一種面向用電信息采集系統的WSNs多信道MAC協議*

李 悅，尚志軍，許 馳,3，趙慶杞

(1.中國科學院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016;2.中國科學院 網絡化控制系統重點實驗室，遼寧 沈陽 110016;3.中國科學院 大學，北京100049;4.國家電網 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的WSNs多信道MAC協議*

李 悅1,2，3，尚志軍1,2，許 馳1,2,3，趙慶杞4

(1.中國科學院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016;2.中國科學院 網絡化控制系統重點實驗室，遼寧 沈陽 110016;3.中國科學院 大學，北京100049;4.國家電網 遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110004)

由于無線傳感器網絡(WSNs)單信道介質訪問控制(MAC)協議無法滿足用電信息采集系統的數據量大和并發性強的特點，提出了一種面向分簇網絡的多信道MAC協議。網絡簇間通信采用多信道并行傳輸方式，簇內通信采用基于信道質量實時評估的自適應信道切換機制。基于OMNeT++的仿真結果表明:與單信道MAC協議相比，該MAC協議可以有效提高網絡吞吐量和抗干擾能力。

用電信息采集系統；無線傳感器網絡；介質訪問控制協議；多信道

0 引 言

用電信息采集系統具有網絡規模大、采集節點多、數據量大等特點[1]。隨著無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)快速發展為用電信息的采集提供了新的可靠途徑，在滿足網絡節點多、覆蓋面廣等要求的同時，也降低了系統的成本和功耗，因此，基于WSNs用電信息采集系統成為研究熱點。當前，基于WSNs的用電信息采集系統主要采用單信道的介質訪問控制(medium access control，MAC)[2]協議，即所有節點共享一個信道進行數據收發，大量節點需要同時競爭信道。當系統數據量大，并發性強的時候會導致嚴重的沖突，造成網絡的擁塞，降低數據傳輸的可靠性，因此,采用多信道的MAC協議是很有必要的。

目前，WSNs的多信道MAC協議按照信道分配機制主要包括靜態信道分配和動態信道分配兩種方法。靜態信道分配是將網絡信道固定地分配給網絡節點，信道一經分配就不再改變，靈活性較差，如MMSNs[3]，MC-LMAC[4]等；動態信道分配方法打破了靜態信道分配的固定性，采用控制信道相互協商或跳頻序列的方式動態地切換通信信道，如DCA-MAC[5]，McMAC[6]等。采用靜態信道分配機制的網絡，并未考慮信道質量的動態變化，對突發干擾的抵抗力不足，這將嚴重影響網絡的通信質量。而動態分配機制在信道可靠的情況下仍跳轉信道，浪費資源同時增加了系統復雜性。

本文提出了一種面向用電信息采集的WSNs多信道MAC協議，實現網絡的分簇并行傳輸和自適應信道切換。采用MAC協議可以有效提高網絡的吞吐量和數據傳輸的可靠性，滿足用電信息并發性強、數據量大等特點。

1 用電信息采集網絡

用電信息采集網絡分為上行通信網絡和下行通信網絡，如圖1所示。

圖1 用電信息采集網絡Fig 1 Electricity information acquisition networks

上行通信網絡采用GPRS/3G等移動通信網絡將大量集中的用電信息傳送到主站管理中心。下行通信網絡采用WSNs進行分布式部署，完成用戶用電信息的實時采集。WSNs采用星狀和網狀混合的分簇結構，按照居民小區的樓宇、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。簇首負責簇內通信資源的分配和調度，數據的匯聚和簇間的信息交互。多個簇首形成自組織網絡進行多跳通信，最終將智能電表采集的數據發送至集中器。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絡的不間斷供電，所以，可以忽略該部分能耗。

2 協議算法

針對上述用電信息采集網絡，本文提出了一種應用在下行通信WSNs的多信道MAC協議,其主要思想是：在同一簇內采用相同信道進行通信，不同的簇采用不同信道進行通信，以此實現各簇的并行數據采集和傳輸，增大網絡的吞吐量。同時，簇首采用信道質量估計的方法實時監測信道狀態，實現各簇的自適應信道切換，保證通信的可靠性。協議可以分為網絡初始化、信道評估、信道選擇、信道切換等四部分。

2.1 網絡初始化

網絡初始化分為集中器初始化和簇內初始化兩部分。用電信息采集網絡部署完成后，首先由集中器啟動組網，完成整個網絡的分簇。集中器應記錄整個網絡的分簇信息，如表1所示。首次初始化時，采用靜態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，集中器通過信標完成整個網絡的時間同步，實現整個網絡的有序數據傳輸。

表1 分簇信息Tab 1 Cluster information

分簇完成后，進入簇內初始化階段。簇內通信采用星狀拓撲結構，由簇首根據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據傳輸。因此，基于IEEE 802.15.4標準中帶信標的MAC幀格式，可以設計得到適用于用電信息采集網絡MAC協議的幀格式，如圖2所示。簇內通信用于簇內的初始化，時間同步與數據傳輸等。簇間通信用于集中器的初始化，簇首的入網和數據傳輸等。

圖2 MAC幀格式Fig 2 Frame structure of MAC

2.2 信道質量估計

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

簇首采用指數加權移動平均值(EWMA)的方法[9]獲得均值LQI(ELQI)。該方法為當前采樣的LQI和歷史ELQI分配不同的權重，可以反映信道質量的動態變化趨勢，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)為權重系數，可以根據網絡狀態調整當前LQI和歷史LQI對ELQI的影響。其中，θ越接近1表示當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的平穩性也越強。

各簇首獲得ELQI后，可以根據事先設定的信道質量閾值LQIth對信道質量進行評估。如果簇首獲得的ELQI低于該閾值，即ELQIn≤LQIth，且ELQIn≤ELQIn-1，則認為信道質量變差，不適合繼續傳輸。通常，閾值LQIth設定的越高，表示對信道質量要求越高。這樣，各簇首對網絡的全部信道進行信道質量評估，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量的優劣順序優先選擇。此外，考慮到由于空間上相鄰的簇在相鄰信道上也可能產生相互干擾，因此，在信道選擇時，還要排除該簇一跳范圍內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

當簇首通過ELQI判斷當前信道不適合繼續通信需要切換信道時，從備用信道集中選擇質量最佳的信道進行信道切換。信道切換的關鍵在于協調收發雙方同時跳入備用信道。但是，由于當前信道的可靠性下降，信道切換通知可能丟失，造成收發雙方跳轉的不一致，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

簇首設定最大重傳次數的閾值Nth，智能電表設定最大等待時間Tth。其中，Tth的設定應大于集中器數據到達智能電表的最大傳輸時間。這樣，當簇首以廣播方式發布信道切換指令時，智能電表端計時。當等待時間T和重傳次數N任意一個超出閾值時，節點跳轉到默認的初始化信道。因為接收方的等待時間要長于發送方，當接收方跳轉到默認信道時，發送方已經切換到初始信道，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絡，并以單信道IEEE 802.15.4的MAC協議作為對比，主要考察網絡在吞吐量和丟包率方面的性能。

3.1 仿真配置

仿真參數設計為：場景范圍為500 m×500 m；通信半徑為100 m；數據速率為250 kB/s；數據包長度為100 bytes，鏈路評估系數為θ=0.2，LQI閾值為LQIth=90。節點模型基于MiXiM框架，包括物理層模塊、MAC層模塊、應用層模塊和通告板模塊，節點結構如圖5所示。由于采用固定拓撲，數據傳輸路徑固定，因此，節點不包含路由模塊。

圖5 節點結構Fig 5 Node structure

3.2 性能分析

圖6所示是關于網絡的分簇情況對網絡吞吐量的影響情況。可以看出網絡分簇越多，吞吐量下降越快；但是相比于本MAC協議，單信道的IEEE 802.15.4協議的吞吐量下降更快。

圖6 網絡吞吐量比較Fig 6 Comparison of network throughput

圖7是關于數據包到達速率與丟包速率之間的關系曲線。當包到達速率增大，即網絡出現大量的并發數據時，單信道的MAC協議的丟包速率迅速增大，不能滿足用電網絡需求；而多信道的MAC協議在簇間通信過程中采用多信道并行傳輸的方式，因此,丟包速率增加緩慢。但是，當包到達速率增大到90 packets/min時，由于數據的沖突和擁塞，丟包速率也隨之增大。然而用電信息采集網絡相對固定，因此,可以根據簇內的最大吞吐量控制網絡的分簇情況，防止簇內沖突的產生。

圖7 數據丟包速率比較Fig 7 Comparison of data packet lose rate

4 結束語

根據用電信息采集網絡的分簇結構，提出了一種WSNs多信道MAC協議。網絡的簇內通信采用相同信道，簇間通信采用多信道并行傳輸的模式，同時應用實時信道評估和自適應信道切換機制。仿真結果表明:該MAC協議可以有效提高網絡的吞吐量和可靠性，滿足用電信息采集網絡的基本要求。

[1] 孫 毅，李 敏，柯珊珊，等.面向用電信息采集的無線傳感器網絡擁塞控制算法[J].傳感器與微系統，2013，32(8):22-26.

[2] 張佳薇，陳 巖，李明寶.用于無線傳感器網絡的高能效分幀MAC協議[J].信息與控制，2013，42(1):95-98.

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[4] Incel O D,HoeselL,Jansen P G.Mc-lmac:A multi-channel MAC protocol for wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks,2011,9(1):73-94.

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[10] 趙永利,張 杰.OMNeT++與網絡仿真[M].北京:人民郵電出版社,2012:232-335.

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)；中國科學院戰略性先導科技專項資助項目(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絡。