基于DL／T645規約的電能表集抄無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議設計

摘要：隨著(zhù)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(shí)時(shí)管理，以及對抄表數據的通信需求成為一項重要的研究課題。將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )用于多功能電能表數據通信，需解決各層協(xié)議的通信機制和與DL／T645規約匹配等問(wèn)題。文中提出了一種改進(jìn)型的基于IEEE802．15．4的QoS—MAC協(xié)議，并針對電力DL／T645規約的電能表各類(lèi)數據傳輸的特點(diǎn)以及集中抄表無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據通信需求，構造了一種具有實(shí)時(shí)性和可靠性服務(wù)質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC層模型。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；QoS—MAC層模型；DL／T645規約；數據傳輸

0 引言
無(wú)線(xiàn)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 )分布區域的信息而成為最近幾年無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域一個(gè)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(zhuān)家譽(yù)為是將對21世紀產(chǎn)生巨大影響的技術(shù)之一。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )被廣泛應用于國防軍事技術(shù)、環(huán)境信息監測、城市交通管理、醫療設備、工農業(yè)監測與控制等領(lǐng)域。在電能表集抄技術(shù)的數據傳輸中，人們對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的期待是：如何用簡(jiǎn)潔的協(xié)議棧來(lái)支持網(wǎng)絡(luò )的有效運行；如何利用廣播信息，就可以避免交互應答；如何得到簡(jiǎn)化的協(xié)議層次和精簡(jiǎn)的信令方式；如何節省系統的開(kāi)銷(xiāo)等。一些專(zhuān)用于無(wú)線(xiàn)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省，可隨時(shí)接入大量節點(diǎn)，而且具有高容錯性、強魯棒性(即系統的健壯性)等。
我國電能表集抄技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信研究起步較晚，但是目前已越來(lái)越受重視。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )完全的RF冗余和多數據通道，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(wǎng)絡(luò )設備的運行進(jìn)行監測、診斷和響應等遠程操作，并能對用電網(wǎng)絡(luò )中不斷變化的信息交換進(jìn)行傳輸。將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用于電能表集中抄表系統，越來(lái)越成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的ZigBee技術(shù)在自動(dòng)集中抄表系統的應用，能夠提高數據的穩定傳輸能力和各通信終端自組網(wǎng)的能力。而基于DL／T645規約和兼容IEEE802．15．4標準的技術(shù)在無(wú)線(xiàn)自組織多跳冗余網(wǎng)絡(luò )中能保證無(wú)線(xiàn)數據的可靠傳輸。文獻提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的配電專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，并通過(guò)修改IEEE802．15．4的MAC層協(xié)議，在不增加網(wǎng)絡(luò )通信開(kāi)銷(xiāo)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(gè)優(yōu)先級通信，因而不能更好地對DL／T645規約數據分類(lèi)。文獻對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中的不同QoS需要，考慮了數據包的優(yōu)先級而提出了一種基于數據包優(yōu)先級的DCF(PMDCF)，并采用馬爾科夫鏈方法對基于PMDCF的數學(xué)模型進(jìn)行性能分析。但是，此算法未結合電能表集抄數據進(jìn)行研究。本文針對電力DL／T645規約的電能表各類(lèi)數據傳輸的特點(diǎn)，以及電能表集抄技術(shù)中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信需求，分析了無(wú)線(xiàn)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(guò)對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )IEEE802．15．4標準中加入QoS服務(wù)，對各類(lèi)抄表數據根據不同優(yōu)先級建立緩沖隊列，從而設計了一種具有實(shí)時(shí)性和可靠性服務(wù)質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC層協(xié)議。為衡量無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據通信性能，文中還建立了數據通信性能的評價(jià)模型，編制了網(wǎng)絡(luò )性能分析仿真算法，并在不同的抄表數據產(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。最后，通過(guò)所設計的網(wǎng)絡(luò )分析測試環(huán)境，并采用當前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域熱門(mén)的Opnet 14．5網(wǎng)絡(luò )仿真與分析軟件進(jìn)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據傳輸提供可行而且有效的QoS服務(wù)。

1 多功能電能表DL／T645規約對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據通信的需求
DL／T645通信規約又稱(chēng)多功能電能表通信規約，是我國電力行業(yè)的一個(gè)強制執行標準。GB DL／T645—2007為2008年6月1日之后實(shí)施的版本。DL／T645標準為統一和規范多功能電能表與數據終端設備進(jìn)行數據交換提供了物理連接和協(xié)議。不論載體是有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)，所有的多功能電能計量表在進(jìn)行底層數據傳輸時(shí)，均要采用此通信規約。
在電能表集抄無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中傳輸數據時(shí)，由于DL／T645規約中對集抄器響應的通信數據具有不同的周期性、時(shí)效性和緊急性，因此，根據多功能電能表DL／T645規約的數據特點(diǎn)，電表抄表數據可歸分為三類(lèi)：
第一類(lèi)是周期性測量數據，用于提供周期性的終端設備工作狀態(tài)測量數據，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(lèi)是時(shí)效性抄表數據，即由集抄終端設備每月定時(shí)向集中器設備無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)或協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)出的用電信息，包括當前正向有功用電量、電表校時(shí)等。
第三類(lèi)是緊急通信數據，包括在集抄終端設備處于非正常狀態(tài)時(shí)，由集中器設備無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)或協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)出的緊急上報數據及遠程控制命令。
因此，系統需要為抄表無(wú)線(xiàn)傳感器通信網(wǎng)絡(luò )設計QoS機制，使其能為緊急狀態(tài)數據提供更大的機會(huì )來(lái)爭取信道的使用和較低可能數據的丟失，同時(shí)為時(shí)效性抄表數據提供較小的通信延時(shí)服務(wù)；而對于周期性測量數據，在緊急狀態(tài)數據和時(shí)效性抄表數據傳輸時(shí)，可減小其數據的吞吐量，使得在集抄終端出現緊急狀況時(shí)，用電管理部門(mén)能夠及時(shí)接收到錯誤提示，而不受其它測量數據傳輸的影響。
為了減少信道沖突、減少緊急和時(shí)效數據的傳輸延時(shí)和增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的有效吞吐率，需要對多功能電能表抄表數據提供不同的QoS服務(wù)；同時(shí)，考慮到數據包的時(shí)效和緊急性，數據包的優(yōu)先級并不是越細越好。綜合考量，根據自動(dòng)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(lèi)，這三種數據包優(yōu)先級如表1所列。