傳輸效能之數值分析結果

第四章 6LoWPAN 路由機制於理想通道環境下之傳輸效能分析

4.3 傳輸效能之數值分析結果

本研究章節同樣使用了 PRISM 狀態機模擬器為理想通道環境下之 Route-over 與 Mesh-under 的傳輸效能模型執行數值分析，其參數表如下所示。

表 4-2、傳輸效能分析之參數表 IPv6 封包長度 1280 bytes

fragment 個數 14

網路中之競爭節點數 3, 5, 以及 7 多跳傳輸之跳數 1 至 7

將 IPv6 的封包 1280 bytes 扣掉表頭後，經 adaptation 層平均分配給 IEEE

802.15.4 大小的 MAC payload 後，fragment 個數為 14，此外；由於一個星狀拓樸的 IEEE 802.15.4 節點所能感測到的競爭節點數約為 3 至 7 個，因此與前一章節相同，本章節將分析於 3、5、以及 7 個競爭節點與多跳數下，Route-over 與 Mesh-under 之 IP 封包成功傳輸率，數值分析結果分別如圖 4-7、4-8 所示。

低 IP 封包成功傳輸率，但卻不會因跳數增加而導致 IP 封包成功傳輸率下降，這是由於每一跳皆需執行重組回 IP 封包，故每一跳之封包機率值皆會回復到 1，所以於圖 4-7 中 Route-over 路由機制呈現較圖 4-8 Mesh-under 路由機制穩定的結果。

4.4 結論

根據 6LowPAN 的路由決策層級的不同，6LoWPAN 的路由機制主要可以分為

Route-over 以及 Mesh-under 二種路由機制，前者為 IP 網路的路由方法，其路由決策在 Network 層確定；Mesh-under 則是 WSN 的路由方法，路由決策是於

adaptation 層確定。兩種路由機制除了路由決策層不同之外，最主要之差異在於處理 fragment 以及轉送的方式不同，根據 Route-over 與 Mesh-under 處理 fragment 方式的差異，本研究分別將二種路由機制視為 hop-by-hop 及 end-to-end 的傳輸方式加以分析。

此外；本章節延續了前一章節分析 IEEE 802.15.4 MAC 層所提出的數值模型，

進一步提出分析 Route-over 與 Mesh-under 傳輸效能的模型，同樣地，透過數值分析得到二種路由機制之 IP 封包成功傳輸機率並比較二者之傳輸效能。

由分析結果得知，當競爭節點逐漸增加，二種路由機制之 IP 封包傳輸成功率皆明顯降低，這是由於當競爭節點數較多，並非所有節點都能在 CSMA/CA 機制

中的有限 backoff 次數內成功存取到通道。此外；當跳數逐漸增加，Mesh-under 的 IP 封包傳輸成功率也隨之下降，而 Route-over 卻不會因跳數增加而導致 IP 封包的成功傳輸率下降，這是由於 Route-over 路由機制在傳輸時，每一跳皆執行重組回 IP 封包，故每一跳之封包機率值皆回復到 1，所以 Route-over 於分析圖中呈現為較穩定之結果，雖然由分析結果可得知，當競爭節點數較多並且跳數也較多的情形下，Route-over 路由機制會比 Mesh-under 有較佳的傳輸效能，但卻相對地要消耗較多的時間執行每一跳的分割與重組工作。

第五章

6LoWPAN 路由機制於非理想通道環境下之傳輸效能分析

在上述研究章節已介紹 6LoWPAN 即是將 IPv6 導入 WSN 中作結合，因此底層採用的是 IEEE 802.15.4 的通訊協定為基礎，而 IEEE 802.15.4 所定義的三種頻段中，又以 2.4 GHz 頻段所擁有之傳輸效能較佳，故 6LoWPAN 的封包採用 2.4 GHz 頻段作為傳輸媒介是較為合適的選擇。

但是，由於 2.4GHz 是一個被普遍使用的頻段，其頻率範圍介於 2.400 ~ 2.4835 GHz，美國聯邦通訊委員會 (Federal Communications Committee)將之定義為 ISM (Industrial, Scientific and Medical) Band，顧名思義為預留給工業、科學及醫療使用的免費頻段，沒有任何使用上的限制，因此，除 IEEE 802.15.4 之外，目前幾種常用 2.4 GHz 頻段的通訊技術還有 Wireless LAN IEEE 802.11 b/g/n 、 short

range Bluetooth 等，所以傳輸時難免因為使用同頻段而產生干擾，使得傳輸的封包出現錯誤而導致傳輸失敗的結果。

本研究章節將分析以 2.4GHz 頻段為主要傳輸依據的 6LoWPAN，其兩種路由機制，Route-over 以及 Mesh-under 於非理想通道環境之下所呈現之傳輸效能以及 goodput 分析。

5.1 非理想通道環境下之 Markov chain 模型

為了分析 6LoWPAN 的傳輸效能，故採用與前述研究章節相同之分析方法。

首先以 Markov chain 分析 IEEE 802.15.4 MAC 層的競爭存取機制，也就是主要考慮 Un-slotted CSMA/CA 機制，因同樣使用於 2.4GHz 的無線通訊技術，如 IEEE

Wi-Fi、Bluetooth 等技術的普及，因此 IEEE 802.15.4 傳輸封包時，PHY 層易受到來自於其它無線通訊技術的同頻干擾，所以在本研究考慮了非理想通道的條件，

本章節將針對第三章所提出的 IEEE 802.15.4 un-slotted Markov chain 模型加以修改，因為訊號干擾發生於傳輸階段，故於傳輸狀態上加入可能出現封包錯誤機率的情況，如圖 5-1 所示

圖 5-1、非理想通道環境之 Markov chain 模型分析 IEEE 802.15.4 Un-slotted CSMA/CA

本節所提出的 Markov chain 與前述研究章節相異之處是於節點進入傳輸封包的狀態時，增加了判斷封包傳輸之過程中是否遭遇到干擾的條件，λ定義為封包錯誤率(FER, Frame Error Rate)，它是由當前通道環境的位元錯誤率 (BER, Bit

Error Rate)經計算而來，位元錯誤率為無線環境下通道狀態的指標，計算方式如下



BER





1 1

 (15)

R T L

l  _Slot (16)

方程式(16)中，L 定義為傳輸一個封包佔用了 L 個時槽長度， T_Slot 即代表 aUnitBackoffPeriod 也就是等於一個時槽，R 為網路傳輸率，故 l 為一個封包的長

度，單位為位元 (bits)。

經由上述以及圖 5-1 可得知，當節點傳輸封包時，如有較低的封包錯誤率，

則接收端將會有較高的機率能成功的接收此一封包，反之若產生較高的封包錯誤率，則傳送失敗的機率也將大幅提升，當封包傳送失敗，節點回到閒置狀態，準備重新執行下一次的封包傳送過程。因此，延續前二章的分析模型，節點可成功 進入傳輸狀態的機率為 P_tr，如方程式(17)所示，P_suc為非理想通道下節點競爭存取通道且傳輸成功的機率





 



 _tr 1

suc P

P (17)

5.2 數值模型分析 Route-over 與 Mesh-under 於非理想通道環境下之傳輸效能

延續第四章針對 6LoWPAN 兩路由機制 Route-over 與 Mesh-under 所作之分析模型，在此章節將進一步分析 6LoWPAN 中兩種路由機制於非理想通道下的 IP 封包成功傳輸率以及 goodput。

在 5.1 節分析了非理想通道下，節點競爭存取通道且成功傳輸的機率為 P_suc，代入在 4.2 節所提出之 Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率，方程式(13) 與(14)，取代原本於理想通道環境下的 P_tr，如此將可得到非理想通道下之

Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率分別以方程式(18)、(19)表示之

與研究章節第四章相同，k 表示 macMaxFrameRetries，也就是重傳的上限次 數，f 則表示由 IP 封包經 adaptation 層分割後的 fragment 個數，h 是多跳傳輸之 跳數。

5.3 Route-over 與 Mesh-under 之 Goodput 分析模型

前述第四章的分析結果，得知在多跳的環境下 Route-over 的 IP 封包之成功傳

輸率，將會優於 mesh-under，這是由於 Route-over 在每一跳皆將所有 fragments 重組回 IP 封包，因此，每一跳之成功傳輸率都會回復為 1，但僅靠 IP 封包成功傳輸率為判斷的唯一依據，如此 Route-over 將會是較佳的路由方法，以 Route-over 的路由方式傳輸，雖然較為穩固卻相對較為耗時，因為每一跳的分割與重組將比

Mesh-under 損耗許多的時間，為了能更精確地評估兩種路由機制，因此頇進一步分析兩種路由機制的 goodput，由於 goodput 為單位時間可傳輸資料量，其中同時考量了時間的差異，有助於分析 Route-over 與 Mesh-under 在傳輸效能上之差異。

本章節提出之 goodput 分析模型參考了[11]與[14]的分析方法，使用 normalized 的方式，乘積相對應之機率，如 IP 封包乘上 IP 封包成功傳輸率，而時間部份分

T_Slot於 5.1 節有提及，是一個 backoff 的基本時間單位，為 320μs；T_CCA是執行 CCA 所佔用的時間，為 128μs。

方程式定義內容如下:

第一次 backoff 可隨機選擇之 backoff 延遲時間最大達到 7 個時槽，再加上一個 CCA 所花費之時間，即為最大佔用時間，將之乘上競爭存取成功之機率，作標準化後可得到在第一次 backoff 成功存取通道所花費之期望值時間；第二次

backoff 可隨機選擇之 backoff 延遲時間擴大為 15 個時槽，再加上前一回 backoff 所累計的時間，時間總長為 23 個時槽與一個 CCA 時間，將總時間乘上第一次

backoff 沒有成功存取到通道的機率，以及乘上第二次 backoff 有成功存取到的機率，一樣作標準化後即可得到於第二次 backoff 成功存取通道所花費之期望值時間，而後續之第三、四、五次 backoff 採用相同之概念，最後將第一至五次 backoff 的時間加總，即可得到封包在傳送前，執行 MAC 競爭存取通道的時間期望值。

第三項時間為傳輸的時間期望值，但由於傳輸時又分成有使用重傳機制以及沒有使用重傳機制兩種，差別在於使用重傳機制在傳送完資料封包後會等待一段轉換時間，接著接收端會回送 Acknowledgement 封包，好讓傳送端得知資料封包已成功送達接收端，倘若接收端遲遲未收到 Acknowledgement 封包，那麼等待一段 Acknowledgement Time-out 時間，此次傳輸即表示失敗，資料封包必頇再重新發送。

重傳機制與非重傳機制的封包傳送及時間順序如圖所示

圖 5-2、IEEE 802.15.4 重傳與非重傳機制之 IFS 時間

圖中顯示假設資料封包的 MPDUs 大於 18 bytes 則判斷為長的封包最後會使 用 LIFS (40 個 symbol 時間，又一個 symbol 等於 16 μs) 時間間隔，若低於或等於

18 bytes 則最後會使用 SIFS (12 個 symbol 時間)時間間隔。

因此傳輸時間將根據重傳與非重傳機制的差異逐一分析，所以最後所要推導之 goodput 模型亦分成採用重傳機制與非重傳機制兩項，分別說明之。

5.3.1 無考慮重傳機制之分析模型

在此小節，將介紹無考量重傳機制下的Route-over與Mesh-under goodput分析模型，在求goodput之前，必頇先取得Route-over與Mesh-under在無重傳機制下所耗費之傳送時間期望值，分別為^E_noack^ro

 

^tx ^與^E_noack^mu

 

^tx ^{，如下所示}

Long frame

ACK

Short frame

ACK

Long frame

Acknowledged transmission

Unacknowledged transmission

LIFS Tturnaround SIFS

LIFS

Short frame

SIFS Tturnaround

50 與Mesh-under的goodput分析模型，以S_noack^ro 與S_noack^mu 個別表示之。

     

Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率，但要注意的是，本小節考慮為 無重傳機制，因此(18)、(19)中代表重傳次數的變數 k 必頇為 0；分母部份是將閒 置、競爭等待、和傳輸三項期望值時間加總後，而又因為有 f 個片段封包都需要

51 封包之間的間隔時間Tturnaround，其時間長度為192 μs；T_ack為傳送Acknowledgement 封包的時間長度，一般IEEE 802.15.4的Acknowledgement封包經計算為352 μs，其餘的變數皆與前述無重傳機制相同，接著再進一步得到S_ack^ro 與S_ack^mu，分別為

方程式(28)、(29)中，P 與_suc^ro P 為於非理想通道環境下之 Route-over 與 Mesh-under_suc^mu

在文檔中 6LoWPAN路由機制的傳輸效能分析之研究 (頁 48-0)