基于DL/T645规约的电能表集抄无线传感器网络MAC协议设计

2 基于DL／T645规约的无线传感器网络QoS—MAC协议设计
IEEE802．15．4和IEEE802．11e虽然都采用CSMA／CA机制，但两者却有所不同。IEEE802．11标准所采用的CSMA／CA机制始终检测信道，只有在信道空闲的情况下才退避计时；而IEEE802．15．4标准所采用的CSMA／CA机制无论信道是什么状态都会退避计时，只有退避计时结束后，才会执行CCA检测。因此，IEEE802．15．4的MAC协议不能像直接采用IEEE802．11e协议的QoS支持。而如何针对电能表集抄数据传输的特点在无线传感器网络IEEE802．15．4协议中加入与IEEE802．11e相似的QoS服务，是本文研究的重点。
依据IEEE802．11e可区分数据包优先级的要求，高优先级数据性能的提高是以牺牲低优先级数据传输质量为代价的。由于DL／T645数据包具有三个优先级的不同QoS需要，因此，对QoS—MAC层模型在每个数据节点设置三种优先级数据缓冲队列，同时采用带冲突避免的载波来侦听多路访问协议(CSMA／CA)，以避免成功接入的队列与其它队列之间的碰撞，每个队列采用相应的接入等级。在DL／T645的三种优先级队列中，较高级别的优先级缓冲队列内的数据优先发送，仅当较高一级优先级缓冲队列空闲时，才发送较低优先级缓冲队列中的数据。本文还建立了三个优先级别队列的通信延时、有效吞吐率和数据包信道冲撞率的数学模型，以衡量电能表集抄数据在无线传感器网络中传输的性能评价。
本模型的对象是在一个集中区域电能表集抄无线传感器网络子网中，包含1个协调器节点和N个无线自动集中抄表设备节点，其三维马尔科夫链的队列模型如图1所示。

假设所有节点都相互影响对方的信道使用，多功能电能表抄表通信DL／T645协议中的三种优先级数据分别存放于3个不同的缓冲队列中。符号(·)0中的上标0表示发送DL／T645高优先级数据无线传感器网络节点，(·)1表示发送DL／T645中优先级数据节点，(·)2表示发送DL／T645低优先级数据节点。
根据图1所示的马尔科夫链模型中p0p1p2p3之间的关系，就可推导出电能表集抄无线传感器网络的要发送数据节点数为N个，其中n0、n1和n2个节点分别为有DL／T645高优先级、中优先级、低优先级数据传送，其它n3个节点无数据发送的概率记为Qn0,n1,n2，并由下式表示：

考虑到两个连续时间单位内无线信道的状态，当前信道为空闲状态的概率Pi=Pi|i·Pi+Pi|b(1-Pi)，其中Pi|i(Pi|b)是前一个时间单位内信道是空闲(繁忙)状态的条件下当前信道为空闲状态的条件概率。信道由繁忙状态转为空闲的概率，其中是数据包的平均发送时间。因此，对于DL／T645协议中的三个优先级节点检测信道是空闲的概率分别可用下式表示：

对于DL／T645高优先级数据节点，信道在两个时间单位都是空闲的概率等于其它所有三个优先级数据节点都没有检测信道的概率：

其中Q1，Q2是节点发送DL／T645中优先级数据和发送DL／T645低优先级数据的概率，那么，发送DL／T645高优先级数据节点检测信道的概率τ0为：


3 基于DL／T645规约的改进型无线传感器网络QoS-MAC协议性能分析
网络性能是网络或网络元素在用户之间提供与通信相关的能力，它涉及一系列网络传输能力的指标，包括连通性、传输延时、带宽容量、有效吞吐率、丢包率、信道冲突率和时延变化等。在无线网络QoS性能研究中，一般比较重要的几个服务质量标准为吞吐量、时延、信道冲突率。为衡量文中所提出的改进型QoS—MAC层无线传感器IEEE802．15．4协议，一般需要建立相应的两个性能模型。
(1)传输延时模型
在本电能表集抄无线传感器网络性能模型中，实际应用中的传播时延和处理时延影响为定值，为计算方便，在性能分析中可以不讯可以把载波侦听时延、退避时延、退避时延合并为当前数据包服务时间，队列时延即变成队列中同优先级数据服务总时间。
(2)网络有效数据吞吐率模型
当信道上发生传输碰撞和传输错误时，必然导致帧的丢失，这时信道时间被浪费。很显然，信道传输时间浪费率可以反映一个网络性能的优劣。单位时间内信道上成功传输数据的信息量称为吞吐率。有效吞吐率是指实际传输数据的吞吐量，是衡量网络内数据包传输可靠性的参数。定义归一化系统吞吐率G为信道上成功传输的有效载荷，则可以把G表示为一个时隙内成功传送的有效数据的平均值与一个时隙的长度的比值。

为了测试本文提出的QoS—MAC协议，可使用以上电能表集抄网络模型在Matlab中编写算法，并对基于DL／T645的抄表无线传感器网络进行算法理论建模。在测试模型中，假设有1个无线传感器网络协调器和10个节点组成一个抄表无线传感器网络子网模型。设每