智能家居電器網(wǎng)絡(luò)的RSC-MAC協(xié)議設(shè)計

張治元，雷超陽

(湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)工程系，湖南 長沙 410015)

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智能家居電器網(wǎng)絡(luò)的RSC-MAC協(xié)議設(shè)計

張治元，雷超陽

(湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)工程系，湖南 長沙 410015)

家居電器網(wǎng)絡(luò)由以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或無線蜂窩等通信介質(zhì)連接，通過發(fā)送控制消息對家用電器實現(xiàn)有效管理.在研究家居電器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種具有可靠傳感和控制操作的混合MAC協(xié)議(RSC-MAC)，并設(shè)計了支持RSC-MAC協(xié)議的QoS(服務(wù)質(zhì)量)方法，有效地保證家居電器網(wǎng)絡(luò)中任何控制消息的延遲，提高了傳感數(shù)據(jù)采集的靈活性.仿真結(jié)果表明，在規(guī)定的延遲時間內(nèi)，RSC-MAC成功交付所有的控制數(shù)據(jù)包，并在交付傳感數(shù)據(jù)包時表現(xiàn)出良好的性能.

家居電器網(wǎng)絡(luò)；控制包；傳感包；服務(wù)質(zhì)量

智能家居電器網(wǎng)絡(luò)由以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或無線蜂窩等通信介質(zhì)連接而成，研究家用電器的傳感和控制操作，可以有效地對家居電器能源進(jìn)行管理[1-2].通常情況下，每個家電配備1個電流傳感器和通信接口，傳感器監(jiān)控電器的功率消耗，周期性地發(fā)送采集數(shù)據(jù)到控制器，控制器負(fù)責(zé)將控制消息發(fā)送到電器.文獻(xiàn)[3-4]中針對無線網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC(Multiple Access Control)的高效工作作了深入研究.但遺憾的是，很少有涉及在一個共享通信信道中進(jìn)行傳感和控制操作的集成研究[5-6]，在一定的延遲時間里，控制消息交付通常絕對可靠，傳感器需要有足夠的帶寬才能發(fā)送數(shù)據(jù).筆者提出了支持QoS的RSC-MAC(Reliable Sensing and Control-MAC)協(xié)議，是一種集傳感和控制系統(tǒng)的混合MAC協(xié)議.傳感數(shù)據(jù)以隨機方式交付，控制消息以確定的方式在規(guī)定的延遲時間內(nèi)交付，RSC-MAC協(xié)議管理帶寬的分配，從而保證了任意一個控制消息在可接受的延遲時間內(nèi)成功傳遞[7-8].文中RSC-MAC協(xié)議能夠區(qū)分傳輸?shù)氖莻鞲袛?shù)據(jù)還是控制消息，保證了傳送控制消息的可靠性；根據(jù)每個控制消息周期性預(yù)留帶寬(時隙)內(nèi)的可接受延遲時間，該協(xié)議保證任意控制消息的延遲；周期性預(yù)留帶寬自動滿足各種控制消息的延遲容忍，并盡可能地提供傳感器數(shù)據(jù)所使用的帶寬.

1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

傳感與控制家居電器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型如圖1所示.該模型由1個控制器和多個電器構(gòu)成，每個電器有1個CPU、1個傳感器和1個通信接口，具有計算、功率檢測和網(wǎng)絡(luò)通信的能力.每個電器都有1個唯一用來區(qū)分其他家電的網(wǎng)絡(luò)ID.傳感器和控制器通過共享通信媒介傳送數(shù)據(jù)給對方，收集傳感數(shù)據(jù)與發(fā)送控制消息示意見圖2(箭頭朝上方框為傳感數(shù)據(jù)，箭頭朝下方框為控制信號).控制消息有1個延遲容忍，在延遲容忍時間內(nèi)，控制消息將成功地傳送給家電.同時，控制器可以隨機產(chǎn)生1個控制消息，該控制消息通常只有幾個字節(jié)的長度.

RSC-MAC協(xié)議主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下3個方面：(1)控制消息的成功交付.在控制器與家電之間傳遞控制消息過程中具有很高的成功交付率.(2)延遲保證.盡管每個傳感器內(nèi)的延遲容忍不盡相同，但是每個控制消息在所需的延遲容忍時間內(nèi)被家電接收.(3)有效地利用了通信媒介.在滿足(1)和(2)的原則下，信道和帶寬利用率很高，有足夠的時間收集傳感數(shù)據(jù).

圖1 傳感與控制家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

圖2 收集傳感數(shù)據(jù)與發(fā)送控制消息示意

2 RSC-MAC協(xié)議設(shè)計

在傳感器采集數(shù)據(jù)的較長時間里，為了成功地傳遞任何具有延遲保證的控制消息，提出了支持MAC并保證延遲的QoS方法.假設(shè)所有節(jié)點共享一個通信信道，信道的使用時間分為預(yù)留的控制時隙和靈活的傳感時隙，預(yù)留時隙便于發(fā)送任意的控制消息.通常情況下，控制消息的傳送帶寬使用效率要高，以便保留更多帶寬用來采集傳感數(shù)據(jù).RSC-MAC利用周期性的時隙分配方案，在延遲容忍時間內(nèi)成功交付所有的控制消息.

2.1 均勻延遲容忍時隙分配

假設(shè)每個控制消息具有相同的時延TD，控制器預(yù)留了時間間隔為T的周期性時隙(即控制時隙)，如圖3所示.在任意時間內(nèi)產(chǎn)生的控制消息均與其生成的最近控制時隙有關(guān).因此，控制延遲CD即為產(chǎn)生控制消息到最近的控制時隙之間的時間間隔.

定理1延遲容忍時間TD是提供延遲保證的控制時隙之間的最大時間間隔.

證明在時間t內(nèi)生成的任意控制消息，有CD=T-(t mod T).因為CD≤T，所以，(1)若 T≤TD，則CD≤TD；(2)若T>TD，則CD>TD，此時t mod T=0.因此，延遲容忍時間TD是提供延遲保證的控制時隙分配方法中最大的時間間隔.

預(yù)留時隙之間的間隔越大，則控制時隙的數(shù)目越少，保證有更多的時間用于采集傳感數(shù)據(jù).本系統(tǒng)中控制消息只有幾個字節(jié)，在控制時隙間隔產(chǎn)生的控制消息，打包到一個數(shù)據(jù)包中進(jìn)行傳輸，從而節(jié)省了共享信道帶寬.由上述分析可知，將延遲容忍TD作為控制消息的預(yù)留時隙間隔，既保證延遲，又能在共享信道中高效地采集傳感數(shù)據(jù).

2.2 異構(gòu)的容錯延遲時隙分配

假設(shè)存在n個關(guān)于延遲容忍的控制消息TD1，TD2,…，TDn，對于與TDi關(guān)聯(lián)的控制消息，其控制延遲容忍不應(yīng)超過TDi(圖4).

最小延遲容忍(min (TDi)，i=1,2,…,n)能夠保證在min(TDi)條件下任何控制消息的成功交付，低于其他類型的延遲容忍.只要保留min(TDi)的時隙間隔就可以保證任意控制消息的延遲.此外，從圖4還可知，隨著其他類型的時隙預(yù)約的取消，預(yù)留時隙也隨之減少.

圖3 均勻延遲容忍的控制時隙分配

圖4 異構(gòu)延遲容忍的時隙分配

3 仿真結(jié)果

設(shè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型中有1個控制器節(jié)點，5～60個傳感器節(jié)點(每個節(jié)點不僅相互通信，而且直接連接到其他節(jié)點)；RSC-MAC程序由載波偵聽監(jiān)聽每個節(jié)點；一個MAC數(shù)據(jù)包最多可以重發(fā)3次；在每個周期內(nèi)，每個傳感器發(fā)送1個數(shù)據(jù)包到控制器，則一個輪回的傳感器數(shù)據(jù)采集周期為60個時隙.延遲容忍設(shè)置為6個時隙.在每輪數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，控制器提供1個控制消息給每個傳感器(控制消息在1個采集周期內(nèi)隨機生成)，在2個控制時隙的間隔，控制消息將匯總并交付.

控制數(shù)據(jù)包的延遲性能仿真結(jié)果如圖5所示.在每輪數(shù)據(jù)采集的延遲容忍時間內(nèi)，用成功交付的的數(shù)據(jù)包數(shù)目來衡量延遲性能.所有RSC-MAC的控制數(shù)據(jù)包在延遲容忍(6個時隙)內(nèi)交付，CSMA成功交付控制數(shù)據(jù)包相對較少.隨著節(jié)點數(shù)的增加，CSMA和RSC-MAC之間的性能差異變得越來越明顯.這主要因為RSC-MAC在可計算和可預(yù)留的時隙里傳送控制數(shù)據(jù)包，保證了在延遲容忍時間里每個控制包成功交付，而CSMA以隨機方式提供每個控制包，較大的節(jié)點數(shù)目將引起更多的連接，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包延遲的增加.

傳感數(shù)據(jù)包的延遲性能仿真結(jié)果如圖6所示.從圖6可知，隨著節(jié)點數(shù)的增加，在延遲容忍時間內(nèi)，成功交付的 RSC-MAC和CSMA數(shù)據(jù)包越來越少，但RSC-MAC比CSMA交付的數(shù)據(jù)包相對要多一些.當(dāng)節(jié)點數(shù)量增加到50時，在延遲容忍時間內(nèi)，CSMA交付的數(shù)據(jù)包大約為RSC-MAC的 75%.即使以隨機方式傳輸 RSC-MAC和CSMA傳感數(shù)據(jù)包，RSC-MAC方式的傳感數(shù)據(jù)包也不會與控制數(shù)據(jù)包訪問發(fā)生沖突.

圖5 在延遲容忍時間內(nèi)成功交付的控制包數(shù)目

圖6 在延遲容忍時間內(nèi)成功交付的傳感包數(shù)目

節(jié)點數(shù)與丟失的控制數(shù)據(jù)包之間的關(guān)系如圖7所示.從圖7可知，RSC-MAC模式中沒有數(shù)據(jù)包丟失，然而，在CSMA模式中，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，丟包數(shù)目相應(yīng)增加.這是因為RSC-MAC模式在預(yù)留槽隙內(nèi)傳遞了所有控制包，CSMA模式是以隨機的方式傳遞所有控制包，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增加，傳遞的數(shù)據(jù)包也相應(yīng)增加，數(shù)據(jù)包交付的結(jié)果導(dǎo)致更多的數(shù)據(jù)包丟失.

節(jié)點數(shù)與傳感數(shù)據(jù)包丟失之間的關(guān)系如圖8所示.在RSC-MAC和CSMA這2種模式中，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增加，丟包數(shù)目相應(yīng)增加，但RSC-MAC的丟包要小于CSMA.當(dāng)節(jié)點數(shù)為50時，RSC-MAC丟包率大約為CSMA的70%，這是因為在RSC-MAC中，傳感數(shù)據(jù)不存在控制信息的訪問沖突，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包損失較小.

圖7 節(jié)點數(shù)與丟失的控制數(shù)據(jù)包關(guān)系曲線

圖8 節(jié)點數(shù)與丟失的傳感數(shù)據(jù)包關(guān)系曲線

4 結(jié)語

設(shè)計了一種具有可靠傳感和控制的RSC-MAC協(xié)議，并提出了支持RSC-MAC協(xié)議的QoS(服務(wù)質(zhì)量)方法.RSC-MAC協(xié)議既保證了控制數(shù)據(jù)包的可靠傳遞，又保證了傳感數(shù)據(jù)采集的靈活性.在延遲容忍的許可下，采用控制消息時隙高效分配策略，每個控制消息都能在保證時延和帶寬效率的情況下交付.仿真結(jié)果表明，RSC-MAC在延遲容忍時間內(nèi)成功交付控制包，并在交付傳感數(shù)據(jù)包方面具有良好的性能.

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(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

RSC-MAC Protocol for Smart Home Networks of Electric Appliances

ZHANG Zhiyuan，LEI Chaoyang

(Department of Internet Engineering，Hunan Posts and Telecommunications College，Changsha 410015，China)

In smart home networks，electric appliances are connected by communication media such as Ethernet，WLAN，or ZigBee.This paper introduces RSC-MAC(reliable sensing and control-MAC) for home appliance networks and designs a QoS (quality of service) supported MAC protocol，which provides delay guarantee for arbitrary control messages in home networks and keeps the flexibility of sensing data collection.The simulation result shows that RSC-MAC successfully delivers all control packets within the tolerant delay，and has a good performance in delivering sensing packets.

home networks of electric appliance；control packets；sensing packets；QoS

1007-2985(2015)04-0040-04

張治元(1970—)，男，湖南常德人，湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)工程系副教授，碩士,主要從事計算機控制系統(tǒng)研究；雷超陽(1971—)，男，湖南耒陽人，湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)工程系教授，博士,主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)和圖像處理研究.

TP393

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2015.04.011