無線存取技術介紹

多個接收端與發送端在使用無線通信傳輸時，因為使用的無線傳輸媒介相同，

所以定義多重存取(Multiple Access)技術來做為如何共享傳輸媒介的方法。多重存 取可分為幾種型態，以下將介紹這幾種型態及該型態的多重存取技術。

 隨機存取(Random Access)

當發送端有等待發送的資料時，都可以嘗試著去佔據傳輸媒介來傳輸資 料。像 ALOHA、CSMA 這幾種多重存取技術都屬於隨機存取技術。

ALOHA 於前一章節通訊協定有介紹過，它是第一個被提出的無線網路 通訊協定，由 Abramson 等人於 1970 年左右提出，由於當時的技術有限，

ALOHA 使用非常簡單的傳輸方式，也使其非常沒有效率。ALOHA 可再區分 為兩種模式，Pure-ALOHA 模式是當發送端要發送資料時，不需要任何等待 延遲即可發送資料；而 Slotted-ALOHA(Roberts, 1975)模式則是劃分許多時槽，

當發送端有資料要發送時，每次使用一個時槽來佔據傳輸媒介發送。ALOHA 這種傳輸模式在發送資料時並不會考慮傳輸媒介是否有其他節點也正在使用，

所以在傳輸資料時，若同時有其他節點正在使用傳輸媒介，封包碰撞就會發

生，故其傳輸效率非常差。ALOHA 傳輸效率隨著節點數增加而逐漸降低，

其最大頻道使用率約只能達到 18 % (Stallings, 2000)，目前已經幾乎不採用此 存取技術。

載波偵測多重存取技術(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)的無線存 取傳輸方式為當發送端要傳送資料前，必須先偵測傳輸媒介是否有其他節點 佔據著在傳輸資料，若沒有則傳送，CSMA 的 Carrier Sense 即為監聽傳輸媒 介這個步驟。由於在傳輸前有先偵測傳輸媒介的動作，相較於不做任何監聽 即傳輸的 ALOHA 存取技術，CSMA 的效率較高。CSMA 在無線網路系統架 構下會有隱藏節點的問題，CSMA 示意圖如圖 3-1 所示。節點 2 在節點 1 與 節點 3 通訊距離內，但節點 1 與節點 3 均不在彼此的通訊距離，所以當節點 1 與節點 3 均想要對節點 2 傳輸封包時，會因為監聽不到彼此的封包，如圖 中星號所示，而誤判傳輸媒介沒有其他節點佔據使用而傳送封包，造成封包 碰撞。

圖 3-1 隱藏節點示意圖

為了解決 CSMA 所產生的隱藏節點問題，IEEE 802.11 無線通訊標準協 定裡制定了兩種短訊框。分別為要求傳送(Request to Send, RTS)訊框與允許傳 送(Clear to Send, CTS)訊框，此短訊框機制流程如圖 3-2 所示，發送端確認 傳輸介質無其他節點使用後，會先發送 RTS 短訊框給接收端，等待接收端發 送 CTS 短訊框後才發送資料封包給接收端。接收端所發送的 CTS 短訊框也 會被位於接收端通訊範圍內的其他節點所接收，因此不會在傳送封包給接收 端而造成封包碰撞，而在接收到確認(Acknowledgment, ACK)短訊框後，發送 端才會確認完成整個資料傳輸。

圖 3-2 RTS/CTS 機制流程圖

CSMA 存取技術用於無線網路通訊協定時定義為(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA) ， 其 中 的 碰 撞 避 免 (Collision Avoidance)即表示利用偵測媒介使用狀況來避免封包碰撞發生。而 CSMA 在 有線乙太網路(Ethernet)中定義為(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect, CSMA/CD)，因其相較於無線網路，可以利用傳輸線路輕易地監測碰 撞發生情況，所以採取主動偵測封包碰撞的情況。

 順序存取(Ordered Access)

當發送端要傳送資料時，會依照規定的順序來進行傳送，例如 Token Bus 及 Token Ring 即為此種存取方式。Token Ring 存取方式為國際商業機器公司 (International Business Machines Corporation, IBM)於 1980 年代中期所制定，

在之後被 IEEE 802.5 通訊協定所定義，但與 IBM 一開始的架構有些微差異。

Token Ring 其傳輸架構為一環狀，而基本原理即是利用標記(Token)來避免網 路中傳輸時的衝突。環狀網路架構存在一個標記，只有拿到此標記的節點才 能進行資料傳輸，當設節點輸完畢後，即會依環狀架構以單方向將標記傳至 下個節點，網路系統內的節點就依照此順序來輪流發送封包。但在無線網路 環境中，節點隨時可以加入或者離開，在使用 Token Ring 機制可能會造成標 記遺失的情況，所以 Token Ring 存取技術很少用於無線網路中。

 固定式存取(Deterministic Access)

當發送端要傳送資料封包時，會以特定方式來決定存取的順序，這些方 式包括頻寬、時間等，常見的存取技術有分頻多重存取(Frequency Division Multiple Access, FDMA)技術、分時多重存取(Time Division Multiple Access, TDMA)技術以及分碼多重存取(Code Division Multiple Access, CDMA)技術等。

FDMA 即是在頻率上直接切割，切成數個等寬的頻道，當發送節點有資料要

 組合式存取(Combinations Access)

又稱為混合式存取(Hybrid Access)，即是將上述的存取技術合併使用，

通常多為某些特殊應用所設計，例如提高傳輸效率或者讓節點更加省電等。

各種類的存取技術可應用於不同種類的應用中，因其各具有不同的優缺 點。隨機存取在網路系統負載低時，會有較快的回應時間；但在負載過高時，

總處理能力會非常差。順序存取可以提供一個最為公平的存取傳輸方式，但 在負載過高時，會有非常嚴重的延遲。組合式存取具有較高的調適性，可以 因應不同的應用，但相較於其他種類的存取方式，卻有較高的設計花費。

無線感測器網路媒介存取控制層所使用的媒介存取技術分類如圖 3-3 所式，

單頻道可分為三種模式。基於競爭(Contention Based)模式，也就是前面所提到的 隨機存取技術，CSMA 是此類最常使用的存取技術，可再依節點是否會發送同步 (Synchronous, SYNC)封包區分為兩類模式，同步傳輸模式可讓網路中每個節點有 睡眠(Sleep)及活動(Active)排程，達到節能的目的。非同步則不能，但非同步能因 應任何時間的傳輸要求，而不會在接收者睡眠時傳送封包造成封包遺失。

免於競爭(Contention Free)模式，也就是前面所提到的固定式存取技術，這種 存取模式在無線感測器網路中可以保證封包不會碰撞，但是隨著網路規模變大，

網路傳輸時所花費的延遲時間將急遽變大。

在早期無線感測器網路應用中，節能與設計成本為主要考量，所以設計存取 技術時，FDMA、混合技術和多頻道(Multi-Channel)技術常不被考慮。但隨著近年 無線感測器網路應用面逐漸變廣，這些存取技術也開始被研究人員們加入媒介存 取控制層的媒介存取設計中。

圖 3-3 無線感測器網路存取技術分類(Doudou et al., 2013)