3、基于DL/T645規約的改進型無線傳感器網絡QoS-MAC協議性能分析

  網絡性能是網絡或網絡元素在用戶之間提供與通信相關的能力，它涉及一系列網絡傳輸能力的指標，包括連通性、傳輸延時、帶寬容量、有效吞吐率、丟包率、信道沖突率和時延變化等。在無線網絡QoS性能研究中，一般比較重要的幾個服務質量標準為吞吐量、時延、信道沖突率。為衡量文中所提出的改進型QoS-MAC層無線傳感器IEEE802.15.4協議，一般需要建立相應的兩個性能模型。

  （1）傳輸延時模型

  在本電能表集抄無線傳感器網絡性能模型中，實際應用中的傳播時延和處理時延影響為定值，為計算方便，在性能分析中可以不訊可以把載波偵聽時延、退避時延、退避時延合并為當前數據包服務時間，隊列時延即變成隊列中同優先級數據服務總時間。

  （2）網絡有效數據吞吐率模型

  當信道上發生傳輸碰撞和傳輸錯誤時，必然導致幀的丟失，這時信道時間被浪費。很顯然，信道傳輸時間浪費率可以反映一個網絡性能的優劣。單位時間內信道上成功傳輸數據的信息量稱為吞吐率。有效吞吐率是指實際傳輸數據的吞吐量，是衡量網絡內數據包傳輸可靠性的參數。定義歸一化系統吞吐率G為信道上成功傳輸的有效載荷，則可以把G表示為一個時隙內成功傳送的有效數據的平均值與一個時隙的長度的比值。

  為了測試本文提出的QoS-MAC協議，可使用以上電能表集抄網絡模型在Matlab中編寫算法，并對基于DL/T645的抄表無線傳感器網絡進行算法理論建模。在測試模型中，假設有1個無線傳感器網絡協調器和10個節點組成一個抄表無線傳感器網絡子網模型。設每個DL/T645抄表數據包的長度為50字節，節點占用信道的傳輸時間（包括傳輸、應答時間及數據幀間隔時間（InterFrameSpace,IFS）為157symbols.DL/T645的三個優先級數據的緩沖隊列長度都是6個數據包（300字節）。在此服務的碰撞機制中，設置DL/T645高優先級數據的最大退避次數為15次，每次退避時間固定為20symbols,DL/T645中優先級數據的數據包最大退避次數為10次，DL/T645低優先級數據的數據包退避時間可按IEEE802.15.4協議默認數據設置，其最大退避次數為5次。

  設每個基于DL/T645的抄表無線傳感器網絡節點都有DL/T645高、中、低優先級數據發送，并設DL/T645低優先級為變量，DL/T645中、高優先級變化，則可編寫代碼實現DL/T645三個優先級數據發送，觀察DL/T645高、中、低優先級數據相互的影響。分析測試數據分別設置為高優先級數據產生率為8kb/s,在特殊情況下，高優先級數據倍增（16kb/s）；中優先級數據產生率為8kb/s,在特殊情況下，中優先級數據倍增（16kb/s）；低優先級數據產生率從0.4kb/s增加到24kb/s.

  根據上述分析測試數據設置，Matlab的計算結果如圖2和圖3所示。圖中，DL/T645_high、DL/T645_mid、DL/T645_low分別表示高、中、低優先級數據的各種性能曲線。

  由圖2所示的數據傳輸延時模型分析測試結果可以看出：DL/T645中優先級的傳輸延時影響較小，DL/T645高優先級數據的傳輸幾乎不受影響。當DL/T645低優先級的數據產生率很大時，DL/T645的高、中優先級的數據能保持較低的傳輸延時。因此，此QoS-MAC可為電能表集抄系統的緊急數據提供不受其它數據影響的傳輸延時保證。

  圖3所示為數據傳輸有效吞吐率分析測試結果。隨著DL/T645低優先級數據產生率的增加，有效吞吐率明顯下降。在網絡負擔比較大的極端情況下，大量DL/T645低優選級數據不能完成傳送，DL/T645中優先級影響較小，而DL/T645高優先級的數據幾乎不受影響，因而能保持較大的網絡有效吞吐率。

  4、結語

  本文根據多功能電能表傳輸DL/T645規約數據通信的要求，提出了一種QoS-MAC層的網絡構架，并對電能表集抄DL/T645規約中各數據通信特點進行了分析，根據傳輸數據的實時性和可靠性找出了一種優化的數據分級方式。本文將DL/T645規約數據分為三個優先級，并根據DL/T645高、中、低優先級的數據傳輸需求，通過分析CSMA/CA機制和修改無線傳感網絡的MAC層協議，建立了QoS-MAC的CSMA/CA機制數學模型，實現了MAC層對QoS的支持。最后在不同數據產生率下，通過Matlab軟件進行了算法實現，并在理論層次對所提出的QoS-MAC協議網絡傳輸性能進行了測試。

  本文所研究的內容涉及了多功能電能表集抄系統中的無線傳感器網絡通信技術的一個方面，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。未來隨著無線傳感器網絡技術的發展，會不斷有新的無線MAC層協議出現，如何將這些技術應用于多功能電能表自動集中抄表系統，還有待今后進一步的深入研究。

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