IEEE 802.15.4 MAC

IEEE 802.15.4 MAC

ใน MAC sublayer จะทำหน้าที่ 2 อย่างคือ MAC data service และ MAC management service โดยมีคุณสมบัติต่างๆดังนี้

- Beacon management

- Channel access

- GTS management

- Frame validation

- Acknowledgement frame delivery

- Association and Disassociation

1. Super Frame Structure

ระบบเนตเวิร์กแบบ LR-WPAN สามารถที่จะเลือกใช้ Super Frame Structure ได้ โดยรูปแบบของ Super Frame จะถูกกำหนดโดย PAN Coodinator

Super Frame จะถูกแบ่งออกเป็น 16 slot ซึ่งในการส่ง Beacon จะส่งไปกับเฟรมแรกของ Super Frame นี้ และหาก Coordinator ไม่ต้องการใช้ Super Frame Structure Coordinator จะไม่ทำการส่ง Beacon มากับเฟรมแรก

Beacon จะใช้ในการ Synchronize กับอุปกรณ์อื่นๆ , ใช้ในการระบุ PAN และ ใช้อธิบายโครงสร้างของ Super Frame

การทำงานโดยใช้ Super Frame นั้นจะมีสองสถนะคือ Active และ Inactive ในการทำงานแบบ Inactive นั้น Coordinator จะไม่ติดต่อกับ PAN และจะปรับตัวเองเข้าสู่ Low-Power mode ส่วนในสถานะ Active นั้นจะถูกแบ่งออกเป็นสองช่วงเวลา คือ Contention Access Period (CAP) และ Contention Free Period (CFP)

Contention Access Period - ในช่วงของ CAP หากมีอุปกรณ์ใดต้องการจะติดต่อสื่อสารในช่วงเวลานี้จะต้องแข่งขันกัน โดยใช้อัลกอรึทึมแบบ Sloted CSMA-CA

Contention Free Period - ส่วนในช่วงของ CFP จะใช้ GTS แทน โดย GTS จะปรากฎอยู่ที่ส่วนท้ายของ Super Frame และจะทำการเรียก CAP ขึ้นมาทำงาน

และหาก PAN ไม่ต้องการที่จะใช้ Super Frame Coordinator จะไม่ทำการส่ง Beacon ไปกับ

Frame และ การสื่อสารทั้งหมด ยกเว้น Acknowledgement Frame จะทำได้โดยใช้อัลกอริทึมแบบ unsloted CSMA-CA และจะไม่มีการใช้ GTSs ด้วย

2 CSMA-CA Algorithm

หาก Super Frame Structure ถูกใช้ใน PAN การสื่อสารจะใช้อัลกอริทึมแบบ sloted CSMA-CA และหาก Beacon ไม่ถูกนำมาใช้ใน PAN จะสื่อสารข้อมูลด้วยอัลกอริทึมแบบ unsloted CSMA-CA ในการเลือกใช้อัลกอริทึมนั้นจะใช้เลาช่วงหนึ่งเรียกว่า Backoff Period

ใน slotted CSMA-CA Backoff Period จะเกี่ยวข้องกับอุปรณ์ทุกตัวใน PAN ซึ่งจะถูกจัดเรียงโดย Superframe Slot ของ PAN Coordinator โดยในแต่ละครั้งที่อุปกรณ์ต้องการจะส่ง Data Frame ในช่วงของ CAP จะต้องทำการกำหนดขอบเขตของ Backoff Period ถัดไปด้วย แต่ใน Unslotted CSMA-CA Backoff period ของอุปกรณ์แต่ละตัวจะไม่มีการติดต่อกับ Backoff Period ของอุปกรณ์อื่น

CSMA-CA Algorithm มีตัวแปรที่เกี่ยวข้องสามตัวคือ

NB(Number) - จำนวนครั้งที่ CSMA-CA Algorithm ต้องใช้เพื่อที่จะ Backoff ในขณะที่กำลังสื่อสารข้อมูลอยู่ซึ่งจะถูกกำหนดเป็น 0 ทุกครั้งที่เริ่มต้นส่งข้อมูล

CW(Contention Window lenght) - จำนวนของ Backoff Period ที่ใช้ในการ clear activity ก่อนที่จะเริ่มการส่งข้อมูลโดยจะกำหนดค่าเริ่มต้นเป็น 2 ในแต่ละครั้ง และจะถูก reset เป็น 2 อีกครั้งเมื่อ channel มีการใช้งานอยู่

BE(Backoff Exponent) - เกี่ยวข้องกับจำนวนครั้งของ Backoff Period ที่อุปกรณ์นั้นจะต้องรอเพื่อที่จะกลับมาใช้ channel อีกครั้ง ขั้นตอนการทำงานของ CSMA-CA แสดงได้ดังรูปต่อไปนี้

- - ผลการทดลอง - -

ผลการทดลอง

ข้อมูลที่เก็บได้ภายในระยะทางที่รถวิ่ง200m

ความเร็ว***ข้อมูลที่รับได้**ข้อมูลที่รับไม่ได้***Range Test***ช่วงที่packetsรับได้
(km/hr)*(packets)*(packets)*******(%)

*5********38********283**********11.8******111,133,136,145,146,148-166,168-181
10********22********110**********16.7******49,51-63,65-71,79
15********16*********85**********15.8******34,35,38-51
20********13*********49************21******28-40
25*********9*********50**********15.3******31-38,40
30*********7*********43************14******27-33
35*********5*********43**********10.4******30-34
40*********6*********23**********20.7******13-15,17-19
45*********6*********16**********27.3******6-11
50*********5*********15************25******6-10
55*********4*********19**********17.4******6-9
60*********4*********15**********21.1******4-7
65*********2*********12***********7.7******17,18



ตารางการเก็บข้อมูลภายในระยะทางที่รถวิ่ง200m

- - วิธีการทดลอง - -

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง



วิธีการทดลอง

1. นำวงจร XBee(1) [ไม่เคลื่อนที่] ไว้หลังรถคันที่หนึ่ง ซึ่งจอดนิ่งอยู่กับที่ โดยวงจรนี้จะต่อเข้ากับถ่าน 9V
2. นำวงจร XBee(2) [เคลื่อนที่] ไว้หน้ารถคันที่สอง ซึ่งต่อเข้ากับเครื่องคอมพิวเตอร์ โดยใช้โปรแกรม X-CTU เป็นตัววัดปริมาณข้อมูลที่ส่งได้
3. ในโปรแกรม X-CTU กำหนดให้ 1 packet ที่ส่งมีข้อมูล 32 bytes(0123456789:;<=>?@ABCDEFGHIJKLMNO) และ data receive time out มีค่า 200 msec
4. ขับรถคันที่สองให้มีความเร็วคงที่ ที่ความเร็วต่างๆ ดังนี้ 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 และ 65 km/hr โดยที่ จุดเริ่มต้นห่างจากรถคันที่หนึ่ง100m(ก่อนถึง) และจุดสิ้นสุดเลยรถคันที่หนึ่งไป100m
5. บันทึกข้อมูลที่ได้ขณะที่รถมีความเร็วต่างๆกัน

ภาพประกอบข้อมูล

ถนนที่ใช้ทดลอง

XBee(1) หลังรถคันที่ไม่เคลื่อนที่

XBee(2) หน้ารถคันที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ต่างๆ

ขับที่ความเร็วคงที่ต่างๆที่กำหนด

โปรแกรม X-CTU

IEEE 802.15.4 Physical Layer

IEEE 802.15.4 Physical Layer

การทำงานของ Physical Layer มีสองรูปแบบคือ data service และ management service
โดย Physical Layer สามารถที่จะ เปิด-ปิด radio-transceiver , Energy Detection , Link Quality Indication , channel selection , Clear Channel Assessment , และ รับส่งpacket ผ่านทางสื่อกลาง
ในย่านความถี่ 2.4 Ghz ถึง 2.4835 Ghz มีช่องทางการสื่อสารทั้งหมด 16 channel ดังรูป

Receiver Energy Detection ( ED )

ค่า ED จะถูกนำไปใช้ใน Network layer ซึ่งจะเกี่ยวกับ Chennnel Selection Algorithm
ค่า ED เป็นค่าของ Signal Power ที่สามารถรับได้

Link Quality Indication ( LQI )


LQI เป็นการวัด Strength และ Quality ของ Packet ที่รับได้ ซึ่งจะใช้ค่า ED และ

Signal – to – Noise estimation ในการคำนวณค่า LQI และจะถูกนำไปใช้โดย Network layer

Clear Channel Assessment ( CCA )

- Energy above threshold เป็นการตรวจจับ energy ว่าอยู่เหนือค่าของ ED threshold หรือไม่
- Carrier sense only เป็นการตรวจจับว่ามีคลื่นสันญาณที่อยู่ในมาตรฐาน IEEE 802.15.4หรือไม่
- Carrier sense above energy threshold จะตรวจจับสันญาณในรูปแบบของ IEEE 802.15.4 และมี energy อยู่เหนือค่า ED threshold

LR - WPAN Device Architecture

Physical Layer ประกอบด้วย RF Transceiver และ Low Level Control Mechanism
MAC Sublayer ช่วยในการติดต่อกับ Physical Channel ในการสื่อสารต่าง
Network Layer ทำงานเกี่วยกับ การกำหนดค่าต่างๆของระบบเนตเวิร์ก และการเลือกเส้นทาง(Routing)
Application Layer ทำงานเกี่ยวกับฟังก์ชัน ของอุปกรณ์นั้นๆ
IEEE 802.2 Logical Link Control (LLC)ใช้ในการเข้าถึง MAC Sublayer ผ่านทาง Service Specific Convergence Sublayer (SSCS)