一種面向用電信息采集系統(tǒng)的WSNs多信道MAC協(xié)議*

李 悅，尚志軍，許 馳,3，趙慶杞

(1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016;2.中國科學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點實驗室，遼寧 沈陽 110016;3.中國科學(xué)院 大學(xué)，北京100049;4.國家電網(wǎng) 遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110004)

一種面向用電信息采集系統(tǒng)的WSNs多信道MAC協(xié)議*

李 悅1,2，3，尚志軍1,2，許 馳1,2,3，趙慶杞4

(1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016;2.中國科學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點實驗室，遼寧 沈陽 110016;3.中國科學(xué)院 大學(xué)，北京100049;4.國家電網(wǎng) 遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110004)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)單信道介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議無法滿足用電信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大和并發(fā)性強的特點，提出了一種面向分簇網(wǎng)絡(luò)的多信道MAC協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)簇間通信采用多信道并行傳輸方式，簇內(nèi)通信采用基于信道質(zhì)量實時評估的自適應(yīng)信道切換機制?；贠MNeT++的仿真結(jié)果表明:與單信道MAC協(xié)議相比，該MAC協(xié)議可以有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和抗干擾能力。

用電信息采集系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；介質(zhì)訪問控制協(xié)議；多信道

0 引 言

用電信息采集系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、采集節(jié)點多、數(shù)據(jù)量大等特點[1]。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)快速發(fā)展為用電信息的采集提供了新的可靠途徑，在滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、覆蓋面廣等要求的同時，也降低了系統(tǒng)的成本和功耗，因此，基于WSNs用電信息采集系統(tǒng)成為研究熱點。當(dāng)前，基于WSNs的用電信息采集系統(tǒng)主要采用單信道的介質(zhì)訪問控制(medium access control，MAC)[2]協(xié)議，即所有節(jié)點共享一個信道進行數(shù)據(jù)收發(fā)，大量節(jié)點需要同時競爭信道。當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，并發(fā)性強的時候會導(dǎo)致嚴重的沖突，造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，因?采用多信道的MAC協(xié)議是很有必要的。

目前，WSNs的多信道MAC協(xié)議按照信道分配機制主要包括靜態(tài)信道分配和動態(tài)信道分配兩種方法。靜態(tài)信道分配是將網(wǎng)絡(luò)信道固定地分配給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，信道一經(jīng)分配就不再改變，靈活性較差，如MMSNs[3]，MC-LMAC[4]等；動態(tài)信道分配方法打破了靜態(tài)信道分配的固定性，采用控制信道相互協(xié)商或跳頻序列的方式動態(tài)地切換通信信道，如DCA-MAC[5]，McMAC[6]等。采用靜態(tài)信道分配機制的網(wǎng)絡(luò)，并未考慮信道質(zhì)量的動態(tài)變化，對突發(fā)干擾的抵抗力不足，這將嚴重影響網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。而動態(tài)分配機制在信道可靠的情況下仍跳轉(zhuǎn)信道，浪費資源同時增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。

本文提出了一種面向用電信息采集的WSNs多信道MAC協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分簇并行傳輸和自適應(yīng)信道切換。采用MAC協(xié)議可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，滿足用電信息并發(fā)性強、數(shù)據(jù)量大等特點。

1 用電信息采集網(wǎng)絡(luò)

用電信息采集網(wǎng)絡(luò)分為上行通信網(wǎng)絡(luò)和下行通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 用電信息采集網(wǎng)絡(luò)Fig 1 Electricity information acquisition networks

上行通信網(wǎng)絡(luò)采用GPRS/3G等移動通信網(wǎng)絡(luò)將大量集中的用電信息傳送到主站管理中心。下行通信網(wǎng)絡(luò)采用WSNs進行分布式部署，完成用戶用電信息的實時采集。WSNs采用星狀和網(wǎng)狀混合的分簇結(jié)構(gòu)，按照居民小區(qū)的樓宇、單元等單位劃分成簇[7]，每個簇由人工選擇指定電表作為簇首，分簇形成后不做改變，即電表固定，無拆裝。單個簇內(nèi)的通信采用星狀拓撲，多塊智能電表與簇首電表同時建立點到點的通信鏈路。簇首負責(zé)簇內(nèi)通信資源的分配和調(diào)度，數(shù)據(jù)的匯聚和簇間的信息交互。多個簇首形成自組織網(wǎng)絡(luò)進行多跳通信，最終將智能電表采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至集中器。值得一提的是，由于智能電表安裝在用戶的電力接入線上，可以保證整個采集網(wǎng)絡(luò)的不間斷供電，所以，可以忽略該部分能耗。

2 協(xié)議算法

針對上述用電信息采集網(wǎng)絡(luò)，本文提出了一種應(yīng)用在下行通信WSNs的多信道MAC協(xié)議,其主要思想是：在同一簇內(nèi)采用相同信道進行通信，不同的簇采用不同信道進行通信，以此實現(xiàn)各簇的并行數(shù)據(jù)采集和傳輸，增大網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。同時，簇首采用信道質(zhì)量估計的方法實時監(jiān)測信道狀態(tài)，實現(xiàn)各簇的自適應(yīng)信道切換，保證通信的可靠性。協(xié)議可以分為網(wǎng)絡(luò)初始化、信道評估、信道選擇、信道切換等四部分。

2.1 網(wǎng)絡(luò)初始化

網(wǎng)絡(luò)初始化分為集中器初始化和簇內(nèi)初始化兩部分。用電信息采集網(wǎng)絡(luò)部署完成后，首先由集中器啟動組網(wǎng)，完成整個網(wǎng)絡(luò)的分簇。集中器應(yīng)記錄整個網(wǎng)絡(luò)的分簇信息，如表1所示。首次初始化時，采用靜態(tài)信道分配機制為每個簇分配一個默認的初始信道，各簇之間采用不同信道進行通信。同時，集中器通過信標(biāo)完成整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的有序數(shù)據(jù)傳輸。

表1 分簇信息Tab 1 Cluster information

分簇完成后，進入簇內(nèi)初始化階段。簇內(nèi)通信采用星狀拓撲結(jié)構(gòu)，由簇首根據(jù)集中器分配的默認信道與每個智能電表建立通信鏈路，并按分時多址(TDMA)機制進行時間同步和數(shù)據(jù)傳輸。因此，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準中帶信標(biāo)的MAC幀格式，可以設(shè)計得到適用于用電信息采集網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的幀格式，如圖2所示。簇內(nèi)通信用于簇內(nèi)的初始化，時間同步與數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。簇間通信用于集中器的初始化，簇首的入網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

圖2 MAC幀格式Fig 2 Frame structure of MAC

2.2 信道質(zhì)量估計

網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，開始用電信息的采集和傳輸。這一過程中，簇首要實時檢測網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量變化，以便實現(xiàn)自適應(yīng)信道切換。信道質(zhì)量估計可以采用數(shù)據(jù)包接收率、接收信號強度指示(RSSI)及鏈路質(zhì)量指示(link quality indication，LQI)[8]等多種指標(biāo)。LQI的計算基于信號強度和接收信噪比，綜合評估了接收數(shù)據(jù)的能量和質(zhì)量，而且目前可以通過硬件直接獲得，因此,這里選擇LQI進行信道質(zhì)量評估。

簇首采用指數(shù)加權(quán)移動平均值(EWMA)的方法[9]獲得均值LQI(ELQI)。該方法為當(dāng)前采樣的LQI和歷史ELQI分配不同的權(quán)重，可以反映信道質(zhì)量的動態(tài)變化趨勢，具體方法如下

ELQIn=θ×LQIn+(1-θ)×ELQIn-1.

其中，ELQIn為第n次計算得到的ELQI值，LQIn為第n次采樣LQI值。θ(0≤θ≤1)為權(quán)重系數(shù)，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整當(dāng)前LQI和歷史LQI對ELQI的影響。其中，θ越接近1表示當(dāng)前采樣值對信道評估越重要，ELQIn的時效性也越強；反之，θ越接近0表示歷史ELQI值對信道評估越重要，ELQIn的平穩(wěn)性也越強。

各簇首獲得ELQI后，可以根據(jù)事先設(shè)定的信道質(zhì)量閾值LQIth對信道質(zhì)量進行評估。如果簇首獲得的ELQI低于該閾值，即ELQIn≤LQIth，且ELQIn≤ELQIn-1，則認為信道質(zhì)量變差，不適合繼續(xù)傳輸。通常，閾值LQIth設(shè)定的越高，表示對信道質(zhì)量要求越高。這樣，各簇首對網(wǎng)絡(luò)的全部信道進行信道質(zhì)量評估，可以獲得一個備用信道集合。

2.3 信道選擇

簇首實時獲取的備用信道集可以是ISM 2.4GHz頻段的全部16個信道，也可以是其部分信道。簇首對備用信道集內(nèi)的信道按照ELQI從大到小的順序進行排序，這樣，在信道選擇時將按照信道質(zhì)量的優(yōu)劣順序優(yōu)先選擇。此外，考慮到由于空間上相鄰的簇在相鄰信道上也可能產(chǎn)生相互干擾，因此，在信道選擇時，還要排除該簇一跳范圍內(nèi)的相鄰簇的通信信道及其相鄰信道。這樣，信道選擇時將與相鄰簇產(chǎn)生信道間隔，避免相鄰簇之間的干擾，提高通信的可靠性。

2.4 信道切換

當(dāng)簇首通過ELQI判斷當(dāng)前信道不適合繼續(xù)通信需要切換信道時，從備用信道集中選擇質(zhì)量最佳的信道進行信道切換。信道切換的關(guān)鍵在于協(xié)調(diào)收發(fā)雙方同時跳入備用信道。但是，由于當(dāng)前信道的可靠性下降，信道切換通知可能丟失，造成收發(fā)雙方跳轉(zhuǎn)的不一致，因此，為保證切換的同步，這里定義如下切換機制，如圖3、圖4所示。

圖3 簇首信道切換流程Fig 3 Flow chart of cluster head channel switching

圖4 簇成員信道切換流程Fig 4 Flow chart of cluster member channel switching

簇首設(shè)定最大重傳次數(shù)的閾值Nth，智能電表設(shè)定最大等待時間Tth。其中，Tth的設(shè)定應(yīng)大于集中器數(shù)據(jù)到達智能電表的最大傳輸時間。這樣，當(dāng)簇首以廣播方式發(fā)布信道切換指令時，智能電表端計時。當(dāng)?shù)却龝r間T和重傳次數(shù)N任意一個超出閾值時，節(jié)點跳轉(zhuǎn)到默認的初始化信道。因為接收方的等待時間要長于發(fā)送方，當(dāng)接收方跳轉(zhuǎn)到默認信道時，發(fā)送方已經(jīng)切換到初始信道，這樣確保了信道的同步切換。

3 實驗仿真與分析

采用OMNeT++仿真平臺[10]模擬用電信息采集網(wǎng)絡(luò)，并以單信道IEEE 802.15.4的MAC協(xié)議作為對比，主要考察網(wǎng)絡(luò)在吞吐量和丟包率方面的性能。

3.1 仿真配置

仿真參數(shù)設(shè)計為：場景范圍為500 m×500 m；通信半徑為100 m；數(shù)據(jù)速率為250 kB/s；數(shù)據(jù)包長度為100 bytes，鏈路評估系數(shù)為θ=0.2，LQI閾值為LQIth=90。節(jié)點模型基于MiXiM框架，包括物理層模塊、MAC層模塊、應(yīng)用層模塊和通告板模塊，節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于采用固定拓撲，數(shù)據(jù)傳輸路徑固定，因此，節(jié)點不包含路由模塊。

圖5 節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig 5 Node structure

3.2 性能分析

圖6所示是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的分簇情況對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響情況。可以看出網(wǎng)絡(luò)分簇越多，吞吐量下降越快；但是相比于本MAC協(xié)議，單信道的IEEE 802.15.4協(xié)議的吞吐量下降更快。

圖6 網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較Fig 6 Comparison of network throughput

圖7是關(guān)于數(shù)據(jù)包到達速率與丟包速率之間的關(guān)系曲線。當(dāng)包到達速率增大，即網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大量的并發(fā)數(shù)據(jù)時，單信道的MAC協(xié)議的丟包速率迅速增大，不能滿足用電網(wǎng)絡(luò)需求；而多信道的MAC協(xié)議在簇間通信過程中采用多信道并行傳輸?shù)姆绞剑虼?丟包速率增加緩慢。但是，當(dāng)包到達速率增大到90 packets/min時，由于數(shù)據(jù)的沖突和擁塞，丟包速率也隨之增大。然而用電信息采集網(wǎng)絡(luò)相對固定，因此,可以根據(jù)簇內(nèi)的最大吞吐量控制網(wǎng)絡(luò)的分簇情況，防止簇內(nèi)沖突的產(chǎn)生。

圖7 數(shù)據(jù)丟包速率比較Fig 7 Comparison of data packet lose rate

4 結(jié)束語

根據(jù)用電信息采集網(wǎng)絡(luò)的分簇結(jié)構(gòu)，提出了一種WSNs多信道MAC協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)通信采用相同信道，簇間通信采用多信道并行傳輸?shù)哪Ｊ?，同時應(yīng)用實時信道評估和自適應(yīng)信道切換機制。仿真結(jié)果表明:該MAC協(xié)議可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和可靠性，滿足用電信息采集網(wǎng)絡(luò)的基本要求。

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A multi-channel MAC protocol in WSNs for electricity information acquisition system*

LI Yue1,2,3, SHANG Zhi-jun1,2, XU Chi1,2,3, ZHAO Qing-qi4

(1.Shenyang Institute of Automation of Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China;2.Key Laboratory of Networked Control Systems,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016;3.University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;4.State Grid Liaoning Electric Power Supply Co,Ltd,Shenyang,110004)

As single-channel MAC protocol in wireless sensor networks(WSNs) cannot meet characteristic of the large amount of data and strong concurrency in electricity information acquisition system,a multi-channel MAC protocol for cluster networks is proposed.Parallel transmissions mode is used in intra-cluster communication; adaptive channel switching mechanism based on real-time link quality estimation is used in inter-cluster communication.Simulation results based on OMNeT++ show that compared with single-channel MAC protocol,this MAC protocol can effectively improve networks throughput and anti-interference reliability.

electricity information acquisition system; wireless sensor networks(WSNs); medium access control (MAC) protocol; multi-channel

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0144—04

2014—02—26

國家科技重大專項資助項目(2011ZX03005—002)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助項目(XDA06020302)

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0144—04

李 悅(1988-)，女，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。