IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

第三章異質無線共存網路環境定義與探討

3.2 異質無線共存網路相關機制比較

3.2.2 IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

IEEE 802.11 的通道存取機制(CSMA/CA)基本原理與 IEEE 802.3[27]乙太網路相似，其中 IEEE 802.3 MAC 層的存取方式為 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)，原理為利用偵測封包碰撞的方式來傳送訊息，當封包要送到網路上時，發送端會將封包直接送出；如果當封包在網路上遇到碰撞時，此封包則會被退回發送端。因此依據 IEEE 802.11 標準在 MAC 層的存取方式為 CSMA/CA。當發送端要發送封包時，並不會立即傳送出去，而是先等待延

遲時間(IFS，Interval Frame Space)，之後會確認通道是否忙碌，通道若是空閒則就開始傳送封包。如果發送端若發現頻道忙碌的話，則會開始 Backoff，首先與 IEEE 802.15.4 一樣會從最小 CW 中挑選一段隨機的延遲時間(Backoff Period)開始倒數，若發現頻道忙碌的話則會凍結延遲時間的倒數，直到確認頻道是空閒的再繼續倒數，直到延遲時間一到，再進行接下來的運作。而發送端在發送出封包之前，會先發出 RTS（Request To Send）的通知訊號，然而目的端收到 RTS 訊號後必須要回應 CTS（Clear To Send）的訊號。當發送端收到 CTS 訊號後才把封包傳送出去。而其他要傳送封包的節點，如果偵測到媒體中存有 RTS 或 CTS 訊號時，則會因為處於延遲時間凍結的階段，因此不會在此時傳送資料。

圖 3-6 所呈現為 IEEE 802.11 的 CSMA/CA 演算法步驟。標準的 CSMA/CA 運作流程如下，首先 NB_11、BE_11 與 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_11-1]個 backoff time units 中，隨機挑選一個時間點開始倒數，每倒數一個 backoff time unit 就會偵測通道是否忙碌，若通道是空閒則可以傳送資料；若通道非空閒情況則會凍結在當前的 time unit，等到通道再度被釋放，backoff 倒數延遲恢復運作，繼續接續的時間動作。當此次 backoff 時間倒數完畢通道仍然忙碌，則 CCA 須回報狀態為 busy medium，NB_11 和 BE_11 加 1，並進入下一次的 backoff stage，在此回的 CW 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_11 已達 BE_11_max那麼指數便不再增加，CW 最大值為 2¹⁰-1，後續若再次 backoff，CW 仍是從[0, 2¹⁰-1]範圍中選

取延遲時間點，直到 NB_11=NB_11_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。

NB_11=0, BE_11=BE_11min

Delay for random (2^BE_11-1) unit backoff periods

Channel idle?

NB_11=NB_11+1,

BE_11=min(BE_11+1,BE_11max)

Success NB_11>NB_11max?

Failue

Y N

Wait IFS

Channel idle?

Wait IFS

圖 3-6、IEEE 802.11 CSMA/CA algorithm

3.2.3 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 之差異分析

IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 相同，皆是使用 CSMA/CA 機制避免碰撞情形發生，在 IEEE 802.11 環境中當一個裝置欲存取通道傳輸資料時，首先也是需先經歷一段 backoff 延遲時間，接著透過 CCA 偵測確定通道為空閒，才能傳送資料，

但由於 IEEE 802.11 無須考慮能源消耗問題，因此每個 backoff time unit 都會執行

CCA，除此之外，當裝置在 backoff 延遲時間偵測到通道已被佔用，backoff 延遲倒退則會凍結在當前的 time unit，等到通道再度被釋放，backoff 倒數延遲恢復運作，繼續接續的時間動作。而 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 最大不同是，IEEE 802.15.4 backoff 延遲時間會一直倒數完後再執行 CCA 確認通道是否為空閒，

IEEE 802.15.4 在 backoff 延遲時間倒數途中皆不會停止倒數。表 3-1 呈現 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 CSMA/CA 之參數差異，根據採用不同物理調變方式，而有不同的單位時間、初始 CW 大小、CW 最大值。

表 3-1、IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 CSMA/CA Parameters PHY Slot-Time CW_min CW_max IEEE 802.11 DSSS 20μs 31(2⁵-1) 1023(2¹⁰-1 IEEE 802.15.4 DSSS 320μs 7(2³-1) 31(2⁵-1)

3.2.4 IEEE 802. 15.4 Non-beacon 之 Markov chain 模型

圖 3-7 為 IEEE 802.15.4 的 CSMA/CA 機制利用二維 non-beacon 之 Markov

chain 模型所描繪之運作流程，其中每一個橢圓圖形代表一個 backoff time unit(又 稱作 state)，而每個 state 裡面定義了兩個參數分別是{nb_15.4(t), bw_15.4(t)}，

NB_15.4(t) 表示 backoff 的次數，nb_15.4(t) ∈ [0, m]，m 為 NB_15.4_max，而

nb_15.4(t)= -1 則定義為節點成功存取通道並開始進入傳輸封包的階段。除此之

外，傳輸封包所需佔用通道的時間長度(time slot 的個數)視為封包的長度大小，

以Ｌ表示，由第Ｌ個 time unit 倒數直到 1 為傳輸的最後一個 time unit，傳輸完成 即回到空閒狀態{-1, 0}，q 為進入下一個 time unit 節點仍為空閒的機率。bw_15.4(t) 為 backoff 倒數計數器，bw_15.4(t) ∈ [0, W_i- 1]，它從隨機選取的 backoff time unit 開始倒數至 0，即進行 CCA，此時將立即傳輸，在此用-1 取代 0，表示 CCA 的

state。當執行 CCA 時，通道被其他節點佔用之機率為 α。當傳輸開始時，在接收 端之頻道 BER 將影響到整體封包的錯誤率(FER)，在圖 3-7 中以 λ 表示 FER，所 以若要成功傳輸封包，必須沒有發生封包錯誤，才能完整將封包傳輸完成，倘若再接收端發生傳送錯誤時，將會導致封包的重傳。

因此接下來我們將改進文獻[28][29][30]之分析模型，用以分析異質共存環境下之無

線感測網路節點傳輸成功機率，其分析方式如下：

圖 3-7、IEEE 802.15.4 Markov chain 模型

假設此 Markov chain 在穩定狀態之機率計算，定義為 b_n,b =P{(nb(t), bw(t)) =

27 橢圓圖形代表一個 backoff time unit(又稱作 state)，而每個 state 裡面定義了二個參 數，分別是{nb_11(t), bw_11(t)}，其中 NB_11(t)表示 backoff 的次數，nb_11(t) ∈ [0,

m]，m 為 NB_11_max。bw_11(t)為 backoff 倒數計數器，bw_11(t) ∈ [0, W_i- 1]，它從隨機選取的 backoff time unit 開始倒數至 0。若中途發生碰撞則會停止倒數，直到通道空閒之後，才恢復倒數。因此在圖中每次 backoff 皆被須是成功時才會執行下一個 state。

然而 IEEE 802.11 在 Contention Window 隨機挑出一個亂數值，當亂數值倒數

到 0 時，便把封包傳送出去。若封包是成功的傳送則把 CW 設為最小值（Minimum

Contention Window, CWmin）。若發生碰撞則 CW 變成目前值的兩倍，直到值為最大值（Maximum Contention Window, CWmax）；當值為最大值時，若封包傳送仍然未成功 CW 值將不在增加，直到 NB_11_max 大於上限次數為止。

接下來本研究將參照[31]中所提到的 IEEE 802.11 的 Markov chain 模型所推導出相關的機率方程式進行討論。 Markov chain 模型得到一個封閉式的方程式如(14)所示：

圖 3-8、IEEE 802.11 Markov chain 模型

3.2.6 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 Markov chain 模型比較

從 3.2.1 與 3.2.2 節當中可以了解 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 Markov chain 模型是有所差異。首先從 backoff 機制分析，雖然 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802. 11 開始皆是隨機產生一個亂數值，當亂數值倒數至 0 時，便將封包傳送出去。但是若遭受碰撞，IEEE 802.15.4 則會繼續倒數，倒數完後若通道依然忙碌則會繼續跳

至下一個 CW 值，直到 backoff 次數達到最大限制 5 次後，則將此封包視為失敗。

而 IEEE 802.11 傳送封包時遭受碰撞後則會停止倒數，直到通道淨空後才會恢復倒數，因此 IEEE 802.11 在每次切換到下一個狀態時傳送機率都必須為 1。若倒數完 IEEE 802.11 一樣遭遇封包碰撞，backoff 的數值則會從目前值兩倍開始倒數起直到 CW 數值達到最大為止就不再增加。

因此本研究設計一種符合在異質共存無線網路當中所使用的Markov chain模型，如圖3-9所示。此一Markov chain模型為改良IEEE 802.11的Markov chain模型；

當中我們多加了一段CIFS (Coexistence Inter-Frame Space)時間以取代DIFS，其主要目的是為了提升IEEE 802.15.4之傳輸機率。首先當封包要傳送時會先等待一段

CIFS時間，因此在此時內若通道是忙碌時會凍結時間，直到通道淨空後才會重新計數。因此在圖中x代表等待CIFS時間後通道仍然忙碌時的機率，若等待完後通道淨空後則進入backoff機制。而相關backoff運作機制如第3.2.2小節所示。

Range1、Range2 與 Range3。Range1：IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 互相可以監聽到彼此正在傳輸。Range2：IEEE 802.15.4 可以監聽 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。因此接下來在本論文中，

將分析與探討 Range1 與 Range2 所產生干擾問題，並提出有效提升 IEEE 802.15.4 傳輸效率。

然而我們也分析了 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在碰撞機制、Markov chain 模型皆有些不同。因 IEEE 802.11 無須考慮耗電量問題，所以在每個 backoff time

unit 都會執行 CCA，偵測通到是否為忙碌狀態，若是忙碌則會停止 backoff 延遲倒退，讓 time unit 停留在當下，直到通道淨空後才恢復倒數。而 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 最大不同為，IEEE 802.15.4 backoff 延遲時間會一直倒數完後再執行 CCA 確認通道是否淨空，在 backoff 延遲時間倒數途中皆不會停止倒數。

因 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 的碰撞機制有所不同，所以我們利用各自的 CSMA/CA 與碰撞機制分別建立出各自的 Markov chain 模型，並且利用文獻 [28]~[31]中所提出的傳送機率方程式，推算出 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 各別的封包傳送成功機率。

綜述以上分析方法我們提出一種符合在異質共存無線網路中使用之機制，在

IEEE 802.11 協定中，我們提出以 CIFS 取代 DIFS 的方式，為了提升 IEEE 802.15.4 之傳輸機率。因此在第四章節我們將遵循此一機制，透過數值與模擬分析，IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 個別的關係，以及封包的傳送機率等相關問題探討。

第四章

Range1 干擾環境分析模型探討

在第三章當中將異質無線共存環境區分為三種，因此本章節將針對 Range1 環境下，IEEE 802.11 對於 IEEE 802.15.4 的影響做詳細的分析與探討。並且提出一個適當的機制 CIFS 以減少 IEEE 802.11 在 Range1 對 IEEE 802.15.4 的影響。

4.1 Range1 環境下封包狀態分析

在本小節中將針對當 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 共存於在 Range1 情形下，

IEEE 802.11 對於 IEEE 802.15.4 的同頻干擾所造成之影響做詳細的分析。本研究參考文獻[32]以及文獻[33]中，所描述 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 之狀態機，

首先我們使用 PRISM [34]狀態機模擬器，如圖 4-1 所示，基於 Range1 的環境中分析 IEEE 802.11 對 IEEE 802.15.4 的影響，其相關參數設定則如表 4-1 所示。

兩者在協議方面之比較，WI-FI (IEEE 802.11)的資料傳輸型態較適合於大量的資料傳輸。相對的，Zigbee (IEEE 802.15.4)則較適合低速率且長度較短的封包傳送。因此我們在 PRISM 中讓 IEEE 802.11 送出長度均為 1500 byte (以 IEEE

802.11 協議為基準)的連續封包，並針對傳送 133 byte 長度之 IEEE 802.15.4 單一封包做為分析之依據。在圖中所呈現之上圖為 IEEE 802.11 封包傳送結果，而下圖為 IEEE 802.15.4 的傳送結果。

表 4-1 Range1 模擬相關參數與配置 IEEE 802.15.4 IEEE 802.11b Packet Length (byte) 133 1500

4th Backoff ‧‧‧

‧‧‧ 5th Backoff DATA

ACK

入下一個封包。當封包傳送完畢時會確認在 ACK time-out 之前是否有收到 ACK 訊息；若 ACK time-out 之後沒有收到訊息，則將回到 Backoff 程序並開始執行

Backoff，若收到 ACK 訊息表示此次封包為成功傳輸。

另一方面，以 IEEE 802.11 的流程而言，封包傳送開始前必須等待一段 DIFS 時間，若在等待期間通道是忙碌時，將會暫停倒數須等到通道淨空後，計數器將等待 DIFS 時間後進入 Backoff 程序，在第 3.2.3 節中有提到 IEEE 802.11 與 IEEE

802.15.4 Backoff 程序是有所不同的； IEEE 802.15.4 backoff 延遲時間會一直倒數至零後，則再執行 CCA 確認通道是否為淨空，且 IEEE 802.15.4 在 backoff 延

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 29-0)

第三章 異質無線共存網路環境定義與探討