IEEE 802.15.4 之數值模型分析

第二章文獻探討

2.3 IEEE 802.15.4 之數值模型分析

首先在 IEEE 802.11 [10] (WLAN)的分析之中，G. Bianchi [11]在 2000 年提出了以較為簡化的 Markov chain 分析 IEEE 802.11 的 DCF (Distributed Coordination

Function)，也就是競爭存取通道的機制(CSMA/CA)，在此模型中，假設是於理想通道的環境下， stations 的個數是有限的，而每一個 station 不斷地產生封包欲傳輸，此情況稱之為飽和網路(Saturated Traffic Conditions)，傳送封包時所產生的碰撞機率視為獨立的情形並且是常數，與重傳之次數無相關，依據上述假設提出

throughput 數值模型分析 IEEE 802.11 的傳輸效能。

而後，以 G. Bianchi 所提出之 Markov chain 作為分析方法的依據，延伸並修改後用於分析 IEEE 802.15.4 的相關研究也日漸增加，而分析之對象又可再區分為 beacon-enabled 以及 non-beacon-enabled 的 IEEE 802.15.4。

S. Pollin et al. [12] 探討 beacon-enabled 的 IEEE 802.15.4 之 MAC 層，於飽和

網路的環境下使用 Markov chain 分析 slotted CSMA/CA 機制，藉由數值模型分析 IEEE 802.15.4 的在不同競爭節點下與不同傳輸量下的能源消耗情形。Y. Zhang et al. [13] 同樣採用 beacon-enabled 的 IEEE 802.15.4 為分析目標，以 Markov chain 分析 slotted CSMA/CA 機制，分別提出了成功傳輸機率、Goodput (單位時間可成功傳輸的 payload 大小)、以及能源效率三項數值模型，根據分析結果表示，在非理想通道環境下，針對不同競爭節點數可找出最佳的封包長度已提升傳輸效率。

C. Y. Jung et al. [14] 所提出 slotted CSMA/CA 的 Markov chain，其中考慮了超級訊框的架構，若在當前的 CAP (Contention Access Period)無法成功將封包傳輸完成，將延遲至下一個 CAP 中繼續傳輸，因此在 Markov chain 中增加了延遲的狀態，並於非飽和的網路狀態中提出有限制重傳次數與無限制重傳次數的 throughput 模型。在文獻[15]中，F. Wang et al.將 slotted CSMA/CA 機制分成 node state 與 channel state 兩方向，並個別建立相關的數值分析模型，主要用於單一節點成功傳輸機率與通道競爭存取率，並延伸此一 slotted CSMA/CA 模型，將原始單一 backoff 時間單位(時槽)再細分為單位更小的時槽，使其逼近於 un-slotted

CSMA/CA 模型，使節點可隨時進行 CSMA/CA 機制，並分析 slotted CSMA/CA 與 un-slotted CSMA/CA 的傳輸效率。

在關於 IEEE 802.15.4 non-beacon 的分析中，文獻[16] ，C. Buratti et al.非使用上述 Markov chain 為分析工具，而是使用 process chain 模型 CSMA/CA 機制，

並將每個 stage 可能選擇的 backoff 時槽與其機率都展列開來，其主要原因為，作者認為競爭存取通道的機率會因為 backoff 所選取的倒數時槽累積，而 Markov

chain 為遞迴的流程，因此並無法包含所有的可能性。而 T. O. Kim et al. [17] 則是以 Markov chain 分析 un-slotted CSMA/CA 機制，但作者所提出之 Markov chain 中，其 sensing 執行了二次，而根據參閱多篇相關文獻的記述，un-slotted CSMA/CA 在 sensing 時只佔用單一個時槽。

2.4 6LoWPAN Route-over 與 Mesh-under 之數值模型分析

文獻[6]之中，A. H. Chowdhury et al.提出了分析與比較 6LoWPAN 之二種路由機制 Route-over 與 Mesh-under 的數值模型，主要目標為比較二種路由機制在多跳環境下之成功傳輸機率，但作者所提出之模型僅分析傳輸單一 fragment，而非由 IPv6 封包所分割成之多個 fragments，此外；fragment 的傳輸機率是採用假設數值的方式執行數值分析，並無考慮節點由競爭存取通道後成功傳輸的機率。

第三章

6LoWPAN 於 IEEE 802.15.4 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 三種不同頻段之傳輸效能分析

6LoWPAN 定義為將 IPv6 的封包透過以 IEEE 802.15.4 為標準之無線個人區域網路傳輸，簡而言之即是無線感測網路的節點需具備與 IP 溝通的能力，而

6LoWPAN 以 IEEE 802.15.4 作為傳輸依據，其位於底部的 PHY 層與 MAC 層都 採用了 IEEE 802.15.4 的標準協定。

IEEE 802.15.4 的標準規範[3]中定義其資料鏈結層與實體層為低功率、低傳輸率、低耗能之無限個人區域網路，應用於無線感測網路於受能源消耗限制下之傳輸，例如工業上自動化、控制、監測管理等等，其實體層主要定義了三種不同的頻段，分別是 868MHz、915MHz、以及 2.4GHz，其差異性除了用於特別規定之應用環境之外即是地區性的不同。

由於目前無線環境中尚有其它裝置也使用 2.4GHz 頻段為實體層，例如 IEEE 802.11 [10] (Wi-Fi)、IEEE 802.15.1 [18] (Bluetooth)等等，因此本章節主要欲了解 IEEE 802.15.4 無線通訊在不同頻段下對於背景雜訊的干擾之耐受程度，將進行三種不同頻段之傳輸效能分新，並比較何者擁有較佳之傳輸效能。

3.1 IEEE 802.15.14 PHY 層之三種主要頻段

IEEE 802.15.4 主要有三種實體頻段，分別是 868 MHz、915 MHz、以及 2.4 GHz，

如表 3-1 所示。

表 3-1、IEEE 802.15.4 PHY 層之三種主要頻段頻段 868 MHz 915 MHz 2.4 GHz 通道編號 0 1 to 10 11 to 26

使用區域 歐洲北美洲全球

歐洲使用 868 MHz 只用 1 個頻道，訊道編號為 0，北美洲使用 915 MHz 分成 10 個頻道，訊道的編號由 1 至 10，全球通用頻段 2.4 GHz ISM (Industrial Scientific Medical)分成 16 個頻道，訊道編號為 11 至 26；三者所定義之傳輸率與 symbol rates 亦不相同，868 MHz 之傳輸率為 20 kb/s、symbol rate 為 20 k symbol/s，

915 MHz 分別是 40 kb/s 與 40 ksymbol/s，而 2.4 GHz 則是有 250 kb/s 與 62.5 ksymbol/s，三種頻段之傳輸率以及 symbol 率的不同將影響其單位時間所承載的傳輸量有差異。

3.2 IEEE 802.15.4 之 MAC 層競爭存取通道分析

為了取得 IEEE 802.15.4 之傳輸效能的分析，藉由相同於文獻[12][13][15][17]

的方法，針對媒體存取層做分析，然而在媒體存取層的競爭是採用 Carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) 此機制，因此本章節利用

Markov chain 模型分析 IEEE 802.15.4 於媒體存取層之競爭機制的狀態轉換，藉此求得節點於競爭存取通道之傳輸率，由於本研究是採用 non-beacon 的 IEEE 802.15.4，故相對應為 un-slotted 的 CSMA/CA 機制。

3.2.1 CSMA/CA 機制

由於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（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, 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 Contention Window 中，隨機挑選一個延遲時槽數，並開始往前倒數，當這段延遲時間(Backoff Period)結束，

節點會針對通道執行 CCA (Clear Channel Assessment)偵測，偵測後判斷結果為閒置狀態，節點才可開始傳輸封包；反之若 CCA 判定通道當前為忙碌狀態，那麼該節點被迫再次延後傳輸(backoff)一次，此時，Contention Window 會增加為前一次 Contention Window 的 2 倍，並且從中再次隨機挑選一個延遲時槽數並再次執行倒數，待此次延遲結束後將再次執行 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。

根據 IEEE 802.15.4 標準規範 [3] 之定義對於通道存取機制可區分為

beacon-enabled 與 non-beacon-enabled 二種模式，beacon-enabled 是由個人區域網路(Personal Area Network, PAN)中的協調器(Coordinator)週期性地發送 beacon 給所有的無線感測節點，目的是為整個 PAN 的時間作同步，beacon 到下一次 beacon 之間的間隔時間稱之為超級訊框(Superframe)，而超級訊框中分成 active 與 inactive 兩部份，其中，active period 被切成數個等份的時槽，active period 內包含了有

beacon (佔一個時槽)、contention access period (CAP)、及 contention free period (CFP) 三部分 ; inactive period 部分是針對節點即將進入省電模式為考量，在

beacon-enabled 模式中，採用的是 slotted CSMA/CA 演算法，此機制於執行於超級訊框中的 CAP，在 IEEE 802.15.4 標準規範定義 slotted CSMA/CA 中的一個基 本單位時間稱作 aUnitBackoffPeriod，亦即為一個時槽的長度，它必頇等長於超級 訊框的時槽邊界，假設在當前的 CAP 中仍未成功存取通道並傳輸完成，那麼 CSMA/CA 的運作流程將會延遲至下一次超級訊框中的 CAP 繼續執行； Non-beacon-enabled 的 IEEE 802.15.4 則採用 un-slotted CSMA/CA 機制，因為在 PAN 中無網路協調器存在，無週期性地發送 beacon，故節點欲傳輸資料，是隨時進入通道，而非同步的時間點，所以 non-beacon-enabled 模式比起 beacon-enabled 模式出現碰撞情形的可能性較高。

由於 6LoWPAN 在路由機制是以 Mesh-under 與 Route-over 二種方法為主，但在 MAC 層則是以 mesh 的拓樸為主，無網路協調器的存在。此外，在

beacon-enabled 機制的 IEEE 802.15.4 考慮了睡眠、省電的時間同步機制，又加上倘若於 CAP 內未能成功將封包傳輸完成，則於分析中需再考慮傳輸延遲的情況，所以本研究暫不將這些機制納入考量，選擇採用 non-beacon-enabled 的 IEEE 802.15.4 為研究目標，故分析 un-slotted CSMA/CA 機制，如圖 3-1 所示。

圖 3-1、IEEE 802.15.4 Un-slotted CSMA/CA 流程圖

NB=0, BE=macMinBE

Delay for random (2^BE-1) unit

backoff periods

Perform CCA

Channel idle?

NB=NB+1, BE=min(BE+1, macMaxBE)

NB>

macMaxCSMABackoff

Y N

Un-slotted CSMA-CA

Failure Success

圖 3-1 闡述了 un-slotted CSMA/CA 演算法的運作流程，首先，每個節點都會 產生三個參數隨時間變動: NB, CW, 和 BE。NB (Number of Backoff Times)為節點 欲嘗詴存取通道所需執行的 backoff 次數，初始值為 0，每進行一次 backoff 加 1，

上限值為 macMaxCSMABackoff (預設值為 4)，代表最後一次的 backoff；CW (Contention Window)代表每一次 backoff 所選擇的隨機延遲時間長度；BE (Backoff Exponent)則用來計算 backoff 的 CW 最大範圍有多少個時槽 (一個時槽為 20 個 symbol time，也就是 20*16 μs)，BE 的初始值為 macMinBE (預設值定義為 3)，同 樣是每進行一次 backoff 則 BE 的值增加 1，直到 BE 增加至上限值 macMaxBE (預 設值為 5)，一旦 BE=macMaxBE 之後 CW 的範圍已經是上限了，就算再次 backoff 亦不會再增加了。

當 CSMA/CA 流程開始進行，NB, BE, 和 CW 均設為初始值，在第一次的競 爭中(第 0 次 backoff ) CW 的範圍大小是從[ 0, 2^macMinBE-1]個時槽數中，隨機挑選一個時槽數，開始倒數延遲一段時間，待此段時間結束，隨即對通道執行 CCA 偵測，若偵測通道結果為 idle 狀態，便可成功存取通道並進行傳輸，但倘若偵測 到通道已被其它節點佔用，CCA 頇回報狀態為 busy 狀態，NB 和 BE 加 1，並進 入下一次的 backoff stage，並將 CW 增加一倍，也就是說有[ 0, 2⁴-1]種不同的時槽 數可挑選，若 BE 已達 macMaxBE 則指數便不再增加，CW 最大值為 2⁵-1，後續 若再次 backoff ， CW 仍是從 [0, 2⁵-1] 範圍中選取時槽數，直到

NB=macMaxCSMABackoff，此次 backoff 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閒置狀態，表 3-2 為參數與其對應值。

表 3-2、IEEE 802.15.4 CSMA/CA 參數 NB BE CW=2^BE 為主，如圖 3-2 所示，具體地描述出 IEEE 802.15.4 un-slotted CSMA/CA 機制中的

backoff 隨機流程。

首先假設節點在成功存取通道後即可開始進行傳輸，並考慮於理想通道的傳輸環境，無 hidden terminals 之問題，也就是封包被傳送後一定能成功抵達目的端。

通道中的節點個數為定值(本研究進行數值分析所假設之節點個數分別是 3、5、

和 7 個節點)，此外每一個節點一次只產生一個封包欲傳輸(Non-saturation)。而在分析模型中，節點執行 backoff 之後，進入 sensing 狀態且通道為忙碌的狀態條件機率為α，在此假設每個節點之α為個別獨立，且節點每次 backoff 後所產生的

在文檔中 6LoWPAN路由機制的傳輸效能分析之研究 (頁 19-0)

第二章 文獻探討