無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于多功能電能表數(shù)據(jù)通信研究[3]

  3、基于DL/T645規(guī)約的改進(jìn)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS-MAC協(xié)議性能分析

  網(wǎng)絡(luò)性能是網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)元素在用戶之間提供與通信相關(guān)的能力，它涉及一系列網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的指標(biāo)，包括連通性、傳輸延時(shí)、帶寬容量、有效吞吐率、丟包率、信道沖突率和時(shí)延變化等。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)QoS性能研究中，一般比較重要的幾個(gè)服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為吞吐量、時(shí)延、信道沖突率。為衡量文中所提出的改進(jìn)型QoS-MAC層無(wú)線傳感器IEEE802.15.4協(xié)議，一般需要建立相應(yīng)的兩個(gè)性能模型。

  （1）傳輸延時(shí)模型

  在本電能表集抄無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能模型中，實(shí)際應(yīng)用中的傳播時(shí)延和處理時(shí)延影響為定值，為計(jì)算方便，在性能分析中可以不訊可以把載波偵聽(tīng)時(shí)延、退避時(shí)延、退避時(shí)延合并為當(dāng)前數(shù)據(jù)包服務(wù)時(shí)間，隊(duì)列時(shí)延即變成隊(duì)列中同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)總時(shí)間。

  （2）網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)吞吐率模型

  當(dāng)信道上發(fā)生傳輸碰撞和傳輸錯(cuò)誤時(shí)，必然導(dǎo)致幀的丟失，這時(shí)信道時(shí)間被浪費(fèi)。很顯然，信道傳輸時(shí)間浪費(fèi)率可以反映一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。單位時(shí)間內(nèi)信道上成功傳輸數(shù)據(jù)的信息量稱為吞吐率。有效吞吐率是指實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的吞吐量，是衡量網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)包傳輸可靠性的參數(shù)。定義歸一化系統(tǒng)吞吐率G為信道上成功傳輸?shù)挠行лd荷，則可以把G表示為一個(gè)時(shí)隙內(nèi)成功傳送的有效數(shù)據(jù)的平均值與一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度的比值。

  為了測(cè)試本文提出的QoS-MAC協(xié)議，可使用以上電能表集抄網(wǎng)絡(luò)模型在Matlab中編寫(xiě)算法，并對(duì)基于DL/T645的抄表無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算法理論建模。在測(cè)試模型中，假設(shè)有1個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和10個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)抄表無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)模型。設(shè)每個(gè)DL/T645抄表數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為50字節(jié)，節(jié)點(diǎn)占用信道的傳輸時(shí)間（包括傳輸、應(yīng)答時(shí)間及數(shù)據(jù)幀間隔時(shí)間（InterFrameSpace,IFS）為157symbols.DL/T645的三個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列長(zhǎng)度都是6個(gè)數(shù)據(jù)包（300字節(jié)）。在此服務(wù)的碰撞機(jī)制中，設(shè)置DL/T645高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的最大退避次數(shù)為15次，每次退避時(shí)間固定為20symbols,DL/T645中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包最大退避次數(shù)為10次，DL/T645低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包退避時(shí)間可按IEEE802.15.4協(xié)議默認(rèn)數(shù)據(jù)設(shè)置，其最大退避次數(shù)為5次。

  設(shè)每個(gè)基于DL/T645的抄表無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有DL/T645高、中、低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送，并設(shè)DL/T645低優(yōu)先級(jí)為變量，DL/T645中、高優(yōu)先級(jí)變化，則可編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)DL/T645三個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送，觀察DL/T645高、中、低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)相互的影響。分析測(cè)試數(shù)據(jù)分別設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率為8kb/s,在特殊情況下，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)倍增（16kb/s）；中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率為8kb/s,在特殊情況下，中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)倍增（16kb/s）；低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率從0.4kb/s增加到24kb/s.

  根據(jù)上述分析測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)置，Matlab的計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。圖中，DL/T645_high、DL/T645_mid、DL/T645_low分別表示高、中、低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的各種性能曲線。

  由圖2所示的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)模型分析測(cè)試結(jié)果可以看出：DL/T645中優(yōu)先級(jí)的傳輸延時(shí)影響較小，DL/T645高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸幾乎不受影響。當(dāng)DL/T645低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率很大時(shí)，DL/T645的高、中優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)能保持較低的傳輸延時(shí)。因此，此QoS-MAC可為電能表集抄系統(tǒng)的緊急數(shù)據(jù)提供不受其它數(shù)據(jù)影響的傳輸延時(shí)保證。

  圖3所示為數(shù)據(jù)傳輸有效吞吐率分析測(cè)試結(jié)果。隨著DL/T645低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率的增加，有效吞吐率明顯下降。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)比較大的極端情況下，大量DL/T645低優(yōu)選級(jí)數(shù)據(jù)不能完成傳送，DL/T645中優(yōu)先級(jí)影響較小，而DL/T645高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幾乎不受影響，因而能保持較大的網(wǎng)絡(luò)有效吞吐率。

  4、結(jié)語(yǔ)

  本文根據(jù)多功能電能表傳輸DL/T645規(guī)約數(shù)據(jù)通信的要求，提出了一種QoS-MAC層的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并對(duì)電能表集抄DL/T645規(guī)約中各數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)進(jìn)行了分析，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性找出了一種優(yōu)化的數(shù)據(jù)分級(jí)方式。本文將DL/T645規(guī)約數(shù)據(jù)分為三個(gè)優(yōu)先級(jí)，并根據(jù)DL/T645高、中、低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸需求，通過(guò)分析CSMA/CA機(jī)制和修改無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議，建立了QoS-MAC的CSMA/CA機(jī)制數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了MAC層對(duì)QoS的支持。最后在不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生率下，通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行了算法實(shí)現(xiàn)，并在理論層次對(duì)所提出的QoS-MAC協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試。

  本文所研究的內(nèi)容涉及了多功能電能表集抄系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的一個(gè)方面，雖然做了較全面的研究，但限于篇幅以及筆者水平，一些模型可能分析得不夠深入。未來(lái)隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，會(huì)不斷有新的無(wú)線MAC層協(xié)議出現(xiàn)，如何將這些技術(shù)應(yīng)用于多功能電能表自動(dòng)集中抄表系統(tǒng)，還有待今后進(jìn)一步的深入研究。

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