論文架構

本研究使用OpenWSN作為IEEE 802.15.4e環境之開發平台，透過IPv6 UDP的 封包傳輸方式來進行效能分析，使用分析之結果提出以MC_RSSI_ETX為RPL路 由建構方式，並在有損網路中加入頻道動態調變機制。

本研究的架構如下：

第二章將針對相關研究做一分析與探討，將討論IEEE 802.15.4e中的MAC機 制，以及RPL路由中相關路由判斷機制之研究，並分析與歸納相關的文獻以及技 術方法。

第 三 章 將 根 據 在 非 理 想 環 境 中 ， 以 OpenWSN 為 基 礎 分別針 對 傳 統 IEEE 802.15.4 直 接 序 列 展 頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) 以 及 IEEE 802.15.4e 時槽式通道跳頻模式(Time Slotted Channel Hopping, TSCH)的傳輸效能 進行分析實驗，評估無線通訊品質對於IPv6封包傳輸效能之影響，透過ICMP分析

IPv6封包於IEEE 802.15.4下的傳輸方式，並在非理想環境中傳送IPv6 UDP封包，

以Single Hop的End-to-end傳送方式，評估透過OpenWSN所建構之6LoWPAN環境 下，DSSS與TSCH的傳輸效能。

第四章節為在IEEE 802.11共存環境下評估多通道對於6LWPAN傳輸效能之影 響，首先將會透過OpenWSN環境下，分析在不同接收訊號強度下的封包遺失率，

進而分別在非理想通到環境下，評估DSSS與OpenWSN之TSCH跳頻機制，分析在

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6LoWPAN中傳送IPv6 UDP封包之傳輸效能。

在 論 文 第 五 章 中 ， 將 以 第 三 、 四 章 節 之 分 析 結 果 ， 提 出 於 RPL 中 以

MC_RSSI_ETX為基礎的路由建構方式，並針對於不同頻道不同MC_RSSI_ETX下 之傳輸效能進行比較，且當路由建置完成後，針對該傳輸路徑做頻道之動態調變，

來提升IPv6封包之傳輸效能，並於最後針對本研究提出之方法進行模擬分析與研 究。

第六章節則是本研究之結論以及未來之研究方向。

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第二章

文獻探討

2.1 無線感測網路介紹

IEEE 802.15.4[1]是一個低耗能、低速率的短距離無線傳輸協定，採用 868MHz 頻段(歐洲)、915MHz 頻段(北美)及 2.4GHz ISM 頻段(全球)的 DSSS 無線訊號。在

2.4GHz ISM 頻段中，IEEE 802.15.4 共定義了 16 個通道，每一通道寬 3MHz，通 道中心間隔為 5MHz，使相鄰通道之間留有 2MHz 的頻率間隔，作為 Zigbee

WirelessHART[2]、MiWi[3]與 6LoWPAN[4]等協議的底層基礎，協定中規範了低 速無線個人區域網的實體層(PHY Layer)和媒體存取控制層(MAC Layer)之通訊架 構，其低功耗、低成本的優點使其在無線感測網路領域中獲得普遍應用，其中又 特別是以 Zigbee 協定所開發的相關應用已經遍佈於遠端監控、防災、醫療、居家 等範疇，但一直未能滿足在工業應用上對於可靠度的要求[5]。因此，為滿足工業 應用上對於低功耗無線感測網路的要求，IETF 於 2012 年增修 IEEE 802.15.4e[6]

的標準，主要是實現在無線感測網路的多頻道網路通訊以及多跳時間同步配置等 擴充功能，使得原 IEEE 802.15.4 MAC 能使用多通道跳頻運行方式進行傳輸。

而在工業無線感測網路方面，建立在 IEEE 802.15.4g[7]的 PHY 以及 IEEE 802.15.4e[6] MAC 層基礎上的 Smart Grid 智慧電網應用日益增加，其中能夠偵測 電力供應者的電力供應狀況以及使用雙向傳輸技術來傳送電力更為未來趨勢。在

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傳統電網的基礎上，電力傳輸拓撲網路的最佳化能滿足更大範圍的各種用電狀況，

例如在用電量低的時段給電池充電，然後在高峰時反過來透過 Smart Grid 提供電 能給使用者[8]。透過記錄一般家庭使用者的電力使用狀況，進而調整家電用品的 耗電量，以此達到節約能源，降低損耗，增強 Smart Grid 的可靠性。

Smart Grid 透過智慧型電表之基礎建設(Advanced Metering Infrastructure，

AMI)，記錄系統所有電能的流動。通過智慧電表(Smart meter)，它會隨時監測電 力使用的狀況。智慧電網包括超導傳輸線以減少電能的傳輸損耗，還具有整合新 能源，如風能，太陽能等的能力。當電能便宜時，使用者可以開啟某些家用電器，

工廠可以啟動在任何時間段都可以進行的生產過程。在電能需求量達高峰時，它 可以關閉一些非必要的用電器來降低需求。而其他的 Smart Grid 發展方向包括電 網之故障偵測、判斷、自動式送電等。Smart Grid 之最基礎建設在於電網上的設 備由人工在地監測，進化到遙測、遙控，再進化到自動判斷調整控制[9]。

而在無線感測網路方面，Dae Gil Yoon 等人[10]曾提到 IEEE 802.15.4 與 IEEE

802.11b 共存多跳網路，當封包傳送到節點 A 時，事先偵測節點是否遭到同頻干 擾，若發現同頻干擾便立即廣播訊息至周遭節點，並即時同步切換至干擾較低的 頻道進行傳輸。文獻[11]中則是提及如何使用多頻道來提升無線感測網路之通訊 效能。上述文獻皆是針對 IEEE 802.15.4 無線感測網路中針對異質網路之干擾進 行分析。而 IEEE 802.15.4 之應用雖已遍及各個範疇，但在工業應用方面卻遲遲

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未能滿足其可靠性的要求。

2.2 IEEE 802.15.4e

為實現在無線感測網路的多頻道網路通訊以及多跳時間同步配置等擴充功能，

IEEE 802.15.4e 的標準於 2012 年初修訂完成，使得原本的 IEEE 802.15.4 MAC 層 能使用多通道跳頻方式進行傳輸。其主要優點為 IEEE 802.15.4e 能夠透過時間同 步機制節省電力消耗以及透過多通道跳頻方式減少同頻干擾與多重路徑衰退。

以往，傳統的 IEEE 802.15.4 MAC 機制中，由於負責路由的無線感測節點為 能轉送鄰近節點的封包資訊，必須時常保持 idle 狀態，例如 RFD(Reduce Function

Devices)節點，不論傳送與接收本身的封包資料，皆需透過路由節點，使得路由 節點即使在本身無封包傳送的情況下，仍無法切換至休眠模式以降低電力消耗。

為了讓網路中的每個節點均能降低功耗，因此，在 Personal Area Network(PAN) 中需要一個能同步時間的機制，使得節點之間的通訊進行妥善的排程，而 IEEE

802.15.4e 透過 PAN 的同步化，大幅縮短路由節點的 idle 狀態時間，如此將大幅 降低節點功耗。一旦建立了精準的時間共用機制，透過 PAN 中各節點之間的

Timeslot 同步，將可以進行鄰近節點間的點對點傳輸排程，進而將頻道配置整合 到排程機制中，達到多通道跳頻傳輸。

而在無線通訊網路中，存在著許多無線通訊穩定性的影響因子，在此我們將

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著重於同頻干擾所造成的問題進行探討。同頻干擾中，干擾源指的即是與接收端 處於同一或是鄰近頻率上之干擾，當干擾源功率較高時，常會發生阻斷其工作頻 段附近的其他無線信號之問題。舉例來說，使用 DSSS 單一頻道調變方式的 Wi-Fi 常為附近其他工作於 2.4GHz 同頻段無線信號設備之干擾源。而當所使用之無線 信號設備其無線訊號接收功率較低時，這些現象產生的干擾會變得越發嚴重。如 果各傳送端在發送訊號之前，無法預先聽到彼此的訊號，將會產生嚴重的問題，

導致接收端則會聽到所有傳送端所發出的訊號(如隱藏節點問題)。此外，當有多 個發送端同時透過相同頻率發送訊號時，亦會產生同頻干擾。為避免同頻干擾所 造成的影響，因此，解決方法之一，即是利用 CSMA/CA MAC 協定中的 Backoff、

Re-transmit 與 ACK 等機制解決部分封包之碰撞問題。而另一種解決方案即是利 用多通道頻道跳頻傳輸機制，透過時間的同步化，讓節點間的封包透過 PAN 所 分配出的多組 Timeslot 之精準排程管理，使其分別在多重特定的頻道上進行傳送，

且每次傳送均能以 Timeslot 為單位運行於相互不受干擾之頻道。使用上述多通道 跳頻通訊方式，將可發展出有效避免同頻干擾的無線通訊機制。因此，在本研究 中，我們將利用 IEEE 802.15.4e 在無線感測網路的多頻道網路通訊以及多跳時間 同步配置等功能，使用多通道跳頻運行方式於原 IEEE 802.15.4 PHY 進行傳輸，

而 MAC 層將運用 TSCH 機制之時間同步與跳頻模式達到提升無線網路的穩定性 與可靠度。

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IEEE 802.15.4e 的 MAC 操作模式

相較於 IEEE 802.15.4 MAC 機制，IEEE 802.15.4e 的 MAC 定義了四種新的 MAC 操作模式，分別為分散式多通道同步擴展模式(Distributed Synchronous Multi-channel extension, DSME) 、 可 確 定 之 低 延 遲 網 路 模 式 (Low Latency Deterministic Networks, LLDN) 、 非 同 步 多 通 道 配 適 模 式 (Asynchronous Multi-Channel Adaptation, AMCA)，以及時槽式通道跳頻模式(Time Slotted Channel Hopping, TSCH)，其敘述依序如下小節說明之。

2.2.1 Distributed Synchronous Multi-channel extension

分散式多通道同步擴展模式(Distributed Synchronous Multi-channel Extension, DSME) 運 行 於 Beacon PAN 中 ， 又 稱 做 Multi-superframe ， 主 要 目 的 除 擴 展 guaranteed time slots (GTSs)外，並擴展 IEEE 802.15.4 單一頻道傳輸方式，以多通 道操作模式提升封包抵達率。由於時槽的頻道銜接機制，使得 DSME MAC 機制 需做全球時間同步。其裝置透過 Beacon 週期性的廣播進行時間同步，結構類似 於 IEEE 802.15.4-2006 中的 Beacon PAN，由時間間隔的 Beacon、Contention Access Period(CAP)和 Guaranteed Time Slot (GTS)所組成。

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2.2.2 Low Latency Deterministic Networks

每個可確定之低延遲網路模式(Low Latency Deterministic Networks, LLDN)設 備皆分配了一個專用的時槽，提供一個可確定的低延遲傳輸機制。而於 IEEE

802.15.4 中於直接序列展頻技術(DSSS)下使用專屬頻道不僅能夠提升系統的可靠 性，並且降低傳輸延遲時間。其中，使用 Beacon 進行同步的 LLDN 只能運行於 星狀拓樸(Star Topology Network)當中。

2.2.3 Asynchronous Multi-Channel Adaptation

於 IEEE 802.15.4e 中，僅非同步多通道配適模式(Asynchronous Multi-Channel

Adaptation, AMCA)運行於 Non-beacon PAN 中，其餘模式皆使用 Beacon 進行通訊。

當無線通訊設備配置頻道品質的差異性越大，單一的共同頻道方法可能已無法滿 足需求，連接 PAN 中的所有裝置；此外，不對稱的鏈結可能使兩個相鄰裝置之 間其一裝置僅能傳送而無法正常接收其他裝置的封包傳輸，這種情況可能發生在 不同區域的網路中，例如 Smart Utility Network、基礎架構監控(Infrastructure Monitoring Networks)和過程控制網路(Process Control Networks)中。為此，IEEE 802.15.4e 標準中定義了 AMCA 非同步多通道適配模式。

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2.2.4 Time Slotted Channel Hopping

時槽式通道跳頻模式(Time Slotted Channel Hopping, TSCH)為一種工業化的 標準，透過時間同步機制以及跳頻的方式進而提升無線網路的穩定性，除此之外，

時槽式的通道跳頻模式大大減少不必要的封包碰撞，並提供較穩定的通訊頻寬。

TSCH 適用於多種拓樸結構，其中包含 Star 與 Mesh 拓樸結構，並結合更上層的 網路協議(如路由協定)形成更可靠的無線網路傳輸機制。而最大的優勢莫過於以

TSCH 適用於多種拓樸結構，其中包含 Star 與 Mesh 拓樸結構，並結合更上層的 網路協議(如路由協定)形成更可靠的無線網路傳輸機制。而最大的優勢莫過於以