智能家居电器网络的RSC-MAC协议设计

张治元，雷超阳

(湖南邮电职业技术学院互联网工程系，湖南 长沙 410015)



智能家居电器网络的RSC-MAC协议设计

张治元，雷超阳

(湖南邮电职业技术学院互联网工程系，湖南 长沙 410015)

家居电器网络由以太网、无线局域网或无线蜂窝等通信介质连接，通过发送控制消息对家用电器实现有效管理.在研究家居电器网络的基础上，提出了一种具有可靠传感和控制操作的混合MAC协议(RSC-MAC)，并设计了支持RSC-MAC协议的QoS(服务质量)方法，有效地保证家居电器网络中任何控制消息的延迟，提高了传感数据采集的灵活性.仿真结果表明，在规定的延迟时间内，RSC-MAC成功交付所有的控制数据包，并在交付传感数据包时表现出良好的性能.

家居电器网络；控制包；传感包；服务质量

智能家居电器网络由以太网、无线局域网或无线蜂窝等通信介质连接而成，研究家用电器的传感和控制操作，可以有效地对家居电器能源进行管理[1-2].通常情况下，每个家电配备1个电流传感器和通信接口，传感器监控电器的功率消耗，周期性地发送采集数据到控制器，控制器负责将控制消息发送到电器.文献[3-4]中针对无线网络和传感器网络MAC(Multiple Access Control)的高效工作作了深入研究.但遗憾的是，很少有涉及在一个共享通信信道中进行传感和控制操作的集成研究[5-6]，在一定的延迟时间里，控制消息交付通常绝对可靠，传感器需要有足够的带宽才能发送数据.笔者提出了支持QoS的RSC-MAC(Reliable Sensing and Control-MAC)协议，是一种集传感和控制系统的混合MAC协议.传感数据以随机方式交付，控制消息以确定的方式在规定的延迟时间内交付，RSC-MAC协议管理带宽的分配，从而保证了任意一个控制消息在可接受的延迟时间内成功传递[7-8].文中RSC-MAC协议能够区分传输的是传感数据还是控制消息，保证了传送控制消息的可靠性；根据每个控制消息周期性预留带宽(时隙)内的可接受延迟时间，该协议保证任意控制消息的延迟；周期性预留带宽自动满足各种控制消息的延迟容忍，并尽可能地提供传感器数据所使用的带宽.

1 网络系统模型

传感与控制家居电器网络系统模型如图1所示.该模型由1个控制器和多个电器构成，每个电器有1个CPU、1个传感器和1个通信接口，具有计算、功率检测和网络通信的能力.每个电器都有1个唯一用来区分其他家电的网络ID.传感器和控制器通过共享通信媒介传送数据给对方，收集传感数据与发送控制消息示意见图2(箭头朝上方框为传感数据，箭头朝下方框为控制信号).控制消息有1个延迟容忍，在延迟容忍时间内，控制消息将成功地传送给家电.同时，控制器可以随机产生1个控制消息，该控制消息通常只有几个字节的长度.

RSC-MAC协议主要优势体现在以下3个方面：(1)控制消息的成功交付.在控制器与家电之间传递控制消息过程中具有很高的成功交付率.(2)延迟保证.尽管每个传感器内的延迟容忍不尽相同，但是每个控制消息在所需的延迟容忍时间内被家电接收.(3)有效地利用了通信媒介.在满足(1)和(2)的原则下，信道和带宽利用率很高，有足够的时间收集传感数据.

图1 传感与控制家居网络系统模型

图2 收集传感数据与发送控制消息示意

2 RSC-MAC协议设计

在传感器采集数据的较长时间里，为了成功地传递任何具有延迟保证的控制消息，提出了支持MAC并保证延迟的QoS方法.假设所有节点共享一个通信信道，信道的使用时间分为预留的控制时隙和灵活的传感时隙，预留时隙便于发送任意的控制消息.通常情况下，控制消息的传送带宽使用效率要高，以便保留更多带宽用来采集传感数据.RSC-MAC利用周期性的时隙分配方案，在延迟容忍时间内成功交付所有的控制消息.

2.1 均匀延迟容忍时隙分配

假设每个控制消息具有相同的时延TD，控制器预留了时间间隔为T的周期性时隙(即控制时隙)，如图3所示.在任意时间内产生的控制消息均与其生成的最近控制时隙有关.因此，控制延迟CD即为产生控制消息到最近的控制时隙之间的时间间隔.

定理1延迟容忍时间TD是提供延迟保证的控制时隙之间的最大时间间隔.

证明在时间t内生成的任意控制消息，有CD=T-(t mod T).因为CD≤T，所以，(1)若 T≤TD，则CD≤TD；(2)若T>TD，则CD>TD，此时t mod T=0.因此，延迟容忍时间TD是提供延迟保证的控制时隙分配方法中最大的时间间隔.

预留时隙之间的间隔越大，则控制时隙的数目越少，保证有更多的时间用于采集传感数据.本系统中控制消息只有几个字节，在控制时隙间隔产生的控制消息，打包到一个数据包中进行传输，从而节省了共享信道带宽.由上述分析可知，将延迟容忍TD作为控制消息的预留时隙间隔，既保证延迟，又能在共享信道中高效地采集传感数据.

2.2 异构的容错延迟时隙分配

假设存在n个关于延迟容忍的控制消息TD1，TD2,…，TDn，对于与TDi关联的控制消息，其控制延迟容忍不应超过TDi(图4).

最小延迟容忍(min (TDi)，i=1,2,…,n)能够保证在min(TDi)条件下任何控制消息的成功交付，低于其他类型的延迟容忍.只要保留min(TDi)的时隙间隔就可以保证任意控制消息的延迟.此外，从图4还可知，随着其他类型的时隙预约的取消，预留时隙也随之减少.

图3 均匀延迟容忍的控制时隙分配

图4 异构延迟容忍的时隙分配

3 仿真结果

设网络系统模型中有1个控制器节点，5～60个传感器节点(每个节点不仅相互通信，而且直接连接到其他节点)；RSC-MAC程序由载波侦听监听每个节点；一个MAC数据包最多可以重发3次；在每个周期内，每个传感器发送1个数据包到控制器，则一个轮回的传感器数据采集周期为60个时隙.延迟容忍设置为6个时隙.在每轮数据采集周期内，控制器提供1个控制消息给每个传感器(控制消息在1个采集周期内随机生成)，在2个控制时隙的间隔，控制消息将汇总并交付.

控制数据包的延迟性能仿真结果如图5所示.在每轮数据采集的延迟容忍时间内，用成功交付的的数据包数目来衡量延迟性能.所有RSC-MAC的控制数据包在延迟容忍(6个时隙)内交付，CSMA成功交付控制数据包相对较少.随着节点数的增加，CSMA和RSC-MAC之间的性能差异变得越来越明显.这主要因为RSC-MAC在可计算和可预留的时隙里传送控制数据包，保证了在延迟容忍时间里每个控制包成功交付，而CSMA以随机方式提供每个控制包，较大的节点数目将引起更多的连接，从而导致数据包延迟的增加.

传感数据包的延迟性能仿真结果如图6所示.从图6可知，随着节点数的增加，在延迟容忍时间内，成功交付的 RSC-MAC和CSMA数据包越来越少，但RSC-MAC比CSMA交付的数据包相对要多一些.当节点数量增加到50时，在延迟容忍时间内，CSMA交付的数据包大约为RSC-MAC的 75%.即使以随机方式传输 RSC-MAC和CSMA传感数据包，RSC-MAC方式的传感数据包也不会与控制数据包访问发生冲突.

图5 在延迟容忍时间内成功交付的控制包数目

图6 在延迟容忍时间内成功交付的传感包数目

节点数与丢失的控制数据包之间的关系如图7所示.从图7可知，RSC-MAC模式中没有数据包丢失，然而，在CSMA模式中，随着节点数目的增加，丢包数目相应增加.这是因为RSC-MAC模式在预留槽隙内传递了所有控制包，CSMA模式是以随机的方式传递所有控制包，随着网络节点数目的增加，传递的数据包也相应增加，数据包交付的结果导致更多的数据包丢失.

节点数与传感数据包丢失之间的关系如图8所示.在RSC-MAC和CSMA这2种模式中，随着网络节点数目的增加，丢包数目相应增加，但RSC-MAC的丢包要小于CSMA.当节点数为50时，RSC-MAC丢包率大约为CSMA的70%，这是因为在RSC-MAC中，传感数据不存在控制信息的访问冲突，从而导致数据包损失较小.

图7 节点数与丢失的控制数据包关系曲线

图8 节点数与丢失的传感数据包关系曲线

4 结语

设计了一种具有可靠传感和控制的RSC-MAC协议，并提出了支持RSC-MAC协议的QoS(服务质量)方法.RSC-MAC协议既保证了控制数据包的可靠传递，又保证了传感数据采集的灵活性.在延迟容忍的许可下，采用控制消息时隙高效分配策略，每个控制消息都能在保证时延和带宽效率的情况下交付.仿真结果表明，RSC-MAC在延迟容忍时间内成功交付控制包，并在交付传感数据包方面具有良好的性能.

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(责任编辑 陈炳权)

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

张治元(1970—)，男，湖南常德人，湖南邮电职业技术学院互联网工程系副教授，硕士,主要从事计算机控制系统研究；雷超阳(1971—)，男，湖南耒阳人，湖南邮电职业技术学院互联网工程系教授，博士,主要从事计算机网络和图像处理研究.

TP393

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2015.04.011