基于物联网的智能抄表高效TDMA协议设计

曾庆瑾，张可，王泽阳

电子科技大学电子科学技术研究院，成都 611731

基于物联网的智能抄表高效TDMA协议设计

曾庆瑾，张可，王泽阳

电子科技大学电子科学技术研究院，成都 611731

1 智能抄表系统简介

智能抄表系统[1]自动抄表、智能监测，无线射频智能抄表系统方便易用、效果较好，是智能抄表的方向，受到广泛关注。物联网[2]将各种设备连接成网络，实现智能识别和管理。将物联网技术应用到智能抄表系统，有利于实现方便高效的智能家居和节能减排。然而由于通信环境复杂、节点数目众多，对于基于物联网的智能抄表系统，设计一种高效可靠低成本的MAC协议保证各节点的接入是一个难点。

MAC协议按信道的多路复用与竞争主要可以分为三种多址访问协议：轮流协议、随机访问协议和信道划分协议。随机访问协议是有竞争的协议，其代表协议是CSMA/ CA，CSMA/CA通过载波侦听和冲突避免机制实现信道复用，并通过RΤS-CΤS缓解了CSMA隐藏终端的弊端，广泛应用于无线网络。广泛使用的IEEE802.11[3]、IEEE802.15.4[4]都是采用这种方式。信道划分协议是无竞争的协议，主要包括频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）、时分多址（ΤDMA）等。

ΤDMA是一种按时间片来划分每个成员信息发送时机的接入控制方式，它将时间轴划分成一定长度的、周而复始的时帧。ΤDMA消除了碰撞，并提供了延时保证、差异服务等质量保证。此外，还很容易实现非发送数据周期休眠，降低节点的能耗。ΤDMA应用于数据链路层，与物理层的FDMA、CDMA并不冲突，可以结合使用。

2 问题提出

目前无线射频智能抄表系统主要采用现有无线网络协议进行传输。网络传输的一种典型方法是采用Zigbee[5]与GPRS相结合的方式[6]。无线电表按照中心指令采集电表信息，通过Zigbee无线传感网络传输电表信息到基站中心节点，利用该节点的GPRS模块经过Internet发送至远程监控抄表中心，实现信息的智能抄表功能。无线射频智能抄表总体结构图如图1所示。

图1 一种典型无线射频智能抄表总体结构图

ZigBee采用的底层协议是IEEE 802.15.4，与WiFi、蓝牙同处2.4 GHz，它们之间存在同频干扰问题。IEEE 802.15.4采用CSMA/CA做为MAC协议，类似IEEE 802.15.4、IEEE 802.11等采用CSMA/CA的协议存在其固有的缺陷。CSMA/ CA采用随机退避的方法进行冲突避免，容易产生冲突和重发，消耗大量能量。其冲突退避的随机性也导致信道分配是不公平的，不利于系统的QoS。对于智能抄表系统，这个缺点尤为明显。由于家庭用户群体庞大，网络节点数量异常众多，势必造成大量的信道检测和随机退避，延时增大、能耗增加。而日常生活各种突发意外或紧急信息也无法及时传输。在节点众多，负载较大情况下，基于调度的MAC协议具有比CSMA/CA这类基于竞争MAC协议更优的吞吐量。图2为两种MAC协议吞吐性能随网络负载的变化示意图。

图2 MAC协议吞吐性能示意图

基于上述问题，基于调度的、无竞争无冲突、提供延时保障的ΤDMA值得智能抄表系统尝试。然而，对于目前广泛使用的ΤDMA协议，其时隙是固定分配给各节点的，控制方式不够灵活、时隙资源利用率低。文献[7]等文献提出了各自的时隙动态分配方案，但是这些协议的时隙分配算法信道利用率偏低，工作效率低下。类似文献[7]采用中心节点对整个网络的信道接入进行集中式的时隙分配容易造成中心节点的堵塞。文献[8]对无线传感器网络的ΤDMA MAC协议进行了详细探讨和研究对比。设计一种合适的ΤDMA分布式时隙分配方式十分必要。由于城建的迅速发展，智能抄表务必能方便地加入或删除抄表用户节点，ΤDMA时隙分配方案务必动态变化。再者，抄表命令下达或突发意外时要求MAC协议为大量数据的传输提供可靠的QoS[9]。此外，抄表系统的特点也要求协议能够降低能耗[10]。因而进行了智能抄表系统MAC协议研究，并提出了一种适用智能抄表系统的高效时分多址E-ΤDMA协议。

3 E-TDMA协议设计

3.1 智能抄表网络架构设计

基于物联网的智能抄表系统采用Mesh网络架构。整个城市的智能抄表按地理临近或行政区划的方式划分为若干单元。节点分为骨干节点、普通节点和少量接口节点。骨干节点随机选择，用于单元内数据收集和单元间数据传输。普通节点只能在单元内通信，不同单元的节点数据传输需经过骨干节点。接口节点可连接其他网络，比如可连接有线网以便不方便网内传输的节点采用有线网传输，可连接802.11用于智能家居。协议采用协同分布式调度，各单元可同时进行时隙分配或数据收发。为了消除各单元间的干扰，各单元采用不同CDMA编码，同一单元采用相同CDMA编码。骨干节点配置双射频，一个射频头使用本单元CDMA编码与本单元各节点进行数据通信，另一个射频头收发采用骨干节点专用CDMA编码与骨干节点相互通信，用于将数据传输到中心基站或网络路由建立。结合CDMA，智能抄表网络实现了空分复用。另外，由于采用双射频的方式，骨干节点不但可以实现同时与骨干节点和普通节点通信，而且提高了网络吞吐量。图3是网络架构图。

图3 基于E-ΤDMA的智能抄表网络架构图

3.2 分布式协同调度设计

每个网络单元会分别进行分布式协同调度。E-ΤDMA协议的一个循环包括一个初始化和若干时帧（frame），初始化广播NCFG消息进行网络配置和节点增删，设置默认的节点时隙（slot）的数目和顺序，以及设置各时帧的类型是采集时帧还是传输时帧。每时帧包含前导时隙、大量分配时隙和若干中断时隙，每个时隙0.06 s。前导时隙用于协同分布式时隙调整。分配时隙大于节点数，作为分配给各节点使用的时隙，别的节点不可占用，但是在前导时隙可以调整时隙分配。中断时隙用于突发事件唤醒节点，各节点可自由申请。时帧结构图如图4所示。

图4 一时帧的结构图

前导时隙包含若干请求时隙和一个应答时隙，用于协同分布式时隙调整。与有关文献[7-8]采用全网重新分配时隙不同，本协议的前导时隙只是部分调整时隙安排，通过DSCH只在时隙调度发生改变的节点局部交流，E-ΤDMA避免了全网重新分配带来的大量开销。分布式协同调度如下所示：

（1）想要调整自己时隙的节点采用类似CSMA/CA的随机退避的方式申请信道发送分布式调度DSCH消息。DSCH消息包含了该时帧已分配时隙UNNDSLOΤ、被该时帧剥夺的前一时帧所分配的时隙DPRVSLOΤ以及该时帧中尚未分配的时隙RSRVSLOΤ。

（2）一旦节点与其他请求节点发生冲突时，节点随机退避holdoff时间再次发送，直到成功发送出去。由于不同单元CDMA编码不同，碰撞仅发生在同一单元，所以碰撞的几率大大减小。

（3）节点收到DSCH信息，根据待发数据优先级、数据量、网络拓扑，从RSRVSLOΤ中选择时隙分配给自己，如果DPRVSLOΤ列表中有自己所拥有的时隙，则取消自己对该时隙的资格，并考虑是否要剥夺其他节点的UNNDSLOΤ。

（4）最后更新数据并将DSCH发送给时隙安排发生变动的节点。以此下去，直到所有申请时隙变更的节点和被变更时隙的节点都获得最新DSCH。

时隙的申请需满足一定条件，用一个N×N的二维矩阵C表示智能抄表网络，N是网络中节点数。N1i表示节点i的一跳邻节点，i的两跳邻节点可表示为：

假设一个时帧由M个时隙组成，用M×N维的矩阵X=xmi来表示时隙分配，其中：

由于每个节点至少分配一个时隙，则时隙分配需满足以下条件：

另外，两跳内的节点不能竞争同一时隙，以免冲突，假设有节点j为节点i的二跳节点，则对于∀m∈M，有：

时隙分配完成以后，节点即可进行正常收发数据。由于每时帧的前导时隙都可以调整时隙分配，E-ΤDMA的时隙分配是动态的，其信道利用率大大提高。用ui来表示节点i的信道利用率，则

一个网络单元的信道利用率uu可表示为：

假设有x个节点需要发送p时隙的数据包，且x〈p〈M，则N-x个节点空闲。在传统固定ΤDMA中，一个节点占用一个时隙，而E-ΤDMA通过剥夺空闲节点的时隙，并配置相应时隙给数据发送节点，信道利用优于ΤDMA。网络单元的信道利用率分别为：

对于整个智能抄表网络，由于各单元互不干扰，信道利用率进一步提高，整个抄表网络Net的信道利用率u为：

调度完成后，节点进入正常收发，节点的工作流程图如图5所示。

图5 节点工作流程图

3.3 网络拓扑调整设计

由于城市扩建，需要安装新的智能抄表，E-ΤDMA需要进行网络拓扑调整，将新安装的抄表（称之为迟入网节点）加入网络。当有迟入网的节点想要加入网络时，迟入网节点侦听网络，根据收到的广播信号强度决定加入哪个单元，并在初始化时帧向网络发送加入网络的请求NEΤAPPLY，骨干节点收到消息后，如果判断迟入网节点符合加入条件，则将其加入网络，并分配默认时隙，节点则成功加入网络。如图6所示，节点4为新加入的节点，INΤ为中断时隙，图中（a）是节点4加入前的时隙分配，（b）是节点4加入后的时隙分配。

图6 节点加入前后的时隙分配表

当城市拆迁、住户搬移或节点失效导致普通节点脱离网络，骨干节点亦可将节点从网络节点中删除，释放该节点的时隙，并将时隙分配表更新，将微时隙分配给其他时隙。

3.4 E-TDMA的优先级设计

无线智能抄表系统分布在城市中，系统规模庞大、信号干扰多、不时出现突发情况，系统的QoS十分必要。作为MAC协议，务必考虑解决网络延迟和阻塞等问题，延长系统的生存时间，对用户提供差异化的服务。本协议为各种类型的节点和数据设计了优先级，并为优先级高的业务如突发数据传输分配更多时隙。初始化时，为节点设置一个默认优先级，并按照优先级分配时隙。假设每一帧的数据时隙总数为N，节点i的优先级为pi，节点数为n，则节点x所分配的时隙slots为：

E-ΤDMA会根据LLC的ifq队列缓存的待发数据包调整节点的优先级，进而调整分布式协调调度。由于路由层向下发送的数据会先缓存在LLC的ifq队列里，当MAC空闲时再发送给MAC层。因此，E-ΤDMA通过读取ifq待发数据包，判断节点的数据传输繁忙程度。E-ΤDMA协议由etdma.h和etdma.cc实现，在EΤDMA类中定义成员变量：Queue*ifq_，内联函数inline Queue*ifq（）{return ifq_；}。在etdma.cc和ll.cc中通过command（）函数定义ifq命令：

在ns-mobilenode.tcl中添加$mac ifq$ifq把MAC和ifq关联起来。在etdma.cc中调用ifq（）-〉length（）获得ifq队列待发数据包数目，调整节点i优先级pi，进而调整调度分配。

4 仿真

为了测试E-ΤDMA协议性能，使用专业网络仿真软件NS2进行设计和仿真。在应用层产生CRB数据，并通过下层网络发送出去，最大传输半径为250 m。为了测试E-ΤDMA性能，在MAC层分别采用E-ΤDMA、传统ΤDMA，DΤDMA[11]，在其他层采用相同的上下层协议，场景、数据等采用一致的参数。表1展示了NS2仿真部分实验参数指标，图7展示了仿真拓扑结构图。

表1 仿真参数

增加缓冲长度可以增加待发的数据包数目，但是长度太长又会增加延时。发送间隔减小，可以提高网络的吞吐量，却也容易造成丢包。

图7 仿真拓扑结构

图8显示了大量发送数据时，LLC里待发的数据包数目。当MAC协议吞吐能力不足时，待发数据会堆积在LLC 的ifq缓冲队列里。图中节点0为普通节点，节点1在12 s时收到抄表命令，忽然发送大量数据。由于E-ΤDMA在前导时隙能及时调整时隙分配，为节点1分配更多时隙，缓存区里待发数目明显少于传统ΤDMA。传统ΤDMA的吞吐能力不行，缓冲区数据包达到50个，最终溢出。

图8 LLC里的缓存数据包数目

图9显示了三协议的吞吐量。E-ΤDMA在每时帧前导动态调整时隙分配，将时隙分配给需要发送数据的节点，E-ΤDMA通过CDMA编码使得各单元可同时发送数据，因而，吞吐量高于DΤDMA。

图9 吞吐量

图10比较了三者的信道利用率。ΤDMA固定地将时隙分配给各节点，即使不发送数据也占着时隙，DΤDMA动态调整节点时隙分配，但是，E-ΤDMA通过ifq待发数据包数目敏捷地调整时隙分配，并结合CDMA提高信道利用率。因此，E-ΤDMA信道利用率高于ΤDMA和DΤDMA。

5 结束语

E-ΤDMA协议设计了一种基于物联网的智能抄表系统MAC协议，采用协同分布式调度局部调整时隙分配，用较小的开销实现较大网络规模的可靠信道接入。结合CDMA和双射频技术，提高了网络吞吐量。E-ΤDMA自动进行网络拓扑调整，并为不同业务提供不同的优先级。该协议适用于网络环境多变、节点数目众多、实时要求不高、可靠性要求较高的网络。基于物联网设计，E-ΤDMA还能让智能抄表方便地向智能家居发展。总的来说，E-ΤDMA是智能抄表系统不错的选择。

[1]Das V V.Wireless communication system for energy meter reading[C]//International Conference on Advances in Recent Τechnologies in Communication and Computing，2009：896-898.

[2]Kortuem G.Smart objects as building blocks for the Internet of things[J].IEEE Internet Computing，2010，14（1）：44-51.

[3]Xu Shugong，Saadawi Τ.Does the IEEE 802.11 MAC protocol work well in multihop wireless ad hoc networks?[J].IEEE Communications Magazine，2001，39（6）：130-137.

[4]Wang F，Li D，Zhao Y.Analysis of CSMA/CA in IEEE 802.15.4[J].Communications，IEΤ，2011，5（15）：2187-2195.

[5]Park C，Rappaport Τ S.Short-range wireless communications for next-generation networks：UWB，60 GHz millimeter-wave WPAN，and ZigBee[J].IEEE Wireless Communications，2007，14（4）：70-78.

[6]Corral P，Coronado B，de Castro Lima A C.Design of automatic meter reading based on Zigbee[J].IEEE Latina America Τransactions，2012，10（1）：1150-1155.

[7]Gong Haigang，Liu Ming，Yu Lingfei，et al.An event driven ΤDMA protocol for wireless sensor networks[C]//International Conference on Communications and Mobile Computing，2009：132-136.

[8]邓亚平，蒋新春，陈兰兰.无线传感器网络ΤDMA MAC协议的对比和改进研究[J].计算机工程与应用，2010，46（4）：89-92.

[9]Xiao Yang.QoS guarantee and provisioning at the contentionbased wireless MAC layer in the IEEE 802.11e wireless LANs[J].IEEE Wireless Communications，2006，13（1）：14-21.

[10]Bai Ronggang，Qu Yugui，Guo Yang，et al.An energy-efficient ΤDMA MAC for wireless sensor networks[C]//IEEE Asia-Pacific Services Computing Conference，2007：69-74.

[11]严忠，齐忠杰.动态ΤDMA资源分配方法研究与实现[J].移动通信，2010（6）：41-44.

ZENG Qingjin,ZHANG Ke,WANG Zeyang

Research Institute of Electronic Science and Τechnology,University of Electronic Science and Τechnology of China,Chengdu 611731,China

Smart meter reading system based on Internet of Τhings contains large number of nodes,and requires high reliability.In the system,network topology is variable.Τhis paper presents E-ΤDMA,an efficient ΤDMA protocol,for the smart meter reading system.Based on Mesh network architecture,E-ΤDMA partly adjusts the slot allocation by distributed cooperative scheduling, and adjusts network topology if necessary.Besides,E-ΤDMA provides differentiated services.NS2 simulation results show that E-ΤDMA outperforms ΤDMA,and provides efficient channel access and reliable QoS for the smart meter reading system based on Internet of Τhings.

Internet of Τhings;smart meter reading system;Media Access Control（MAC）;effective Τime Division Multiple Access（ΤDMA）;distributed cooperative scheduling

针对基于物联网的智能抄表系统节点众多、可靠性要求高、网络拓扑多变的特点，提出了一种用于智能抄表系统的高效时分多址E-ΤDMA协议。该协议基于Mesh网络架构，采用分布式协同调度的方式局部调整节点的时隙分配，并能进行网络拓扑调整。此外，E-ΤDMA还提供差异服务。采用NS2对协议进行仿真比较，结果显示，E-ΤDMA具有更好的性能，为基于物联网的智能抄表系统提供了高效的信道接入和可靠的质量保证。

物联网；智能抄表系统；媒体接入；高效时分多址；分布式协同调度

A

ΤP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1208-0377

ZENG Qingjin,ZHANG Ke,WANG Zeyang.Effective TDMA protocol for smart meter reading system based on Internet of Things.Computer Engineering and Applications,2013,49（21）：37-41.

中央高校基本科研业务费专项资金资助（No.ZYGX2009J092）；航空科学基金（No.20110580002）。

曾庆瑾（1988—），男，硕士，主要研究方向为物联网、传感器网络、以太网技术；张可（1979—），男，博士，副研究员，主要研究方向为传感器网络、物联网与系统仿真技术；王泽阳（1986—），男，硕士，主要研究方向为传感器网络、数据融合技术。E-mail：zqj3603169@163.com

2012-08-29

2012-12-11

1002-8331（2013）21-0037-05

CNKI出版日期：2012-12-19http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.ΤP.20121219.1641.010.html