圖 5-1 實驗拓樸圖示意圖
圖 5-2 本實驗用網路竊聽器
圖 5-3 封包竊聽顯示畫面
本研究所進行的實驗一共分成三個 Case 來進行量測，第一個 Case A 為基本 IEEE 802.15.4 無線通訊標準協定下之媒介存取控制層，使用此通訊標準所制定之 CSMA/CA 機制；第二個 Case B 為基本 IEEE 802.15.4 無線通訊標準協定下之 CSMA/CA 機制使用 RTS/CTS 短訊框交握機制；最後一個 Case C 為 Case B 再使 用 Retry 機制。表 5-1 列出了三種 Case 的比較。本實驗量測項目第一個為封包成 功率，主要是計算位於星狀拓樸中心的節點接收到網路系統中其餘節點的封包比 率。CC 2530 無線通訊晶片實體層有檢查封包是否完整的機制，利用檢查封包起 始與末節的校驗碼機制，可以確保經由實體層擷取的封包為一完整封包。透過 IAR 開發環境設置變數來累計實體層所擷取的封包數，即可篩選掉因為封包碰撞而失 敗的封包，並且計算成功率。實驗量測的第二個項目為平均封包傳輸時間，透過 竊聽器應用程式介面可以知道實驗單回合的總傳輸時間，將總傳輸時間除於成功 封包數，即可計算得平均封包傳輸時間。量測平均封包傳輸時間可以計算出在本 研究所假設的極端情況下，單一個封包如果要成功送達，需花費多少時間。最後 一個項目及為吞吐量，這是常用於無線感測器網路性能評量中的一個指標，可以 知道網路系統每秒可以進行多少流量的傳輸。
表 5-1 本研究所設計的實驗 Case 比較
Case A Case B Case C
CSMA/CA 機制
○ ○ ○
RTS/CTS 機制
○ ○
Retry 機制
○
本研究的實驗採用三種 Case 來進行分析，主要是來驗證每個機制對分析項目 的影響程度。本研究可以如第四章流程圖所示，可以拆解為三個機制，分別為：
CSMA/CA 機制、RTS/CTS 短訊框交握機制與 Retry 重傳機制。利用三種 Case 來 進行實驗分析，可以知道每項機制對於各項性能指標增減多少。由第三章可知悉
與 CTS 碰撞的機率因為多次發送而降低，並不能根本地完全克服該問題，所以不 論哪種 Case，傳輸成功率都會隨著網路節點數目增加而遞減，增加機制則會減少 傳輸成功率下降速度。
圖 5-4 傳輸成功率實驗結果圖
分析完傳輸成功率後，接著分析平均封包傳輸時間，實驗結果如圖 5-5 所示。
可以看到在本實驗所設計的星狀拓樸假設下，單一資料封包要成功傳送至接收端 所需花費的時間。由圖中顯示，IEEE 802.15.4 標準無線協定在多顆節點爭搶傳輸 媒介的情況下，平均傳成功一封封包所需要的時間遠超過加了 RTS/CTS 機制的 Case B 與加了 RTS/CTS 和 Retry 機制的 Case C。就數據上來分析，Case C 平均約 較 Case A 減少了 94.8%的時間，而 Case B 約較 Case C 平均約減少了 23.75%的時 間。
由圖中可以觀察出在節點數目較少時，三種 Case 的平均封包傳輸時間並不會 差異太大，這是因為平均封包傳輸時間為實驗總傳輸時間除於成功的封包數，在 節點數目少時，不論封包傳輸成功率與總傳輸時間，三種 Case 均不會差異過大。
但隨著網路中節點數目開始增加，Case A 的平均傳輸時間會急遽增加，這是因為
其成功封包數目急遽下降的原因，而非總時間快速增加。而 Case B 與 Case C 均 有進行機制流程時的時間消耗，其總時間的增加幅度會大於 Case A，但由於 Case B 與 Case C 都能大幅地增加成功封包數目，所以在網路節點數目增加時，仍不會 使平均封包傳輸時間大幅增加。另外，由圖中可以看出 Case B 與 Case C 兩者相 比，在節點數目增加時，Case C 的平均傳輸時間增幅會略大於 Case B 的增幅。兩 種 Case 增幅的差別主要來自 Case C 使用了 Retry 機制，在進行 Retry 機制時，會 進行流程上的計算與封包來回間的時間增加，所以總傳輸時間相較於 Case B 會大 幅的增加。雖然 Case C 的成功封包數目相較於 Case B 也會增加，但增加幅度小 於總傳輸時間，所以平均傳輸時間相較於 Case B，會略為增加，但兩種 Case 增 加幅度都遠小於 Case A。
圖 5-5 平均傳輸時間實驗結果圖
接著要分析的是吞吐量，其實驗結果圖如圖 5-6 所示。就數據分析上，Case C 平均較 Case B 減少 20.76%吞吐量，而 Case A 平均較 Case C 減少 18.5%吞吐量。
吞吐量網路系統中每單位時間可以傳輸的資料量，在無線通訊領域中，常使用 kbps 或 Mbps 作為單位。在本研究的實驗中，資料封包的大小為固定 127 bytes，
所以吞吐量與成功的封包數和總傳輸時間有關。在實驗結果圖中可以看出，Case A
在節點數目較少時，能有較好的網路吞吐量，這是因為一開始節點數目少時，三 種 Case 的成功封包數差異不大，但 Case A 相較於 Case B 與 Case C，後兩者都有 使用其他機制，導致流程所花費的時間增加，總傳輸時間也連跟著增加，所以 Case A 的吞吐量會大於另外兩種 Case。而隨著節點數目增加，Case A 會因為成功封包 數目急遽下降，而導致其吞吐量下降速度大於另外兩種 Case。從圖中可另外看出，
Case C 相較於 Case B，吞吐量會隨著節點數目變多時，跟著下降。這是因為 Case C 再傳送封包前需要發送 RTS 與 CTS 兩種短訊框，這兩種短訊框也會占掉網路 系統的吞吐量。
圖 5-6 吞吐量實驗結果圖
最後一個分析的實驗為重傳機制的效益，在 IEEE 802.15.4 無線通訊協定中，
也有制定媒介存取控制層的重傳機制，依德州儀器建議約 4 或 5 次為佳。本研究 將 IEEE 802.15.4 無線通訊協定下所制定的媒介存取控制層，也就是 Case A 加上 了 Retry 機制後與 Case C 來進行比較，實驗結果圖如圖 5-7 所示。由圖中可以看 出左邊的 IEEE 802.15.4 標準媒介存取控制層因為其本身傳輸成功率本身就會因 節點數目增加而大幅下降，就算使用了 Retry 機制依然無法提高封包傳輸成功率。
而右邊的結果圖，也就是 Case C 的結果圖可以明顯看出，因為 RTS/CTS 交握短 訊框機制能降低因為 CCA 失準所造成的封包碰撞，所以使用了 Retry 機制可以更 大幅地提高傳輸成功率。
圖 5-7 重傳機制比較實驗結果圖