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]

11

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；t_TA 是 IEEE 802.15.4 SIFS 的時間；T_ACK是指 IEEE 802.15.4 ACK 封包的時間；U_Z,backoff是指 IEEE 802.15.4 平均 backoff 的時間； T_W 是指 IEEE 802.11b 封包持續的時間；L_W是指 IEEE 802.15.4 封包持續的時間；t_LIFS 是指 IEEE 802.11b DIFS 的時間；T_ACK,W是指 IEEE 802.11b ACK 封包的時間；

U_W,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。

12

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。

14

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

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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

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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

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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。

18

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。

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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。

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

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

Perform sensing

Perform sensing

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 18-0)