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

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國立臺中教育大學資訊工程學系碩士論文

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

The Research of Performance

Improvement for IEEE 802.15.4 on

Wireless Coexistence between IEEE

802.11-Based and IEEE 802.15.4

Networks

指導教授：李宗翰教授

研究生：謝明駿撰

中華民國 102 年 07 月

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致謝

時光飛逝，歲月如梭。一轉眼兩年的碩士生活即將結束，這兩年來要先感謝家人的支持，使我無後顧之憂盡心盡力的完成學業；接下來要謝謝我的指導教授李宗翰老師，老師教導我許多嵌入式系統與無線網路相關技術，時常幫助學生解決研究時所遭遇的問題，並且購買相當多嵌入式的相關設備，使學生在研究之於還可以增進實際操作上的能力，好讓畢業之後能快速與企業結合。老師也時常詢問我們實驗室是否缺少什麼設備，主要是讓學生可以有更好的研究環境；其老師也鼓勵我們朝向跨領域的方向發展，讓資訊產業可以有效與其他產業結合，增廣自己的視野。老師不僅僅在研究方面用心教導，在做人處事態度方面也時常叮嚀著我，讓學生受益良多。然而也要感謝廖俊鑑教授、賴坤助博士與張林煌教授撥空前來擔任口試委員，並對學生論文的指導與建議。再來要感鈺中學長，在剛進實驗室時學長就細心教導相關學校公務與系上事物，並有任何研究相關問題都可以替我解答。接下來要感智皓與宏修，在研究時給予我很大幫助，時常幫我解答我的問題所在；尤其是智皓，從大學到現在都一直幫忙我很多事情。也要謝謝祥紳與朝仕，在我們忙於論文撰寫時適時分擔了我的公務，讓我可以專心撰寫論文。最後要謝謝繼玄，教了我很多網路相關的知識與他所知道的點滴。最後要謝謝阿搞學長、旻遇、紹源、柏寰、郁翔、宗駿、大祐、武彬、維宸、弘州、承翰，總是給實驗室帶來歡笑，讓我在疲憊研究之於，也可以適當放鬆心情。也要謝謝網路實驗室的政彥、宸勳、珊姐、朝傑學長、碩瑤學長，系統實驗室的小桂學長、展哥學長，謝謝諸位同學學長的照顧，讓我在研究所兩年裡多采多姿。

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I

摘要

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。在無線技術中，2.4GHz 頻帶是一個被普遍使用的頻帶，因為此頻帶之頻率範圍為 2.400 ~ 2.4835 MHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) 無線頻段，其中 IEEE 802.11b/g/n 和 IEEE 802.15.4 在 2.4 GHz 頻帶為這兩種規範重疊的部分。IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 因各自具有明顯的特點，並且許多特性具有互補性，將二者相結合具有很好的應用前景。因此在本論文將以 IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 無線技術所共存的異質無線網路環境為例，並定義出三種不同共存範圍 Range1、Range2 與 Range3；而本論文將針對 Range1、Range2 分別探討，必且提出「CIFS 之公平傳輸機制」、「動態封包大小調整機制」。其結果皆顯示其兩種機制皆可有效提升 IEEE 802.15.4 傳輸效率，而本研究也探討無線異質共存網路之非理想通道訊號干擾下 IEEE 802.15.4 傳輸效率，然而結果也顯示兩種機制依然可有效提升 IEEE 802.15.4 傳輸效率。關鍵詞: IEEE 802.11、IEEE 802.15.4、無線異質共存網路

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II

Abstract

Recently, more and more wireless networks have been deployed and start provide varies services to customers. However, according to physical layer and protocol of the wireless network, each network has different transfer and application. Therefore, it may cause unintended interactions between multiple radios using difference radio access technologies. Thus, heterogeneous wireless network will be the trend of future network. The heterogeneous wireless network is commonly used in ISM 2.4 GHz, as the range of 2.400 ~ 2.4835 MHz radio frequency band. In ISM 2.4 GHz band, the frequency is overlap for IEEE 802.11b/g/n and IEEE 802.15.4. This research is focuses on IEEE 802.11 and IEEE 802.15.4 protocols in the ISM 2.4 GHz band to be investigated by generating the certain interference. Furthermore, it can explore to three different interference situations depend on the IEEE 802.15.4 transmission range. The interference circumstances can be divided into three ranges: Range1,Range2 and Range3. However, this research focuses on Range1 and Range2. The IEEE 802.15.4 will suffer serious interference problems from IEEE 802.11 if there is no proper arrangement for the mutual scheduling mechanism. Thus, “CIFS fairness transmission opportunity” and “dynamic packet length control mechanism” are proposed in this thesis for IEEE 802.15.4 to solve the co-channel interference from IEEE 802.11. Results show proposed mechanisms can effectively enhance the IEEE 802.15.4 transmission probability under wireless coexistence environment.

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III

摘要 ... I

Abstract ... II

目錄 ...III

表目錄 ... V

圖目錄 ... VI

第一章簡介 ... 1

1.1 研究背景與動機 ... 1 1.2 異質無線共存網路之同頻干擾... 2 1.2.1 IEEE 802.11-based 物理層技術 ... 2 1.2.2 IEEE 802.15.4 物理層技術 ... 2 1.3 論文架構 ... 4

第二章文獻探討 ... 7

2.1 PHY 層的相關研究 ... 7 2.1.1 不同干擾模型分析 ... 7 2.1.2 通道檢測 ... 9 2.2 MAC 層的相關研究 ... 10 2.2.1 封包碰撞干擾分析 ... 10 2.2.2 實際佈建與分析 ... 12 2.3 相關研究之結論 ... 12

第三章異質無線共存網路環境定義與探討 ... 14

3.1 異質無線共存網路環境定義... 14 3.1.1 Range1 之相互傳輸範圍 ... 15 3.1.2 Range2 之相互傳輸範圍 ... 16 3.1.3 Range3 之相互傳輸範圍 ... 17 3.2 異質無線共存網路相關機制比較... 17 3.2.1 IEEE 802.15.4 碰撞機制與 CSMA/CA 分析 ... 18 3.2.2 IEEE 802.11 碰撞機制與 CSMA/CA 分析 ... 20

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IV

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

... 22

3.2.4 IEEE 802. 15.4 Markov chain 模型 ... 23

3.2.5 IEEE 802.11 Markov chain 模型 ... 27

3.2.6 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 Markov chain 模型比較 ... 30

3.3 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 相關機制比較之結論 ... 32

第四章 Range1 干擾環境分析模型探討 ... 34

4.1 Range1 環境下封包狀態分析 ... 34 4.2 Range1 環境下調整 CIFS 後封包狀態分析 ... 38 4.3 Range1 環境下模擬結果 ... 40 4.4 模擬與數值分析 ... 43 4.4.1 IEEE 802.15.4 在多個 IEEE 802.11 競爭節點分析 ... 43 4.4.2 非理想通道訊號干擾 ... 46 4.5 Range1 干擾環境分析模型探討結論 ... 51

第五章 Range2 干擾環境分析模型探討 ... 52

5.1 Range2 環境下封包狀態分析 ... 52 5.2 Range2 環境下模擬器中之封包狀態分析 ... 56 5.3 Range2 環境下動態封包調整 ... 59 5.4 模擬與數值分析 ... 61 5.5 Range2 干擾環境分析模型探討結論 ... 63

第六章結論與未來研究方向 ... 64

參考文獻 ... 69

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V

表目錄

表 1-1、異質無線標準比較表 ... 4

表 3-1、IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 CSMA/CA Parameters ... 23

表 4-1、Range1 模擬相關參數與配置 ... 35

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VI

圖目錄

圖 1-1、IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11-based 在 2.4GHz 頻段的使用情況 ... 3

圖 2-1、WLAN 與 WPAN 異質共存之網路拓樸模型 ... 8 圖 2-2、IEEE 802.11b 與 IEEE 802.15.4 的訊號共存範圍 ... 8 圖 2-3、IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11b 共存之多跳網路 ... 10 圖 2-4、IEEE 802.11b 和 IEEE802.15.4 通道選擇 ... 10 圖 2-5、IEEE802.15.4 和 IEEE 802.11b 之間的同頻干擾模型 ... 11 圖 3-1、IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 共存環境示意 ... 14 圖 3-2、Range1 之相互傳輸範圍示意圖 ... 15 圖 3-3、Range2 之相互傳輸範圍示意圖 ... 16 圖 3-4、Range3 之相互傳輸範圍示意圖 ... 17

圖 3-5、IEEE 802.15.4 CSMA/CA algorithm ... 20

圖 3-6、IEEE 802.11 CSMA/CA algorithm ... 22

圖 3-7、IEEE 802.15.4 Markov chain 模型 ... 25

圖 3-8、IEEE 802.11 Markov chain 模型 ... 30

圖 3-9、異質共存網路 Markov chain 模型 ... 32

圖 4-1、Range1 環境中 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在模擬器封包傳送過程 .. 35

圖 4-2、共存網路環境的流程圖 ... 37

圖 4-3、加入 CIFS 後 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 封包傳送過程 ... 39

圖 4-4、加入 CIFS 後共存網路環境之流程圖 ... 39

圖 4-5、IEEE 802.15.4 在不同 CIFS 情況的傳輸機率 ... 40

圖 4-6、IEEE 802.15.4 在不同封包大小情況下的傳輸機率 ... 41

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VII

圖 4-8、不同 CIFS 情況下 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 的資料傳輸利用率 ... 42

圖 4-9、在不同 CIFS 情況的下 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 的傳輸機率 ... 44

圖 4-10、在不同 CIFS 情況的下一個 IEEE 802.11 節點 ... 45

圖 4-11、在不同 CIFS 情況的下二個 IEEE 802.11 節點 ... 45

圖 4-12、在不同 CIFS 情況的下三個 IEEE 802.11 節點 ... 45

圖 4-13、IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在多的競爭節點下的 Throughput ... 48

圖 4-14、IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在多的競爭節點下的 End to End Delay . 50 圖 5-1、Range2 在模擬器中的環境設定示意圖 ... 53

圖 5-2、Range2 環境中 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在模擬器封包傳送過程 ... 57

圖 5-3、模擬器中 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 封包傳輸流程圖 ... 58

圖 5-4、IEEE 802.15.4 封包大小與 FER 關係圖 ... 59

圖 5-5、IEEE 802.15.4 封包大小與 IEEE 802.11 傳輸功率關係圖 ... 60

圖 5-6、理論值與實際值的比較 ... 61

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第一章

簡介

1.1 研究背景與動機

隨著網路技術不斷地成長，新的無線網路協定日益增加，以智慧型手機為例，其中已整合了至少多種以上之無線通訊技術。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，相關的無線通信技術，包括無線個人網路 (WPAN, Wireless Personal Area Network, IEEE 802.15)、無線區域網路 (WLAN, Wireless Local Area Network, IEEE 802.11[1]) 、無線都會網路 (WMAN, Wireless Metropolitan Area Network, IEEE 802.16[2])、無線感測網路 (WSN, Wireless Sensor Network, IEEE 802.15.4[3]) 、2G、3G、全球互通微波存取(WiMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access, IEEE 802.11e[4]) 乃至四代 (4G, Next Generation Network, NGN) 無線通訊網路等，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。無線異質網路將是未來的網路趨勢，屆時資料網路與通訊網路勢必並存而需求將日趨複雜；因此當異質無線技術處於同一頻率上同時使用，如沒有妥善安排相互間的排程機制，各無線技術間將會發生嚴重的干擾問題，而此一干擾即為同頻干擾（Co-Channel Interference）。

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1.2 異質無線共存網路之同頻干擾

在上述的無線技術中，2.4GHz 頻帶是一個被普遍使用的頻帶，因為此頻帶之頻率範圍為 2.400 ~ 2.4835 MHz；且為無須申請使用執照的 ISM (Industrial, Scientific and Medical) 無線頻段，而其中 IEEE 802.11b/g/n 和 IEEE 802.15.4 在 2.4 GHz 頻帶為這兩種規範重疊的部分。IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 因各自具有明顯的特點，並且許多特性具有互補性，將二者相結合具有很好的應用前景，例如此兩種無線技術，常會在物聯網 (Inter of Things) [5]與 6lowpan[6]等應用中整合。

1.2.1 IEEE 802.11-based 物理層技術

IEEE 802.11技術多採用DSSS，其每通道頻寬為22MHz，故允許同時採用三個非重疊式通道分佈 (No-overlap channel)，其頻段分佈可參考圖1-1所示，其中橫軸為2.4GHz頻帶之頻率範圍示意。本研究將著重於IEEE 802.11-based協定，除一般文獻所提的IEEE 802.11b外，再加入近來更廣泛使用之IEEE 802.11g/n技術之分析。尤其當IEEE 802.11n使用40MHz時，對於IEEE 802.15.4其干擾情況勢必將與IEEE 802.11b/g有明顯的不同。

1.2.2 IEEE 802.15.4 物理層技術

IEEE 802.15.4 主要設計是為一種用於感測器及控制網路的無線的解決方案，因此大多數IEEE 802.15.4設備都以節能設計做為主要之訴求 (溫度調節器、

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安全感測器等)，其電池壽命可以長達數月，甚至數年之久。IEEE 802.15.4採用 868MHz頻段(歐洲)、915MHz頻段(北美)及2.4GHz ISM頻段(全球)的DSSS無線訊號。如圖1-1中所示，在2.4GHz ISM頻段中，IEEE 802.15.4 共定義了16個通道，每一通道寬3MHz，通道中心間隔為5MHz，使相鄰通道間留有2MHz的頻率間隔。物理層上使用了16-ary quasi-orthogonal 的調變技術，並使用O-QPSK( Offset Quadrature Phase-Shift Keying ) 來做數位調變，如此構成了 IEEE 802.15.4 的 DSSS( Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列展頻 )展頻技術。IEEE 802.15.4 標準中主要提供如CCA (Clear Channel Assessment)與CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)等機制來保證IEEE 802.15.4在2.4GHz頻段和其他無線技術標準的共存能力。但根據本研究之初步分析，其無線技術標準的共存能力仍相當不足，因此本研究重點將著重分析異質無線網路相互間之干擾的主要因素，並補足其協定中在此方面之不足之處。 22 MHz 3 MHz 2412 MHz 2425 MHz 2437 MHz 2450 MHz 2462 MHz 2475 MHz 2480 MHz IEEE 802.15.4 25 MHz Channel spacing Channel spacing 5 MHz

2405 MHz Channel 15 Channel 20 Channel 25, 26

Channel 1 2412 MHz Channel 5 2432 MHz Channel 9 2452 MHz Channel 11 2462 MHz Channel 13 2472 MHz 24 83.5MHz 24 83.5MHz 24 83.5MHz 24 83.5MHz Channel 3 2422 MHz 2400 MHz 2400 MHz 2400 MHz

IEEE 802.11n (OFDM) 40MHz ch. Width 33.75 MHz used by sub-carriers IEEE 802.11g/n (OFDM) 20 MHz ch. Width 16.25 MHz used by sub-carriers IEEE 802.11b (DSSS) channel width 22 MHz

2400 MHz

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異質無線網路是集合各種不同無線技術所整合之網路，如表1-1異質無線標準比較表所示，各種無線通訊技術其特性各為不同，如傳輸速度、覆蓋區域、功率大小以及通訊協定等，致使分析上相當的複雜，因此，本研究將以針對廣泛使用的 IEEE 802.11-based 技術與 IEEE802.15.4 做為本論文探討的主要規範來逐一探討。表1-1、異質無線標準比較表 802.15.4 802.11b 802.11g 802.11n IEEE Ratified 2003 1999 2001 2008 Frequency 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz Non-overlapping Channels 16 (2.4GHz) 3 3 3

Baseline Bandwidth Per

Channel 250Kbps 11Mbps 54Mbps 65Mbps Max Bandwidth Per

Channel 250Kbps 11Mbps 54Mbps 130Mbps

Bandwidth 2MHz 22MHz 22MHz 40MHz

Transmit power 0 dBm 20 dBm 20 dBm 20 dBm

CCA 128μs N/A N/A N/A

Receiver Sensitivity -85 dBm -87 dBm -72 dBm -69 dBm

Max transmit power 1 mW 1000 mW 1000 mW 1000 mW

Range ~10-75 m ~ 140 m ~140 m ~250 m

1.3 論文架構

本論文之架構如下，第二章為相關文獻之研究探討，其主要將同頻干擾對於物理層(Physical Layer)與媒介存取控制層(MAC Layer)所造成之干擾分析探討。第三章針對無線異質共存網路的傳輸範圍分別定義成Range1、Range2、 Range3，並詳細分析IEEE 802.11與IEEE 802.15.4 Markov chain模型與CSMA/CA 之差異。第四章為Range1干擾環境分析模型探討，針對IEEE 802.11對於IEEE

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802.15.4的影響做詳細的分析與探討，並且提出一個符合公平傳輸的機制，以減少IEEE 802.11在Range1對IEEE 802.15.4的影響。第五章將探討Range2所造成之異質無線隱藏節點之問題，並提出以動態調整傳輸封包之長度，以改善Zigbee異質無線網路環境下的傳輸效率。最後一章將對於本研究論文給予結論，並且探討未來將可研究之方向。其中在第二章節中將探討相關文獻在PHY層與MAC層兩種不同層面之研究，並且分析與歸納其相關文獻之技術。在PHY層中將針對不同干擾模型分析與通道檢測作為分類依據；而在MAC層中主要以封包碰撞干擾分析與實際佈建與分析為主。針對IEEE 802.11與IEEE 802.15.4在無線異質共存網路中，在第三章依照傳輸範圍定義出三種不同範圍：Range1、Range2與Range3。並且詳細分析IEEE 802.11與IEEE 802.15.4 Markov chain模型與CSMA/CA 之差異，並以異質共存網路的分析依據作為此階段之研究。

經由第三章中所定義的範圍，本研究在第四章將詳細分析探討IEEE 802.11 在Range1中對於IEEE 802.15.4所造成問題。並且提出「CIFS之公平傳輸機制」，其主要概念為在 IEEE 802.11 之協定中，以 CIFS 取代 DIFS(DCF, Distributed Coordination Function IFS)而達到公平的傳輸。並且分析IEEE 802.15.4與IEEE 802.11在非理想通道訊號干擾情形下之影響。

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而在第五章節將分析 IEEE 802.11 在 Range2 環境下對於 IEEE 802.15.4 所造成干擾，並且提出「動態封包大小調整機制」，因而達到降低 IEEE 802.11 所造成之同頻干擾。並且分析 IEEE 802.15.4 在非理想通道訊號干擾情形下之問題。

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第二章

文獻探討

由上一章節中可以清楚知道使用在 2.4GHz 無線通訊設備逐漸增多，雖然工作於 2.4GHz 的無線通訊技術標準，在設計之初均加入了必要的設計來減小在同頻干擾的影響，但是在無線通訊技術快速發展的今日，該頻段已日益擁擠，為了能讓各種無線設備能正常運行。因此，如何避免之間的同頻干擾在無線共存分析上顯然是非常重要的。一個異質無線網路共存的環境，與原本單一無線網路系統的運作觀念上也將有極大的區別，同頻干擾對於物理層(Physical Layer)與媒介存取控制層(MAC Layer)將造成不同層面的影響。因此在本章節我們將相關文獻區分為兩種不同層面研究探討。

2.1 異質無線網路在 PHY 層的相關研究

本節中將分析異質無線網路在 PHY 層中相關文獻的探討，我們會針對在 PHY 層下不同解決方法區分為兩種，第一種為不同的同頻干擾模型分析，第二種基於切換通道的方法，解決異質無線共存網路在頻段重疊之問題。

2.1.1 不同干擾模型分析

G.M.Tamilselvan與Dr.A.Shanmugam在文獻 [7][8][9]中分別提出不同的干擾模型在Qualnet模擬器進行模擬。而在文獻[7][8]中提出了兩種模型分別為Inter和

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Intra，在模擬器內佈建20個IEEE 802.11和IEEE 802.15.4節點如圖2-1(a)、(b)； Inter：所有的WLAN節點組成一個工作頻段，WPAN的群集節點與族群大小為5 個成員，每個族群將有一個 PAN Coordinator和4個End devices。每個族群分配一個獨特的頻段傳輸。頻率調度後，每個通道中會有特定時段分配封包傳輸。Intra：從不同群集的群集成員分組，同樣會有特定時段分配封包傳輸。

(a)WLAN 與 WPAN 共存之 Inter 模型 (b)WLAN 與 WPAN 共存之 Intra 模型圖 2-1、WLAN 與 WPAN 異質共存之網路拓樸模型[7]

圖 2-2、IEEE 802.11b 與 IEEE 802.15.4 的訊號共存範圍[9]

而在文獻[9]作者提兩種出類似的無線異質網路共存模型，分別為 TDMA 以及 Grid Topology，作者提到 IEEE 802.11b 與 IEEE 802.15.4 的共存範圍如圖 2-2 所示；其中 R1：IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 可以互相聽到彼此；R2：IEEE 802.15.4

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仍可以請清楚聽到 IEEE 802.11b 的訊號，但是 IEEE 802.11b 聽不到 IEEE 802.15.4；R3：由於距離較遠，但 IEEE 802.15.4 仍然可以感測到 IEEE 802.11b 的干擾，IEEE 802.11b 已聽不到 IEEE 802.15.4 的訊號。其結果顯示 Intra 與 Grid Topology 模型可以有效降低 BER (Bit Error Rate)與 FER (Frame Error Rate)。但在整體而言，其異質同頻干擾之問題仍無提出有效的解決方法。

2.1.2 通道檢測

基於切換通道的方法，在文獻[10]~[16]皆都使用類似方法解決異質無線共存網路在頻段重疊問題。其中Peizhong Yi 等人[10]，提出利用能量檢測判斷是否有同頻干擾，並分析出封包傳送時的Safe Distance和Safe Offset Frequency，提出一個避免同頻干擾演算法，在適當的時機切換到安全的通道避免同頻干擾。如圖2-3

所示，C. Won 等人[11]所提到IEEE 802.15.4與IEEE 802.11b共存多跳網路，其環境

為9*9網格狀的IEEE 802.15.4拓樸，圖中圓形區域為IEEE 802.11的同頻干擾範圍，因此當封包傳送到A節點時，一旦遭受同頻干擾便立即廣播訊息至周圍的節點，同步切換至干擾較低的通道傳輸，來減少因干擾而造成封包的遺失。而文獻 [12]~[15]作者使用的方法都與文獻[11]雷同，分別在多跳環境下先偵測是否有遭受到同頻干擾，若有遭受到IEEE 802.11的干擾時，便切換通道至無干擾之通道。而Fang Yao[16]主要是利用能源檢測每個頻段中的能源大小為何，並且給予判斷能源之門檻值，若偵測到此能源大小超過門檻值時，則將會視為此通道不適合用於傳輸。

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10 圖 2-3、IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11b 共存之多跳網路[11]

2.2 異質無線網路在 MAC 層的相關研究

然而本研究將分析在 MAC 層中異質無線共存網路之相關文獻探討，因此本節中先將相關研究區分成兩類，第一為封包於不同環境下所遭受碰撞之同頻干擾分析，第二部份將以實際佈建與分析為主深入探討。

2.2.1 封包碰撞干擾分析

D. G. Yoon 與 S. Y. Shin 等人[17][18][19][20]分析異質無線網路下封包可能造成碰撞原因。而在文獻[18]中提到；在圖 2-4 是對於 IEEE 802.11b 通道中相鄰的 IEEE 802.15.4 通道或以上這些通道之間的 guard bands 並進行封包錯誤率的分析。

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11

圖 2-5、IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.11b 之間的同頻干擾模型[18]

其中圖 2-5 為 IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.11b 之間以 MAC Layer 分析的干擾模型，其中 TZ 是指兩個 IEEE 802.15.4 封包之間到達的時間間隔；LZ 為 IEEE 802.15.4 封包持續的時間；tTA 是 IEEE 802.15.4 SIFS 的時間；TACK是指 IEEE 802.15.4 ACK 封包的時間；U_Z,backoff是指 IEEE 802.15.4 平均 backoff 的時間； TW 是指 IEEE 802.11b 封包持續的時間；LW是指 IEEE 802.15.4 封包持續的時間；tLIFS 是指 IEEE 802.11b DIFS 的時間；TACK,W是指 IEEE 802.11b ACK 封包的時間； U_W,backoff是指 IEEE 802.11b 平均 backoff 的時間；o 是指時間的偏移。而文獻[18][19] 不同之處為，文獻[19]中作者加入 Bluetooth 所遭受之同頻干擾，並且分析出三種無線技術同時運作時，封包可能會照成的問題；而在文獻[20]中作者提出一個可以在異質共存網路中同時運用的 Markov chain 模型，並且在模擬器中驗證其模型可行性。其結果顯示 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 傳送距離越長其 throughput 越高；而較多的 IEEE 802.11 節點則會影響 IEEE 802.15.4 的 throughput。Lieven Tytgat 等人[21]分別針對文獻[9]提到 R1~R3 所造成之同頻干擾分析，並利用此干擾分析適當調整封包的傳送方式，以避免異質共存網路中之同頻干擾。

(21)

12

2.2.2 實際佈建與分析

在文獻[22][23][24][25]中作者便以實驗證明，IEEE 802.15.4 在有 IEEE 802.11 的同

頻干擾下，封包將會產生較高的封包錯誤機率。Wei Yuan [22]主要分析封包所造成碰撞的原因而提出避免異質同頻干擾之機制，並在文獻[9]所提到 R2 環境中分析封包成功率並調整 CCA 與電路轉換時間而提升封包成功率。而 Chieh-Jan Mike Liang [23]則將 IEEE 802.15.4 節點放置於 IEEE 802.11 的環境中，其結果顯示 IEEE 802.15.4 會有大量的封包遺失，作者並自行調整 MAC 表頭的長度，並配合 Hamming code 與 Reed-Solomon Code ( RS Code )以修正封包之錯誤，將提高在 IEEE 802.11 環境下之 IEEE 802.15.4 封包傳輸成功率，依實驗結果顯示，透過 FEC(Forward Error Correction)進行封包修正，因修正後之效率不佳，因此本論文將不考慮此一方法。而 Zhang, Xinyu 等人在文獻[24][25]中提出兩種類似方法，首先作者在 IEEE 802.15.4 節點路徑傳輸之間多建置一個節點，此節點主要用於偵測在傳輸範圍內是否有 IEEE 802.11 干擾源的存在。若有，將傳送忙碌訊息使 IEEE 802.11 感知其傳輸範圍內有 IEEE 802.15.4 節點正在傳輸；直到 IEEE 802.15.4 節點的封包傳送完為止。

2.3 異質無線網路相關研究結論

Yang Dong 等人[26]彙整了相關學者與研究單位亦投注相當心力於無線異質

(22)

13

作者僅僅提出在模擬器中佈建出不同干擾之模型，卻無明確說明如何解決 IEEE 802.15.4 之傳輸機率。然而在文獻[10]~[17]皆是以無線感測網路在與 IEEE 802.11b 共存環境下，先使用通道偵測方法偵測通報是否淨空，若非淨空則切換至一個可以有效傳輸的通道。而近來更廣泛使用之 IEEE 802.11g/n 技術之分析，尤其當 IEEE 802.11n 使用 40MHz 時，對於 IEEE 802.15.4 其干擾情況勢必將與 IEEE 802.11b/g 有明顯的不同。因此文獻中所提的通道品質評估機制，仍有相當大的改善空間。在文獻[18]~[21]中作者皆先分析 MAC 層中封包會發生的碰撞情形，並調整封包傳送距離與傳送方式以達到封包傳送成功機率。而文獻[22]~[25]則是利用實際佈建情形下證明在異質無線共存網路相互間的碰撞問題，並修改封包格式以及封包傳送距離；但文獻[22]~[25]皆必須工作於文獻[9]中所提到 R1 環境下。綜觀上述相關研究文獻，雖已明確說明與驗證 IEEE 802.15.4 在 2.4GHz 異質無線網路共存環境下，對於其傳輸效能、封包遺失等方面均有相當大的影響。因此本論文將以無線感測網路為主體，分析 IEEE 802.15.4 在 IEEE 802.11 網路環境中所遭受的問題，並且提出相關解決方法以提升 IEEE 802.15.4 的傳輸效率。

(23)

14

第三章

異質無線共存網路環境定義與探討

由圖 1-1 中，我們可以發現在 2.4GHz 頻段中因為 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 的頻段相互重疊，因此如沒有妥善安排 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 相互間的排程機制，二者將會發生嚴重的干擾問題；因此在本章節我們將針對無線異質共存網路的傳輸範圍與影響情形，給予初步的分析與定義，其此範圍定義與文獻[9] 相同，但其呈現方式將有所不同。並且針對 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 無線通訊協定間，對 Markov chain 模型與 CSMA/CA 差異各別說明與分析。

3.1 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 共存環境定義

針對目前研究分析結果，我們將異質無線網路在 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 的傳輸範圍區分為三種不同區域，並各別探討，圖 3-1 表示 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 通訊協定相互間的傳輸範圍。其中 AP(Access Point)為 IEEE 802.11 節點、 Zigbee 為 IEEE 802.15.4 的節點。

ZigbeeA

ZigbeeB transmission range

ZigbeeC transmission range ZigbeeB ZigbeeC AP(Access Point)

AP transmission range Range1 Range2 Range3

IEEE 802.11 (Access Point) IEEE 802.15.4 (Zigbee) ZigbeeA transmission range

(24)

15

IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 依相互間之傳輸範圍做區分：

 Range1：IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 互相可以聽到彼此正在傳輸。  Range2：IEEE 802.15.4 可以監聽到 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。

3.1.1 Range1 之相互傳輸範圍

在此一範圍 IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 互相可以監聽到彼此正在傳輸，圖 3-2 表示詳細的 Range1 傳輸範圍定義。在 Range1 的環境中，IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 因距離較近，因此相互間可以知道彼此是否有封包正要傳送；當彼此有封包要傳送時，若依賴各別協定的 CSMA/CA 機制將不足以避免此一範圍的干擾。

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

Range1 802.15.4 Transmission Range (Radius) 802.11 Transmission Range (Radius) 802.15.4 802.11 圖 3-2、Range1 之相互傳輸範圍示意圖

(25)

16

3.1.2 Range2 之相互傳輸範圍

如圖 3-3 所示，在此範圍中之定義 IEEE 802.15.4 將監聽到 IEEE 802.11 正在傳輸，因為 IEEE 802.11 在傳輸功率、傳輸範圍皆都大於 IEEE 802.15.4，因此在 Range2 中，IEEE 802.15.4 是可以感知 IEEE 802.11 是否有封包正在傳輸；但因為 IEEE 802.15.4 的傳輸功率、傳輸範圍都比 IEEE 802.11 為小，所以在此範圍中， IEEE 802.11 將感應不到 IEEE 802.15.4 是否有封包正在進行傳輸。

Range2

802.15.4 Transmission Range (Radius)

802.11 Transmission Range (Radius)

802.15.4 802.11

(26)

17

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

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。

(27)

18

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。

(28)

19

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, 2MinBE_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_15.4max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, 2}5_{-1]範圍中選取延遲時間點，} 直到 NB_15.4=NB_15.4max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。

(29)

20

NB_15.4=0, BE_15.4=BE_15.4min

Delay for random (2BE_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 Y Y N N

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

(30)

21

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, 2MinBE_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_11max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, 2}10_{-1]範圍中選}

(31)

22

取延遲時間點，直到 NB_11=NB_11max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 (2BE_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 Y N N Wait IFS Channel idle? N 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，

(32)

23

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)}，

(33)

24

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, Wi - 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

(34)

25 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 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 1-λ

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)) = (n, b)}，而狀態轉換機率如下所示：

-1

1 }

1 {

n,

b

|

n,

b





,

b



P

... (1) 1] , 0 [ ] 1 [ } 1 1 {n,b |n- , - α/W ,n ,m ,b W -P  _n   _n ... (2) m < n , /W α -= n, | b 0, P{ -1} (1 ) ₀ ... (3) 0

1 }

1 {

0,

b

|

m,

-

/W

P



... (4) 其中方程式(1)表示在 backoff window 的各個 state 轉換時機率為 1；而方程式(2) 表示 backoff 後進入下一個 stage 之機率；方程式(3)表示在首次 backoff 即存取通

(35)

26 道成功的機率；若假設經過 m 次 backoff 都不成功，節點將回到空閒狀態，若想 再次嘗試存取通道，首先選取 backoff window 大小的機率為方程式(4)所示。 方程式(5)代表 bn , -1，也就是第 n 個 stage 執行 CCA 狀態之機率。

]

1 [

1 0 1

=

α

b

,

n

,

m

b

_n_,_- n _{, -}



... (5) 方程式(6)為進入傳輸狀態的機率，意即執行 CCA 後無進入 backoff 狀態。 1 -, 0 ) 1 1 ( , 1 b m L b_  



 ... (6) 當節點進入閒置狀態的機率如方程式(7)所示：

q

b





 

1

1 , 0 0 , 1 ... (7)

下列方程式(8)、(9)表示 backoff window 中隨機選中任一 state 的機率：

1]

[1

]

[1

,

1 , 0 ,

b

n

,

m

,

b

,

W

-W

b

W

b

n _n n n b n









_ _{... (8)} ] 1 1 [ , ) 1 )( ( 1 , 0 0 0 0 , 1 0 0 , 0 b b ,W -W b W b W q b W b _b    _   _  ₀ ... (9) 方程式(10)為 m 次內(包含第 m 次)執行 backoff、CCA、以及傳輸與閒置狀態 的機率加總為 1。

1

0 1 1 , 1 , 0 1 , 1 1 1 0 1









 



       m n W b n b m n n L l - , l , -n

b

+

b

_{... (10)} 依據方程式(5)之涵義，並以 τ_15.4 來表示節點在 backoff 之後，嘗試 CCA 之 機率如下所示：

(36)

27





  m n n

b

0 , 1

_15.4



_{... (11)} 假設 N 個節點欲存取通道，考慮到各節點的競爭情形，因此執行 CCA 但通 道被佔用的機率為：















_



_

N N N N 4 . 15 _ 1 2 4 . 15 _ 1 1 4 . 15 _ 1 1 4 . 15 _ 1 1 1 1 1 1 1 1 1                                          ... (12) 根據 Markov chain 所導出的結果，可以得到進入傳輸狀態的機率，亦即節點 嘗試 sensing 通道並且通道為閒置狀態的機率以 Ptr表示如下：









   tx _15.4 1 mac P ... (13)

3.2.5 IEEE 802.11 Markov chain 模型

圖 3-8 為 IEEE 802.11 的 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。

(37)

28

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_11max 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。假設 , lim__ { _11( ) , _11( ) }, (0, ) (0, i 1) t k i P nb t i bw t k i m k W b 為

IEEE 802.11 的 Markov chain 模型穩定狀態的過程。因此可以從 IEEE 802.11 的 Markov chain 模型得到一個封閉式的方程式如(14)所示： 0 , 0 0 , 0 , 1 0 , 0 ., 1

1 )

1 (

0 b

p

b

p

b

m

i

b

p

b

m m m i i

















  ... (14) 由於 Markov chain 模型的規律性，因此對每一個k(1,W_i 1)來說，可以表示成：

































  

m

i

b

p

m

i

b

p

i

b

p

W

k

W

b

m m i j m j i i k i

)

(

0

0 )

1 (

0 , 0 , 1 0 , 1 0 , 0 , _{... (15)} 根據方程式(14)的關係，且利用 0bi,0 b0,0/(1p) m i ，可將(15)改寫成：

)

1 ,

0 (

),

,

0 (

0 , ,







_i _i i i k i

b

i

m

k

W

k

W

b

_{... (16)}

(38)

29 因此透過方程式(14)與(16)的關係，bi,k的數值全部皆表示成b0,0的涵式與碰 撞繼率 P 的涵式。b0,0最後會被化簡成(17)，如下所示：





































 















        

p

W

b

W

b

W

k

W

b

M i m i m i W k m i W k m i i i i i i k i i i

1

1 )

2 (

)

2 (

2

1

1 0 0 , 0 0 1 0 0 1 0 0 ,0 0 , , ... (17) 其中b₀_,₀ 為經過一段時間後，{nb_11(t),bw_11(t)}在 nb_11(t) 0、 0 ) ( 11 _ t  bw 在這種情形下的機率為：

)

2 (

1 (

)

1 )(

2

1 (

)

1 )(

2

1 (

2

0 , 0 m

p

pW

W

p

b









_{... (18)} 當進入CW時，將會依其產生的backoff時間進行運作。此backoff時間隨時間遞減，必須等到其backoff時間遞減為零時才能傳送封包。因此在backoff之後，嘗 試CCA之機率τ_11為：

)

2 (

1 (

)

1 )(

2

1 (

)

2

1 (

2

1

11 _

0,0 0 ,0 m m i i

p

W

pW

p

b



















_{... (19)} 因為 τ_11 的值是根據碰撞機率 p決定，為了找出 τ_11 值所以必須先求出碰 撞機率

p

；碰撞機率

p

表示在(n1)個工作節點至少會有一個工作點傳送封包的機率，某一個工作點傳送封包但發生碰撞的機率如下： 1

)

11 _

1 (

1 





N

p



... (20)

(39)

30 1 , W1 -1 1 , W1 -2 1 , 2 1 , 1 1 , 0 0 , W0 -1 0 , W0 -2 0 , 2 0 , 1 0 , 0 m , Wm -1 m , Wm -2 m , 2 m , 1 m , 0 (1-p)/W0 (1-p)/W0 p/Wm p/W1 1/W1 p/Wm (1-p)/W0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 p/Wm 1 , Wi -1 1 , Wi -2 1 , 2 1 , 1 1 , 0 p/Wi p/Wi 1 1 1 1

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

(40)

31 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。

(41)

32 1 , W1 -1 1 , W1 -2 1 , 2 1 , 1 1 , 0 0 , W0 -1 0 , W0 -2 0 , 2 0 , 1 0 , 0 m , Wm -1 m , Wm -2 m , 2 m , 1 m , 0 (1-x)/W0 (1-x)/W0 x/Wm x/W1 x/W1 x/Wm (1-x)/W0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 x/Wm 1 , Wi -1 1 , Wi -2 1 , 2 1 , 1 1 , 0 x/Wi x/Wi 1 1 1 1 CIFS x 圖 3-9、異質共存網路 Markov chain 模型

3.3 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 相關機制比較之結論

在第三章節中我們定義了在共存網路中 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 的範圍，主要利用 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 之傳輸範圍給予三種不同定義： 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

(42)

33

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，將分析與探討 Range1 與 Range2 所產生干擾問題，並提出有效提升 IEEE 802.15.4 傳輸效率。

然而我們也分析了 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在碰撞機制、Markov chain 模型皆有些不同。因 IEEE 802.11 無須考慮耗電量問題，所以在每個 backoff time unit 都會執行 CCA，偵測通到是否為忙碌狀態，若是忙碌則會停止 backoff 延遲倒退，讓 time unit 停留在當下，直到通道淨空後才恢復倒數。而 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 最大不同為，IEEE 802.15.4 backoff 延遲時間會一直倒數完後再執行 CCA 確認通道是否淨空，在 backoff 延遲時間倒數途中皆不會停止倒數。

因 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 的碰撞機制有所不同，所以我們利用各自的 CSMA/CA 與碰撞機制分別建立出各自的 Markov chain 模型，並且利用文獻 [28]~[31]中所提出的傳送機率方程式，推算出 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 各別的封包傳送成功機率。

綜述以上分析方法我們提出一種符合在異質共存無線網路中使用之機制，在 IEEE 802.11 協定中，我們提出以 CIFS 取代 DIFS 的方式，為了提升 IEEE 802.15.4 之傳輸機率。因此在第四章節我們將遵循此一機制，透過數值與模擬分析，IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 個別的關係，以及封包的傳送機率等相關問題探討。

(43)

34

第四章

Range1 干擾環境分析模型探討

在第三章當中將異質無線共存環境區分為三種，因此本章節將針對 Range1 環境下，IEEE 802.11 對於 IEEE 802.15.4 的影響做詳細的分析與探討。並且提出一個適當的機制 CIFS 以減少 IEEE 802.11 在 Range1 對 IEEE 802.15.4 的影響。

4.1 Range1 環境下封包狀態分析

在本小節中將針對當 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 共存於在 Range1 情形下， IEEE 802.11 對於 IEEE 802.15.4 的同頻干擾所造成之影響做詳細的分析。本研究參考文獻[32]以及文獻[33]中，所描述 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 之狀態機，首先我們使用 PRISM [34]狀態機模擬器，如圖 4-1 所示，基於 Range1 的環境中分析 IEEE 802.11 對 IEEE 802.15.4 的影響，其相關參數設定則如表 4-1 所示。兩者在協議方面之比較，WI-FI (IEEE 802.11)的資料傳輸型態較適合於大量的資料傳輸。相對的，Zigbee (IEEE 802.15.4)則較適合低速率且長度較短的封包傳送。因此我們在 PRISM 中讓 IEEE 802.11 送出長度均為 1500 byte (以 IEEE 802.11 協議為基準)的連續封包，並針對傳送 133 byte 長度之 IEEE 802.15.4 單一封包做為分析之依據。在圖中所呈現之上圖為 IEEE 802.11 封包傳送結果，而下圖為 IEEE 802.15.4 的傳送結果。

(44)

35

表 4-1 Range1 模擬相關參數與配置

IEEE 802.15.4 IEEE 802.11b Packet Length (byte) 133 1500

Data Rate(bps) 250k 2M Retry Limit 3 7 CWmin 7(23-1) 31(25-1) CWmax 31(25-1) 1023(210-1) Backoff-max 5 6 A Slot Time 320μs 20μs DIFS 50μs SIFS 192μs 10μs Slot DIFS Backoff Data S I F S IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 Slot ‧‧‧ ‧‧‧ 4th Backoff ‧‧‧ ‧‧‧ 5th Backoff DATA ACK CCA DIFS Backoff Data S I F S ACK

圖 4-1、Range1 環境中 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在模擬器封包傳送過程接下來我們從 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 標準封包傳送流程分析，如圖 4-2 流程圖所示。以 IEEE 802.15.4 而言，當封包要傳送時會先執行 CCA 此過程將占用一個 Slot Time 時間，之後便開始執行 Backoff 程序，Backoff 程序結束後將會再度開始感測通道是否淨空，如果通道是淨空，則立即傳輸資料；若通道是忙碌時，則會先確認此次的 Backoff 次數是否達到上限值，如果沒超過上限值，將回到 Backoff 程序並將 Backoff 次數加一，但若超過上限值就會放棄此次封包並進

(45)

36

入下一個封包。當封包傳送完畢時會確認在 ACK time-out 之前是否有收到 ACK 訊息；若 ACK time-out 之後沒有收到訊息，則將回到 Backoff 程序並開始執行 Backoff，若收到 ACK 訊息表示此次封包為成功傳輸。

另一方面，以 IEEE 802.11 的流程而言，封包傳送開始前必須等待一段 DIFS 時間，若在等待期間通道是忙碌時，將會暫停倒數須等到通道淨空後，計數器將等待 DIFS 時間後進入 Backoff 程序，在第 3.2.3 節中有提到 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 Backoff 程序是有所不同的； IEEE 802.15.4 backoff 延遲時間會一直倒數至零後，則再執行 CCA 確認通道是否為淨空，且 IEEE 802.15.4 在 backoff 延遲時間倒數期間將不會停止倒數。然而 IEEE 802.11 每個 backoff time unit 都會執行 CCA，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，直到通道再度淨空，backoff 倒數計數器將恢復運作，繼續接續倒數動作。然而 Backoff 後之流程皆與 IEEE 802.15.4 雷同，唯一差別則是在 ACK time-out 之後沒有收到 ACK 訊息，則會回去重新等待一段 DIFS 時間，再接著資料重傳程序。

從圖 4-2 中可以明顯發現，IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 在封包傳送的流程中，有兩個部分須要特別注意；第一部分是在通道偵測部分，如當 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 各以一個傳送節點分別傳送封包至其指定之目的端而言；在 Range1 的環境當中，因同頻干擾關係彼此將互為其競爭節點，因此，在通道偵測

(46)

37 情況的部分，異質網路互相偵測對方是否有占用到通道。而第二部分是當封包傳送結束後，如何確認此次封包傳送是否有遭受碰撞。 IEEE 802.11 Initial Wait DIFS Backoff Drop IEEE 802.11 Backoff Num > MAX IEEE 802.11 Transmit No Yes If channel busy Backoff Drop IEEE 802.15.4 Packet Success IEEE 802.15.4 Transmit No Yes If channel busy? Perform sensing ACK Received Before Time-out? No Yes No Yes IEEE 802.15.4 Backoff Num > MAX

IEEE 802.15.4 ACK Time-out IEEE 802.11 ACK Time-out No IEEE 802.15.4 channel busy IEEE 802.11 channel busy No IEEE 802.11 Packet Success Yes Yes IEEE 802.15.4 Initial Clear Channel Assessment 圖 4-2、共存網路環境的流程圖從共存網路環境的流程圖而言，當 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 封包同時傳送出，IEEE 802.11 須等待一段 DIFS 時間(50μs)，而 IEEE 802.15.4 則需占用一個

(47)

38

Slot Time CCA 的時間(320μs)，兩者間以時間長度而言相差達 6.4 倍；從表 4-1 中可以發現 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 的 Slot Time 是以不同的時間長度為基礎， IEEE 802.15.4 之 Slot Time 長度為 IEEE 802.11 之 16 倍，因此在其協定的傳輸機制比較下，IEEE 802.11 因有較短的 DIFS，而擁有優先送出封包的優勢，而每當 IEEE 802.15.4 進行傳送前的空閒頻道評估(CCA)時，將會接收到正在傳送的 IEEE 802.11 封包，因而導致封包無法傳送而進入 Backoff 狀態；當 Backoff 次數達到最大限制次數時，此一 IEEE 802.15.4 封包將會因此丟棄。所以若沒有適當的協調機制，IEEE 802.15.4 的封包可以傳送成功的機率將微乎其微。

4.2 Range1 環境下調整 CIFS 後封包狀態分析

接續上一節中分析在 Range1 共存環境下 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 的封包傳送之影響。本節將提出一個可以提升 IEEE 802.15.4 在無線異質網路環境下的傳輸機率的機制。

經由上一節的分析，我們了解因 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 兩者因協議所規範之機制的差異，導致 IEEE 802.15.在同頻通道的競爭機制下，呈現非常不公平的比例。因此本研究將 IEEE 802.11 之 DIFS 以 CIFS 取代，其主要目的為建立 IEEE 802.11 在與 IEEE 802.15.4 在共存環境下的對稱的封包傳輸率，而提升 IEEE 802.15.4 的傳輸機率，如圖 4-3 所示。上圖為 IEEE 802.11 加入 CIFS 後封包傳送過程，而下圖為 IEEE 802.15.4；當 IEEE 802.11 要傳送封包時會等待 CIFS 時間，這如此一來 IEEE 802.15.4 就可利用 IEEE 802.11 在等待 CIFS 時候，獲得較高的

(48)

39 傳送機率將封包送出。其圖 4-4 為 IEEE 802.11 加入 CIFS 後共存網路環境的流程圖。 Slot IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 Slot Backoff Data

CIFS Backoff Data

S I F S … … ACK CCA S I F S A C K

圖 4-3、加入 CIFS 後 IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 封包傳送過程

IEEE 802.11 Initial Backoff Drop IEEE 802.11 Backoff Num > MAX IEEE 802.11 Transmit No Yes If channel busy Backoff Drop IEEE 802.15.4 Packet Success IEEE 802.15.4 Transmit No Yes If channel busy? Perform sensing ACK Received Before Time-out? No Yes No Yes IEEE 802.15.4 Backoff Num > MAX

IEEE 802.15.4 ACK Time-out IEEE 802.11 ACK Time-out

No IEEE 802.15.4 channel busy IEEE 802.11 channel busy Wait CIFS No IEEE 802.11 Packet Success Yes Yes IEEE 802.15.4 Initial Clear Channel Assessment 圖 4-4、加入 CIFS 後共存網路環境之流程圖

(49)

40

4.3 Range1 環境下模擬結果

接下來我們將利用 PRISM 狀態機模擬器，分析當加入 CIFS 機制後如何提升 IEEE 802.15.4 的封包傳輸機率。如圖 4-5 所示，IEEE 802.15.4 再傳送最大封包長度與最小封包長度時，在不同 CIFS 長度下，IEEE 802.15.4 的封包傳輸機率分析。然而從圖中可以發現，當 CIFS 越小時，IEEE 802.15.4 的傳輸機率相對較低；反之，當 CIFS 越大時，IEEE 802.15.4 的傳輸機率相對提升。因此 CIFS 與傳輸機率將會呈正向之關係。且當 CIFS 達到 1.2 ms，IEEE 802.15.4 將達到 100%之傳送成功率。同時經結果呈現也可以發現，當傳送較長的封包，其傳輸機率較傳送短封包來的低。 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 T ra n s m is s io n p ro b a b il it y Different CIFS(ms) 802.15.4_MAX-data_Ptx 802.15.4_MIN-data_Ptx 圖 4-5、IEEE 802.15.4 在不同 CIFS 情況的傳輸機率因此為了證明封包大小與傳輸機率的相互關係，我們在 CIFS=0.75 ms 時用不同的封包大小進行模擬，結果如圖 4-6 所示。當傳送封包越小時，相對傳輸機率會比傳送封包較長的來的高；有此可知封包大小會與傳輸機率成反比。

(50)

41 0 20 40 60 80 100 120 140 0.00 0.7 0.8 0.9 1.0 T ra n s m is s io n p ro b a b il it y Different Data(byte) 圖 4-6、IEEE 802.15.4 在不同封包大小情況下的傳輸機率但單純改變 CIFS 之長度，因較長之延遲而導致 IEEE 802.11 的傳輸效率下降。因此本研究將 PRISM 狀態機模擬器中所得到的相關數據，透過方程式(21) 與(22)分析，其結果如圖 4-7 所示。當 CIFS 越大時，IEEE 802.11 的 throughput 將會越低，反之 IEEE 802.15.4 的 throughput 則會升高。 Time Slot A 802.11 * 11 11 11 IEEE slot L S  ... (21) Time Slot A 802.15.4 * 4 . 15 4 . 15 4 . 15 IEEE slot L S  ... (22) 其中 S11為共存環境下 IEEE 802.11 的 Throughput；而 L11為 IEEE 802.11 的

Packet length；slot₁₁則是共存環境下 IEEE 802.11 傳送一個封包的平均時間(slot)。

S_15.4為共存環境下 IEEE 802.15.4 的 Throughput；L15.4為 IEEE 802.15.4 的 Packet

(51)

42 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 T h ro u g h p u t (K b p s ) Diffferent CIFS (ms) IEEE 802.11 IEEE 802.15.4

圖 4-7、在不同 CIFS 情況的下 IEEE 802.15.4 與 IEEE 802.11 的 throughput 反觀我們利用方程式(23)與(24)可以得到資料傳輸利用率(Utilization on desire data rate)。其中 DUR11為 IEEE 802.11 的資料傳輸利用率；DUR15.4為 IEEE 802.15.4

的資料傳輸利用率。從資料傳輸利用率而言，當 CIFS 越大時，IEEE 802.11 的使用率將會越低，反之 IEEE 802.15.4 則會升高，其結果如圖 4-8 所示。 Rate Data IEEE S DRU 11 . 802 11 11 ... (23) Rate Data IEEE S DRU 4 . 15 . 802 4 . 15 4 . 15  ... (24) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 U ti li za ti o n o n d e s ri e d a ta r a te Different CIFS (ms) IEEE 802.11 IEEE 802.15.4

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

國立臺中教育大學資訊工程學系碩士論文