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

27

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

28

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。

29