基于DL／T645规约的电能表集抄无线传感器网络MAC协议设计

摘要：随着智能电网的发展，电力行业对各种电能表终端的远程、实时管理，以及对抄表数据的通信需求成为一项重要的研究课题。将无线传感器网络用于多功能电能表数据通信，需解决各层协议的通信机制和与DL／T645规约匹配等问题。文中提出了一种改进型的基于IEEE802．15．4的QoS—MAC协议，并针对电力DL／T645规约的电能表各类数据传输的特点以及集中抄表无线传感器网络的数据通信需求，构造了一种具有实时性和可靠性服务质量的无线传感器网络MAC层模型。
关键词：无线传感器网络；QoS—MAC层模型；DL／T645规约；数据传输

0 引言
    无线传感器网络(Wireless Sensor Networlks，WSN)以其能够协作感知和采集网络分布区域的信息而成为最近几年无线通信领域一个最重要的研究热点，并已引起了学术界和工业界的高度重视，被专家誉为是将对21世纪产生巨大影响的技术之一。无线传感器网络被广泛应用于国防军事技术、环境信息监测、城市交通管理、医疗设备、工农业监测与控制等领域。在电能表集抄技术的数据传输中，人们对于无线传感器网络技术的期待是：如何用简洁的协议栈来支持网络的有效运行；如何利用广播信息，就可以避免交互应答；如何得到简化的协议层次和精简的信令方式；如何节省系统的开销等。一些专用于无线传感器网络中的通信协议，可使网络中能量获得最大的节省，可随时接入大量节点，而且具有高容错性、强鲁棒性(即系统的健壮性)等。
    我国电能表集抄技术的无线传感器网络通信研究起步较晚，但是目前已越来越受重视。无线传感器网络完全的RF冗余和多数据通道，能够自我建构、调整，智能分布式自组织，能够很好地对用电网络设备的运行进行监测、诊断和响应等远程操作，并能对用电网络中不断变化的信息交换进行传输。将无线传感器网络应用于电能表集中抄表系统，越来越成为一个研究热点。无线传感器网络的ZigBee技术在自动集中抄表系统的应用，能够提高数据的稳定传输能力和各通信终端自组网的能力。而基于DL／T645规约和兼容IEEE802．15．4标准的技术在无线自组织多跳冗余网络中能保证无线数据的可靠传输。文献提出了一种基于无线传感器网络技术的配电专用无线通信网络拓扑结构，并通过修改IEEE802．15．4的MAC层协议，在不增加网络通信开销的条件下，增加IEEE802．15．4标准对QoS的支持。但其只建立高低两个优先级通信，因而不能更好地对DL／T645规约数据分类。文献对实时业务中的不同QoS需要，考虑了数据包的优先级而提出了一种基于数据包优先级的DCF(PMDCF)，并采用马尔科夫链方法对基于PMDCF的数学模型进行性能分析。但是，此算法未结合电能表集抄数据进行研究。本文针对电力DL／T645规约的电能表各类数据传输的特点，以及电能表集抄技术中无线传感器网络的通信需求，分析了无线传感器网络技术领域里的相关协议，提出了一种改进型的、基于IEEE802．15．4 QoS-MAC层的网络模型。通过对无线传感器网络IEEE802．15．4标准中加入QoS服务，对各类抄表数据根据不同优先级建立缓冲队列，从而设计了一种具有实时性和可靠性服务质量的无线传感器网络MAC层协议。为衡量无线传感器网络的数据通信性能，文中还建立了数据通信性能的评价模型，编制了网络性能分析仿真算法，并在不同的抄表数据产生率下，对所提出的QoS—MAC协议网络传输性能进行了Matlab算法实现。最后，通过所设计的网络分析测试环境，并采用当前无线传感器网络领域热门的Opnet 14．5网络仿真与分析软件进行模拟仿真测试。结果表明，本文所提出的方法可为电能表集抄数据传输提供可行而且有效的QoS服务。

1 多功能电能表DL／T645规约对无线传感器网络数据通信的需求
    DL／T645通信规约又称多功能电能表通信规约，是我国电力行业的一个强制执行标准。GB DL／T645—2007为2008年6月1日之后实施的版本。DL／T645标准为统一和规范多功能电能表与数据终端设备进行数据交换提供了物理连接和协议。不论载体是有线或无线，所有的多功能电能计量表在进行底层数据传输时，均要采用此通信规约。
    在电能表集抄无线传感器网络中传输数据时，由于DL／T645规约中对集抄器响应的通信数据具有不同的周期性、时效性和紧急性，因此，根据多功能电能表DL／T645规约的数据特点，电表抄表数据可归分为三类：
    第一类是周期性测量数据，用于提供周期性的终端设备工作状态测量数据，包括多功能电能表的巡检应答信息、设备状态信息和功率使用信息；
    第二类是时效性抄表数据，即由集抄终端设备每月定时向集中器设备无线节点或协调器节点发出的用电信息，包括当前正向有功用电量、电表校时等。
    第三类是紧急通信数据，包括在集抄终端设备处于非正常状态时，由集中器设备无线节点或协调器节点发出的紧急上报数据及远程控制命令。
    因此，系统需要为抄表无线传感器通信网络设计QoS机制，使其能为紧急状态数据提供更大的机会来争取信道的使用和较低可能数据的丢失，同时为时效性抄表数据提供较小的通信延时服务；而对于周期性测量数据，在紧急状态数据和时效性抄表数据传输时，可减小其数据的吞吐量，使得在集抄终端出现紧急状况时，用电管理部门能够及时接收到错误提示，而不受其它测量数据传输的影响。
    为了减少信道冲突、减少紧急和时效数据的传输延时和增加整个网络的有效吞吐率，需要对多功能电能表抄表数据提供不同的QoS服务；同时，考虑到数据包的时效和紧急性，数据包的优先级并不是越细越好。综合考量，根据自动抄表通信网络实际要求的不同QoS需要，其优先级可归分为三类，这三种数据包优先级如表1所列。

2 基于DL／T645规约的无线传感器网络QoS—MAC协议设计
    IEEE802．15．4和IEEE802．11e虽然都采用CSMA／CA机制，但两者却有所不同。IEEE802．11标准所采用的CSMA／CA机制始终检测信道，只有在信道空闲的情况下才退避计时；而IEEE802．15．4标准所采用的CSMA／CA机制无论信道是什么状态都会退避计时，只有退避计时结束后，才会执行CCA检测。因此，IEEE802．15．4的MAC协议不能像直接采用IEEE802．11e协议的QoS支持。而如何针对电能表集抄数据传输的特点在无线传感器网络IEEE802．15．4协议中加入与IEEE802．11e相似的QoS服务，是本文研究的重点。
    依据IEEE802．11e可区分数据包优先级的要求，高优先级数据性能的提高是以牺牲低优先级数据传输质量为代价的。由于DL／T645数据包具有三个优先级的不同QoS需要，因此，对QoS—MAC层模型在每个数据节点设置三种优先级数据缓冲队列，同时采用带冲突避免的载波来侦听多路访问协议(CSMA／CA)，以避免成功接入的队列与其它队列之间的碰撞，每个队列采用相应的接入等级。在DL／T645的三种优先级队列中，较高级别的优先级缓冲队列内的数据优先发送，仅当较高一级优先级缓冲队列空闲时，才发送较低优先级缓冲队列中的数据。本文还建立了三个优先级别队列的通信延时、有效吞吐率和数据包信道冲撞率的数学模型，以衡量电能表集抄数据在无线传感器网络中传输的性能评价。
    本模型的对象是在一个集中区域电能表集抄无线传感器网络子网中，包含1个协调器节点和N个无线自动集中抄表设备节点，其三维马尔科夫链的队列模型如图1所示。

    假设所有节点都相互影响对方的信道使用，多功能电能表抄表通信DL／T645协议中的三种优先级数据分别存放于3个不同的缓冲队列中。符号(·)0中的上标0表示发送DL／T645高优先级数据无线传感器网络节点，(·)1表示发送DL／T645中优先级数据节点，(·)2表示发送DL／T645低优先级数据节点。
    根据图1所示的马尔科夫链模型中p0p1p2p3之间的关系，就可推导出电能表集抄无线传感器网络的要发送数据节点数为N个，其中n0、n1和n2个节点分别为有DL／T645高优先级、中优先级、低优先级数据传送，其它n3个节点无数据发送的概率记为Qn0,n1,n2，并由下式表示：
   
    考虑到两个连续时间单位内无线信道的状态，当前信道为空闲状态的概率Pi=Pi|i·Pi+Pi|b(1-Pi)，其中Pi|i(Pi|b)是前一个时间单位内信道是空闲(繁忙)状态的条件下当前信道为空闲状态的条件概率。信道由繁忙状态转为空闲的概率，其中是数据包的平均发送时间。因此，对于DL／T645协议中的三个优先级节点检测信道是空闲的概率分别可用下式表示：
   
    对于DL／T645高优先级数据节点，信道在两个时间单位都是空闲的概率等于其它所有三个优先级数据节点都没有检测信道的概率：

    其中Q1，Q2是节点发送DL／T645中优先级数据和发送DL／T645低优先级数据的概率，那么，发送DL／T645高优先级数据节点检测信道的概率τ0为：


3 基于DL／T645规约的改进型无线传感器网络QoS-MAC协议性能分析
    网络性能是网络或网络元素在用户之间提供与通信相关的能力，它涉及一系列网络传输能力的指标，包括连通性、传输延时、带宽容量、有效吞吐率、丢包率、信道冲突率和时延变化等。在无线网络QoS性能研究中，一般比较重要的几个服务质量标准为吞吐量、时延、信道冲突率。为衡量文中所提出的改进型QoS—MAC层无线传感器IEEE802．15．4协议，一般需要建立相应的两个性能模型。
    (1)传输延时模型
    在本电能表集抄无线传感器网络性能模型中，实际应用中的传播时延和处理时延影响为定值，为计算方便，在性能分析中可以不讯可以把载波侦听时延、退避时延、退避时延合并为当前数据包服务时间，队列时延即变成队列中同优先级数据服务总时间。
    (2)网络有效数据吞吐率模型
    当信道上发生传输碰撞和传输错误时，必然导致帧的丢失，这时信道时间被浪费。很显然，信道传输时间浪费率可以反映一个网络性能的优劣。单位时间内信道上成功传输数据的信息量称为吞吐率。有效吞吐率是指实际传输数据的吞吐量，是衡量网络内数据包传输可靠性的参数。定义归一化系统吞吐率G为信道上成功传输的有效载荷，则可以把G表示为一个时隙内成功传送的有效数据的平均值与一个时隙的长度的比值。
    为了测试本文提出的QoS—MAC协议，可使用以上电能表集抄网络模型在Matlab中编写算法，并对基于DL／T645的抄表无线传感器网络进行算法理论建模。在测试模型中，假设有1个无线传感器网络协调器和10个节点组成一个抄表无线传感器网络子网模型。设每个DL／T645抄表数据包的长度为50字节，节点占用信道的传输时间(包括传输、应答时间及数据帧间隔时间(Inter Frame Space，IFS)为157 symbols。DL／  T645的三个优先级数据的缓冲队列长度都是6个数据包(300字节)。在此服务的碰撞机制中，设置DL／T645高优先级数据的最大退避次数为15次，每次退避时间固定为20 symbols，DL／T645中优先级数据的数据包最大退避次数为10次，DL／T645低优先级数据的数据包退避时间可按IEEE802．15．4协议默认数据设置，其最大退避次数为5次。
    设每个基于DL／T645的抄表无线传感器网络节点都有DL／T645高、中、低优先级数据发送，并设DL／T645低优先级为变量，DL／T645中、高优先级变化，则可编写代码实现DL／T645三个优先级数据发送，观察DL／T645高、中、低优先级数据相互的影响。分析测试数据分别设置为高优先级数据产生率为8 kb／s，在特殊情况下，高优先级数据倍增(16 kb／s)；中优先级数据产生率为8 kb／s，在特殊情况下，中优先级数据倍增(16 kb／s)；低优先级数据产生率从0．4 kb／s增加到24 kb／s。
    根据上述分析测试数据设置，Matlab的计算结果如图2和图3所示。 图中，DL／T645_high、DL／T645_mid、DL／T645_low分别表示高、中、低优先级数据的各种性能曲线。

    由图2所示的数据传输延时模型分析测试结果可以看出：DL／T645中优先级的传输延时影响较小，DL／T645高优先级数据的传输几乎不受影响。当DL／T645低优先级的数据产生率很大时，DL／T645的高、中优先级的数据能保持较低的传输延时。因此，此QoS—MAC可为电能表集抄系统的紧急数据提供不受其它数据影响的传输延时保证。
    图3所示为数据传输有效吞吐率分析测试结果。随着DL／T645低优先级数据产生率的增加，有效吞吐率明显下降。在网络负担比较大的极端情况下，大量DL／T645低优选级数据不能完成传送，DL／T645中优先级影响较小，而DL／T645高优先级的数据几乎不受影响，因而能保持较大的网络有效吞吐率。

4 结语
    本文根据多功能电能表传输DL／T645规约数据通信的要求，提出了一种QoS—MAC层的网络构架，并对电能表集抄DL／T645规约中各数据通信特点进行了分析，根据传输数据的实时性和可靠性找出了一种优化的数据分级方式。本文将DL／T645规约数据分为三个优先级，并根据DL／T645高、中、低优先级的数据传输需求，通过分析CSMA／CA机制和修改无线传感网络的MAC层协议，建立了QoS—MAC的CSMA／CA机制数学模型，实现了MAC层对QoS的支持。最后在不同数据产生率下，通过Matlab软件进行了算法实现，并在理论层次对所提出的QoS—MAC协议网络传输性能进行了测试。
    本文所研究的内容涉及了多功能电能表集抄系统中的无线传感器网络通信技术的一个方面，虽然做了较全面的研究，但限于篇幅以及笔者水平，一些模型可能分析得不够深入。未来随着无线传感器网络技术的发展，会不断有新的无线MAC层协议出现，如何将这些技术应用于多功能电能表自动集中抄表系统，还有待今后进一步的深入研究。