行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
合作式網路中結合指向性天線之媒體存取控制協定之設計
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 100-2221-E-151-043-
執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日
執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學電機工程系
計 畫 主 持 人 ： 賴俊如
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：葉聖霖
碩士班研究生-兼任助理人員：張如韻
碩士班研究生-兼任助理人員：蘇永仁
碩士班研究生-兼任助理人員：吳柏輝
公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 101 年 10 月 31 日
中 文 摘 要 ： 本計畫「合作式網路中結合指向性天線之媒體存取控制協定
之設計」主要目標是：在合作式網路下結合指向性天線的特
性設計媒體存取控制之協定。並且針對「指向性」功能的傳
輸公平性以及共存性進行管理機制研究。協定效能的部分，
在軟體方面，將基於 NS2 的模擬器下，開發具備指向性天線
之模組以及撰寫媒體存取控制的模組。
本報告中以針對在 ns2.29 平台上，開發具備指向性天線的行
動節點模組。考量 TENS 的行動節點模組與行動路由不相容以
及 NS2 擴展合作式網路的模擬需求，本報告提出一個新的行
動節點模組。本報告也提供部分移植 TENS 的方法，並利用移
植結果比較四種 MAC 協定的效能，驗證指向性模組的可行
性。
中文關鍵詞： 合作式網路、指向性天線、媒體存取控制協定、NS2 模組
英 文 摘 要 ：
英文關鍵詞： cooperative networks, directional antenna, media
access control (MAC) protocol, NS2 modules
合作式網路中結合指向性天線之媒體存取控制協定之
合作式網路中結合指向性天線之媒體存取控制協定之
合作式網路中結合指向性天線之媒體存取控制協定之
合作式網路中結合指向性天線之媒體存取控制協定之
設計
設計
設計
設計
Design of media access control (MAC) protocol for mobile nodes with directional
antenna in cooperative networks.
計畫編號：NSC 100－2221－E－151－043
執行期限：100 年 8 月 1 日至 101 年 7 月 31 日
主持人：
賴俊如 助理教授 國立高雄應用科技大學 電機工程系
計畫參與人員：
研究生:張如韻、葉聖霖、吳柏輝、蘇永仁
國立高雄應用科技大學 電機工程系
摘要
摘要
摘要
摘要
本計畫「合作式網路中結合指向性天線之媒體存 取控制協定之設計」主要目標是：在合作式網路下結 合指向性天線的特性設計媒體存取控制之協定。並且 針對「指向性」功能的傳輸公平性以及共存性進行管 理機制研究。協定效能的部分，在軟體方面，將基於 NS2 的模擬器下，開發具備指向性天線之模組以及撰 寫媒體存取控制的模組。 本報告中以針對在 ns2.29 平台上，開發具備指向 性天線的行動節點模組。考量 TENS 的行動節點模組 與行動路由不相容以及 NS2 擴展合作式網路的模擬需 求，本報告提出一個新的行動節點模組。本報告也提 供部分移植 TENS 的方法，並利用移植結果比較四種 MAC 協定的效能，驗證指向性模組的可行性。一
一
一
一、
、
、
、 前言
前言
前言
前言與目的
與目的
與目的
與目的
動機與問題 指向性天線[11]（Directional Antenna）能夠增加空 間使用率，它針對某個固定方向來接收或傳送資料可 以有效地減少干擾、增加傳輸距離和提高網路傳輸容 量。如圖 一 2 所示，全向性和指向性天線傳輸方式 有所不同，假設 A 具有全向性及指向性天線的傳輸節 點，當 A 採用全向性傳輸資料時，最遠可以達到 B 節 點的距離，卻不能達到 C 節點的距離；當 A 採用指向 性傳輸時，不僅可以達到 B 節點的距離，也可以達到 C 節點的距離，唯一不同的是指向性天線傳輸封包 時，必須朝向某一個方向的波束傳輸封包，因此若要 使用 IEEE 802.11 MAC 協定並不能突顯指向性天線的 特性。很多學術研究者相繼提出指向性天線 MAC 協定 [20-27]，也提出指向性跨層路由協定，而指向性天線通常設計在 MAC 協定或是在實體層（Physical Layer），
因為在 MAC 層可以明顯地表達指向性傳輸封包的特 性，然而，路由協定卻無法明確地表達指向性天線傳 送封包的特性，因此，本論文只針對指向性的 MAC 協定。
圖一：全向性和指向性天線傳輸方式
合作式網路[6]（Cooperative Network）可以增加空 間多樣性，它使用虛擬天線陣列（Virtual Antenna Array） 運作在多個節點上，其功能類似傳統的 MIMO 技術， 每一個節點只有一個天線，主要是來源端藉由不同的 路徑將資訊傳送到目的端，達到重新分配網路的資源 (例如：能源、頻寬)。在某種程度上和轉傳節點（Relay node）稍微不同，其最大不同是合作式網路[50]-[52]可 以由協助端提升通道傳輸率或者經由放大 （Amplify-and-Forward，AF）、重新編碼傳送資訊 （Decode-and-forward，DF），而不會造成訊號衰弱的 情形。在[9]提出新穎的 MAC 稱為 CoopMAC 藉由 HTS （Helper ready to Send）能夠有協助端的幫助，增加網 路傳輸量和得到較低的延遲時間。在無線網路中全合作網路和全指向性技術都比傳 統 IEEE 802.11 的網路傳輸效能佳，在[11]指向性天線 技術也能夠增加 IEEE 802.11 的傳輸效能，它甚至可以 提高全合作網路和全指向性技術的網路效能。在[8]提
出 Co-directional MAC，它設計的合作網路節點採用全 指向性天線傳輸封包，模擬結果顯示 Co-directional MAC 能夠提升全指向性協定 23%與全合作網路 28%的 網路傳輸效能。本論文的動機是探討指向性天線和合 作式網路最終是成為敵人或者是朋友。本論文的目的 是分析在不同環境中指向性與合作網路的關係。首先 本論文分析指向性節點的共存性，接著分析合作網路 的互助性，然後分析在合作網路中一個異質性節點混 合的情況，最後提出主動式搜尋 CoopTable 機制。本 論文利用 NS2 模擬軟體去驗證主動式和被動式搜尋 CoopTable 網路傳輸效能、異質節點的公平性、合作網 路中異質節點的傳輸機會和合作網路中具備異質節 點，並且本論文認為在節點彼此之間距離較遠的情況 下指向性是合作網路的朋友。 本文觀察到許多研究學者[9][11]將使用 100%的合 作式技術或者使用 100%的指向性天線技術去評估其 網路效能，而[7][8]提出合作式網路結合指向性天線的 方法，在[7]的模擬結果證明指向性是合作網路的敵 人，而[8]的模擬結果卻顯示指向性能夠幫助合作網路 提升網路效能。顯然地，指向性天線與合作網路兩者 互相矛盾，然而，他們只考慮到無線網路環境中使用 相同技術的無線節點去提升整體網路，而沒有考慮到 真實的環境中存在混合式的節點，因此，本論文將探 討及分析指向性和合作網路不同技術混合節點的情 況。
二
二
二
二、
、
、
、背景與
背景與
背景與文獻探討
背景與
文獻探討
文獻探討
文獻探討
IEEE 802.11IEEE 802.11IEEE 802.11IEEE 802.11 簡介簡介簡介 簡介IEEE 802.11 媒體存取控制 3.4.2（Media Access Control，MAC）位於實體層之上，主要負責控制傳輸 的資料、封裝訊框以及骨幹網路之間的互動。它提供 兩種不同傳輸存取媒介的方法，分別為分散式協調機 制（Distributed Coordination Function，DCF）與集中式 協調機制（Point Coordination Function，PCF）。DCF 是屬於競爭的服務（Contention Service）所使用的存取 方式為虛擬載波多重存取碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，簡稱
CSMA/CA）的方式來減少封包的碰撞。PDF 是屬於免 競爭服務（Contention-free service）所採用中央存取控 制機制（Controlled access phase）來提供傳送和接收的
時限性，可以避免不必要的封包碰撞。其中 DCF 機制 包含訊框間隔、訊框格式、碰撞偵測與虛擬載波偵測、 Backoff 機制和訊框切割與組合。 指向性天線簡介指向性天線簡介指向性天線簡介指向性天線簡介 指向性天線[25]由多個元素陣列組成傳送和接收 的指向波束，若指向性天線指向波束互相指向已確定 的方向則可以增加電波，反之則減弱電波。在確定的 方向後直接放大接收訊號，使傳送和接收的指向波束 必須互相指向對方的方向才能傳送和接收訊號。指向 性天線分成二種類型：傳統指向性天線[19]（Directional Antenna）和智慧型天線[22]（Smart Antenna），智慧型 天線不像傳統指向性天線，不僅有多個發射元素 （radiating elements）而且還可以區分網路區塊。智慧 型天線大約分成二種不同波束調整方式分別為切換波 束天線（switched beam antenna）和適應性陣列天線 （adaptive array antenna）。
合作式網路簡介合作式網路簡介合作式網路簡介合作式網路簡介 合作式網路、使用多速率傳輸架構在 IEEE 802.11 協定基礎上，基本原理來自於來源端到目的端傳輸的 通道受到遮蔽衰弱的影響，而造成直接傳輸速度變 慢，來源端必須尋找一個良好通道的節點（稱協助端） 幫忙傳送資料至目的端。合作通訊[50]-[52]可分成兩個 傳輸階段，一、協調階段（Coordination phase）。二、 合作階段（Cooperation phase）。協調階段是指使用者 互相交換自己的來源資料和控制訊息；合作階段是指 合作者協助使用者重傳訊息至目的端。在協調階段 (Phase Ⅰ)的動作是來源端廣播資料至協助端和目的 端；在合作階段(Phase Ⅱ)的動作是協助端傳送來源端 資料（單獨或者幫助來源端）提升目的端的接收，再 根據使用者相關位置、通道情況和傳送接收器複雜度 可以使用不同的轉傳技術（relay technology）。合作轉 傳技術[51]基本上有四種方式，DF （Decode-and-Forward）、AF（Amplify-and-Forward）、 CC﹙Coded- Cooperation﹚、CF（Compress-and-Forward）。 合作網路具有不少的特點，最重要的是空間的多樣 性，但它必須要有新的 MAC 協定，才能夠發揮其特 點，本論文將介紹 CoopMAC（Cooperative MAC）為設 計理念及運作原理，它通常是合作網路最常見的 MAC 協定。
搜尋協助端機制搜尋協助端機制搜尋協助端機制搜尋協助端機制 在合作網路中如何選擇協助端將會是一個議題， 選擇協助端有許多學者[26]-[31]提出演算法和選擇的 方法，它可將分為「被動式」和「主動式」兩種方式。 H. Xin 等人[28]提出合作式 RTS/CTS 重傳 MAC 協定， 其協定有分散式選擇和合作保護。合作保護程序可分 為兩個階段：直接傳輸和合作重傳階段。直接傳輸和 IEEE 802.11 傳輸方式相同，唯一不同的是資料傳送完 畢沒有直接回應 ACK 至來源端 S，而是進入合作式重 傳階段。若通道較差時來源端選擇協助端幫忙傳送資 料至目的端，如圖 二 1 所示，假設有來源端 S、協助 端 R1~R6 和目的端 D，S 要傳送資料至 D 將透過候選 協助端傳送資料，候選協助端收到 RTS 和 CTS 封包（例 如：R1,R2 和 R4）和解碼 S-D 傳輸資料封包。如果 Data 封包正確地解碼並且滿足選擇協助端的標準，協助端 將主張轉傳 S-D 封包。 如果直接傳輸失敗且 S 未收到 ACK 封包並且超出 時間後，合作重傳階段將自動啟動，資料將以相同的 速率去轉傳至目的端。如圖 三 2 所示，候選協助端 成功接收資料並且滿足選擇協助端的標準。在資料傳 輸前將進入 backoff 隨機延遲時間，而在 backoff 啟動 之前，每一個協助端會先決定傳輸轉傳通道的情況， 最佳的協助端 Rb 將保證有最短的 backoff 時間 Tb 並且 第一個傳送。在合作階段期間協助端資料傳輸前會有 連續性地保護訊息去避免碰撞。首先，協助端主動地 傳送 RRS（Relay Ready to Send）並且等待目的端回應 DCS（Destination Clear for relay to Send），目的端廣播 傳送 DCS 後等待來源端回應 SCS，當來源端回應 SCS （Source Clear for relay to Send）等待接收到 ACK 回 應，若協助端收到 DCS 和 SCS 後，則開始傳送資料至 目的端，當目的端接收到協助端傳送的資料後，再回 應 ACK 去通知協助端傳輸完畢，協助端收到 ACK 之 後再通知來源端結束此通訊。
圖 二 1 Two-way Handshaking
圖 二 2 Cooperative Retransmission
相關研究相關研究相關研究相關研究 指向性天線的研究[18]-[25]在上述已經說明 DMAC 運作、位置資訊和指向性問題：隱藏節點和聽 不見問題，合作式網路的研究[26]-[31]也已經在上述說 明運作原理，在這個部分主要針對指向性和合作式結 合的相關論文做說明，本論文搜尋兩種技術的整合， 只有[7]和[8]提出結合的方法，其中[8]以全部使用指向 性天線組成合作網路，其結果顯示指向性能夠增加合 作網路的傳輸量，而[7]並不是所有傳送都使用指向性 天線，限制指向性的傳輸範圍，結果顯示指向性與合 作網路是敵人而不是朋友。關於全向性與指向性混合 式節點研究有[40]-[44]，其中[42]混合不同類型的天線 技術，並且提出四種性質：網路連結（Network Connectivity）、能量消耗（Energy Consumption）、干 擾容量（Interference Tolerance）及適應性錯誤（Resilience to Failures）去模擬在全向性網路中混合指向性天線佔 用全向性天線的百分之幾時，將會得到的網路效能最 佳，最後結論發現指向性天線在長距離傳輸時，佔用 全向性節點的 10%~20%將能夠增加傳輸效能。 在[9]全部採用全向性合作網路技術，模擬結果顯 示效能較佳。在[8]全部採用指向性合作技術，模擬結 果顯示指向性可以協助合作網路。在[7]全部採用全向 性傳送 RTS 封包及指向性回應控制封包和傳送資料， 模擬結果顯示指向性天線為合作網路的敵人。對於指 向性和合作網路的關係將屬於干擾的現象，除此之 外，[7]、[8]和[9]沒有考慮到整體網路包含採用全向性 和指向性天線的混合式節點。本論文的目的是探討及 分析指向性天線是合作網路的朋友或者是敵人，以考 量在整體網路混合多少%的指向性節點，則指向性和 合作網路的關係，本論文和[42]唯一不同地方在於採用 合作網路分析指向性與全向性天線。本論文首先分析 指向性天線的公平性及合作網路的互助性，以在合作網路中加入一個異質性節點起頭，探討網路在不同的 環境下的傳輸效能。
三
三
三
三、
、
、
、研究方法
研究方法
研究方法
研究方法
本文分成兩大部分：1.主動式搜尋 CoopTable 機 制。2.異質性節點具備指向性天線及合作網路技術之 媒體存取層機制與分析。在 3.1 節是一個獨立的章節 為主動搜尋 CoopTable 機制。另外，分析網路的互助 性，它可以再分為二個部分，第一部分為全向性合作 網路的分析，第二部分為混合節點合作網路的分析。 3.1 3.1 3.1 3.1 主動式搜尋協助端機制主動式搜尋協助端機制主動式搜尋協助端機制主動式搜尋協助端機制 在[7]提出 D-CoopMAC 採用來源端全向性廣播依 靠無意間聽到傳遞程序完成 Table 建立機制，然而， 被動式 CoopTable 機制有兩個問題：一、來源端自從 建立 Table entry 以來都是無意間聽到其它通訊配對， 由於周遭傳輸流量 Table 建立可能不完整，例如：在 較少的傳輸流量，如果來源端沒有很多訊息建立 CoopTable，協助端可能不會保留來源端並且來源端以 直接通訊替代，這可能的結果有較低的傳輸量和較高 的延遲時間。二、全向性信號傳遞程序來源端可能錯 過較好的協助端，如下圖所示，如果對 S1-D1 傳輸對 來說 H2 是較好的協助端，無論被動式和全向性傳輸 程序，S1 將無法發現 H2 因為 H2 在 S1 接收範圍外， 因此，本論文採用 D-CoopMAC 協定提出如何在 D-CoopMAC 使用主動式搜尋協助者機制建立 CoopTable。圖三、被動式搜尋協助端問題拓樸圖
來源端可以利用無意間聽到鄰近通訊的時間週 期，它是所有傳輸時間最小間隔，而來源端不能無意 間聽到指向性傳輸完成資料傳輸部分，但可以無意間 聽到自己鄰近通訊資料的傳輸，在指向性天線通訊的 空間重複使用率結果會有較短的無意間聽到的時間 週期，從合作式的觀點來看是不完整的 Table 將會妨 礙到來源端建立 Table，從這個觀點，本論文主要對 D-CoopMAC 指向性合作協定提出主動式搜尋協助端 機制，D-CoopMAC 是從 CoopMAC 的延伸，本論文在 D-CoopMAC 找到廣播傳輸程序會限制來源端發現後 補的協助端，這個協助端在指向性合作通訊是有用 的，本論文使用 Table 的欄位和 D-CoopMAC 的 Table 欄位相同，信號傳遞的程序和資料傳送的程序也仍然 相同，本論文使用主動式搜尋協助端機制，讓來源端 找到更多後補的協助端，意思是當來源端想要透過協 助端合作幫忙傳送資料，來源端會有好的協助端列表 去找尋協助端。為了處理所有傳遞的程序分成三個階 段。第一階段是主動搜尋協助端階段，第二階段是訊 號傳遞階段，最後是資料傳輸階段。在主動搜尋協助 端階段，本論文利用一個計時器負責週期性地更新 table entry，計時器每間隔 5 秒更新一次，主動式搜尋 和被動式聽到協助端資訊都填入 Table 內，程序顯示 在主動搜尋協助端如下圖。圖四、主動搜尋協助端流程圖
說明程序如下圖。本論文在 D-CoopMAC 使用相 同的 CoopTable[7] 欄位，為了確定目的位址行動節點 必須保有一張 CoopTable， Table 的每一個 entry 包含 5 個欄位，其欄位分別為 ID 欄位(48 bits)記錄協助端 MAC 位址，時間欄位（8 bits）記錄協助端最後聽到封 包時間，Rhd 欄位(8bits)記錄相關協助端到目的端傳輸 率，Rsh 欄位(8bits)記錄來源端到相關協助端傳輸率和 最後 NumOfFailures 欄位記錄連續傳輸失敗的數量。
圖五、 D-CoopMAC 運作圖
3.2 3.2 3.2 3.2 網路的互助性分析網路的互助性分析網路的互助性分析網路的互助性分析 合作式網路[12]的互助性是指節點和節點之間如 何分享通道，讓不同的通道有不同的速率，本論文簡 略說明合作網路的空間多樣性，合作網路具有單個天 線的空間多樣性的優點，基本觀念是在網路中多個單 一天線可以分享自已的天線去產生虛擬多重天線傳送 器（virtual multiple-antenna transmitter），其功能夠達到 傳送的多樣性。假設有三個節點分別為來源端、協助 端和目的端，若有兩個獨立的節點（例如：來源端和 協助端）有相同的目的，這兩個節點並不會達到空間 的多樣性，原因是各自使用了單一天線，然而，如果 兩個通道互相統計獨立衰退的現象，每一個節點不僅 可以在自己空間的通道，而且也可以在自己合作夥伴 的通道傳送資料，因此傳送多樣性概念增加使用夥伴 的天線，這也意謂著合作多樣性能夠達到多個節點去 使用相同的區域範圍。 在合作網路基本理念是高速節點可以協助低速節 點傳輸資料，它可以減少傳輸延遲的時間，雖然在 IEEE 802.11 中有適應性多速率通道，它能夠使節點的 通道有不同的速率，假設多個節點為單個通道，在不 考慮距離的情況下，全向性廣播存在不同的速率，而 節點之間會受到很多廣播封包的干擾，本論文認為這 是不太合理的，因此，本論文採用節點的頻寬及距離 去定義高速及低速節點，所謂高速節點以頻寬 5.5M 以 上且節點之間距離不超過 100m，低速節點以頻寬 5.5M 以下且距離介於 141m 以下，而當距離大於 141m 且不 管節點的頻寬為何，或者距離在 100m~141m 之間且頻 寬為 5.5M，或者距離在小於 100m 且頻寬為 2M 皆視 為無效的合作節點。 在[9]說明節點之間有合作的機會，本論文使用高 速節點能幫忙傳送至低速節點的觀念，如下圖所示， 假設來源端、協助端和目的端分別為 S、H、D，S 為 低速節點，H 和 D 皆為高速節點，若滿足 dsd>dsh 且 dsd>dhd 且 dsh+dhd>dsd，節點的頻寬以 2M、5.5M 和 11M，而本論文認為低速節點傳送至高速節點，低速 節點一定會影響高速節點的傳輸速度，使高速節點牽 就低速節點而降低傳輸頻寬，甚至它和低速節點的頻 寬相同。圖 六、基本合作網路節點位置圖
雖然 D-CoopMAC 限制指向性的傳輸但經由分析 中 D-CoopMAC 不一定每個傳輸都有較差情況發生， 也有可能會發生合作傳輸較佳的情形發生，這個發生 情況通常來源端和目的端要有較遠的距離且目的端不 能在來源端附近。假設來源端、協助端及目的端分別 以 S、H 及 D 表示且通道有 2M、5.5M 和 11M 不同的 速率方式。當多個指向性節點存在於合作網路中時， 大部分採用隨機佈置節點的方式，往往會干擾到合作 網路，因為隨機分佈大致上將節點分佈較密，若將多 個指向性節點隨機分佈在較疏散的拓樸上能夠獲得較 好的傳輸效能。圖 七、指向性擔任協助端較佳的情況
在合作網路中節點數愈多有可能達到多個協助端 幫忙傳送資料，其獲得空間的多樣性能夠增加網路效 能，而當指向性節點愈多必須要有相當的距離，它能 夠使網路效能更好，本論文採用二個指向性節點當作 協助端，說明指向性要協助合作網路必須要有特殊的 條件（例如：距離、位置），如上圖，來源端 S 和目 的端 D 為全向性傳輸，指向性節點 E 擔任協助端，假設傳輸配對為 S1 至 D1，S2 至 D2，S1 不僅可以透過 E1 傳輸資料至 D1，而且也能夠讓 S2 透過 E2 傳送資 料至 D2，達到合作網路的目的同時增加網路傳輸量， 也可減少傳輸的時間和雜訊干擾。 NS2NS2NS2 模組NS2模組模組模組 本文參考 TENS 撰寫具備指向性天線模組和合作 式網路模組，並且實施所提出的機制來提升網路效能 及驗證合作網路的傳輸機會。文參考 NS2 原始 DSDV 路由協定的行動節點（Mobile Node，MN）的架構並且 瞭解 NS2 行動節點的建立方法，並且也參考 TENS]的 行動節點架構，設計一個符合指向性及合作網路結合 的行動節點架構圖，如下圖所示，由下而上可分為實 體層（Physical Layer）、資料連結層（Data Link-Layer） 和網路層（Network Layer）。實體層包含通道
（Channel）、網路實體層（NetIF）和無線傳輸模組(Radio
Propagation Model，RPM)，主要負責處理通訊實際傳輸 資料，其中 RPM 包含天線模組並採用全向性天線和指 向性模組；資料連結層包含媒介存取控制層(Medium Access Control，MAC) 、佇列（IFQ）、連結層（Link-Layer） 和 ARP(Address Resolution Protocol)，其功能是提供服務 給網路層，負責將封包交給 LL 以便傳輸至目的端； 網路層包含路由協定，主要負責來源端繞送封包至目 的端。本論文所提出的行動模組修改的地方如行動節 點架構圖黑粗框虛線部分，第一部分在 Propagation 模 組中新增指向性天線模組，第二部分在 NetIF 判斷天 線模式，第三部分在 MAC 層新增 CoopTable 並且修改 為 CoopMAC。
圖八、指向性具有合作網路之行動節點架構
在原始的 NS2 版本中沒有指向性天線的模組，其 原因是 NS2 沒有開發指向性天線模組，而 TENS 的指 向性天線模組設計方式是在網路層使用靜態路由 （WLSTATIC）協定模擬指向性的行為，但尚存在著 一些問題，其問題是不能夠更改其它的路由協定，然 而，本論文將在實體層開發指向性天線模組可以使用 相容 AODV、DSDV 路由協定。設計指向性天線模組 分成三部分，第一部分，在 Propagation 模組包含指向 性天線的部分，將會新增一張 table，稱為 LocTable 其 內容和[11]相同，Propagation 能夠得到節點之間的距 離，利用距離去計算出指向性天線的方向和角度，並 且記錄至 LocTable 內。第二部分，在 MAC 層中增加 新的 MAC 模組稱為 CoopMAC，這個模組將在原始 MN 的 Mac802_11 模組中增加新的封包稱為 HTS（Help to Send）和新增一張 Table 稱為 CoopTable，它包含協助 端的資訊（例如：協助端 MAC 位址、Rsh、Rhd）。 第三部分在 NetIF 中增加判斷指向性和全向性的機制 並且將判斷的結果傳至 MAC 層。本文在指向性模組製 作中利用節點的座標位置去計算距離和斜率來決定指 向性天線的方向和角度，指向性天線的接收功率和距 離成正比和增益成反比，換句話說，當距離較遠時增 益和接收功率都會變小，而斜率是判斷節點在座標軸 象限，再根據 X、Y 座標判斷計算角度。本文完成在 NS2 天線模組中新增指向性天線增益的模組，它具備 以下特色：具備全向性及指向性天線增益、可更換不 同的指向性天線場型增益模組、可隨時在模擬過程中 更改全向性天線及指向性天線、可隨時在模擬過程中 更改指向性天線的角度、可根據不同的天線場型所設 置的角度，有不同的增益值、可模擬指向性特性，例 如：指向性節點距離近，而指向波束互為相反方向， 則不會接收到封包的傳遞。本論文的指向天線增益模 組設計可增加或減少指向性天線場型模組。而本論文 設計的指向性天線增益流程如下圖所示，在 TCL 腳本 中設定節點的天線類型和傳送接收的角度，當天線類 型設定為 0 時，它會在 C++回傳原始 NS2 全向性天線 的增益值，否則，設定其它天線類型 1-8 則讀取所設 定天線類型的場型模組，再依照 TCL 腳本設定的天線 角度讀取天線偏移角度，然後計算平均增益值，最後 回傳指向性天線增益。圖九、指向性天線增益流程圖
四
四
四
四、
、
、
、結果與討論
結果與討論
結果與討論
結果與討論
4444....1111 主動式搜尋協助端之機制效能分析主動式搜尋協助端之機制效能分析主動式搜尋協助端之機制效能分析主動式搜尋協助端之機制效能分析 本論文模擬主動式建立 Table 的方法，設定指向 性天線傳輸距離為 141m，全向性接收範圍為 100m， 模擬參數如下表。 表.1 模擬參數設定 Parameters value Area 1000*1000Transport layer protocol UDP
Data Rate 2M、5.5M、8M、
11Mbps CBR packet
Arrival/Interval
2m~10m
Packet Size 128Byte
Simulation Time 120s 表.2 主動式搜尋參數設定 Parameters Parameters Simulation software Simulation software Setting
Setting ParametersParameters SettingSetting
NS2
NS2--2.292.29 Simulation Time
Simulation Time 120sec120sec
cbr
cbrPacket IntervalPacket Interval 2m~10m2m~10m
Data Rate Data Rate 1111、、、、、、、、8 8 、、、、、、、、5.5 5.5 、、、、、、、、2Mbps2Mbps Routing Routing DSDVDSDV Area Area 1000*1000*10001000 Traffic Type Traffic Type CBRCBR Packet Size
Packet Size 128Byte128Byte Parameters
Parameters
Simulation software
Simulation software
Setting
Setting ParametersParameters SettingSetting
NS2
NS2--2.292.29 Simulation Time
Simulation Time 120sec120sec
cbr
cbrPacket IntervalPacket Interval 2m~10m2m~10m
Data Rate Data Rate 1111、、、、、、、、8 8 、、、、、、、、5.5 5.5 、、、、、、、、2Mbps2Mbps Routing Routing DSDVDSDV Area Area 1000*1000*10001000 Traffic Type Traffic Type CBRCBR Packet Size
Packet Size 128Byte128Byte
如下圖 X 軸為 CBR 的傳輸率，Y 軸為總共傳輸 量，本論文很明顯看出 802.11g 的傳輸量是最低的， D-NoopMAC、D-CoopMac(passive CoopTable)和 D-CoopMac(active CoopTable)傳輸量逐漸提升，本論文 感興趣的是在傳輸率達到 200kbps 之後才能夠看出不 同協定的傳輸效能，可能原因是 CBR 傳輸率較慢不會 造成通道擁塞的情況，當 CBR 傳輸率變快，太多封包 進入通通會造成通道擁塞而導致封包遺失。在 D-CoopMAC(passive CoopTable)的傳輸量比 D-NoopMAC 差，最主要原因是 D-CoopMAC 的 CoopTable 建立方式不好，來源端使用全向性傳送控制 封包限制原本指向性傳輸的特性，使得整體網路傳輸 效能下降。
圖十、傳輸量 vs.傳輸負載
圖十一、封包到達率 v.s. 傳輸負載
上圖為封包到達率，CBR 傳輸率慢時 D-CoopMAC(passive CoopTable) 的傳輸量較高，當 CBR 傳輸率變快時封包到達率逐漸減少，可能原因是在 D-CoopMAC 中來源端使用無意間聽到建立被動式 CoopTable，若協助端沒有傳輸任何資訊時，來源端不 會知道協助端資訊，來源端尋找 CoopTable 並沒有足 夠的協助端資訊，只能使用指向性直接傳送資料的方 式，這樣的方式造成資料在傳送過程速度慢，它減少 許多可能傳輸節點的機會，因此，D-CoopMAC 效能較D-NoopMAC 差。 4444....2222 多個指向性節點的效能多個指向性節點的效能多個指向性節點的效能 多個指向性節點的效能 本文利用 TENS]和 ns2.29]的 TCL Script 模擬多個 指向性和合作式網路拓樸，指向性節點採用 TENS，全 向性則採用 ns2.29 模擬，並且模擬四種情況 IEEE 802.11 、 CoopMAC 、 D-NoopMAC 和 混 合 式 為 D-CoopMAC。模擬參數設定如下表所示，拓樸大小為 1000*1000，模擬 30 個隨機節點採用 Uniform 的隨機變 數且每個節點位置分佈較廣，並且利用不同的隨機種 子去設定隨機的來源端、目的端、開始傳送的時間及 隨機設定指向性節點，模擬結果為了達到公平性則利 用 10 個不同的隨機種子模擬 10 次再取平均值。 表.3 模擬環境參數設定 參數 參數值 參數 參數值 Area 1000*1000 Ifq 50
Transport CBR Routing WLSTATIC
Packet
Size 1024Byte Data rate
2M、5.5M、 11M cbr Packet Interval 5m Simulatio n Time 50s 本論文將比較四種不同的傳輸協定，分別是 D-CoopMAC、D-NoopMAC、CoopMAC 和 IEEE802.11。 D-CoopMAC 是合作網路結合指向性天線協定， D-NoopMAC 是指向性天線技術，CoopMAC 是混合網 路技術和原始 802.11 技術。如下圖所示，X 軸為節點 的數量、Y 軸為平均網路的傳輸量，D-CoopMAC 的傳 輸效能比 D-NoopMAC 和其它協定較佳，其原因是 D-CoopMAC 在範圍較廣的拓樸中不僅能夠同時傳輸 多組資料，而且還能選擇較佳的傳輸率去增加 5%網路 的傳輸量，在 D-NoopMAC 和 CoopMAC 兩者互相比較 時，明顯地看出 D-NoopMAC 效能較 CoopMAC 佳，其 原因是 D-NoopMAC 可以同時多組傳送封包增加網路 效能。CoopMAC 和 IEEE 802.11 比較時，它能夠選擇 較佳的協助端幫忙傳送至目的端，所以比 IEEE 802.11 效能還要佳。特別注意的地方是 D-NoopMAC 傳輸 5 和 10 個節點，當節點數量較少並且隨機選擇來源和目 地端，不一定能夠有多組傳輸的情況發生，因此上升 弧度較平坦。
圖十二、合作式指向性協定效能模擬與分析
五
五
五
五、
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、計畫
計畫
計畫
計畫成果自評
成果自評
成果自評
成果自評
本計畫「合作式網路中結合指向性天線之媒體存取控 制協定之設計」主要目標是：在合作式網路下結合指 向性天線的特性設計媒體存取控制之協定。協定效能 部分，軟體方面，將基於 NS2 的模擬器下，開發具備 指向性天線之模組以及撰寫媒體存取控制的模組。計 畫第一部分提出「主動式搜尋協助端機制」，接著第 二部分「探討在混合式環境下，指向性天線結合合作 式在 MAC 方面的影響」。在「主動式搜尋協助端機制」 方面提出一個主動式搜尋協助端去建立 D-CoopTable 的機制。模擬結果以 NS2 呈現，本計畫開發擴展「指 向性增益模組」，其功能可更換不同的增益指向性天 線場型模組、更改全向性或者指向性天線類型及指向 性天線角度，並且可支援原始 NS2 已經存在的路由協 定。藉由撰寫 Tcl Script 腳本，程式在 C++運作利用 TwoRayGround 公式去計算節點的接收功率值，接著判 斷接收功率大於 Rx 臨界值去決定節點是否傳輸資 料。本報告結論是利用主動搜尋機制提高被動式搜尋 機制的網路傳輸效能。此外，在異質性在節點彼此較 疏遠且擔任協助者的情況下，指向性是合作式的朋友。
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、參考文獻
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參考文獻
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