基于DL/T645規(guī)約的電能表集抄無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

2 基于DL／T645規(guī)約的無(wú)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(cè)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(wú)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(cè)。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(duì)電能表集抄數(shù)據(jù)傳輸的特點(diǎn)在無(wú)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(jí)的要求，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)性能的提高是以犧牲低優(yōu)先級(jí)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(jí)的不同QoS需要，因此，對(duì)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(jí)數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，同時(shí)采用帶沖突避免的載波來(lái)偵聽(tīng)多路訪問(wèn)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(jí)。在DL／T645的三種優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中，較高級(jí)別的優(yōu)先級(jí)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(jí)優(yōu)先級(jí)緩沖隊(duì)列空閑時(shí)，才發(fā)送較低優(yōu)先級(jí)緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。本文還建立了三個(gè)優(yōu)先級(jí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男阅茉u(píng)價(jià)。
本模型的對(duì)象是在一個(gè)集中區(qū)域電能表集抄無(wú)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(wú)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(duì)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(jí)數(shù)據(jù)分別存放于3個(gè)不同的緩沖隊(duì)列中。符號(hào)(·)0中的上標(biāo)0表示發(fā)送DL／T645高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)無(wú)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(jí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，(·)2表示發(fā)送DL／T645低優(yōu)先級(jí)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(wú)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(jí)、中優(yōu)先級(jí)、低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳送，其它n3個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)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(wú)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(duì)于DL／T645協(xié)議中的三個(gè)優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信道是空閑的概率分別可用下式表示：