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

摘要：隨著智能電網(wǎng)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(jù)的通信需求成為一項重要的研究課題。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于多功能電能表數(shù)據(jù)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(jù)傳輸的特點以及集中抄表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信需求，構(gòu)造了一種具有實時性和可靠性服務(wù)質(zhì)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層模型。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；QoS—MAC層模型；DL／T645規(guī)約；數(shù)據(jù)傳輸

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networlks，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，并已引起了學術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被專家譽為是將對21世紀產(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，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(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)備的運行進行監(jiān)測、診斷和響應(yīng)等遠程操作，并能對用電網(wǎng)絡(luò)中不斷變化的信息交換進行傳輸。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。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。而基于DL／T645規(guī)約和兼容IEEE802．15．4標準的技術(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)拓撲結(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(jù)分類。文獻對實時業(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)學模型進行性能分析。但是，此算法未結(jié)合電能表集抄數(shù)據(jù)進行研究。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，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標準中加入QoS服務(wù)，對各類抄表數(shù)據(jù)根據(jù)不同優(yōu)先級建立緩沖隊列，從而設(shè)計了一種具有實時性和可靠性服務(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)傳輸性能進行了Matlab算法實現(xiàn)。最后，通過所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)分析測試環(huán)境，并采用當前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域熱門的Opnet 14．5網(wǎng)絡(luò)仿真與分析軟件進行模擬仿真測試。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(jù)終端設(shè)備進行數(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量表在進行底層數(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，因此，根據(jù)多功能電能表DL／T645規(guī)約的數(shù)據(jù)特點，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)點或協(xié)調(diào)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(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)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出的緊急上報數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計QoS機制，使其能為緊急狀態(tài)數(shù)據(jù)提供更大的機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?br /> 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)先級并不是越細越好。綜合考量，根據(jù)自動抄表通信網(wǎng)絡(luò)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(jù)包優(yōu)先級如表1所列。