基于DL/T645規約的電能表集抄無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議設計

2 基于DL／T645規約的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )QoS—MAC協(xié)議設計
IEEE802．15．4和IEEE802．11e雖然都采用CSMA／CA機制，但兩者卻有所不同。IEEE802．11標準所采用的CSMA／CA機制始終檢測信道，只有在信道空閑的情況下才退避計時(shí)；而IEEE802．15．4標準所采用的CSMA／CA機制無(wú)論信道是什么狀態(tài)都會(huì )退避計時(shí)，只有退避計時(shí)結束后，才會(huì )執行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據傳輸的特點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)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IEEE802．11e可區分數據包優(yōu)先級的要求，高優(yōu)先級數據性能的提高是以犧牲低優(yōu)先級數據傳輸質(zhì)量為代價(jià)的。由于DL／T645數據包具有三個(gè)優(yōu)先級的不同QoS需要，因此，對QoS—MAC層模型在每個(gè)數據節點(diǎn)設置三種優(yōu)先級數據緩沖隊列，同時(shí)采用帶沖突避免的載波來(lái)偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(CSMA／CA)，以避免成功接入的隊列與其它隊列之間的碰撞，每個(gè)隊列采用相應的接入等級。在DL／T645的三種優(yōu)先級隊列中，較高級別的優(yōu)先級緩沖隊列內的數據優(yōu)先發(fā)送，僅當較高一級優(yōu)先級緩沖隊列空閑時(shí)，才發(fā)送較低優(yōu)先級緩沖隊列中的數據。本文還建立了三個(gè)優(yōu)先級別隊列的通信延時(shí)、有效吞吐率和數據包信道沖撞率的數學(xué)模型，以衡量電能表集抄數據在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中傳輸的性能評價(jià)。
本模型的對象是在一個(gè)集中區域電能表集抄無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )子網(wǎng)中，包含1個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)和N個(gè)無(wú)線(xiàn)自動(dòng)集中抄表設備節點(diǎn)，其三維馬爾科夫鏈的隊列模型如圖1所示。

假設所有節點(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)先級數據分別存放于3個(gè)不同的緩沖隊列中。符號(·)0中的上標0表示發(fā)送DL／T645高優(yōu)先級數據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，(·)1表示發(fā)送DL／T645中優(yōu)先級數據節點(diǎn)，(·)2表示發(fā)送DL／T645低優(yōu)先級數據節點(diǎn)。
根據圖1所示的馬爾科夫鏈模型中p0p1p2p3之間的關(guān)系，就可推導出電能表集抄無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的要發(fā)送數據節點(diǎn)數為N個(gè)，其中n0、n1和n2個(gè)節點(diǎn)分別為有DL／T645高優(yōu)先級、中優(yōu)先級、低優(yōu)先級數據傳送，其它n3個(gè)節點(diǎn)無(wú)數據發(fā)送的概率記為Qn0,n1,n2，并由下式表示：

考慮到兩個(gè)連續時(shí)間單位內無(wú)線(xiàn)信道的狀態(tài)，當前信道為空閑狀態(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)間單位內信道是空閑(繁忙)狀態(tài)的條件下當前信道為空閑狀態(tài)的條件概率。信道由繁忙狀態(tài)轉為空閑的概率，其中是數據包的平均發(fā)送時(shí)間。因此，對于DL／T645協(xié)議中的三個(gè)優(yōu)先級節點(diǎn)檢測信道是空閑的概率分別可用下式表示：