CSMA/CA 機制

於前一小節介紹完硬體及開發環境後，本小節會開始介紹本研究所提出的媒 介存取控制層之軟體流程，首先介紹的是 CSMA/CA 機制。本研究所提出之 CSMA/CA 之流程如下圖 4-4 所示。本研究不使用盲目型隨機後退(Blind Random Backoff)機制，此機制為當初為了無線感測器網路省電目的所開發，為簡化 CSMA 機制的方法，盲目型隨機後退機制只在確認傳輸媒介通道淨空時才會開啟無線通 訊模組，這意味著很多時間，感測器節點並不知道網路系統內其他節點所發出的 封包，完全與系統隔絕，也無法確認系統目前狀態。

圖 4-4 CSMA/CA 機制的流程圖

在這流程演算法第一步是設置後退指數，後退指數(Backoff Exponent)提供一 個隨機後退的基數參考。當有資訊封包要傳送時以及當執行空閒通道評估 (Clear-Channel Assessment, CCA)後偵測到傳輸媒介被占用時，都會在進行隨機後 退。隨機後退算法為式(5-1)，單位隨機後退時間UnitBackOffTime 為一個定值，各 家晶片廠商依據其研發的晶片實體層性能來制定，在德州儀器為 CC2530 所撰寫 用戶指南裡(USA: Texas Instruments, 2011)將這個數值設為 320μs。節點會在 0 ~ 7

中 隨 機 選 中 一 個 數 字 後 ， 乘 上 UnitBackOffTime 後 得 到 隨 機 後 退 時 間 為由使用者設定一個以 dBm 為基準的閥值(Threshold)，當空間中聲頻訊號電平 (Audio Signal Level)超過這個閥值達一段時間，無線通訊晶片即透過硬體介面告知 使用者此環境傳輸媒介正在被使用。德州儀器 CC2530 內部有兩個暫存器可作為 空閒通道評估的介面，分別為 CCACTRL0 以及 CCACTRL1 這兩個可程式化的暫 存器，CCACTRL0 主要用來給使用者設定閥值，德州儀器建議設定值為-84 dBm，

而 CCACTRL1 則是給使用者設定 CCA 的基本設置。當使用者對這兩個 CCA 控 制暫存器進行完設置後，CC2530 硬體本身會以每四個機械週期(約 124μs)進行一 輪偵測，當 4 個週期內的訊號平均電瓶超過閥值，則硬體會自動設置一個位於

圖 4-5 CCA 準確性測試圖

由圖 4-5 中可明顯地觀察到當發送端開始發送封包時，發送端天線輸出(紅線) 轉成高電位，同時接收端的 CCA 旗標(藍線)在過了一段偵測時間後也轉為低電位，

顯示傳輸媒介通道不為淨空，這部分轉換是正確的。但是圖中卻顯示了一些 CCA 的正確性問題，可以看到橘色圈框住的部分，由於目前日常生活中有太多 2.4 GHz 無線通訊協定的應用，導致 CCA 會受到其他 2.4 GHz 無線通訊協定的干擾，而誤 以為傳輸媒介亦有其他感測器節點正在使用。除此之外，亦可看到旗標常失真，

就算低於偵測時間也降至低電位。由此圖可顯示 CCA 準確性極不穩定，除了可 能受到其他 2.4 GHz 無線通訊的干擾，其硬體本身也有設計上的問題，

本研究所使用的 CSMA/CA 機制為遵循 IEEE 802.15.4 無線通訊標準協定所制 定，這也是目前各大晶片廠針對 IEEE 802.15.4 開發晶片時的依據。除此之外，本 研究將設計重心放於可靠的傳輸交握機制，盡可能地減少由通訊晶片運算所消耗 的時間浪費，故將一些 CSMA/CA 的機制在標準規範下簡化，例如漸增型後退指 數機制。依 IEEE 802.15.4 標準規範，若傳輸媒介通道不淨空，後退指數 BE 會調 整為式(5-2)判斷結果，這種稱為漸增型後退指數機制，根據 IEEE 802.15.4 標準，

最大後退指數

macMaxBE

為在分析無線感測網路傳輸實驗時，包括平均封包傳輸時間以及吞吐量等等，均