无线传感器网络用于多功能电能表数据通信研究[2]

  因此，系统需要为抄表无线传感器通信网络设计QoS机制，使其能为紧急状态数据提供更大的机会来争取信道的使用和较低可能数据的丢失，同时为时效性抄表数据提供较小的通信延时服务；而对于周期性测量数据，在紧急状态数据和时效性抄表数据传输时，可减小其数据的吞吐量，使得在集抄终端出现紧急状况时，用电管理部门能够及时接收到错误提示，而不受其它测量数据传输的影响。

  为了减少信道冲突、减少紧急和时效数据的传输延时和增加整个网络的有效吞吐率，需要对多功能电能表抄表数据提供不同的QoS服务；同时，考虑到数据包的时效和紧急性，数据包的优先级并不是越细越好。综合考量，根据自动抄表通信网络实际要求的不同QoS需要，其优先级可归分为三类，这三种数据包优先级如表1所列。

  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：

  对于DL/T645高优先级数据节点，信道在两个时间单位都是空闲的概率等于其它所有三个优先级数据节点都没有检测信道的概率：

  其中Q1,Q2是节点发送DL/T645中优先级数据和发送DL/T645低优先级数据的概率，那么，发送DL/T645高优先级数据节点检测信道的概率τ0为：

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