Range3 之相互傳輸範圍

第三章異質無線共存網路環境定義與探討

3.1 異質無線共存網路環境定義

3.1.3 Range3 之相互傳輸範圍

如圖 3-4 所示，基於 Range3 之相互傳輸範圍的定義，IEEE 802.15.4 與 IEEE

802.11 因相互間距離較遠，兩者的傳輸範圍皆無法覆蓋到彼此，所以兩者相互間均無法感應到彼此之訊號傳輸。因此在此一範圍內 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 將不會產生相互間的同頻干擾。

Range3

802.15.4 Transmission Range (Radius)

802.11 Transmission Range (Radius)

802.15.4 ^802.11

IEEE 802.11 (Wi-Fi Access Point) IEEE 802.15.4 (Zigbee)

圖 3-4、Range3 之相互傳輸範圍示意圖

3.2 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 相關機制比較

在此章節中，我們將比較 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 之碰撞機制、

CSMA/CA 與 Markov chain 模型之差異。因此本研究將分析相關差異後並以 Markov chain 模型在異質網路中，說明同頻段干擾所造成之影響。

3.2.1 IEEE 802.15.4 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

根據 IEEE 802.15.4 標準之定義，對於通道存取機制(CSMA/CA)可區分為

Beacon-enabled mode 與 Non beacon-enabled mode 二種類型。Beacon-enabled mode 採用了 slotted CSMA/CA 機制，在個人區域網路(Personal Area Network, PAN)中藉由網路協調器(Coordinator)週期性地發送 Beacon 給所有的無線感測節點，為整個

PAN 作時間同步，對於有資料需傳送的節點而言，它們會向 Coordinator 提出要求進行傳送請求，才開始執行 CSMA/CA 機制；若是為 Non beacon-enabled mode 則採用 unslotted CSMA/CA 機制，因為 PAN 中無網路協調器存在，故當節點欲傳輸資料時，可以隨時加入競爭，而非同步的進行排程與管理。

由於 Non beacon-enabled mode 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（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 CW (Contention Window)中挑選一段隨機的延遲時間

(Backoff Period)，當這段延遲時間結束，節點會針對通道執行 CCA 偵測，偵測後判斷結果為 idle medium，節點才可開始傳輸封包；反之若 CCA 判定通道當前為

busy medium，那麼該節點被迫再次延遲 (Backoff)，並且亦再次隨機挑選一次延遲時間與執行 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。

圖 3-5 闡述了 CSMA/CA 演算法的步驟。標準的 CSMA/CA 運作流程如下，

首先 NB_15.4、BE_15.4 和 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_15.4-1]個 backoff time units 中，隨機挑選一個時間點，開始倒數等待一段時間，等到此段時間一結束，隨即對通道執行 CCA 偵測，

若偵測結果 idle medium，便可成功存取通道進行傳輸，但倘若偵測到通道已被其它節點佔用，CCA 須回報狀態為 busy medium，NB_15.4 和 BE_15.4 加 1，並進入下一次的 backoff stage，而此回的 CW 以將以 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_15.4 已達 BE_15.4_max那麼指數便不再增加，CW 最大值為 2⁵-1，後續若再次 backoff，CW 仍是從[0, 2⁵-1]範圍中選取延遲時間點，

直到 NB_15.4=NB_15.4_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_15.4=0, BE_15.4=BE_15.4min

Delay for random (2^BE_15.4-1) unit backoff periods

Perform sensing

Channel idle?

NB_15.4=NB_15.4+1, BE_15.4=min(BE_15.4

+1,BE_15.4max)

Success NB_15.4>NB_15.4max?

Failue

圖 3-5、IEEE 802.15.4 CSMA/CA algorithm

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，

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 26-0)

第三章 異質無線共存網路環境定義與探討

3.1 異質無線共存網路環境定義

3.1.3 Range3 之相互傳輸範圍

3.2 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 相關機制比較

3.2.1 IEEE 802.15.4 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

3.2.2 IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 分析

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

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

3.2.6 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 Markov chain 模型比較

第三章異質無線共存網路環境定義與探討