Range2 干擾環境分析模型探討結論 - Range2 干擾環境分析模型探討 - 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

第五章 Range2 干擾環境分析模型探討

5.5 Range2 干擾環境分析模型探討結論

在本章節一樣先分析在 Range2 中，IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 封包傳送之問題探討；並且探討文獻中所提出的相關方程式，並將這些方程式帶入 Qualnet 模擬器中進行模擬分析。因此我們將著重於 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 共存網路對性能的影響。最後我們也提出證明了有效的調整封包大小有助於 IEEE 802.15.4 在 Range2 中對於 IEEE 802.11 干擾問題有所減少；並且也分析了 IEEE 802.11 傳輸功率大小與 IEEE 802.15.4 封包錯誤率之關係，其結果顯示 IEEE 802.11 傳輸功率大小與 IEEE 802.15.4 封包錯誤率成正比。而在第 5.4 節中我們一樣探討了在非理想通道之訊號干擾下 BER 與 FER 之關係；其結果表明，在非理想通道之訊號干擾下 BER 與 FER 互為正比，並且針對 FER 與接收到的封包數量的關係，

提出適當調整傳送封包機制。

第六章

結論與未來研究方向

隨著科技的進步，無線網路相關技術已經充分的應用在人們的生活之中，然而，各項無線技術依其物理特性、協定規範下，各網路技術有各自的傳輸與適用環境。因此，無線通訊的應用已逐漸朝向異質無線技術整合方向發展，在如此眾多的無線技術共存的環境，在此通稱為異質無線網路。因此諸如此類的網路技術同時運作在 2.4GHz 頻段時必定會造成嚴重干擾問題，若能有效避免共存時的干擾，便能提供各種衍生的創新服務。本論文第二章節中，在異質無線共存網路所造成的同頻干擾相關研究，針對 PHY 層與 MAC 層逐一歸納與分析。以目前相關的研究，大多是針對 IEEE 802.15.4 遭遇干擾時偵測通道是否為空閒，若通道非空閒時則會進行通道切換；雖然此種方法能有效避免在異質共存網路中所造成的同頻干擾問題，但對於近來廣為使用的 IEEE 802.11g/n 技術而言，當 IEEE 802.11n 使用 40MHz 頻寬時，對 IEEE 802.15.4 的影響將非常嚴重，然而僅用通道切換也未必能有效避免來自 IEEE 802.11 的同頻干擾。因此若要有效解決 IEEE 802.15.4 在異質共存無線網路環境干擾的問題，不僅僅要從 PHY 層方面解決，還要針對 MAC 層的封包傳送機制與封包長度著手，進而達到提升傳輸效率之目的。

在第三章中針對 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 二者間無線通訊技術之差異，

依不同的傳輸範圍定義出三種干擾範圍：Range1、Range2 以及 Range3。而在此這三種範圍中皆有不同程度的同頻干擾發生；然而在 Range3 中兩者互相偵測不到，所以兩者將各自運作不受干擾，因此在本論文中將分析與探討 Range1 與

Range2 所產生干擾問題，並分別在第四與第五章各別提出有效提升 IEEE 802.15.4 傳輸效率的方法，因 Range3 為定義 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 相互無法偵測訊號之距離，因此本論文將不予以討論。另外在此章節也分析 IEEE 802.11 與 IEEE

802.15.4 在協定標準上差異。從分析結果中顯示，IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在碰撞機制與 CSMA/CA 機制皆有極大之差異；其中以碰撞機制最為明顯，在 IEEE 802.11 因不必顧慮耗電問題，所以 IEEE 802.11 在每次 Backoff 時皆會運行 CCA，偵測通道是否為淨空狀態；反觀 IEEE 802.15.4，因須考慮耗電量之問題，

所以 IEEE 802.15.4 則會在 Backoff 程序結束後才會運行 CCA。而本研究也分析

IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 之 Markov chain 模型，並且提出「異質共存網路機制」，因此利用此共存機制運作在 Range1 環境中。

在論文第四章中，分析了 Range1 在共存環境下封所造成之干擾，雖然在 Range1 中 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 可以利用各別通訊協定所訂定之 CSMA/CA 機制，知道對方是否有封包正要傳送，但也因兩者在通訊協定中的基本時槽單位(Slot Time)相差 16 倍，所以 IEEE 802.11 的封包傳輸則會比 IEEE 802.15.4 較有傳輸之優勢，而當在傳送連續封包的情形下，IEEE 802.15.4 封包則

會因本身 CSMA/CA 機制，導致無法順利傳輸。因此本研究提出「CIFS 之公平傳輸機制」，其模擬結果顯示，當 IEEE 802.11 加入 CIFS 後能有效提升 IEEE 802.15.4 之傳輸效率；若 CIFS 長度超過 1.2ms 時 IEEE 802.15.4 將達到 100%傳輸，雖然加入 CIFS 能有效提升 IEEE 802.15.4 之傳輸機率，但卻讓 IEEE 802.11 之

throughput 因延遲升高而下降，因此從資料傳輸利用率而言，當 CIFS 為 1.4ms 時可讓 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 二者之資料傳輸利用率達到約 50%。因此未來可以針對不同之環境給予動態調整 CIFS，以滿足二者傳輸效率上之基本需求。另外本章也針對 IEEE 802.15.4 在多個 IEEE 802.11 競爭節點下之傳輸效率與非理想通道訊號干擾之 throughput 及 End to End Delay。其結果顯示越多 IEEE 802.11 競爭節點將會嚴重影響 IEEE 802.15.4 傳輸效率；因此在第四章中無論是數值分析與 PRISM 模擬結果，都可證明 CIFS 機制能在異質無線共存網路環境下，有效提升 IEEE 802.15.4 之傳送機率。

在第五章中，異質無線共存網路環境下 PHY 層訊號品值之問題，則探討在 Range2 範圍內之同頻干擾問題。然而在第五章中將探討在 Range2 範圍內之干擾問題。因 Range 2 為異質無線網路間非對稱涵蓋範圍所造成之異質隱藏節點問題，因此本章著重於分析 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 間，因處於 Range2 環境下，對於個別傳輸性能之影響。本章並分析了 IEEE 802.11 傳輸功率大小與 IEEE 802.15.4 封包錯誤率之關係，經由數值分析與模擬證明，IEEE802.15.4 傳送封包

大小與 IEEE 802.11 同頻干擾之相互關係，因在訊號干擾下 BER 與 FER 互為正比，且 FER 與 throughput 則為反比之關係。因此本章提出「動態封包大小調整機制」，此機制可以藉有調整封包而達到避免同頻干擾之問題。其結果顯示有效的調整封包大小，將有助於 IEEE 802.15.4 在 Range2 中減少來自 IEEE 802.11 同頻干擾之影響。

因本研究著重於 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在 Range1 與 Range2 環境下，

因同頻干擾將所造成的問題做竹一的詳細分析，並且提出相對應之方法避免相互間同頻干擾問題。在 Range1 中，考慮在 MAC 層加入防碰撞之 CIFS 機制，而在 Range2 中則著重於 PHY 層中加入防止同頻干擾的物理層機制。因此，如須考慮 Range1 與 Range2 共存之環境時，須以跨層式(Cross-Layer)之觀點來設計此一研究方向，因此 Range1 與 Range2 干擾之共存相關議題將規劃在未來研究加以考慮。因此本研究將在未來展望方面，可以考慮在更複雜的異質無線共存網路環境下，如同一環境中有競爭節點(Range1)與隱藏節點(Range2)之問題，延伸針對 IEEE

802.15.4 提出最佳的傳輸策略與路由機制來降低異質無線技術的干擾為主要研究方向。在未來可以使用 Busy tone 方式於 IEEE 802.15.4 之節點上，其主要功能為使 IEEE 802.11 能夠在 Range2 環境下，監聽 IEEE 802.15.4 是否有封包進行傳送。

以 IEEE 802.15.4 而言，可利用 RSSI 之方式判斷此訊號來源為 Range1 環境還是 Range2；以本論文而言，若當 IEEE 802.15.4 傳輸機率較低時，將可以調整 CIFS

長度；而當封包錯誤率較高時，將可以調整封包長度以達到避免同頻干擾問題。

因此 IEEE 802.15.4 在封包發送前，須先廣播通知 IEEE 802.11 此時 IEEE 802.15.4 有封包要傳送，以防止封包碰撞產生。在動態路由機制方面，提出動態頻段調整路由機制。在此可以使用第三章節中所提出的通道評估演算法，以 AODV 為例，

節點在建立路由時，首先廣播發送 RREQ 封包，而每一跳節點利用 CCA 搜尋各主要監控通道的 ED 來判斷通道品質並記錄在 RREQ 封包內，因此 RREQ 封包包含節點搜尋的通道品質，透過觀察主要頻段之接收能量之接收能量(涵蓋相鄰頻段之重疊接收能量)，評估每中間節點各主要頻段之通道品質對傳輸效率以及能量消耗之評估，再經由最短路由路徑與最佳工作頻段，選擇一個最佳的通道與路由路徑來進行封包的傳送。

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