第一章 簡介
1.3 論文架構
本論文之架構如下，第二章為相關文獻之研究探討，其主要將同頻干擾對 於物理層(Physical Layer)與媒介存取控制層(MAC Layer)所造成之干擾分析探 討。第三章針對無線異質共存網路的傳輸範圍分別定義成Range1、Range2、
Range3，並詳細分析IEEE 802.11與IEEE 802.15.4 Markov chain模型與CSMA/CA 之差異。第四章為Range1干擾環境分析模型探討，針對IEEE 802.11對於IEEE
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802.15.4的影響做詳細的分析與探討，並且提出一個符合公平傳輸的機制，以減 少IEEE 802.11在Range1對IEEE 802.15.4的影響。第五章將探討Range2所造成之 異質無線隱藏節點之問題，並提出以動態調整傳輸封包之長度，以改善Zigbee異 質無線網路環境下的傳輸效率。最後一章將對於本研究論文給予結論，並且探 討未來將可研究之方向。
其中在第二章節中將探討相關文獻在PHY層與MAC層兩種不同層面之研 究，並且分析與歸納其相關文獻之技術。在PHY層中將針對不同干擾模型分析 與通道檢測作為分類依據；而在MAC層中主要以封包碰撞干擾分析與實際佈建與 分析為主。
針對IEEE 802.11與IEEE 802.15.4在無線異質共存網路中，在第三章依照傳 輸範圍定義出三種不同範圍：Range1、Range2與Range3。並且詳細分析IEEE
802.11與IEEE 802.15.4 Markov chain模型與CSMA/CA 之差異，並以異質共存 網路的分析依據作為此階段之研究。
經由第三章中所定義的範圍，本研究在第四章將詳細分析探討IEEE 802.11 在Range1中對於IEEE 802.15.4所造成問題。並且提出「CIFS之公平傳輸機制」，
其 主 要 概 念 為 在 IEEE 802.11 之 協 定 中 ， 以 CIFS 取 代 DIFS(DCF, Distributed Coordination Function IFS)而達到公平的傳輸。並且分析IEEE 802.15.4與IEEE 802.11在非理想通道訊號干擾情形下之影響。
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而在第五章節將分析 IEEE 802.11 在 Range2 環境下對於 IEEE 802.15.4 所造 成干擾，並且提出「動態封包大小調整機制」，因而達到降低 IEEE 802.11 所造成 之同頻干擾。並且分析 IEEE 802.15.4 在非理想通道訊號干擾情形下之問題。
而最後一章節則是本論文的結論與說明本研究之未來發展方向。
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第二章
文獻探討
由上一章節中可以清楚知道使用在 2.4GHz 無線通訊設備逐漸增多，雖然工 作於 2.4GHz 的無線通訊技術標準，在設計之初均加入了必要的設計來減小在同 頻干擾的影響，但是在無線通訊技術快速發展的今日，該頻段已日益擁擠，為了 能讓各種無線設備能正常運行。因此，如何避免之間的同頻干擾在無線共存分析 上顯然是非常重要的。一個異質無線網路共存的環境，與原本單一無線網路系統 的運作觀念上也將有極大的區別，同頻干擾對於物理層(Physical Layer)與媒介存 取控制層(MAC Layer)將造成不同層面的影響。因此在本章節我們將相關文獻區 分為兩種不同層面研究探討。
2.1 異質無線網路在 PHY 層的相關研究
本節中將分析異質無線網路在 PHY 層中相關文獻的探討，我們會針對在 PHY 層下不同解決方法區分為兩種，第一種為不同的同頻干擾模型分析，第二種基於 切換通道的方法，解決異質無線共存網路在頻段重疊之問題。
2.1.1 不同干擾模型分析
G.M.Tamilselvan與Dr.A.Shanmugam在文獻 [7][8][9]中分別提出不同的干擾 模型在Qualnet模擬器進行模擬。而在文獻[7][8]中提出了兩種模型分別為Inter和
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Intra，在模擬器內佈建20個IEEE 802.11和IEEE 802.15.4節點如圖2-1(a)、(b)；
Inter：所有的WLAN節點組成一個工作頻段，WPAN的群集節點與族群大小為5 個成員，每個族群將有一個 PAN Coordinator和4個End devices。每個族群分配一 個獨特的頻段傳輸。頻率調度後，每個通道中會有特定時段分配封包傳輸。Intra：
從不同群集的群集成員分組，同樣會有特定時段分配封包傳輸。
(a)WLAN 與 WPAN 共存之 Inter 模型 (b)WLAN 與 WPAN 共存之 Intra 模型 圖 2-1、WLAN 與 WPAN 異質共存之網路拓樸模型[7]
圖 2-2、IEEE 802.11b 與 IEEE 802.15.4 的訊號共存範圍[9]
而在文獻[9]作者提兩種出類似的無線異質網路共存模型，分別為 TDMA 以 及 Grid Topology，作者提到 IEEE 802.11b 與 IEEE 802.15.4 的共存範圍如圖 2-2 所示；其中 R1：IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 可以互相聽到彼此；R2：IEEE 802.15.4
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仍可以請清楚聽到 IEEE 802.11b 的訊號，但是 IEEE 802.11b 聽不到 IEEE 802.15.4；R3：由於距離較遠，但 IEEE 802.15.4 仍然可以感測到 IEEE 802.11b 的 干擾，IEEE 802.11b 已聽不到 IEEE 802.15.4 的訊號。其結果顯示 Intra 與 Grid Topology 模型可以有效降低 BER (Bit Error Rate)與 FER (Frame Error Rate)。但在 整體而言，其異質同頻干擾之問題仍無提出有效的解決方法。
2.1.2 通道檢測
基於切換通道的方法，在文獻[10]~[16]皆都使用類似方法解決異質無線共存 網路在頻段重疊問題。其中Peizhong Yi 等人[10]，提出利用能量檢測判斷是否有 同頻干擾，並分析出封包傳送時的Safe Distance和Safe Offset Frequency，提出一 個避免同頻干擾演算法，在適當的時機切換到安全的通道避免同頻干擾。如圖2-3
所示，C. Won 等人[11]所提到IEEE 802.15.4與IEEE 802.11b共存多跳網路，其環境
為9*9網格狀的IEEE 802.15.4拓樸，圖中圓形區域為IEEE 802.11的同頻干擾範 圍，因此當封包傳送到A節點時，一旦遭受同頻干擾便立即廣播訊息至周圍的節 點，同步切換至干擾較低的通道傳輸，來減少因干擾而造成封包的遺失。而文獻 [12]~[15]作者使用的方法都與文獻[11]雷同，分別在多跳環境下先偵測是否有遭 受到同頻干擾，若有遭受到IEEE 802.11的干擾時，便切換通道至無干擾之通道。
而Fang Yao[16]主要是利用能源檢測每個頻段中的能源大小為何，並且給予判斷 能源之門檻值，若偵測到此能源大小超過門檻值時，則將會視為此通道不適合用 於傳輸。
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圖 2-3、IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11b 共存之多跳網路[11]
2.2 異質無線網路在 MAC 層的相關研究
然而本研究將分析在 MAC 層中異質無線共存網路之相關文獻探討，因此本 節中先將相關研究區分成兩類，第一為封包於不同環境下所遭受碰撞之同頻干擾 分析，第二部份將以實際佈建與分析為主深入探討。
2.2.1 封包碰撞干擾分析
D. G. Yoon 與 S. Y. Shin 等人[17][18][19][20]分析異質無線網路下封包可能造 成碰撞原因。而在文獻[18]中提到；在圖 2-4 是對於 IEEE 802.11b 通道中相鄰的 IEEE 802.15.4 通道或以上這些通道之間的 guard bands 並進行封包錯誤率的分析。
圖 2-4、IEEE 802.11b 和 IEEE802.15.4 通道選擇[18]
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圖 2-5、IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.11b 之間的同頻干擾模型[18]
其中圖 2-5 為 IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.11b 之間以 MAC Layer 分析的干擾 模型，其中 TZ 是指兩個 IEEE 802.15.4 封包之間到達的時間間隔；LZ 為 IEEE 802.15.4 封包持續的時間；tTA 是 IEEE 802.15.4 SIFS 的時間；TACK是指 IEEE 802.15.4 ACK 封包的時間；UZ,backoff是指 IEEE 802.15.4 平均 backoff 的時間； TW 是指 IEEE 802.11b 封包持續的時間；LW是指 IEEE 802.15.4 封包持續的時間；tLIFS 是指 IEEE 802.11b DIFS 的時間；TACK,W是指 IEEE 802.11b ACK 封包的時間；
UW,backoff是指 IEEE 802.11b 平均 backoff 的時間；o 是指時間的偏移。而文獻[18][19]
不同之處為，文獻[19]中作者加入 Bluetooth 所遭受之同頻干擾，並且分析出三種 無線技術同時運作時，封包可能會照成的問題；而在文獻[20]中作者提出一個可 以在異質共存網路中同時運用的 Markov chain 模型，並且在模擬器中驗證其模型 可行性。其結果顯示 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 傳送距離越長其 throughput 越 高；而較多的 IEEE 802.11 節點則會影響 IEEE 802.15.4 的 throughput。Lieven Tytgat 等人[21]分別針對文獻[9]提到 R1~R3 所造成之同頻干擾分析，並利用此干擾分析 適當調整封包的傳送方式，以避免異質共存網路中之同頻干擾。
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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
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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。
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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。
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。