國立臺中教育大學 資訊工程學系 碩士論文
6LoWPAN 路由機制的傳輸效能分析之
研究
Modeling and Performance Analysis for
6LoWPAN Routing Schemes
指導教授：李宗翰 教授
研究生：江宏修 撰
中華民國 102 年 07 月
誌謝
碩士生涯的這兩年，投入了很多的心力於學習和研究上，一路上雖然遭遇過 許多困難與挫折，而最終可以順利完成碩士論文，真的感到十分開心。最要感謝 的就是我的指導教授李宗翰老師，兩年來老師不斷地給予我鼓勵，幫助我提升研 究的動力。每當我遇到瓶頸時，老師總是不厭其煩地陪我一起討論並提出建議， 協助我解決研究過程中的難題。此外，老師也相當關心學生，時常會和學生聊聊 生活近況，分享他的經驗談；這兩年來所幸有老師的悉心指導，才讓我學到相當 豐富的知識、技術、與經驗。 另外，也非常感謝張林煌老師兩年來給我的鼓勵與指導，透過團隊會議，老 師幫助我發現很多研究上考量不夠周詳的地方，並時常提醒我們作研究要嚴謹， 培養出我們研究時所需具備的邏輯概念，老師每次所給的建議都讓我受益良多。 在此也要感謝口詴委員廖俊鑑委員、賴坤助委員所給的寶貴的指導與建議，使得 本論文更加完備。 再者，感謝實驗室的成員在這段期間所給予我的協助，謝謝繼玄幫助我找到 許多相關的資料，也感謝鈺中學長在研究上給予的建議，還有特別感謝明駿與智 皓時常和我一起討論並幫助我解決研究中所遇到的問題，在討論的過程中亦達到 教學相長的目的。也謝謝兩位學弟朝仕跟祥紳協助處理實驗室的雜務。還要感謝 共同研究團隊裡的朝傑學長、碩瑤學長、政彥、宸勳、嘉佑，藉由和大家一起討 論，學習到很多自己研究主題以外的相關知識。碩班同學與學弟：紹源、旻遇、 大祐、郁翔、柏寰、宗駿，謝謝您們在這段期間為實驗室所帶來的歡樂氣氛。 最後感謝我的父母、家人、親戚朋友們，在我低潮的時候不斷地鼓勵我不要 放棄，支持著我完成我的學業，真的十分感謝你們。因為有你們一直以來為我加 油打氣，此篇論文才得以順利完成。I
摘要
6LoWPAN 相關之研究議題近年來日益受到重視，這是由於物聯網(Internet of Things)蓬勃的發展應用於日常生活中，而 6LoWPAN 為建置物聯網的技術之一， 此項技術將 IPv6 的協定用於低傳輸率的無線個人區域網路(LR-WPAN)，如 IEEE 802.15.4。但是 IPv6 的協定並不適合直接應用於如 IEEE 802.15.4 等無線個人區域 網路，其主要原因為，IPv6 的 MTU(1280 bytes)遠大於 IEEE 802.15.4 的資料鏈結 層所能乘載的資料量(127bytes)。為了解決此項問題 ，6LoWPAN 在網路層與 MAC 層之間提出了 adaptation 層，其中一項主要功能為負責壓縮 IPv6 的表頭以減少在 IEEE 802.15.4 底層傳輸的負荷，另一項重要任務是將 IPv6 的封包分割成多個符 合 IEEE 802.15.4 大小的 fragments，使得 IPv6 封包能由底層的 IEEE 802.15.4 正 常傳輸，並在目的端將所有收到的 fragments 重組回原本的 IPv6 封包。6LoWPAN 的路由機制主要可以分成二種，分別為 Route-over 以及 Mesh-under 路由機制，前 者為 IP 網路的路由方法，其路由決策在 Network 層確定，而 Mesh-under 則是 WSN 的路由方法，路由決策是於 adaptation 層確定，二種路由機制除了路由決策 層不同之外，最主要之差異在於處理 fragment 以及轉送的方式不同。因此，本研 究首先將針對 IEEE 802.15.4 工作於 868 MHz、915 MHz、以及 2.4 GHz 三種不同 ISM 頻段加以分析 ，之後再針對 6LoWPAN 之二種路由機制 Route-over 與 Mesh-under 建立數值模型，並比較二種路由機制在理想與非理想通道環境下之傳 輸效能。
II
Abstract
6LoWPAN technology has attracted extensive attention recently. It is because 6LoWPAN is one of Internet of Things standard and it adapters IPv6 protocol stack over low-rate wireless personal area network, such as IEEE 802.15.4. One view is that IP architecture is not suitable for low-rate wireless personal area network. It is a challenge to implement the IPv6 protocol stack into IEEE 802.15.4 devices due to the size of IPv6 packet is much larger than the maximum packet size of IEEE 802.15.4 in data link layer. In order to solve this problem, the IETF 6LoWPAN working group introduces the adaptation layer between network and data link layers. It provides header compression to reduce transmission overhead, fragmentation and reassembly for IPv6 packet. In addition, two selected routing schemes, route-over and mesh-under routing schemes are also proposed in 6LoWPAN to forward IP fragmentations under IEEE 802.15.4 radio link. The distinction is based on which layer of the 6LoWPAN protocol stack is in charge of routing decisions. In route over routing scheme, the routing distinction is taken at the network layer, and in mesh under is taken by the adaptation layer. Thus, the goal of this research is to analysis the performance by using the proposed analysis model in un-saturated 6LoWPAN for rout-over and mesh-under routing schemes.
III
目 錄
摘要 ... I
Abstract ... II
目錄 ... III
表目錄 ... V
圖目錄 ... VI
第一章 簡介 ... 1
1.1 研究動機 ... 1 1.2 論文架構 ... 2第二章 文獻探討 ... 4
2.1 無線感測網路 ... 4 2.2 6LoWPAN 介紹 ... 4 2.2.1 6LoWPAN 的 IPv6 表頭壓縮 ... 7 2.2.2 Fragmentation 表頭 ... 8 2.2.3 Mesh 表頭 ... 9 2.3 IEEE 802.15.4 之數值模型分析 ... 102.4 6LoWPAN Route-over 與 Mesh-under 之數值模型分析 ... 12
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 ... 13
3.1 IEEE 802.15.14 PHY 層之三種主要頻段 ... 14
3.2 IEEE 802.15.4 之 MAC 層競爭存取通道分析 ... 14
3.2.1 CSMA/CA 機制 ... 15
3.2.2 理想通道環境下之 Markov chain 模型分析 un-slotted CSMA/CA 機制 ... 19
3.2.3 理想通道環境下之成功傳輸數值模型 ... 21
3.3 6LoWPAN 資料於不同頻段下傳輸之數值分析結果 ... 23
IV
3.3.2 數值分析結果 ... 26
3.4 結論 ... 29
第四章 6LoWPAN 路由機制於理想通道環境下之傳輸效能分析 ... 30
4.1 6LoWPAN Route-over 與 Mesh-under 路由機制介紹 ... 31
4.1.1 Route-over 路由機制 ... 31 4.1.2 Mesh-under 路由機制 ... 34 4.2 以數值模型分析 Route-over 與 Mesh-under 之傳輸效能... 38 4.3 傳輸效能之數值分析結果 ... 39 4.4 結論 ... 41
第五章 6LoWPAN 路由機制於非理想通道環境下之傳輸效能分析 ... 43
5.1 非理想通道環境下之 Markov chain 模型 ... 44 5.2 數值模型分析 Route-over 與 Mesh-under 於非理想通道環境下之傳輸效 能 ... 465.3 Route-over 與 Mesh-under 之 Goodput 分析模型 ... 46
5.3.1 無考慮重傳機制之分析模型 ... 49
5.3.2 考慮重傳機制之分析模型 ... 51
5.4 數值分析結果 ... 52
5.4.1 非理想通道環境下 Route-over 與 Mesh-under 路由機制之 IP 封包成 功傳輸機率... 52
5.4.2 非理想通道環境下 Route-over 與 Mesh-under 路由機制之 Goodput 分析結果... 55
5.4 結論 ... 59
第六章 結論與未來研究方向 ... 61
V
表 目 錄
表 2-1、表頭壓縮之欄位 ... 7 表 3-1、IEEE 802.15.4 PHY 層之三種主要頻段 ... 14 表 3-2、IEEE 802.15.4 CSMA/CA 參數 ... 19 表 3-3、數值分析之模擬參數與資料型態 ... 25 表 4-1、Route-over 與 Mesh-under 比較表 ... 37 表 4-2、傳輸效能分析之參數表 ... 39 表 5-1、IP 封包成功傳輸率分析之參數表... 53 表 5-2、Goodput 分析之參數表 ... 56VI
圖 目 錄
圖 2-1、6LoWPAN Protocol Stack ... 6
圖 2-2、6LoWPAN 之 IPv6 表頭壓縮後的 payload 長度 ... 8
圖 2-3、6LoWPAN Fragmentation 表頭 ... 9
圖 2-4、6LoWPAN Mesh 表頭 ... 10
圖 3-1、IEEE 802.15.4 Un-slotted CSMA/CA 流程圖 ... 17
圖 3-2、Markov chain 模型分析 IEEE 802.15.4 Un-slotted CSMA/CA 機制 ... 20
圖 3-3、於 3 個競爭節點下，將 6 種封包用於 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 頻段下傳輸所得之機率 ... 27 圖 3-4、於 5 個競爭節點下，將 6 種封包用於 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 頻段下傳輸所得之機率 ... 27 圖 3-5、於 7 個競爭節點下，將 6 種封包用於 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 頻段下傳輸所得之機率 ... 28 圖 4-1、Route-over 與 Mesh-under 的路由比較圖 ... 31 圖 4-2、Route-over 機制之傳送端運作流程 ... 33 圖 4-3、Route-over 機制之接收端運作流程 ... 34 圖 4-4、Mesh-under 機制之傳送端運作流程 ... 35 圖 4-5、Mesh-under 機制之接收端運作流程 ... 36 圖 4-6、Route-over 與 Mesh-under 之網路拓樸 ... 37 圖 4-7、於 3、5、及 7 個競爭節點與不同跳數下，Route-over 之 IP 封包成功傳輸 率 ... 40 圖 4-8、於 3、5、及 7 個競爭節點與不同跳數下，Mesh-under 之 IP 封包成功傳輸 率 ... 40
VII
圖 5-1、非理想通道環境之 Markov chain 模型分析 IEEE 802.15.4 Un-slotted CSMA/CA ... 44 圖 5-2、IEEE 802.15.4 重傳與非重傳機制之 IFS 時間 ... 49 圖 5-3、3 個競爭節點下，於非理想通道環境執行多跳傳輸之 Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率 ... 53 圖 5-4、5 個競爭節點下，於非理想通道環境執行多跳傳輸之 Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率 ... 54 圖 5-5、7 個競爭節點下，於非理想通道環境執行多跳傳輸之 Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率 ... 54 圖 5-6、3 跳數傳輸，多競爭節點及非理想通道環境下，重傳與無重傳機制的
1
第一章
簡介
1.1 研究動機
近年來，隨著微機電感測器製造技術及無線感測網路(WSN)通訊技術的快速 發展，這些微型感測裝置除了自身形成的網路之外，目前也正發展與網際網路相 連的技術，稱之為物聯網(Internet of Things) [1]，而物聯網的應用服務為人們生活 帶來相當大的改變，因此近年來已逐漸成為十分熱門的研究議題。 物聯網的基本觀念就是把所有智慧型感測裝置(Smart Objects)以網路相互連 接(Connect)，以實現遠端監控與資訊收集之目的，而 6LoWPAN [2]即是實現物聯 網的其中一種技術，由於現行的 IPv4 位址已無法滿足大量成長的 IP 需求，更不 足以分配給規模極大的無線感測網路節點使用，因此 6LoWPAN 採用 IPv6 的定址 方式，並以 IEEE 802.15.4 [3]為其底層通訊之主要技術，以實現具低功率、低傳 輸率之網路裝置與 Internet 相互連接。 但是 IPv6 的協定並不適合直接應用於如 IEEE 802.15.4 等無線個人區域網路， 其主要原因為，IPv6 定義的最大傳輸單位(Maximum Transmission Unit, MTU)為 1280 bytes，遠大於 IEEE 802.15.4 的資料鏈結層所能乘載的資料量(127bytes)。因 此，為了解決此項問題，6LoWPAN 在網路層與 MAC 層之間提出了 adaptation 層， 其中一項主要功能為負責壓縮 IPv6 的表頭以減少在 IEEE 802.15.4 底層傳輸的負2
荷，另一項重要任務是將 IPv6 的封包分割[4]成多個符合 IEEE 802.15.4 大小的 fragments，使得 IPv6 封包能由底層的 IEEE 802.15.4 正常傳輸，並在目的端將所 有收到的 fragments 重組回原本的 IPv6 封包。 此外；6LoWPAN定義了二種路由機制，分別為Route-over與Mesh-under [5][6]， 二者之路由決策分別由網路層與adaptation層執行，所以二種路由機制處理封包與 轉發的方式也不相同，因此將探討二種路由機制何者對於6LoWPAN擁有較佳的 傳輸效能。
1.2 論文架構
本論文之架構如下，第二章節為相關研究之探討，第三章節 6LoWPAN 於 IEEE 802.15.4 之三種不同頻段下傳輸之效能分析，第四章節為 6LoWPAN 之二種路由 機制 Route-over 與 Mesh-under 的傳輸效能分析，第五章節為非理想通道環境下 6LoWPAN 之二種路由機制 Route-over 與 Mesh-under 的傳輸效能分析，第六章為 結論與未來研究方向。本論文的第二章中，將討論關於 IEEE 802.15.4 MAC 層之通道競爭存取機制 分析模型與 6LoWPAN 及其二種路由機制之相關研究，並分析與歸納相關的文獻 與所用技術。
3
為 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 的傳輸效能分析，針對 IEEE 802.15.4 MAC 層之通道競爭存取機制提出 Markov chain 模型，並使用 PRISM [7]此狀態機模擬 器分析與模擬節點競爭存取通道傳輸之成功機率，並考慮於不同競爭節點數與傳 輸不同長度的封包之情形下，分析及比較 IEEE 802.15.4 三種頻段的傳輸效能， 找出適用於 6LoWPAN 的 MAC 與 PHY 技術以獲得最佳傳輸效能。
第四章節首先介紹 6LoWPAN 的二種路由機制 Route-over 與 Mesh-under，並 比較二者之間的差異，而後則延續前章節之 IEEE 802.15.4 MAC 層之通道競爭存 取機制的 Markov chain 模型，針對 6LoWPAN 中二種路由機制 Route-over 與 Mesh-under 分別提出了傳輸效能分析模型，透過 PRISM 狀態機模擬器進行數值 分析，比較 6LoWPAN 二種路由機制在不同競爭節點數以及不同跳數傳輸的情形 下，何者能有較佳的傳輸效能。
第五章節將延續第四章的傳輸效能分析並考慮非理想通道狀態，所提出之非 理想通道之 Markov chain 模型，並分別 6LoWPAN Route-over 與 Mesh-under 二種 路由機制分析在非理想通道下之傳輸效能模型，並依本研究所提出之 goodput 分 析模型，更精確的分析此二路由機制的傳輸效能，主要分析 6LoWPAN 二種路由 機制於不同位元錯誤率(Bit Error Rate)和不同跳數下之傳輸效能，以及不同位元錯 誤率和不同競爭節點數條件下之 goodput。
4
第二章
文獻探討
2.1 無線感測網路
無線感測網路(Wireless Sensor Network)的發展，最早是美國加州柏克萊大學 (UC Berkeley)的一項研究計劃，開發出一種微型體積與普通阿斯匹靈藥片大小相 似的感測器，稱為智慧灰塵(Smart Dust) [8]，此計畫原先的目標是用於軍事用途 上，於戰場上灑滿感測節點對敵軍進行監控行動，除了軍事用途之外，現今也廣 泛應用於醫療監測、工業自動化、環境監測、以及居家自動化等應用。
IEEE 802.15.4 為低速率無線個人區域網路(Low-Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN)，是一種低傳輸速率(250kbps)、短距離(一般約為 50-100 m， 依耗電量之不同，可提昇至 300m)、低消耗功率、架構簡單的技術。 目前制定的頻段為全球的 2.4 GHz ISM 頻段、美國的 915 MHz 頻段，以及歐 洲的 868 MHz 頻段。在 2.4 GHz 的 ISM 頻段，可使用的通道數為 16 個；在 915 MHz 的 ISM 頻段，可使用的通道數為 10 個；在歐洲的 868 MHz 頻段，可使用 的通道數為 1 個。
2.2 6LoWPAN 介紹
早期的無線感測網路缺乏與網際網路共通的通訊協定標準，因此為了讓這些5
不同的感測網路裝置能夠與網際網路互通，IETF 於 2005 年成立 6LoWPAN 工作 團隊(Working Group, WG)，以 IPv6 通訊協定為基礎，訂定針對以採用 IEEE 802.15.4 具低功率、低速率的網路裝置的與網際網路協定相互溝通之標準。
6LoWPAN 之主要目標是將 IPv6 的封包透過 IEEE 802.15.4 的低功率無線個人 網路下傳輸，也就是將 IP 協定與無線感測網路相結合，目的是希望無線感測網 路的節點具備能與 IP 溝通的能力，但由於佈建一個大型無線感測網路可能需數 量龐大的節點，倘若每個節點皆分配一組 IP 位址，現行的 IPv4 位址將無法負荷 此一龐大的位置需求，更遑論分配給為數眾多的無線感測網路節點使用。因此， 採用了 IPv6 的定址方式，IPv6 作為下一代網際網路協定，具有定址資源豐富(2128 個位址)、IP 自動配置、高安全性、高移動性等優點，可以暫時滿足無線感測網 路在定址、網路安全、移動性及與現有網際網路結合等方面的需求。此外， 6LoWPAN 以 IEEE 802.15.4 作為傳輸依據，其位於底部的 PHY 層與 MAC 層均 是採用 IEEE 802.15.4 的標準協定，如圖 2-1 所示。
6
圖 2-1、6LoWPAN Protocol Stack
但要將 IPv6 的封包以 IEEE 802.15.4 來傳送，將遭遇到許多挑戰，這是由於 IPv6 定義的最大傳輸單位(MTU)為 1280 bytes，其長度遠大於 IEEE 802.15.4 data link 層的最大傳輸單位(僅有 127 bytes)，為了解決此一問題，6LoWPAN 於 MAC 層 與 網 路 層 之 間 提 出 了 adaptation 層 ， 這 一 層 主 要 提 供 了 表 頭 壓 縮 (header compression)、分割(fragmentation)、與重組(reassembly)的功能，分別減少了傳輸 時的負載、將 IPv6 的封包分割成符合底層 IEEE 802.15.4 規格之封包，稱作 fragment、以及將所有收到的 IEEE 802.15.4 之 fragments 重組回 IPv6 的封包並供 上層應用。
Transport Layer Application Layer
Network Layer Adaptation Layer IEEE 802.15.4 MAC Layer
7
2.2.1 6LoWPAN 的 IPv6 表頭壓縮
表2-1、表頭壓縮之欄位[9]
將 IPv6 應用在 IEEE 802.15.4 低耗電的底層協定所產生的挑戰在於 IPv6 要求 支援 1280 bytes 的 MTU，如圖 2-2 中 Full UDP/IPv6 (64-bit addressing)所示，而 IEEE802.15.4 標準規範中，MAC 層的 MTU 為 127 bytes，除去 25 bytes 的訊框負 載(MAC 表頭 21 bytes + FCS 4 bytes)且在無安全機制的情況下，MAC 層最大訊 框內容長度(payload)為 102 bytes，再扣除 IPv6 表頭長度 40 bytes 以及 8 bytes 的 UDP 表頭，實際可有效使用之訊框內容長度將僅有 53 bytes。因此，為了在 IEEE 802.15.4 上更加有效的傳輸 IPv6 封包，提高有效傳輸率，表頭壓縮是一個較佳的 解決方案，6LoWPAN 定義了 HC1 的編碼方式作為最佳的表頭壓縮方法，參照文 獻[9]，表 2-1 為表頭壓縮欄位的比較，當使用 IPv6 表頭壓縮技術，如圖 2-2 中 Minimal UDP/6LoWPAN (16-bit addressing)所示，將原本 40 bytes 的 IPv6 表頭壓
8
縮為 2 bytes，UDP 壓縮為 4 bytes，此外使用 16-bit 的 short address，亦減少了 MAC 表頭的長度，其有效訊框內容長度最長將可高達 108 bytes，相較於未執行 壓縮前增加了近 50%的有效傳輸率，因此採用表頭壓縮技術將可保有網際網路通 訊協定有較佳的有效傳輸率。
圖2-2、6LoWPAN之IPv6表頭壓縮後的payload長度[2]
2.2.2 Fragmentation 表頭
IP Fragmentation 也是 6LoWPAN adaptation 層的主要功能之一，由於 IPv6 的 封包長度遠大於 IEEE 802.15.4 MAC 層的訊框內容(payload)長度 102 bytes，因此 將 IPv6 的封包分割成數個可符合 MAC 層大小的 fragments，此時，每個 fragment 都會產生 fragmentation 表頭，圖 2-3 依文獻[9]所描繪為 fragmentation 表頭內容 欄位介紹，圖中(a)為第一個 fragment (4 bytes) (b)為後續之 fragments 格式 (5 bytes)，其中表頭的最前頭兩個 bits 若都為 1 就代表為 fragmentation 表頭，而 datagram_size 此欄位長度佔 11 bits，用來說明原本的 IPv6 封包在尚未被分割前 的長度為何，此欄位的數值應與其它由原 IPv6 封包所分割的封包相同，另外，
9
datagram_tag 則是用來識別所有的片段封包是來自於同一個 IPv6 封包，所以來自 同一個 IPv6 封包的 fragment 在此欄位的數值也應相同，而除了分割的第一個 fragment 外，後續其餘的 fragments 都有 datagram_offset 欄位，主要目的是辨識 fragment 的順序，以利接收端重組。
圖 2-3、6LoWPAN Fragmentation 表頭 (a)First fragment; (b)Subsequent fragment [9]
2.2.3 Mesh 表頭
當 PAN 內的每個 IEEE 802.15.4 的節點都具有 IP 位址時，IPv6 的網路層 要達成 PAN 內部的路由並且為多跳的封包轉送時，就必頇透過 adaptation 層加入 mesh 表頭。根據文獻[9]所繪，圖 2-4 為 mesh 表頭之欄位介紹，首先，當開頭前 兩個 bits 為 1 與 0 時，辨識為 mesh 表頭，V 與 F 分別代表了 originator address 以 及 final address 的長度為何，當數值為 0 代表採用的是 IEEE 較長的 64-bits 位址， 數值為 1 則是使用了短的 16-bits 位址，此外，4 個 bits 的 HopsLft 欄位則是用來 表示距離送到目的端節點，所剩餘的跳數有多少，一般可支援上限為 15 個跳數，
10
倘若超過，則欄位會改成 0xF 可支援上限為 255 個跳數，HopsLft 的數值會隨著封 包轉送至下一跳而減少，最後分別是起始端位址與目的端位址的欄位。
圖 2-4、6LoWPAN Mesh 表頭 [9]
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。
11
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，
12
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。
13
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。
14
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15
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
16
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
17
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 (2BE-1) unit backoff periods Perform CCA Channel idle? NB=NB+1, BE=min(BE+1, macMaxBE) NB> macMaxCSMABackoff ? Y Y N N Un-slotted CSMA-CA Failure Success
18
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, 2macMinBE-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
19
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=2BE 0 1 2 3 4 3 4 5 5 5 8 16 32 32 32
3.2.2 理想通道環境下之 Markov chain 模型分析 un-slotted CSMA/CA 機制
在本章節中，所提出之 Markov chain 是延伸自[11]，同樣以簡易分析之模型 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
20
α 均為相同，並與經歷之 backoff 次數無相關。為了簡化數值模型的複雜度，將 多於兩個以上節點同時發生封包碰撞之機率因數值過小而視為零。
因此，考慮了上述假設條件，本研究利用二維的 Markov chain 模型簡易地分 析 IEEE 802.15.4 un-slotted CSMA/CA 機制，如圖 3-2 所示。
圖 3-2、Markov chain 模型分析 IEEE 802.15.4 Un-slotted CSMA/CA 機制 在圖 3-2 中，每一個橢圓方塊分別代表一個 state，亦等於是一個時槽的長度， 而每一個 state 裡面定義了兩個參數分別是{nb(t), bc(t)}，nb(t)代表 backoff 的次數， 其數值範圍定義為 nb(t) ∈ [0 , m]，m 為 macMaxCSMABackoff (backoff 的上限次數)； 1 , W1 -1 1 , W1 -2 1 , 2 1 , 1 1 , -1 1-α 0 , W0 -1 0 , W0 -2 0 , 2 0 , 1 0 , -1 1-α -1 , 0 -1 , L 1 -1 , 1 m , Wm -1 m , Wm -2 m , 2 m , 1 m , -1 1-α 1/W0 1/W0 1/Wm 1/W1 α α 1/W1 1/Wm 1 α q
21
bc(t)表示為 backoff counter，意思是每次進入 backoff 時，由一段預設範圍之連續 時槽中隨機選取某一個時槽數，之後即開始倒數，直到 backoff counter 之值為 0
為止，bc(t) ∈ [0 , Wi-1]，Wi即代表為 backoff counter 的上限範圍，將隨著 i (backoff
的次數)與 backoff 指數的增加而變大，直到指數達到上限值，根據標準協定所定 義之指數的預設值，backoff counter 之範圍的計算方式為 ] , [0 , 2 2 { , } i m
Wi macMinBE min macMaxBEmacMinBEi (1)
方程式(1)計算每次個 stage 的 backoff counter 範圍，其結果列於表 3-2 中。 當 backoff counter 從隨機選取的時槽數開始倒數至 0，即進行 CCA，由於會 立即進行，因此用-1 取代 0 表示 CCA 此 state。執行 CCA 若通道已被佔用，機率
以 α 代表；倘若 CCA 判定通道是閒置狀態，那麼即可存取通道進行傳輸封包。 nb(t) = -1 時，此時不再表示為 backoff 的次數，而是節點成功存取通道開始進入 傳輸封包的階段，此外；傳輸封包所需佔用通道的時間長度(時槽的個數)視為封 包的長度大小，以 L 表示，由第 L 個時槽(time slot)倒數直到 1 為傳輸的最後一個 時槽，傳輸完成節點即回到閒置狀態{-1, 0}，q 為進入下一個時槽而節點仍然為 閒置狀態的機率。
3.2.3 理想通道環境下之成功傳輸數值模型
假設此 Markov chain 為穩定狀態的機率計算，定義成 bn, b =P{(nb(t), bc(t)) = (n,22
b)}，n 為 backoff 的次數，b 表示 backoff counter，狀態轉換之機率如下： -1 1 } 1 {n,b |n,b ,b P (2)
1]
,
0
[
]
1
[
}
1
1
{
n,
b
|
n
-
, -
α
/
W
,
n
,
m
,
b
W
-P
n
n (3)m
<
n
,
/W
α
-=
-n,
|
b
,
P
{0
1}
(
1
)
0(4) 0
1
}
0
1
0
{
,b | -
,
/W
P
(5)方程式(2)為 backoff counter 中的各個 state 轉換時的機率為 1；方程式(3)為第 n 次的 backoff 執行 CCA 後，通道已被佔用，進入下一個 backoff stage 的機率； 方程式(4)則是在首次 backoff 即成功存取通道的機率;在 backoff counter 預設範圍 中，每一個時槽被選中的機率皆相同，其機率如方程式(5)所示。 方程式(6)代表 bn , -1的機率，也就是第 n 次 backoff 進入 CCA 狀態的機率。 ] 0 [ 1 0 1=α b ,n ,m bn ,- n , - (6) 方程式(7)為執行 CCA 後，通道尚未被佔用，可成功存取通道進入傳輸狀態的機 率。 1 -, 0 ) 1 1 ( , 1 b m L b (7) 節點進入閒置狀態的機率如方程式(8)所示 q b b 1 1 , 0 0 , 1 (8) 方程式(9)為 m 次內(包含第 m 次)執行 backoff、CCA、以及傳輸和閒置狀態的機
23 率加總為 1。
1
0 1 1 , 1 , 0 1 1 , 1 1 0 1
m n W b b n m n n L l , l -, -nb
b
b
b
+
b
(9) 由方程式(6)推導出於各次 backoff 進入 CCA 狀態的機率後，進一步以 τ 來表示節 點在 backoff 之後嘗詴 CCA 的機率如下所示
m n n ,b
τ
0 1 (10) 若以 N 表示為節點個數，假設有 N 個節點欲存取通道，考慮到各節點的競爭情形， 因此，可求出執行 CCA 但通道被佔用的機率為
N N N N 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (11) 根據 Markov chain 所導出的上述式子，最終，我們可以得到進入傳輸狀態的 機率，亦即節點嘗詴 sensing 通道並且通道為閒置狀態的機率以 Ptr表示如下：
α
τ Ptr 1 (12)3.3 6LoWPAN 資料於不同頻段下傳輸之數值分析結果
為 得 知 IEEE 802.15.4 所 定 義 之 三 種 不 同 的 實 體 層 頻 段 ， 何 者 運 用 於 6LoWPAN 可得到較好的傳輸效能，在此節中，定義了幾種不同長度的 6LoWPAN 資料封包於 IEEE 802.15.4 三種頻段下傳輸，並且由分析結果得知何者所呈現之24 傳輸成功機率較高。 本章節的數值分析結果是利用 PRISM 狀態機模擬器加以分析，藉由狀態的轉 換判斷個別之機率，故此模擬軟體能完整的分析 IEEE 802.15.4 之 un-slotted CSMA/CA 機制並可分析於三種不同頻段下的傳輸效能。
3.3.1 模擬參數與資料型態介紹
在此節，將 IEEE 802.15.4 標準規範所制定之參數、本模擬實驗之參數以及定 義之六種不同的資料封包列於下表 3-3 中。 由於一個星狀拓樸的 IEEE 802.15.4 節點所能感測到的競爭節點數約為 3 至 7 個[16]，因此本研究著重分析於 3、5、以及 7 個節點競爭下的傳輸效能，其中於 CSMA/CA 機制中的基本時間單位(時槽)是由 20 個 symbol (一個 symbol 時間長為 16μs)所組成。25
表 3-3、數值分析之模擬參數與資料型態
Numbers of competing nodes N 3, 5, and 7
macMinBE 3
macMaxBE 5
macMaxCSMABackoff 4
Operating Frequency Bands 868/915
MHz 2.4GHz
Modulation BPSK O-QPSK
Bit rate 20 and 40
(kb/s)
250 (kb/s)
Symbol rate 20 and 40
(ksymbol/s) 62.5 (ksymbol/s) aUnitBackoffPeriod (CSMA-CA演算法中的一個基本時間單位由多少個 symbols組成) 20 symbols Type 1. IEEE 802.15.4
Minimum data length= 15 bytes 6 (slots) 2 (slots)
Type 2. Compressed 6LoWPAN
Header=25 bytes 10 (slots) 3 (slots)
Type 3. Compressed 6LoWPAN
with 20 bytes payloads=45 bytes 18 (slots) 5 (slots)
Type 4. Uncompressed 6LoWPAN
Header=80 bytes 32 (slots) 8 (slots)
Type 5. Uncompressed 6LoWPAN
with 20 bytes payload=100 bytes 40 (slots) 10 (slots)
Type 6. IEEE 802.15.4
Maximum data length=133 bytes 54 (slots) 14 (slots)
本研究定義了六種不同的資料封包長度，分別為 Type 1 至 Type 6，每一種封 包皆已包含了 MAC 與 PHY 的表頭，所有的封包均已將 bytes 換算為時槽為基本 單位。依編號由 Type 1 至 Type 6 分別為：
Type 1 為 IEEE 802.15.4 的最小封包長度，也就是無乘載資料而只有 MAC 與 PHY 的表頭。
26
Type 2 與 Type 3 分別為 6LoWPAN 16-bit short address 的表頭但無乘載資料 以及加上 20bytes 資料的 6LoWPAN 封包。
Type 4 與 Type 5 分別為 6LoWPAN 64-bit long address 表頭但無乘載資料以及 加上 20bytes 資料的 6LoWPAN 封包。 Type 6 則是一個最大乘載量之 IEEE 802.15.4 封包。
3.3.2 數值分析結果
在本研究章節中假設所有競爭節點所產生的資料封包長度皆相同，而分析結 果著重於單一跳的傳輸效能分析，因此，透過前一小節所歸納的數值分析參數 (表 3-3) 並使用 PRISM 進行模擬，其分析結果如圖 3-3、3-4、3-5 所示。其中由於 868 MHz 與 915 MHz 經過計算後所得之 bits per symbol 皆相同，因此將二者合併 表示之。27 圖 3-3、於 3 個競爭節點下，將 6 種封包用於 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 頻段下傳輸所得之機率 圖 3-4、於 5 個競爭節點下，將 6 種封包用於 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 頻段下傳輸所得之機率 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 Type 5 Type 6
868/915 MHz 2.4 GHz % 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 Type 5 Type 6
868/915 MHz 2.4 GHz % Tr an sm ission Pr ob ab ili ty Tr an sm ission Pr ob ab ili ty
28 圖 3-5、於 7 個競爭節點下，將 6 種封包用於 868 MHz、915 MHz、及 2.4 GHz 頻段下傳輸所得之機率 由圖 3-3 到 3-5 的結果顯示，當封包長度增加時，傳輸機率會隨之降低，但 下降之幅度因頻段不同而有所差異，2.4 GHz 頻段下的降幅並無於 868/915 MHz 所呈現地的那麼劇烈，若使用較長的封包長度於 868/915 MHz 頻段下傳輸，則傳 輸機率將非常低，其最主要原因是 868/915 MHz 的單位 symbol 時間所承載之 bit 量只有 2.4 GHz 的四分之一，也就是傳輸相同的資料量需使用更多的時槽來進行 傳輸，因此佔用通道的時間將會較久，所以當封包的長度以及競爭節點數皆增加 時，剩餘之競爭節點將無法順利於 macMaxCSMABackoff 次數內成功存取通道， 故分析結果亦顯示出當競爭節點逐漸增加時，傳輸機率亦逐漸降低。 根據 PRISM 模擬結果顯示，當封包長度較長且競爭節點數較多時，2.4 GHz 此 頻 段 有 較 好 的 傳 輸 效 能 ， 故 相 比 於 其 它 兩 頻 段 ， 2.4GHz 較 適 合 使 用 於 6LoWPAN 環境下。 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 Type 5 Type 6
868/915 MHz 2.4 GHz % Tr an sm ission Pr ob ab ili ty
29
3.4 結論
此章節以數值分析與軟體模擬之方式，比較 IEEE 802.15.4 所定義之 868 MHz、 915 MHz、及 2.4 GHz 三種傳輸頻段，以了解何種傳輸方式能提供較好的傳輸效 能、並且適用於 6LoWPAN 環境下提供較佳效率的 IP 封包傳輸。首先本章節以 數值模型分析 IEEE 802.15.4 un-slotted CSMA/CA 機制，並分別分析 MAC 層與實 體層的效能比較，最後藉由 PRISM 狀態機模擬器執行模擬所得之結果顯示，2.4 GHz 頻段所擁有之傳輸效能優於 868 MHz 與 915 MHz 頻段，其最主要原因是 868/915 MHz 之單位時間所承載的資料量只有 2.4 GHz 的四分之一，因此 2.4GHz 較利於使用在 6LoWPAN 環境下傳輸 IPv6 封包，基於本章之研究分析的結果， 後續之研究章節中，將主要採用 IEEE 802.15.4 的 2.4 GHz 頻段為主要之分析對象， 以了解 Route-over 與 Mesh-under 在 6LoWPAN 中的效能表現。
30
第四章
6LoWPAN 路由機制於理想通道環境下之傳輸效能分析
6LoWPAN 定義為將 IPv6 的封包用於以 IEEE 802.15.4 為傳輸依據的 LoWPAN 上，主要會遭遇到的問題是，IPv6 的 MTU(1280 bytes)遠大於 IEEE 802.15.4 的資 料鏈結層所能乘載的資料量(127bytes)。因此，為了解決此項問題 ，6LoWPAN 在網路層與 MAC 層之間提出了 adaptation 層，其中一項主要功能為負責壓縮 IPv6 的表頭以減少在 IEEE 802.15.4 底層傳輸的負荷，另一項重要任務是將 IPv6 的封 包分割成多個符合 IEEE 802.15.4 大小的 fragments，使得 IPv6 封包能由底層的 IEEE 802.15.4 正常傳輸，並在目的端將所有收到的 fragments 重組回原本的 IPv6 封包。 根據 6LowPAN 路由決策層次的不同，6LoWPAN 的路由機制主要可以分成二 種[5][6]，分別為 Route-over 以及 Mesh-under 路由機制，前者為 IP 網路的路由方 法，其路由決策在 Network 層確定；Mesh-under 則是 WSN 的路由方法，路由決 策是於 adaptation 層確定，兩種路由機制除了路由決策層不同之外，最主要之差 異在於處理 fragmnet 以及轉送的方式不同，本章節將逐一分析其相互間的差異。 本章節將延續前一章節分析 IEEE 802.15.4 MAC 層所提出的分析模型，進一 步提出適用於 6LoWPAN 二種路由機制 Route-over 與 Mesh-under 傳輸效能的分析
31
模型，同樣地，透過數值分析得到二種路由機制之 IP 封包成功傳輸機率並分析 比較二者之效能差異。
4.1 6LoWPAN Route-over 與 Mesh-under 路由機制介紹
上述提及 6LoWPAN 的路由機制主要可以分成 Route-over 與 Mesh-under 二種， 本節將根據 6LoWPAN 之定義，為二種路由方法繪制流程圖，並詳細的說明各別 的運作流程。
4.1.1 Route-over 路由機制
Route-over 為 IP 的路由方法，路由決策發生於網路層，如圖 4-1 所示，其傳 輸與處理封包的方式如下所述。 Application Layer Transport Layer IEEE 802.15.4 MAC Layer Network Layer Adaptation Layer Routing decision IEEE 802.15.4 PHY Layer 6LoWPAN Mesh-under Routing Scheme Application Layer Transport Layer IEEE 802.15.4 MAC Layer Network Layer Adaptation Layer Routing decision IEEE 802.15.4 PHY Layer 6LoWPAN Route-over Routing Scheme 圖 4-1、Route-over 與 Mesh-under 的路由比較圖 當起始端節點有 IPv6 的封包要被傳送時，網路層將先檢查路由，再經由32
adaptation 層將 IPv6 封包分割成數個符合 IEEE 802.15.4 規格之 fragments，然後 將這些 fragments 逐一傳送出去。然而，每經過一次節點轉發，所有來自於同一 個 IPv6 封包的 fragments 亦透過 adaptation 層被重組回原 IPv6 封包並向上層送， 以供網路層檢視其 IP 目的位址，之後再經過分割並轉發給下一跳的節點，因此 每一跳皆需執行分割與重組工作，直到抵達目的端節點，也因為每一跳數收到後 皆會重組回 IPv6 封包並檢查，雖然相對較耗時，但優點是就算傳送失敗，僅需 要與上一跳節點要求重傳即可。 因此可將 Route-over 機制可考慮成 hop-by-hop 分割與重組的路由機制，其運 作流程圖繪製如圖 4-2、4-3，分別表示 Route-over 之傳送端與接收端的運作流程 圖。
33 圖 4-2、Route-over 機制之傳送端運作流程 封包由產生至傳送之步驟已如前述所提及，由於 Route-over 為延伸 IP 的路由 方法至 6LoWPAN 中，因此，當所有 fragments 均已被送出後，若接收端無法重 組回原 IPv6 封包時，則需執行重傳。 接收端收到所有 fragments 之後，在 adaptation 層執行重組工作，再經網路層 檢查其目的端 IP 位址，以確認是否需再次轉發，若需要轉發到下一跳節點，則 重覆封包分割與後續的傳輸工作；如果當前節點即為目的端節點，則無需轉發， 封包將上傳至應用層。 Network Layer Fragmenting an IP packet into f number of
IEEE 802.15.4 frames f fragments perform MAC Contention Adaptation Layer IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 PHY Look up the routing table Forwarding to next hop Retransmission ? N Done Y Upper layer
34
圖 4-3、Route-over 機制之接收端運作流程
4.1.2 Mesh-under 路由機制
如 4.1.1 節之圖 4-1 所示，Mesh-under 為 WSN 路由的延續，其路由決策由 adaptation 層執行。當起始端節點將 IPv6 封包分割成數個 fragments 後，藉由 Mesh 表頭中的位址資訊，正確傳送給下一跳的節點，路由節點不需將收到的 fragments 重組，只需直接將 fragments 轉送至下一跳，因此 Mesh-under 路由將較 Route-over 省時，待所有 fragments 到達目的端節點後並重組回 IPv6 封包，因此 Mesh-under
Network Layer Adaptation Layer IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 PHY Look up the routing table Upper layer Should be sent to the next hop ?
N
Y
Receiving f fragments from previous hop
Reassembling to IPv6 Packet ? Previous hop performs retransmitting Y N Transport Layer Forwarding
35 路由機制可視為 end-to-end 的方式執行 IP 封包之分割與重組，倘若有任一個 fragment 在多跳傳輸途中遺失，如此，目的端節點將無法組回 IPv6 封包，重傳之 封 包 必 頇 由 起 始 端 節 點 重 新 發 送 所 有 的 fragments 。 圖 4-4 、 4-5 分別 表示 Mesh-under 在傳送端以及接收端的運作流程圖。 圖 4-4、Mesh-under 機制之傳送端運作流程 Network Layer
Fragmenting an IP Packet and adding mesh header into f
fragments f fragments perform MAC Contention Adaptation Layer IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 PHY Forwarding Receiving Acknowledgement ? Done N Y Upper layer
An IPv6 packet is forwarded
Transport Layer
36
圖 4-5、Mesh-under 機制之接收端運作流程
Mesh-under 的傳送端節點在傳送 fragment 後，會收到來自 IEEE 802.15.4 MAC 層的 Acknowledge 封包，確定單一 fragment 已正確送達下一跳之節點。倘若目的 端節點重組不回原 IPv6 封包，在 Mesh-under 的重傳機制中，起始端將重傳所有 的 fragments 至目的端。 Network Layer Adaptation Layer IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 PHY Upper layer N Y Receiving f number of fragments from previous
hop Reassembling to
IPv6 Packet ? Source waits ack
timeout
Y N
Transport Layer
The current node is destination? MAC contention Retransmission from source Forwarding to next hop
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圖 4-6、Route-over 與 Mesh-under 之網路拓樸
圖 4-6 為 6LoWPAN 中 Route-over 與 Mesh-under 二種路由機制之網路拓樸示 意圖，倘若 6LoWPAN 中的終端裝置要傳送封包給其它終端，若選擇 Route-over 路由機制，則中間節點扮演的角色為 network router，而 Mesh-under 路由機制之 中間節點則可視為 WSN 的路由節點。
表 4-1、Route-over 與 Mesh-under 比較表
6LoWPAN 路由機制 Route-over Mesh-under
路由決策層 網路層 Adaptation 層 分割與重組 Hop-by-hop End-to-end 延遲時間 較耗時 較省時 封包遺失率 較穩固 較高的遺失率 能源消耗 較耗電 較省電 R R M R D M Mesh-under Scheme Route-over Scheme R LoWPAN Router Edge Router M M R M M R R D M Mesh Node D LoWPAN Device D D D D D
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4.2 以數值模型分析 Route-over 與 Mesh-under 之傳輸效能
本章節將延續第三章之表示式(14)，也就是藉由 Markov chain 分析 IEEE 802.15.4 MAC 層的 un-slotted CSMA/CA 機制，所得到之節點可成功存取通道進行傳輸的機率 Ptr，在此將之視為單一 fragment 的成功傳輸率， 並根據 6LoWPAN 二種路由機制的特性，建立了 Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率模 型，分別以 ro suc P 、 mu suc P 表示之，為避免分析過度複雜，在此需將假設每一跳的通道 情況皆為理想通道的環境。 f i tr k i tr ro suc P P P
) 1 )( ( 0 (13) h f i tr k i tr mu suc P P P
) 1 )( ( 0 (14) 方程式(13)、(14)中，假設變數 k 為重傳的上限次數 macMaxFrameRetries，其 值為 3；f 為 fragment 的個數，h 則是多跳傳輸之跳數。 由於 Route-over 路由機制以 hop-by-hop 方式進行 IP 封包的分割與重組，故 每經過一跳，機率又重新回復為 1，因此傳輸機率並不會受到跳數的影響而降低。 在 Mesh-under 路由機制下，所有 fragment 在起始端分割後，僅最後在目的 端重組回 IP 封包，f 表示 IP 封包的 fragments 數量，這些 fragments 皆需經過 h 個跳數傳輸。因此，方程式(14)代表有 f 個 fragments 經過 h 個跳數後均要傳輸成 功，所以其封包的成功傳輸機率將會依 fragment 數量與 h 跳數增加而逐漸降低。39
4.3 傳輸效能之數值分析結果
本研究章節同樣使用了 PRISM 狀態機模擬器為理想通道環境下之 Route-over 與 Mesh-under 的傳輸效能模型執行數值分析，其參數表如下所示。 表 4-2、傳輸效能分析之參數表 IPv6 封包長度 1280 bytes fragment 個數 14 網路中之競爭節點數 3, 5, 以及 7 多跳傳輸之跳數 1 至 7將 IPv6 的封包 1280 bytes 扣掉表頭後，經 adaptation 層平均分配給 IEEE 802.15.4 大小的 MAC payload 後，fragment 個數為 14，此外；由於一個星狀拓樸 的 IEEE 802.15.4 節點所能感測到的競爭節點數約為 3 至 7 個，因此與前一章節 相同，本章節將分析於 3、5、以及 7 個競爭節點與多跳數下，Route-over 與 Mesh-under 之 IP 封包成功傳輸率，數值分析結果分別如圖 4-7、4-8 所示。
40 圖 4-7、於 3、5、及 7 個競爭節點與不同跳數下，Route-over 之 IP 封包成功 傳輸率 圖 4-8、於 3、5、及 7 個競爭節點與不同跳數下，Mesh-under 之 IP 封包成功 傳輸率 由分析結果可得知，當競爭節點逐漸增加， ro suc P 與 mu suc P 皆明顯降低，這是由於 當競爭節點數較多，並非所有節點都能在 CSMA/CA 機制中的有限 backoff 次數 內成功存取到通道。此外；當跳數逐漸增加，Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率 也是隨之下降，因此於競爭節點數與跳數較多的情況下，Mesh-under 所呈現之傳 輸效能已趨近於零了。反觀 Route-over，雖然也受到競爭節點數增加的影響而降 1 2 3 4 5 6 7 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Hop Counts 3nodes 5nodes 7nodes P rosuc 1 2 3 4 5 6 7 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Hop Counts 3nodes 5nodes 7nodes P mu suc
41 低 IP 封包成功傳輸率，但卻不會因跳數增加而導致 IP 封包成功傳輸率下降，這 是由於每一跳皆需執行重組回 IP 封包，故每一跳之封包機率值皆會回復到 1，所 以於圖 4-7 中 Route-over 路由機制呈現較圖 4-8 Mesh-under 路由機制穩定的結 果。
4.4 結論
根據 6LowPAN 的路由決策層級的不同，6LoWPAN 的路由機制主要可以分為 Route-over 以及 Mesh-under 二種路由機制，前者為 IP 網路的路由方法，其路由 決策在 Network 層確定；Mesh-under 則是 WSN 的路由方法，路由決策是於 adaptation 層確定。兩種路由機制除了路由決策層不同之外，最主要之差異在於 處理 fragment 以及轉送的方式不同，根據 Route-over 與 Mesh-under 處理 fragment 方式的差異 ，本研究分別將二種路由機制視為 hop-by-hop 及 end-to-end 的傳輸 方式加以分析。 此外；本章節延續了前一章節分析 IEEE 802.15.4 MAC 層所提出的數值模型， 進一步提出分析 Route-over 與 Mesh-under 傳輸效能的模型，同樣地，透過數值分 析得到二種路由機制之 IP 封包成功傳輸機率並比較二者之傳輸效能。 由分析結果得知，當競爭節點逐漸增加，二種路由機制之 IP 封包傳輸成功率 皆明顯降低，這是由於當競爭節點數較多，並非所有節點都能在 CSMA/CA 機制42 中的有限 backoff 次數內成功存取到通道。此外；當跳數逐漸增加，Mesh-under 的 IP 封包傳輸成功率也隨之下降，而 Route-over 卻不會因跳數增加而導致 IP 封 包的成功傳輸率下降，這是由於 Route-over 路由機制在傳輸時，每一跳皆執行重 組回 IP 封包，故每一跳之封包機率值皆回復到 1，所以 Route-over 於分析圖中呈 現為較穩定之結果，雖然由分析結果可得知，當競爭節點數較多並且跳數也較多 的情形下，Route-over 路由機制會比 Mesh-under 有較佳的傳輸效能，但卻相對地 要消耗較多的時間執行每一跳的分割與重組工作。
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第五章
6LoWPAN 路由機制於非理想通道環境下之傳輸效能分析
在上述研究章節已介紹 6LoWPAN 即是將 IPv6 導入 WSN 中作結合，因此底 層採用的是 IEEE 802.15.4 的通訊協定為基礎，而 IEEE 802.15.4 所定義的三種頻 段中，又以 2.4 GHz 頻段所擁有之傳輸效能較佳，故 6LoWPAN 的封包採用 2.4 GHz 頻段作為傳輸媒介是較為合適的選擇。 但是，由於 2.4GHz 是一個被普遍使用的頻段，其頻率範圍介於 2.400 ~ 2.4835 GHz，美國聯邦通訊委員會 (Federal Communications Committee)將之定義為 ISM (Industrial, Scientific and Medical) Band，顧名思義為預留給工業、科學及醫療使 用的免費頻段，沒有任何使用上的限制，因此，除 IEEE 802.15.4 之外，目前幾 種常用 2.4 GHz 頻段的通訊技術還有 Wireless LAN IEEE 802.11 b/g/n 、 short range Bluetooth 等，所以傳輸時難免因為使用同頻段而產生干擾，使得傳輸的封 包出現錯誤而導致傳輸失敗的結果。本研究章節將分析以 2.4GHz 頻段為主要傳輸依據的 6LoWPAN，其兩種路由 機制，Route-over 以及 Mesh-under 於非理想通道環境之下所呈現之傳輸效能以及 goodput 分析。
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5.1 非理想通道環境下之 Markov chain 模型
為了分析 6LoWPAN 的傳輸效能，故採用與前述研究章節相同之分析方法。 首先以 Markov chain 分析 IEEE 802.15.4 MAC 層的競爭存取機制，也就是主要考 慮 Un-slotted CSMA/CA 機制，因同樣使用於 2.4GHz 的無線通訊技術，如 IEEE Wi-Fi、Bluetooth 等技術的普及，因此 IEEE 802.15.4 傳輸封包時，PHY 層易受到 來自於其它無線通訊技術的同頻干擾，所以在本研究考慮了非理想通道的條件， 本章節將針對第三章所提出的 IEEE 802.15.4 un-slotted Markov chain 模型加以修 改，因為訊號干擾發生於傳輸階段，故於傳輸狀態上加入可能出現封包錯誤機率 的情況，如圖 5-1 所示
圖 5-1、非理想通道環境之 Markov chain 模型分析 IEEE 802.15.4 Un-slotted CSMA/CA 1 , W1 -1 1 , W1 -2 1 , 2 1 , 1 1 , -1 1-α 0 , W0 -1 0 , W0 -2 0 , 2 0 , 1 0 , -1 1-α -1 , 0 -1 , L 1-λ -1 , 1 m , Wm -1 m , Wm -2 m , 2 m , 1 m , -1 1-α 1/W0 1/W0 1/Wm 1/W1 α α 1/W1 1/Wm 1 α q λ
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本節所提出的 Markov chain 與前述研究章節相異之處是於節點進入傳輸封包
的狀態時，增加了判斷封包傳輸之過程中是否遭遇到干擾的條件，λ定義為封包
錯誤率(FER, Frame Error Rate)，它是由當前通道環境的位元錯誤率 (BER, Bit Error Rate)經計算而來，位元錯誤率為無線環境下通道狀態的指標，計算方式如 下
l BER 1 1 (15) R T L l Slot (16) 方程式(16)中 ，L 定義為傳輸一個封包佔用了 L 個時槽長度， TSlot 即代表 aUnitBackoffPeriod 也就是等於一個時槽，R 為網路傳輸率，故 l 為一個封包的長 度，單位為位元 (bits)。 經由上述以及圖 5-1 可得知，當節點傳輸封包時，如有較低的封包錯誤率， 則接收端將會有較高的機率能成功的接收此一封包，反之若產生較高的封包錯誤 率，則傳送失敗的機率也將大幅提升，當封包傳送失敗，節點回到閒置狀態，準 備重新執行下一次的封包傳送過程。因此，延續前二章的分析模型，節點可成功 進入傳輸狀態的機率為 Ptr，如方程式(17)所示，Psuc為非理想通道下節點競爭存 取通道且傳輸成功的機率
tr 1 suc P P (17)46
5.2 數值模型分析 Route-over 與 Mesh-under 於非理想通道環境
下之傳輸效能
延續第四章針對 6LoWPAN 兩路由機制 Route-over 與 Mesh-under 所作之分析 模型，在此章節將進一步分析 6LoWPAN 中兩種路由機制於非理想通道下的 IP 封包成功傳輸率以及 goodput。 在 5.1 節分析了非理想通道下，節點競爭存取通道且成功傳輸的機率為 Psuc， 代入在 4.2 節所提出之 Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率，方程式(13) 與(14)，取代原本於理想通道環境下的 Ptr，如此將可得到非理想通道下 之 Route-over 與 Mesh-under 的 IP 封包成功傳輸率分別以方程式(18)、(19)表示之 f i suc k i suc ro suc P P P
) 1 )( ( 0 (18) h f i suc k i suc mu suc P P P
) 1 )( ( 0 (19) 與研究章節第四章相同，k 表示 macMaxFrameRetries，也就是重傳的上限次 數，f 則表示由 IP 封包經 adaptation 層分割後的 fragment 個數，h 是多跳傳輸之 跳數。5.3 Route-over 與 Mesh-under 之 Goodput 分析模型
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輸率，將會優於 mesh-under，這是由於 Route-over 在每一跳皆將所有 fragments 重組回 IP 封包，因此，每一跳之成功傳輸率都會回復為 1，但僅靠 IP 封包成功 傳輸率為判斷的唯一依據，如此 Route-over 將會是較佳的路由方法，以 Route-over 的路由方式傳輸，雖然較為穩固卻相對較為耗時，因為每一跳的分割與重組將比 Mesh-under 損耗許多的時間，為了能更精確地評估兩種路由機制，因此頇進一步 分析兩種路由機制的 goodput，由於 goodput 為單位時間可傳輸資料量，其中同時 考量了時間的差異，有助於分析 Route-over 與 Mesh-under 在傳輸效能上之差異。 本章節提出之 goodput 分析模型參考了[11]與[14]的分析方法，使用 normalized 的方式，乘積相對應之機率，如 IP 封包乘上 IP 封包成功傳輸率，而時間部份分 成閒置、競爭等待、與傳輸三項，同樣乘上相對應之成功傳輸機率，即為時間期
望值(Expectation)，分別以 E[idle ]、E[wait ]、E[tx ]表示之，如下
N tr P idle E[ ] 1 (20) E[idle ]為閒置時間之期望值，意為 N 個節點皆沒有封包欲傳輸因此無需競爭存取通 道，σ 為一個閒置的時槽時間。
tr
Slot CCA
tr CCA Slot tr tr CCA Slot tr tr CCA Slot tr tr CCA Slot tr T T P P T T P P T T P P T T P P T T P wait E 119 1 87 1 55 1 23 1 7 4 3 2 (21) 方程式(21)中，Ptr與前述章節之定義相同為節點可成功存取通道進行傳輸的機率；48
TSlot於 5.1 節有提及，是一個 backoff 的基本時間單位，為 320μs；TCCA是執行 CCA
所佔用的時間，為 128μs。 方程式定義內容如下:
第一次 backoff 可隨機選擇之 backoff 延遲時間最大達到 7 個時槽，再加上一 個 CCA 所花費之時間，即為最大佔用時間，將之乘上競爭存取成功之機率，作 標準化後可得到在第一次 backoff 成功存取通道所花費之期望值時間；第二次 backoff 可隨機選擇之 backoff 延遲時間擴大為 15 個時槽，再加上前一回 backoff 所累計的時間，時間總長為 23 個時槽與一個 CCA 時間，將總時間乘上第一次 backoff 沒有成功存取到通道的機率，以及乘上第二次 backoff 有成功存取到的機 率，一樣作標準化後即可得到於第二次 backoff 成功存取通道所花費之期望值時 間，而後續之第三、四、五次 backoff 採用相同之概念，最後將第一至五次 backoff 的時間加總，即可得到封包在傳送前，執行 MAC 競爭存取通道的時間期望值。 第三項時間為傳輸的時間期望值，但由於傳輸時又分成有使用重傳機制以及 沒有使用重傳機制兩種，差別在於使用重傳機制在傳送完資料封包後會等待一段 轉換時間，接著接收端會回送 Acknowledgement 封包，好讓傳送端得知資料封包 已成功送達接收端，倘若接收端遲遲未收到 Acknowledgement 封包，那麼等待一 段 Acknowledgement Time-out 時間，此次傳輸即表示失敗，資料封包必頇再重新 發送。
![圖 2-3、6LoWPAN Fragmentation 表頭 (a)First fragment; (b)Subsequent fragment [9]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/7447512.109913/18.892.159.734.308.764/圖236LoWPANFragmentation表頭aFirstfragmentbSubsequentfragment9.webp)
![圖 3-2、Markov chain 模型分析 IEEE 802.15.4 Un-slotted CSMA/CA 機制 在圖 3-2 中，每一個橢圓方塊分別代表一個 state，亦等於是一個時槽的長度， 而每一個 state 裡面定義了兩個參數分別是{nb(t), bc(t)}，nb(t)代表 backoff 的次數， 其數值範圍定義為 nb(t) ∈ [0 , m]，m 為 macMaxCSMABackoff (backoff 的上限次數)；1 , W1 -11 , W1 -21 , 21 , 11 ,](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/7447512.109913/29.892.150.748.360.868/一個亦等於是一個時槽長度而每一個裡面定義了兩個參數分上限次數.webp)
