無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于多功能電能表數(shù)據(jù)通信研究[2]

  因此，系統(tǒng)需要為抄表無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)QoS機(jī)制，使其能為緊急狀態(tài)數(shù)據(jù)提供更大的機(jī)會(huì)來爭取信道的使用和較低可能數(shù)據(jù)的丟失，同時(shí)為時(shí)效性抄表數(shù)據(jù)提供較小的通信延時(shí)服務(wù)；而對于周期性測量數(shù)據(jù)，在緊急狀態(tài)數(shù)據(jù)和時(shí)效性抄表數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可減小其數(shù)據(jù)的吞吐量，使得在集抄終端出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，用電管理部門能夠及時(shí)接收到錯(cuò)誤提示，而不受其它測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/P>

  為了減少信道沖突、減少緊急和時(shí)效數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)和增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐率，需要對多功能電能表抄表數(shù)據(jù)提供不同的QoS服務(wù)；同時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)包的時(shí)效和緊急性，數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級并不是越細(xì)越好。綜合考量，根據(jù)自動(dòng)抄表通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際要求的不同QoS需要，其優(yōu)先級可歸分為三類，這三種數(shù)據(jù)包優(yōu)先級如表1所列。

  2、基于DL/T645規(guī)約的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

  IEEE802.15.4和IEEE802.11e雖然都采用CSMA/CA機(jī)制，但兩者卻有所不同。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)所采用的CSMA/CA機(jī)制始終檢測信道，只有在信道空閑的情況下才退避計(jì)時(shí)；而IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所采用的CSMA/CA機(jī)制無論信道是什么狀態(tài)都會(huì)退避計(jì)時(shí)，只有退避計(jì)時(shí)結(jié)束后，才會(huì)執(zhí)行CCA檢測。因此，IEEE802.15.4的MAC協(xié)議不能像直接采用IEEE802.11e協(xié)議的QoS支持。而如何針對電能表集抄數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IEEE802.15.4協(xié)議中加入與IEEE802.11e相似的QoS服務(wù)，是本文研究的重點(diǎn)。

  依據(jù)IEEE802.11e可區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包優(yōu)先級的要求，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)性能的提高是以犧牲低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量為代價(jià)的。由于DL/T645數(shù)據(jù)包具有三個(gè)優(yōu)先級的不同QoS需要，因此，對QoS-MAC層模型在每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置三種優(yōu)先級數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，同時(shí)采用帶沖突避免的載波來偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CA），以避免成功接入的隊(duì)列與其它隊(duì)列之間的碰撞，每個(gè)隊(duì)列采用相應(yīng)的接入等級。在DL/T645的三種優(yōu)先級隊(duì)列中，較高級別的優(yōu)先級緩沖隊(duì)列內(nèi)的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送，僅當(dāng)較高一級優(yōu)先級緩沖隊(duì)列空閑時(shí)，才發(fā)送較低優(yōu)先級緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。本文還建立了三個(gè)優(yōu)先級別隊(duì)列的通信延時(shí)、有效吞吐率和數(shù)據(jù)包信道沖撞率的數(shù)學(xué)模型，以衡量電能表集抄數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男阅茉u價(jià)。

  本模型的對象是在一個(gè)集中區(qū)域電能表集抄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)中，包含1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和N個(gè)無線自動(dòng)集中抄表設(shè)備節(jié)點(diǎn)，其三維馬爾科夫鏈的隊(duì)列模型如圖1所示。

  假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都相互影響對方的信道使用，多功能電能表抄表通信DL/T645協(xié)議中的三種優(yōu)先級數(shù)據(jù)分別存放于3個(gè)不同的緩沖隊(duì)列中。符號（·）0中的上標(biāo)0表示發(fā)送DL/T645高優(yōu)先級數(shù)據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，（·）1表示發(fā)送DL/T645中優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，（·）2表示發(fā)送DL/T645低優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。

  根據(jù)圖1所示的馬爾科夫鏈模型中p0p1p2p3之間的關(guān)系，就可推導(dǎo)出電能表集抄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N個(gè)，其中n0、n1和n2個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為有DL/T645高優(yōu)先級、中優(yōu)先級、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳送，其它n3個(gè)節(jié)點(diǎn)無數(shù)據(jù)發(fā)送的概率記為Qn0,n1,n2,并由下式表示：

  考慮到兩個(gè)連續(xù)時(shí)間單位內(nèi)無線信道的狀態(tài)，當(dāng)前信道為空閑狀態(tài)的概率Pi=Pi|i·Pi+Pi|b（1-Pi），其中Pi|i（Pi|b）是前一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)信道是空閑（繁忙）狀態(tài)的條件下當(dāng)前信道為空閑狀態(tài)的條件概率。信道由繁忙狀態(tài)轉(zhuǎn)為空閑的概率，其中是數(shù)據(jù)包的平均發(fā)送時(shí)間。因此，對于DL/T645協(xié)議中的三個(gè)優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)檢測信道是空閑的概率分別可用下式表示：

  對于DL/T645高優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，信道在兩個(gè)時(shí)間單位都是空閑的概率等于其它所有三個(gè)優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都沒有檢測信道的概率：

  其中Q1,Q2是節(jié)點(diǎn)發(fā)送DL/T645中優(yōu)先級數(shù)據(jù)和發(fā)送DL/T645低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的概率，那么，發(fā)送DL/T645高優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)檢測信道的概率τ0為：

[1]  [2]  [3]