第二章 文獻探討
2.5 RPL 中相關路由決策機制介紹
2.5.4 RSSI-Based 路由協定
Al-Jemeli 等 人 [26] 和 Zuhairi Megat 等 人 [27] 在 文 獻 中 ， 皆 有 使 用 到 RSSI(Received Signal Strength Indication)做為路由決策機制之判斷，其中，不同的 研究使用各自定義的 RSSI 作為判斷之方式，而在 AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector)或是 MANET(Most on-demand Mobile Ad Hoc Network)網路拓樸 下相對較多，由於不同文獻各有不同 RSSI 定義之判斷方式，Amusa 等人[28]於文
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獻中也是提出透過接收訊號強度－RSSI 作為 RPL 路由決策機制，與本研究較相 似之地方在於其也是使用 RPL 拓樸，但其 RPL 路由機制是使用於 WMN (Wireless
Mesh Network)中。
而 RPL 路由機制中，使用 ETX (Expected Transmission Count)計算鏈路品質，
原始的 ETX 就是基於傳輸機率作為路由的判斷依據，其計算公式為 ETX=1/(df *
dr)，df定義為傳送端成功傳送至目的端的機率、dr定義為目的端成功接收封包並 回復成功的機率，ETX 則為此兩機率的倒數，傳輸機率越高 ETX 越小，傳輸機 率越小 ETX 則越高，rETTi=ETX * S/R 作為兩節點間路徑的權重值，S 為傳輸之 封包大小，R 為 RSSI 對應的傳輸速率，將節點至 Root 節點的路徑權重相加起來 即為路由選擇之判斷依據。
雖然本研究同樣使用接收訊號強度作為 RPL 路由決策機制，但是本研究除提 出在低功耗有損的網路中使用接收訊號強度選擇較穩定的路由機制外，更重要的 是如何利用不同頻道進而提升該路徑的傳輸效率，故將 TSCH 跳頻機制與 Hop
Count 也考慮至本路由機制中，而在 Ferro 等人[29]之文獻中亦有加入 Hop Count 之想法，其對於 RSSI 之判斷做一個門檻值，超過該門檻即對 metric 做一個數值 權重相加，此 Metric 將會累加，但其路由判斷還是以 Hop Count 為主，當 Hop 數有較小時才比較路徑的 Metric 大小，但截至目前，上述文獻接使用單一頻道進 行路徑傳輸，並無考慮不同頻道有不同傳輸效能。而本研究則是以 TSCH 跳頻機
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制下 RSSI 對應之成功傳輸機率為主，選擇較佳傳輸頻道進行封包傳輸，當機率 相同時才以 Hop 數判斷，兩者之間判斷順序還是兩者之間判斷順序還是有所不同。
在低功耗有損的網路中與有線網路有著相當大的差異，於單一頻道中，即使此鏈 路品質相對較佳，並不代表此頻道擁有較佳之傳輸效能，因此並不代表能達到較 高的傳輸效率，但上述文獻均無考慮到此一問題。本研究將分析於鏈路中不同頻 道之不同接收訊號強度下使用訊號強度較佳的頻道建構路由，以提升 6LoWPAN 封包傳輸的效率。
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第三章
在非理想通道環境下透過 OpenWSN 評估 TSCH 之效能
IEEE 802.15.4[1]是一個低耗能、低速率的短距離無線傳輸協定，作為 Zigbee WirelessHART[2]、MiWi[3]與 6LoWPAN[4]等協議的底層基礎，協定中規範了低 速無線個人區域網的實體層(PHY Layer)和媒體存取控制層(MAC Layer)之通訊架 構，其低功耗、低成本的優點使其在無線感測網路領域中獲得普遍應用，其中相 關技術又特別廣泛使用於遠端監控、防災、醫療、居家等範疇，雖然以 Zigbee 協定所開發的相關應用已經遍佈，但一直未能滿足在工業應用上對於可靠度的要 求[5]。因此，為滿足工業應用上對於低功耗無線感測網路的要求，IETF 於 2012 年增修 IEEE 802.15.4e[6]的標準，主要是實現在無線感測網路的多頻道網路通訊 以及多跳時間同步配置等擴充功能，使得原 IEEE 802.15.4 MAC 能使用多通道跳 頻運行方式進行傳輸。
傳統的 IEEE 802.15.4 MAC 機制，負責路由的無線感測節點必須常時保持為
idle 狀態，以便轉送鄰近節點的封包資訊，例如 Reduce Function Devices (RFD) 節點則需透過路由節點傳送與接收本身的封包資料，導致路由節點即使在本身無 封包傳送的情況下，也無法切換至休眠模式以降低電力消耗。為了讓網路中的每 個節點均能降低功耗，節點之間的通訊必須進行妥善的排程，因此在 Personal Area Network (PAN)中需要一個能同步時間的機制，使得 IEEE 802.15.4e 透過 PAN 的
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同步化，大幅縮短路由節點的 idle 狀態時間，如此將盡可能降低節點功耗。一旦 網路中建立精準的時間共用機制，透過 PAN 中各節點之間的 Timeslot 同步，將 可以進行鄰近節點間之點對點傳輸排程，進而將頻道配置整合至同步排程機制中，
以達到以 Time Slotted 為單位的多通道跳頻傳輸。
IEEE 802.15.4e 透過 Time Slotted Channel Hopping (TSCH)強化了原 IEEE 802.15.4 在 PHY 層的 DSSS 通訊的可靠性並具有更低的功率消耗。在 IEEE 802.15.4e 網路中，每個節點同步時間單位為時槽(Time Slot)，每個 Time Slot 通常 為 10 毫秒[30]。Time Slot 將組成一個超級訊框 Super frame，並且隨時間推移不 斷地重複著。而時程計劃表則指示每一個節點在每個 Time Slot 中該做什麼：傳 送封包到一個特定鄰居節點、接收特定節點的封包，或是睡眠[31]。藉由以 Time
Slot 為基礎的頻道排程，讓每個傳送和接收的 Time Slot 能夠達到 Channel Shift 通 道轉移。藉此，於同時間使用相同頻道轉移為不同的通道使得超級訊框中每個重 疊的部分皆能進行通訊。所得到的跳頻通訊結果除能有效降低同頻干擾和多路徑 衰退的影響，也因此有效提升無線感測網路的可靠性。
影響無線通訊穩定性的因素很多，但在本章節中將著重於非理想通道環境下，
因同頻干擾所造成的問題。同頻干擾其涵義為當干擾源與接收端處於同一或是部 分重疊的相鄰頻率之上，如干擾源功率較高，常會造成工作頻段附近其他的無線 信號品質降低。例如使用 DSSS 調變方式的 Wi-Fi 常為附近工作於 2.4GHz 同頻率
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的無線感測網路設備之干擾源。當無線感測網路的接收端節點的接收功率較低時，
來自其他無線通訊的同頻干擾現象的效應會變得更為嚴重。另外，當有多個傳送 端同時透過相同頻率傳送訊號時，也會容易產生同頻干擾。如果各傳送端在傳送 訊號之前，無法預先聽到彼此的訊號，也將會產生嚴重的同頻干擾問題，導致接 收端則會聽到所有傳送端所發出的訊號，如隱藏節點問題即是一種同類型無線網 路間之同頻干擾。因此，本章節將探討非理想通道環境下，同頻干擾後的傳輸效 能以及如何利用 IEEE 802.15.4e 之 TSCH 跳頻機制有效提升無線感測網路的傳 輸效能，並分析其結果。
3.1 TSCH in OpenWSN
建構 6LoWPAN 網路環境有許多種，像是常用在無線感測網路中的作業系統
－TinyOS，或是近年來慢慢發展起來為了 IOT 研究開發之 Contiki 作業系統，然 而，普遍的作業系統只考慮到單一頻道的傳輸，並無考慮跳頻機制；而本研究中 則是使用 OpenWSN 系統作為 6LoWPAN 之開發分析平台，它不需依賴於任何特 定的工具鏈，其物理層使用 IEEE 802.15.4 協議，媒體存取層部分則使用 IEEE
802.15.4e 協議中的 TSCH 來實現跳頻機制，上層分別為在低功率無線個人網路下 使用 IPv6 (6LoWPAN)與低功耗有損網路的路由協議(RPL)，實現無線感測網路無 縫連接到 IPv6 網路，其可在許多嵌入式硬體上運作，也已發展出完整的軟體開
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發環境及網路模擬測試環境，且其為 Open Source 的作業系統，有較大的開發功 能，提供本研究更多之資源於 6LoWPAN 封包效能之分析研究。
IEEE 802.15.4e 的標準於在 2012 年初修訂完成，實現在無線感測網路的多頻 道網路通訊以及多跳時間同步配置等擴充功能，使得原 IEEE 802.15.4 MAC 能使 用多通道跳頻運行方式進行傳輸外，亦顯著提升抗外部干擾並降低了路徑衰退，
其中時間被劃分為時槽 (Time Slot) 單位，於每個時槽增加了絕對時槽編號
(Absolute Slot Number, ASN)並和所有節點共享。當有新的時槽欲使用頻道時，使 用方程式(1)進行頻道計算。其中，ChannelOffset 是一個介於 0 到 15 的值，並分 配給每個欲使用之時隙。每 100 個時槽形成一個 Slotframe，而這 Slotframe 隨時 間重複。
𝐹𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑦 = (𝐴𝑆𝑁 + Cℎ𝑎𝑛𝑛𝑒𝑙𝑂𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡)%16 ... (1) 在每個欲使用頻道進行傳輸之時隙期間，於節點的 Slotframe 中的一個時槽可 藉由分配到的 ChannelOffset 保留來傳送封包給另一節點。每 100 個時槽，每一節 點都可以使用上述方程式計算欲傳送給另一節點所使用之頻道，其關鍵在於每個 時槽使得 ASN 遞增，使之後續的封包以不同頻道進行傳送。
3.1.1 OpenWSN 系統
OpenWSN 是一種完全以協議標準為基礎之開放式系統平台，其植根於新的
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媒 體 存 取 控 制 層 標 準 IEEE 802.15.4e 中 時 槽 式 通 道 跳 頻 模 式 (Time Slotted Channel Hopping, TSCH)。IEEE 802.15.4e 再加上物聯網之標準，如 6LoWPAN、
RPL，和 CoAP，實現了超低功耗和高可靠性的網狀網路。OpenWSN 從舊的 16 位元微控制器移植到最先進的 32 位元 Cortex-M 架構，以及很多商業平台上。其 低功率網狀網路被發展成介面化以及除錯軟體，以一個模擬器來模擬 OpenWSN 在電腦上的網路架構，並將這些網路連接到互聯網所需的環境之中。OpenWSN 為超低功耗 M2M 網路，同時具有可擴展，分佈式和高效節能的通信協議。
OpenWSN 是第一個實現 IEEE 802.15.4e 標準的無線感測網路系統。以新的 IEEE 802.15.4e 中時槽式通道跳頻模式(Time Slotted Channel Hopping, TSCH)為基 礎，透過其頻率敏捷特性(Channel Hopping)以及嚴格的時間同步，以期建構具較 高可靠性之無線感測網路。IEEE 802.15.4e 是一個新的媒體存取控制層(Medium
Access Control , MAC)，來自於 IEEE802.15.4 標準之修訂案。OpenWSN 的實現，
主要以 IEEE 802.15.4e 為主，而物聯網協議部分如 IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN)、Routing Protocol for Low power and Lossy Networks (RPL)，以及 Constrained Application Protocol (CoAP)，使得 OpenWSN 與 IPv6 網路能無縫接軌。
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3.2 測試環境之架構
本研究目的在於利用 OpenWSN 建構 TSCH 跳頻的網路環境，傳輸 IPv6 ICMP 封包，計算在無線感測網路環境下，IPv6 封包的端對端傳輸效率，且經由網路封 包分析軟體(Wireshark)，觀察 ICMP 封包大小來探討對於網路效能之影響。因此，
在測試環境的建構部份，本章節為實現 IEEE 802.15.4e TSCH 架構，並針對同頻 與跳頻間之效能分析與模擬，本研究使用基於 C 語言與 Python 所開發之無線感 測網路模擬器，主要在研究如何於互聯網連接的低功耗網狀網路情況下使用 IEEE
802.15.4e。軟體部分使用 Python，而韌體部分使用 C 語言進行撰寫。其環境架構 如圖 3-1 所示，物理層使用 IEEE 802.15.4 協議，媒體存取層部分則使用 IEEE
802.15.4e。軟體部分使用 Python，而韌體部分使用 C 語言進行撰寫。其環境架構 如圖 3-1 所示，物理層使用 IEEE 802.15.4 協議，媒體存取層部分則使用 IEEE