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：