳輸範圍定義。在 Range1 的環境中，IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 因距離較近，因此相互間可以知道彼此是否有封包正要傳送；當彼此有封包要傳送時，若依賴各別協定的 CSMA/CA 機制將不足以避免此一範圍的干擾。

IEEE 802.11 (Wi-Fi Access Point) IEEE 802.15.4 (Zigbee) Range1

802.15.4 Transmission Range (Radius)

802.11 Transmission Range (Radius) 802.15.4 802.11

圖 3-2、Range1 之相互傳輸範圍示意圖

3.1.2 Range2 之相互傳輸範圍

如圖 3-3 所示，在此範圍中之定義 IEEE 802.15.4 將監聽到 IEEE 802.11 正在傳輸，因為 IEEE 802.11 在傳輸功率、傳輸範圍皆都大於 IEEE 802.15.4，因此在 Range2 中，IEEE 802.15.4 是可以感知 IEEE 802.11 是否有封包正在傳輸；但因為 IEEE 802.15.4 的傳輸功率、傳輸範圍都比 IEEE 802.11 為小，所以在此範圍中，

IEEE 802.11 將感應不到 IEEE 802.15.4 是否有封包正在進行傳輸。

Range2

802.15.4 Transmission Range (Radius)

802.11 Transmission Range (Radius)

802.15.4 ^802.11

IEEE 802.11 (Wi-Fi Access Point) IEEE 802.15.4 (Zigbee)

圖 3-3、Range2 之相互傳輸範圍示意圖

3.1.3 Range3 之相互傳輸範圍

如圖 3-4 所示，基於 Range3 之相互傳輸範圍的定義，IEEE 802.15.4 與 IEEE

802.11 因相互間距離較遠，兩者的傳輸範圍皆無法覆蓋到彼此，所以兩者相互間均無法感應到彼此之訊號傳輸。因此在此一範圍內 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 將不會產生相互間的同頻干擾。

Range3

802.15.4 Transmission Range (Radius)

802.11 Transmission Range (Radius)

802.15.4 ^802.11

IEEE 802.11 (Wi-Fi Access Point) IEEE 802.15.4 (Zigbee)

圖 3-4、Range3 之相互傳輸範圍示意圖

3.2 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 相關機制比較

在此章節中，我們將比較 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 之碰撞機制、

CSMA/CA 與 Markov chain 模型之差異。因此本研究將分析相關差異後並以 Markov chain 模型在異質網路中，說明同頻段干擾所造成之影響。

3.2.1 IEEE 802.15.4 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

根據 IEEE 802.15.4 標準之定義，對於通道存取機制(CSMA/CA)可區分為

Beacon-enabled mode 與 Non beacon-enabled mode 二種類型。Beacon-enabled mode 採用了 slotted CSMA/CA 機制，在個人區域網路(Personal Area Network, PAN)中藉由網路協調器(Coordinator)週期性地發送 Beacon 給所有的無線感測節點，為整個

PAN 作時間同步，對於有資料需傳送的節點而言，它們會向 Coordinator 提出要求進行傳送請求，才開始執行 CSMA/CA 機制；若是為 Non beacon-enabled mode 則採用 unslotted CSMA/CA 機制，因為 PAN 中無網路協調器存在，故當節點欲傳輸資料時，可以隨時加入競爭，而非同步的進行排程與管理。

由於 Non beacon-enabled mode 在單位時間內只能有一個節點進行傳輸，因此為了避免多個節點同時存取通道而發送封包所造成的碰撞問題，IEEE 802.15.4 的

MAC 層採用了碰撞避免機制（CSMA/CA），此機制迫使想要傳輸封包的節點在存取通道前，先自預設的 CW (Contention Window)中挑選一段隨機的延遲時間

(Backoff Period)，當這段延遲時間結束，節點會針對通道執行 CCA 偵測，偵測後判斷結果為 idle medium，節點才可開始傳輸封包；反之若 CCA 判定通道當前為

busy medium，那麼該節點被迫再次延遲 (Backoff)，並且亦再次隨機挑選一次延遲時間與執行 CCA，此步驟會不斷重複，直到節點成功存取通道或是達到 backoff 次數上限為止，後者代表該節點在此次競爭傳輸的結果為失敗。

圖 3-5 闡述了 CSMA/CA 演算法的步驟。標準的 CSMA/CA 運作流程如下，

首先 NB_15.4、BE_15.4 和 CW 設為初始值，在第一次的競爭中(第 0 次 backoff )

CW 的 size 大小是從[ 0, 2^MinBE_15.4-1]個 backoff time units 中，隨機挑選一個時間點，開始倒數等待一段時間，等到此段時間一結束，隨即對通道執行 CCA 偵測，

若偵測結果 idle medium，便可成功存取通道進行傳輸，但倘若偵測到通道已被其它節點佔用，CCA 須回報狀態為 busy medium，NB_15.4 和 BE_15.4 加 1，並進入下一次的 backoff stage，而此回的 CW 以將以 2 倍增加，也就是說有[ 0, 2⁴-1]

種不同的延遲時間可挑選，若 BE_15.4 已達 BE_15.4_max那麼指數便不再增加，CW 最大值為 2⁵-1，後續若再次 backoff，CW 仍是從[0, 2⁵-1]範圍中選取延遲時間點，

直到 NB_15.4=NB_15.4_max執行 CCA 仍無法成功存取通道，意味著節點競爭傳輸失敗並進入空閒狀態。

NB_15.4=0, BE_15.4=BE_15.4min

Delay for random (2^BE_15.4-1) unit backoff periods

Perform sensing

Channel idle?

NB_15.4=NB_15.4+1, BE_15.4=min(BE_15.4

+1,BE_15.4max)

Success NB_15.4>NB_15.4max?

Failue

圖 3-5、IEEE 802.15.4 CSMA/CA algorithm

3.2.2 IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

IEEE 802.11 的通道存取機制(CSMA/CA)基本原理與 IEEE 802.3[27]乙太網路相似，其中 IEEE 802.3 MAC 層的存取方式為 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)，原理為利用偵測封包碰撞的方式來傳送訊息，當封包要送到網路上時，發送端會將封包直接送出；如果當封包在網路上遇到碰撞時，此封包則會被退回發送端。因此依據 IEEE 802.11 標準在 MAC 層的存取方式為 CSMA/CA。當發送端要發送封包時，並不會立即傳送出去，而是先等待延

遲時間(IFS，Interval Frame Space)，之後會確認通道是否忙碌，通道若是空閒則就開始傳送封包。如果發送端若發現頻道忙碌的話，則會開始 Backoff，首先與 IEEE 802.15.4 一樣會從最小 CW 中挑選一段隨機的延遲時間(Backoff Period)開始倒數，若發現頻道忙碌的話則會凍結延遲時間的倒數，直到確認頻道是空閒的再繼續倒數，直到延遲時間一到，再進行接下來的運作。而發送端在發送出封包之前，會先發出 RTS（Request To Send）的通知訊號，然而目的端收到 RTS 訊號後必須要回應 CTS（Clear To Send）的訊號。當發送端收到 CTS 訊號後才把封包傳送出去。而其他要傳送封包的節點，如果偵測到媒體中存有 RTS 或 CTS 訊號時，則會因為處於延遲時間凍結的階段，因此不會在此時傳送資料。

圖 3-6 所呈現為 IEEE 802.11 的 CSMA/CA 演算法步驟。標準的 CSMA/CA 運作流程如下，首先 NB_11、BE_11 與 CW 設為初始值，在第一次的競爭中(第 0 次 backoff ) CW 的 size 大小是從[ 0, 2^MinBE_11-1]個 backoff time units 中，隨機挑選一個時間點開始倒數，每倒數一個 backoff time unit 就會偵測通道是否忙碌，若通道是空閒則可以傳送資料；若通道非空閒情況則會凍結在當前的 time unit，等到通道再度被釋放，backoff 倒數延遲恢復運作，繼續接續的時間動作。當此次 backoff 時間倒數完畢通道仍然忙碌，則 CCA 須回報狀態為 busy medium，NB_11 和 BE_11 加 1，並進入下一次的 backoff stage，在此回的 CW 以 2 倍增加，也就是說有[ 0, 2⁴-1]種不同的延遲時間可挑選，若 BE_11 已達 BE_11_max那麼指數便不再增加，CW 最大值為 2¹⁰-1，後續若再次 backoff，CW 仍是從[0, 2¹⁰-1]範圍中選

取延遲時間點，直到 NB_11=NB_11_max執行 CCA 仍無法成功存取通道，意味著節點競爭傳輸失敗並進入空閒狀態。

NB_11=0, BE_11=BE_11min

Delay for random (2^BE_11-1) unit backoff periods

Channel idle?

NB_11=NB_11+1,

BE_11=min(BE_11+1,BE_11max)

Success NB_11>NB_11max?

Failue

Y N

Wait IFS

Channel idle?

Wait IFS

圖 3-6、IEEE 802.11 CSMA/CA algorithm

3.2.3 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 之差異分析

IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 相同，皆是使用 CSMA/CA 機制避免碰撞情形發生，在 IEEE 802.11 環境中當一個裝置欲存取通道傳輸資料時，首先也是需先經歷一段 backoff 延遲時間，接著透過 CCA 偵測確定通道為空閒，才能傳送資料，

但由於 IEEE 802.11 無須考慮能源消耗問題，因此每個 backoff time unit 都會執行

在文檔中基於IEEE 802.11和IEEE 802.15.4異質無線網路共存環境下提升IEEE 802.15.4之傳輸效率之研究 (頁 21-0)

第二章 文獻探討

2.2 MAC 層的相關研究

2.2.2 實際佈建與分析

2.3 異質無線網路相關研究結論

第三章

異質無線共存網路環境定義與探討

3.1 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 共存環境定義

3.1.1 Range1 之相互傳輸範圍

3.1.2 Range2 之相互傳輸範圍

3.1.3 Range3 之相互傳輸範圍

3.2 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 相關機制比較

3.2.1 IEEE 802.15.4 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

3.2.2 IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

3.2.3 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 之差異分析

第二章文獻探討