基于DL/T645規(guī)約的電能表集抄無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)以其 能夠協(xié)作感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的信息而成為最近幾年無 線通信領(lǐng)域一個最重要的研究熱點(diǎn)，并已引起了學(xué)術(shù)界和工 業(yè)界的高度重視，被專家譽(yù)為是將對2l世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的 技術(shù)之一 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于國防軍事技術(shù)、環(huán) 境信息監(jiān)測、城市交通管理、醫(yī)療設(shè)備、工農(nóng)業(yè)監(jiān)測與控制 等領(lǐng)域。在電能表集抄技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸中，人們對于無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的期待是：如何用簡潔的協(xié)議棧來支持網(wǎng)絡(luò)的 有效運(yùn)行；如何利用廣播信息，就可以避免交互應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議，可使網(wǎng)絡(luò)中 能量獲得最大的節(jié)省，可隨時接入大量節(jié)點(diǎn)，而且具有高容 錯性、強(qiáng)魯棒性(即系統(tǒng)的健壯性)等。

我國電能表集抄技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)完全的RF 冗余和多數(shù)據(jù)通道，能夠自我建構(gòu)、調(diào)整，智能分布式自組 織，能夠很好地對用電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測、診斷和響 應(yīng)等遠(yuǎn)程操作，并能對用電網(wǎng)絡(luò)中不斷變化的信息交換進(jìn)行 傳輸。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電能表集中抄表系統(tǒng)，越來 越成為一個研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)在 自動集中抄表系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸能力和 各通信終端自組網(wǎng)的能力［5'6o而基于DL/T645規(guī)約和兼容 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)在無線自組織多跳冗余網(wǎng)絡(luò)中能保 證無線數(shù)據(jù)的可靠傳輸。文獻(xiàn)提出了一種基于無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的配電專用無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過修改 IEEE802.15.4的MAC層協(xié)議，在不增加網(wǎng)絡(luò)通信開銷的條 件下，增加IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(jù)分 類。文獻(xiàn)［8］對實(shí)時業(yè)務(wù)中的不同QoS需要，考慮了數(shù)據(jù)包的 優(yōu)先級而提出了一種基于數(shù)據(jù)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(xué)模型進(jìn)行性能分 析。但是，此算法未結(jié)合電能表集抄數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。本文針 對電力DL/T645規(guī)約的電能表各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，以及電 能表集抄技術(shù)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求，分析了無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域里的相關(guān)協(xié)議，提出了一種改進(jìn)型的、基 于IEEE802.15.4 QoS-MAC層的網(wǎng)絡(luò)模型。通過對無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中加入QoS服務(wù)，對各類抄表數(shù)據(jù) 根據(jù)不同優(yōu)先級建立緩沖隊(duì)列，從而設(shè)計(jì)了一種具有實(shí)時性和 可靠性服務(wù)質(zhì)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議。為衡量無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信性能，文中還建立了數(shù)據(jù)通信性能的 評價(jià)模型，編制了網(wǎng)絡(luò)性能分析仿真算法，并在不同的抄表 數(shù)據(jù)產(chǎn)生率下，對所提出的QoS-MAC協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行 了 Matlab算法實(shí)現(xiàn)。最后，通過所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)分析測試環(huán)境， 并采用當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域熱門的Opnet14.5網(wǎng)絡(luò)仿真與 分析軟件進(jìn)行模擬仿真測試。結(jié)果表明，本文所提出的方法可 為電能表集抄數(shù)據(jù)傳輸提供可行而且有效的QoS服務(wù)。

1多功能電能表DL/T645規(guī)約對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。GB DL/T645—2007為2008 年6月1日之后實(shí)施的版本。DL/T645標(biāo)準(zhǔn)為統(tǒng)一和規(guī)范多功 能電能表與數(shù)據(jù)終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jì)量表在進(jìn) 行底層數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)時，由于DL/ T645規(guī)約中對集抄器響應(yīng)的通信數(shù)據(jù)具有不同的周期性、時 效性和緊急性図，因此，根據(jù)多功能電能表DL/T645規(guī)約的 數(shù)據(jù)特點(diǎn)，電表抄表數(shù)據(jù)可歸分為三類:

第一類是周期性測量數(shù)據(jù)，用于提供周期性的終端設(shè)備 工作狀態(tài)測量數(shù)據(jù)，包括多功能電能表的巡檢應(yīng)答信息、設(shè) 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(jù)，即由集抄終端設(shè)備每月定時 向集中器設(shè)備無線節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的用電信息，包括當(dāng) 前正向有功用電量、電表校時等。

第三類是緊急通信數(shù)據(jù)，包括在集抄終端設(shè)備處于非正 常狀態(tài)時，由集中器設(shè)備無線節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的緊急上 報(bào)數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程控制命令。

因此，系統(tǒng)需要為抄表無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)QoS機(jī) 制，使其能為緊急狀態(tài)數(shù)據(jù)提供更大的機(jī)會來爭取信道的使 用和較低可能數(shù)據(jù)的丟失，同時為時效性抄表數(shù)據(jù)提供較小 的通信延時服務(wù)；而對于周期性測量數(shù)據(jù)，在緊急狀態(tài)數(shù)據(jù) 和時效性抄表數(shù)據(jù)傳輸時，可減小其數(shù)據(jù)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(jù)傳輸?shù)挠绊憽?

為了減少信道沖突、減少緊急和時效數(shù)據(jù)的傳輸延時和 增加整個網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐率，需要對多功能電能表抄表數(shù)據(jù) 提供不同的Qos服務(wù)；同時，考慮到數(shù)據(jù)包的時效和緊急性, 數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級并不是越細(xì)越好。綜合考量，根據(jù)自動抄表 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(jù)包優(yōu)先級如表1所列。

表1 DL/T645數(shù)據(jù)包優(yōu)先級

2基于DL/T645規(guī)約的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

IEEE802.15.4 和 IEEE802.11e 雖然都采用 CSMA/CA 機(jī)制, 但兩者卻有所不同。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)所采用的CSMA/CA機(jī)制 始終檢測信道，只有在信道空閑的情況下才退避計(jì)時［10］;而 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所采用的CSMA/CA機(jī)制無論信道是什么狀 態(tài)都會退避計(jì)時,只有退避計(jì)時結(jié)束后，才會執(zhí)行CCA檢測［11］。 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(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)在無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)IEEE802.15.4協(xié)議中加入與IEEE802.11e相似的 QoS服務(wù)，是本文研究的重點(diǎn)。

依據(jù)IEEE802.11e可區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包優(yōu)先級的要求，高優(yōu)先 級數(shù)據(jù)性能的提高是以犧牲低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量為代價(jià)的 ［12］。由于DL/T645數(shù)據(jù)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(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置三種優(yōu)先級 數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)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(duì)列與其它隊(duì)列之間的 碰撞，每個隊(duì)列采用相應(yīng)的接入等級。在DL/T645的三種優(yōu) 先級隊(duì)列中，較高級別的優(yōu)先級緩沖隊(duì)列內(nèi)的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送, 僅當(dāng)較高一級優(yōu)先級緩沖隊(duì)列空閑時，才發(fā)送較低優(yōu)先級緩沖 隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。本文還建立了三個優(yōu)先級別隊(duì)列的通信延時、有效吞吐率和數(shù)據(jù)包信道沖撞率的數(shù)學(xué)模型，以衡量電能表集抄數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男阅茉u價(jià)。

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(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)中，包含 1 個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和 N 個無線自動集中抄表設(shè)備節(jié)點(diǎn)，其三維馬爾科夫鏈的隊(duì)列模型如圖 1 所示。

假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)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(jù)分別存放于3 個不同的緩沖隊(duì)列中。符號 (·)0 中的上標(biāo) 0 表示發(fā)送 DL/T645 高優(yōu)先級數(shù)據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，(·)1 表示發(fā)送 DL/T645 中優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，(·)2 表示發(fā)送 DL/T645 低優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)圖 1 所示的馬爾科夫鏈模型中 p0p1p2p3 之間的關(guān)系，就可推導(dǎo)出電能表集抄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 N 個，其中 n0、n1 和 n2 個節(jié)點(diǎn)分別為有 DL/T645 高優(yōu)先級、中優(yōu)先級、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳送，其它 n3 個節(jié)點(diǎn)無數(shù)據(jù)發(fā)送的概率記為 Qn n 0 1 , ,n2，并由下式表示 ：考慮到兩個連續(xù)時間單位內(nèi)無線信道的狀態(tài)，當(dāng)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) 是在前一個時間單位內(nèi)信道是空閑 ( 繁忙 ) 狀態(tài)的條件下當(dāng)前信道為空閑狀 態(tài)的條 件 概 率。 信道由繁 忙狀 態(tài) 轉(zhuǎn)為空閑的 概 率其中Ttx是數(shù)據(jù)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(diǎn)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(jù)節(jié)點(diǎn)，信道在兩個時間單位都是空閑的概率P|i i0等于其它所有三個優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都沒有檢測信道的概率 ：的節(jié)點(diǎn)的概率。τ0τ1τ2 是發(fā)送 DL/T645 三個優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)檢測信道的概率。同理，可求出 ：其中 Q1，Q2是節(jié)點(diǎn)發(fā)送 DL/T645 中優(yōu)先級數(shù)據(jù)和發(fā)送 DL/T645 低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的概率，那么，發(fā)送 DL/T645 高優(yōu)先級數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)檢測信道的概率 τ0 為 ：避和傳輸時間，bm0 是 DL/T645 高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包第 m 次的平均退避時間，1 是 CCA 檢測時間，Ttx 0 是 DL/T645 高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包傳輸平均時間。(1)P Pin i0 0-表示經(jīng)過 n 次退避獲得信道的概率 ；(n+1) 是指退避時間內(nèi)檢測信道的次數(shù) ；( 1)b01mmK00+=-/、( )1 - Pi0 K0和 K0 分別表示達(dá)到最大退避次數(shù) K 后沒有獲得信道退避時間、概率、和檢測信道的次數(shù)。同理，發(fā)送 DL/T645 中、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)檢測信道的概率τ1、τ2 可分別用下式表示 ：

3 基于 DL/T645 規(guī)約的改進(jìn)型無線傳感器網(wǎng)絡(luò) QoS-MAC協(xié)議性能分析

網(wǎng)絡(luò)性能是網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)元素在用戶之間提供與通信相關(guān)的能力，它涉及一系列網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的指標(biāo)，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(wǎng)絡(luò)QoS性能研究中，一般比較重要的幾個 服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為吞吐量、時延、信道沖突率凹。為衡量文中 所提出的改進(jìn)型QoS-MAC層無線傳感器IEEE802.15.4協(xié)議, 一般需要建立相應(yīng)的兩個性能模型。

傳輸延時模型

在本電能表集抄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能模型中，實(shí)際應(yīng)用 中的傳播時延和處理時延影響為定值，為計(jì)算方便，在性能 分析中可以不計(jì)?？梢园演d波偵聽時延、退避時延、退避時延 合并為當(dāng)前數(shù)據(jù)包服務(wù)時間，隊(duì)列時延即變成隊(duì)列中同優(yōu)先 級數(shù)據(jù)服務(wù)總時間。

網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)吞吐率模型

當(dāng)信道上發(fā)生傳輸碰撞和傳輸錯誤時，必然導(dǎo)致幀的丟 失，這時信道時間被浪費(fèi)。很顯然，信道傳輸時間浪費(fèi)率可以 反映一個網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。單位時間內(nèi)信道上成功傳輸數(shù)據(jù) 的信息量稱為吞吐率。有效吞吐率是指實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的吞吐 量，是衡量網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)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(nèi)成功傳送的有效數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)模型在Matlab中編寫算法，并對基于DL/T645的 抄表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算法理論建模。在測試模型中，假 設(shè)有1個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和10個節(jié)點(diǎn)組成一個抄表無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)模型。設(shè)每個DL/T645抄表數(shù)據(jù)包的長度 為50字節(jié)，節(jié)點(diǎn)占用信道的傳輸時間(包括傳輸、應(yīng)答時間 及數(shù)據(jù)幀間隔時間(Inter Frame Space，IFS)為 157 symbols? DL/T645的三個優(yōu)先級數(shù)據(jù)的緩沖隊(duì)列長度都是6個數(shù)據(jù) 包(300字節(jié))。在此服務(wù)的碰撞機(jī)制中，設(shè)置DL/T645高 優(yōu)先級數(shù)據(jù)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(jù)的數(shù)據(jù)包最大退避次 數(shù)為10次，DL/T645低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包退避時間可按 IEEE802.15.4協(xié)議默認(rèn)數(shù)據(jù)設(shè)置，其最大退避次數(shù)為5次。

設(shè)每個基于DL/T645的抄表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有 DL/T645高、中、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)發(fā)送，并設(shè)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(shí)現(xiàn) DL/T645三個優(yōu)先級數(shù)據(jù)發(fā)送，觀察DL/T645高、中、低優(yōu) 先級數(shù)據(jù)相互的影響。分析測試數(shù)據(jù)分別設(shè)置為高優(yōu)先級數(shù) 據(jù)產(chǎn)生率為8 kb/s，在特殊情況下，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)倍增(16 kb/s)； 中優(yōu)先級數(shù)據(jù)產(chǎn)生率為8 kb/s，在特殊情況下，中優(yōu)先級數(shù)據(jù) 倍增(16 kb/s)；低優(yōu)先級數(shù)據(jù)產(chǎn)生率從0.4 kb/s增加到24 kb/s。

根據(jù)上述分析測試數(shù)據(jù)設(shè)置，Matlab的計(jì)算結(jié)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(jù)的各種性能曲線。

由圖 2 所示的數(shù)據(jù)傳輸延時模型分析測試結(jié)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(jù)的傳輸幾乎不受影響。當(dāng) DL/T645 低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率很大時，DL/T645 的高、中優(yōu)先級的數(shù)據(jù)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(jù)提供不受其它數(shù)據(jù)影響的傳輸延時保證。

圖 3 所示為數(shù)據(jù)傳輸有效吞吐率分析測試結(jié)果。隨著DL/T645 低優(yōu)先級數(shù)據(jù)產(chǎn)生率的增加，有效吞吐率明顯下降。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)比較大的極端情況下，大量 DL/T645 低優(yōu)選級數(shù)據(jù)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(jù)幾乎不受影響，因而能保持較大的網(wǎng)絡(luò)有效吞吐率。

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