基于DL／T645規(guī)約的電能表集抄無線傳感器網絡MAC協(xié)議設計

摘要：隨著智能電網的發(fā)展，電力行業(yè)對各種電能表終端的遠程、實時管理，以及對抄表數(shù)據的通信需求成為一項重要的研究課題。將無線傳感器網絡用于多功能電能表數(shù)據通信，需解決各層協(xié)議的通信機制和與DL／T645規(guī)約匹配等問題。文中提出了一種改進型的基于IEEE802．15．4的QoS—MAC協(xié)議，并針對電力DL／T645規(guī)約的電能表各類數(shù)據傳輸?shù)奶攸c以及集中抄表無線傳感器網絡的數(shù)據通信需求，構造了一種具有實時性和可靠性服務質量的無線傳感器網絡MAC層模型。
關鍵詞：無線傳感器網絡；QoS—MAC層模型；DL／T645規(guī)約；數(shù)據傳輸

0 引言
    無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networlks，WSN)以其能夠協(xié)作感知和采集網絡分布區(qū)域的信息而成為最近幾年無線通信領域一個最重要的研究熱點，并已引起了學術界和工業(yè)界的高度重視，被專家譽為是將對21世紀產生巨大影響的技術之一。無線傳感器網絡被廣泛應用于國防軍事技術、環(huán)境信息監(jiān)測、城市交通管理、醫(yī)療設備、工農業(yè)監(jiān)測與控制等領域。在電能表集抄技術的數(shù)據傳輸中，人們對于無線傳感器網絡技術的期待是：如何用簡潔的協(xié)議棧來支持網絡的有效運行；如何利用廣播信息，就可以避免交互應答；如何得到簡化的協(xié)議層次和精簡的信令方式；如何節(jié)省系統(tǒng)的開銷等。一些專用于無線傳感器網絡中的通信協(xié)議，可使網絡中能量獲得最大的節(jié)省，可隨時接入大量節(jié)點，而且具有高容錯性、強魯棒性(即系統(tǒng)的健壯性)等。
    我國電能表集抄技術的無線傳感器網絡通信研究起步較晚，但是目前已越來越受重視。無線傳感器網絡完全的RF冗余和多數(shù)據通道，能夠自我建構、調整，智能分布式自組織，能夠很好地對用電網絡設備的運行進行監(jiān)測、診斷和響應等遠程操作，并能對用電網絡中不斷變化的信息交換進行傳輸。將無線傳感器網絡應用于電能表集中抄表系統(tǒng)，越來越成為一個研究熱點。無線傳感器網絡的ZigBee技術在自動集中抄表系統(tǒng)的應用，能夠提高數(shù)據的穩(wěn)定傳輸能力和各通信終端自組網的能力。而基于DL／T645規(guī)約和兼容IEEE802．15．4標準的技術在無線自組織多跳冗余網絡中能保證無線數(shù)據的可靠傳輸。文獻提出了一種基于無線傳感器網絡技術的配電專用無線通信網絡拓撲結構，并通過修改IEEE802．15．4的MAC層協(xié)議，在不增加網絡通信開銷的條件下，增加IEEE802．15．4標準對QoS的支持。但其只建立高低兩個優(yōu)先級通信，因而不能更好地對DL／T645規(guī)約數(shù)據分類。文獻對實時業(yè)務中的不同QoS需要，考慮了數(shù)據包的優(yōu)先級而提出了一種基于數(shù)據包優(yōu)先級的DCF(PMDCF)，并采用馬爾科夫鏈方法對基于PMDCF的數(shù)學模型進行性能分析。但是，此算法未結合電能表集抄數(shù)據進行研究。本文針對電力DL／T645規(guī)約的電能表各類數(shù)據傳輸?shù)奶攸c，以及電能表集抄技術中無線傳感器網絡的通信需求，分析了無線傳感器網絡技術領域里的相關協(xié)議，提出了一種改進型的、基于IEEE802．15．4 QoS-MAC層的網絡模型。通過對無線傳感器網絡IEEE802．15．4標準中加入QoS服務，對各類抄表數(shù)據根據不同優(yōu)先級建立緩沖隊列，從而設計了一種具有實時性和可靠性服務質量的無線傳感器網絡MAC層協(xié)議。為衡量無線傳感器網絡的數(shù)據通信性能，文中還建立了數(shù)據通信性能的評價模型，編制了網絡性能分析仿真算法，并在不同的抄表數(shù)據產生率下，對所提出的QoS—MAC協(xié)議網絡傳輸性能進行了Matlab算法實現(xiàn)。最后，通過所設計的網絡分析測試環(huán)境，并采用當前無線傳感器網絡領域熱門的Opnet 14．5網絡仿真與分析軟件進行模擬仿真測試。結果表明，本文所提出的方法可為電能表集抄數(shù)據傳輸提供可行而且有效的QoS服務。

1 多功能電能表DL／T645規(guī)約對無線傳感器網絡數(shù)據通信的需求
    DL／T645通信規(guī)約又稱多功能電能表通信規(guī)約，是我國電力行業(yè)的一個強制執(zhí)行標準。GB DL／T645—2007為2008年6月1日之后實施的版本。DL／T645標準為統(tǒng)一和規(guī)范多功能電能表與數(shù)據終端設備進行數(shù)據交換提供了物理連接和協(xié)議。不論載體是有線或無線，所有的多功能電能計量表在進行底層數(shù)據傳輸時，均要采用此通信規(guī)約。
    在電能表集抄無線傳感器網絡中傳輸數(shù)據時，由于DL／T645規(guī)約中對集抄器響應的通信數(shù)據具有不同的周期性、時效性和緊急性，因此，根據多功能電能表DL／T645規(guī)約的數(shù)據特點，電表抄表數(shù)據可歸分為三類：
    第一類是周期性測量數(shù)據，用于提供周期性的終端設備工作狀態(tài)測量數(shù)據，包括多功能電能表的巡檢應答信息、設備狀態(tài)信息和功率使用信息；
    第二類是時效性抄表數(shù)據，即由集抄終端設備每月定時向集中器設備無線節(jié)點或協(xié)調器節(jié)點發(fā)出的用電信息，包括當前正向有功用電量、電表校時等。
    第三類是緊急通信數(shù)據，包括在集抄終端設備處于非正常狀態(tài)時，由集中器設備無線節(jié)點或協(xié)調器節(jié)點發(fā)出的緊急上報數(shù)據及遠程控制命令。
    因此，系統(tǒng)需要為抄表無線傳感器通信網絡設計QoS機制，使其能為緊急狀態(tài)數(shù)據提供更大的機會來爭取信道的使用和較低可能數(shù)據的丟失，同時為時效性抄表數(shù)據提供較小的通信延時服務；而對于周期性測量數(shù)據，在緊急狀態(tài)數(shù)據和時效性抄表數(shù)據傳輸時，可減小其數(shù)據的吞吐量，使得在集抄終端出現(xiàn)緊急狀況時，用電管理部門能夠及時接收到錯誤提示，而不受其它測量數(shù)據傳輸?shù)挠绊憽?br />     為了減少信道沖突、減少緊急和時效數(shù)據的傳輸延時和增加整個網絡的有效吞吐率，需要對多功能電能表抄表數(shù)據提供不同的QoS服務；同時，考慮到數(shù)據包的時效和緊急性，數(shù)據包的優(yōu)先級并不是越細越好。綜合考量，根據自動抄表通信網絡實際要求的不同QoS需要，其優(yōu)先級可歸分為三類，這三種數(shù)據包優(yōu)先級如表1所列。

2 基于DL／T645規(guī)約的無線傳感器網絡QoS—MAC協(xié)議設計
    IEEE802．15．4和IEEE802．11e雖然都采用CSMA／CA機制，但兩者卻有所不同。IEEE802．11標準所采用的CSMA／CA機制始終檢測信道，只有在信道空閑的情況下才退避計時；而IEEE802．15．4標準所采用的CSMA／CA機制無論信道是什么狀態(tài)都會退避計時，只有退避計時結束后，才會執(zhí)行CCA檢測。因此，IEEE802．15．4的MAC協(xié)議不能像直接采用IEEE802．11e協(xié)議的QoS支持。而如何針對電能表集抄數(shù)據傳輸?shù)奶攸c在無線傳感器網絡IEEE802．15．4協(xié)議中加入與IEEE802．11e相似的QoS服務，是本文研究的重點。
    依據IEEE802．11e可區(qū)分數(shù)據包優(yōu)先級的要求，高優(yōu)先級數(shù)據性能的提高是以犧牲低優(yōu)先級數(shù)據傳輸質量為代價的。由于DL／T645數(shù)據包具有三個優(yōu)先級的不同QoS需要，因此，對QoS—MAC層模型在每個數(shù)據節(jié)點設置三種優(yōu)先級數(shù)據緩沖隊列，同時采用帶沖突避免的載波來偵聽多路訪問協(xié)議(CSMA／CA)，以避免成功接入的隊列與其它隊列之間的碰撞，每個隊列采用相應的接入等級。在DL／T645的三種優(yōu)先級隊列中，較高級別的優(yōu)先級緩沖隊列內的數(shù)據優(yōu)先發(fā)送，僅當較高一級優(yōu)先級緩沖隊列空閑時，才發(fā)送較低優(yōu)先級緩沖隊列中的數(shù)據。本文還建立了三個優(yōu)先級別隊列的通信延時、有效吞吐率和數(shù)據包信道沖撞率的數(shù)學模型，以衡量電能表集抄數(shù)據在無線傳感器網絡中傳輸?shù)男阅茉u價。
    本模型的對象是在一個集中區(qū)域電能表集抄無線傳感器網絡子網中，包含1個協(xié)調器節(jié)點和N個無線自動集中抄表設備節(jié)點，其三維馬爾科夫鏈的隊列模型如圖1所示。

    假設所有節(jié)點都相互影響對方的信道使用，多功能電能表抄表通信DL／T645協(xié)議中的三種優(yōu)先級數(shù)據分別存放于3個不同的緩沖隊列中。符號(·)0中的上標0表示發(fā)送DL／T645高優(yōu)先級數(shù)據無線傳感器網絡節(jié)點，(·)1表示發(fā)送DL／T645中優(yōu)先級數(shù)據節(jié)點，(·)2表示發(fā)送DL／T645低優(yōu)先級數(shù)據節(jié)點。
    根據圖1所示的馬爾科夫鏈模型中p0p1p2p3之間的關系，就可推導出電能表集抄無線傳感器網絡的要發(fā)送數(shù)據節(jié)點數(shù)為N個，其中n0、n1和n2個節(jié)點分別為有DL／T645高優(yōu)先級、中優(yōu)先級、低優(yōu)先級數(shù)據傳送，其它n3個節(jié)點無數(shù)據發(fā)送的概率記為Qn0,n1,n2，并由下式表示：
   
    考慮到兩個連續(xù)時間單位內無線信道的狀態(tài)，當前信道為空閑狀態(tài)的概率Pi=Pi|i·Pi+Pi|b(1-Pi)，其中Pi|i(Pi|b)是前一個時間單位內信道是空閑(繁忙)狀態(tài)的條件下當前信道為空閑狀態(tài)的條件概率。信道由繁忙狀態(tài)轉為空閑的概率，其中是數(shù)據包的平均發(fā)送時間。因此，對于DL／T645協(xié)議中的三個優(yōu)先級節(jié)點檢測信道是空閑的概率分別可用下式表示：
   
    對于DL／T645高優(yōu)先級數(shù)據節(jié)點，信道在兩個時間單位都是空閑的概率等于其它所有三個優(yōu)先級數(shù)據節(jié)點都沒有檢測信道的概率：

    其中Q1，Q2是節(jié)點發(fā)送DL／T645中優(yōu)先級數(shù)據和發(fā)送DL／T645低優(yōu)先級數(shù)據的概率，那么，發(fā)送DL／T645高優(yōu)先級數(shù)據節(jié)點檢測信道的概率τ0為：


3 基于DL／T645規(guī)約的改進型無線傳感器網絡QoS-MAC協(xié)議性能分析
    網絡性能是網絡或網絡元素在用戶之間提供與通信相關的能力，它涉及一系列網絡傳輸能力的指標，包括連通性、傳輸延時、帶寬容量、有效吞吐率、丟包率、信道沖突率和時延變化等。在無線網絡QoS性能研究中，一般比較重要的幾個服務質量標準為吞吐量、時延、信道沖突率。為衡量文中所提出的改進型QoS—MAC層無線傳感器IEEE802．15．4協(xié)議，一般需要建立相應的兩個性能模型。
    (1)傳輸延時模型
    在本電能表集抄無線傳感器網絡性能模型中，實際應用中的傳播時延和處理時延影響為定值，為計算方便，在性能分析中可以不訊可以把載波偵聽時延、退避時延、退避時延合并為當前數(shù)據包服務時間，隊列時延即變成隊列中同優(yōu)先級數(shù)據服務總時間。
    (2)網絡有效數(shù)據吞吐率模型
    當信道上發(fā)生傳輸碰撞和傳輸錯誤時，必然導致幀的丟失，這時信道時間被浪費。很顯然，信道傳輸時間浪費率可以反映一個網絡性能的優(yōu)劣。單位時間內信道上成功傳輸數(shù)據的信息量稱為吞吐率。有效吞吐率是指實際傳輸數(shù)據的吞吐量，是衡量網絡內數(shù)據包傳輸可靠性的參數(shù)。定義歸一化系統(tǒng)吞吐率G為信道上成功傳輸?shù)挠行лd荷，則可以把G表示為一個時隙內成功傳送的有效數(shù)據的平均值與一個時隙的長度的比值。
    為了測試本文提出的QoS—MAC協(xié)議，可使用以上電能表集抄網絡模型在Matlab中編寫算法，并對基于DL／T645的抄表無線傳感器網絡進行算法理論建模。在測試模型中，假設有1個無線傳感器網絡協(xié)調器和10個節(jié)點組成一個抄表無線傳感器網絡子網模型。設每個DL／T645抄表數(shù)據包的長度為50字節(jié)，節(jié)點占用信道的傳輸時間(包括傳輸、應答時間及數(shù)據幀間隔時間(Inter Frame Space，IFS)為157 symbols。DL／  T645的三個優(yōu)先級數(shù)據的緩沖隊列長度都是6個數(shù)據包(300字節(jié))。在此服務的碰撞機制中，設置DL／T645高優(yōu)先級數(shù)據的最大退避次數(shù)為15次，每次退避時間固定為20 symbols，DL／T645中優(yōu)先級數(shù)據的數(shù)據包最大退避次數(shù)為10次，DL／T645低優(yōu)先級數(shù)據的數(shù)據包退避時間可按IEEE802．15．4協(xié)議默認數(shù)據設置，其最大退避次數(shù)為5次。
    設每個基于DL／T645的抄表無線傳感器網絡節(jié)點都有DL／T645高、中、低優(yōu)先級數(shù)據發(fā)送，并設DL／T645低優(yōu)先級為變量，DL／T645中、高優(yōu)先級變化，則可編寫代碼實現(xiàn)DL／T645三個優(yōu)先級數(shù)據發(fā)送，觀察DL／T645高、中、低優(yōu)先級數(shù)據相互的影響。分析測試數(shù)據分別設置為高優(yōu)先級數(shù)據產生率為8 kb／s，在特殊情況下，高優(yōu)先級數(shù)據倍增(16 kb／s)；中優(yōu)先級數(shù)據產生率為8 kb／s，在特殊情況下，中優(yōu)先級數(shù)據倍增(16 kb／s)；低優(yōu)先級數(shù)據產生率從0．4 kb／s增加到24 kb／s。
    根據上述分析測試數(shù)據設置，Matlab的計算結果如圖2和圖3所示。 圖中，DL／T645_high、DL／T645_mid、DL／T645_low分別表示高、中、低優(yōu)先級數(shù)據的各種性能曲線。

    由圖2所示的數(shù)據傳輸延時模型分析測試結果可以看出：DL／T645中優(yōu)先級的傳輸延時影響較小，DL／T645高優(yōu)先級數(shù)據的傳輸幾乎不受影響。當DL／T645低優(yōu)先級的數(shù)據產生率很大時，DL／T645的高、中優(yōu)先級的數(shù)據能保持較低的傳輸延時。因此，此QoS—MAC可為電能表集抄系統(tǒng)的緊急數(shù)據提供不受其它數(shù)據影響的傳輸延時保證。
    圖3所示為數(shù)據傳輸有效吞吐率分析測試結果。隨著DL／T645低優(yōu)先級數(shù)據產生率的增加，有效吞吐率明顯下降。在網絡負擔比較大的極端情況下，大量DL／T645低優(yōu)選級數(shù)據不能完成傳送，DL／T645中優(yōu)先級影響較小，而DL／T645高優(yōu)先級的數(shù)據幾乎不受影響，因而能保持較大的網絡有效吞吐率。

4 結語
    本文根據多功能電能表傳輸DL／T645規(guī)約數(shù)據通信的要求，提出了一種QoS—MAC層的網絡構架，并對電能表集抄DL／T645規(guī)約中各數(shù)據通信特點進行了分析，根據傳輸數(shù)據的實時性和可靠性找出了一種優(yōu)化的數(shù)據分級方式。本文將DL／T645規(guī)約數(shù)據分為三個優(yōu)先級，并根據DL／T645高、中、低優(yōu)先級的數(shù)據傳輸需求，通過分析CSMA／CA機制和修改無線傳感網絡的MAC層協(xié)議，建立了QoS—MAC的CSMA／CA機制數(shù)學模型，實現(xiàn)了MAC層對QoS的支持。最后在不同數(shù)據產生率下，通過Matlab軟件進行了算法實現(xiàn)，并在理論層次對所提出的QoS—MAC協(xié)議網絡傳輸性能進行了測試。
    本文所研究的內容涉及了多功能電能表集抄系統(tǒng)中的無線傳感器網絡通信技術的一個方面，雖然做了較全面的研究，但限于篇幅以及筆者水平，一些模型可能分析得不夠深入。未來隨著無線傳感器網絡技術的發(fā)展，會不斷有新的無線MAC層協(xié)議出現(xiàn)，如何將這些技術應用于多功能電能表自動集中抄表系統(tǒng)，還有待今后進一步的深入研究。