物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳輸層動態(tài)通道保障機制

楊 挺，張倩倩，閻彥含，孫雨耕

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

在智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(intelligent home network system，IHNS)中，物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)[1]被廣泛用于各類智能家電設(shè)備間的信息交互和智能控制．系統(tǒng)中一類重要信息是用戶用電需求、實時用電量以及電壓/電流等電能質(zhì)量信息．用戶可將該信息結(jié)合實時電價獲知用電費用，合理安排用電計劃，節(jié)省電能開銷．并且這類源于用戶側(cè)的電量和電能質(zhì)量信息是智能電網(wǎng)/城市配電網(wǎng)負荷側(cè)的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析可獲得地區(qū)性、季節(jié)性用電特征，將最終決定電能交互系統(tǒng)的運行狀態(tài)和電網(wǎng)運營模式[2]．因此需要在發(fā)電側(cè)、輸/配電網(wǎng)和用戶側(cè)之間建立安全可靠的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，建立高級量測體系(advance measurement infrastructure，AMI)，實現(xiàn)電氣信息準確測量和傳輸[3-4]．

目前，城市配網(wǎng)系統(tǒng)通過同步數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)(synchronous digital hierarchy，SDH)和自動交換光網(wǎng)絡(luò)(automatically switched optical network，ASON)[5]已實現(xiàn)高帶寬光纖可靠通信．但 AMI還存在一個挑戰(zhàn)性問題――網(wǎng)絡(luò)延設(shè)到用戶端的“最后一公里”通信(last mile communication，LMC)．其困難在于，首先用戶側(cè)智能終端種類多，數(shù)量大，需要考慮網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的經(jīng)濟性；其次，用戶側(cè)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜和接入需求的多樣性阻礙了可靠通信的實現(xiàn)．

無線通信技術(shù)的快捷多址接入和物聯(lián)網(wǎng)的靈活組網(wǎng)結(jié)構(gòu)為解決以上問題提供了理論支持和有效技術(shù)保障，被廣泛關(guān)注并研究．其中確保數(shù)據(jù)的傳輸完整性、時效性和正確性是 AMI用戶側(cè) LMC應(yīng)用所需解決的核心問題．關(guān)鍵負荷控制命令的準確下達，突發(fā)事件監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速上報都將影響整個電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行．然而與光纖通信相比，無線信道的不穩(wěn)定性易造成丟包和延遲．分析 IP通信網(wǎng)絡(luò)，其底層協(xié)議采用的CSMA/CD技術(shù)和上層TCP重傳機制共同作用保證傳輸誤碼率在 10-12．然而無線通信如802.11,WLAN采用 CSMA/CA退避機制，即使采用糾錯編碼、反饋補償?shù)燃夹g(shù)，其誤碼率仍僅能夠達到10-5～10-8，高誤碼率將加重數(shù)據(jù)流的重傳[6]，致使整個物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸層面上呈現(xiàn)為一個非穩(wěn)定系統(tǒng)．因此，研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)高容錯數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜁r效性對實現(xiàn) AMI“最后一公里”信息交換具有重要意義．

筆者針對該問題，研究 AMI應(yīng)用中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)高容錯傳輸協(xié)議，提出一種動態(tài)附加傳輸通道保障機制(dynamic supplementary transmission channel guarantee mechanism，DSTC)．在數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)擁塞或丟包加速比陡增時，采用多代理技術(shù)在傳輸層動態(tài)建立附加通道將數(shù)據(jù)有效分攤，以降低傳輸延時和延遲抖動，提升物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整性和時效性．

1 無線通信傳輸層協(xié)議研究現(xiàn)狀

無線通信具有快速部署和便捷接入等優(yōu)勢，但信道可靠性低，高延遲和丟包率是成為其特殊場景應(yīng)用的最大阻礙．為實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸可靠端到端服務(wù)，學(xué)者研究并提出了多種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議[7-8]，文獻[9]采用逐跳、無確認機制設(shè)計了 PSFQ(pump slowly，fetch quickly)協(xié)議．其依靠發(fā)布、索取和報告操作達到通信的可靠性：節(jié)點以相對較低的速度轉(zhuǎn)移(發(fā)布)報文．當接收端一旦檢測到有數(shù)據(jù)丟失，該節(jié)點則嘗試快速地從鄰節(jié)點索取丟失數(shù)據(jù)的備份．文獻[10]采用逐跳恢復(fù)應(yīng)答方案提出 RBC(reliable bursty convergecast)協(xié)議．在傳輸中，中間節(jié)點為每個接收到的報文都做緩存處理，即 n次重復(fù)，直至接收報文的成功應(yīng)答后再緩存中刪除．因此 RBC協(xié)議是一種多重ACK機制．由于RBC協(xié)議是在所有中間節(jié)點對每個報文進行應(yīng)答，一旦收到 ACK應(yīng)答，節(jié)點就會清空緩存，這將有可能導(dǎo)致報文在意外丟失時無法從后向節(jié)點獲取備份重傳．由分析可知以上兩協(xié)議適用于兩節(jié)點直連的端到端傳輸．但更多的無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是信源到信宿節(jié)點間多跳傳輸，正如本文研究的從智能終端到戶內(nèi)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)融合接入點并接入AMI系統(tǒng)過程是通過多級中繼完成．因此需要針對自組織結(jié)構(gòu)的無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計可靠傳輸協(xié)議．

文獻[11]專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了修正TCP協(xié)議，DTC(distributed TCP caching)協(xié)議．它應(yīng)用基于 SACK的特殊算法通過逐跳恢復(fù)的方式提供上、下行通信的可靠性：目的節(jié)點周期性地發(fā)送一個SACK報文依照傳輸路徑回溯給源節(jié)點．在回溯傳播路徑上的每個中間節(jié)點作檢查并從緩存中刪除已收到的報文，未正確傳輸?shù)膱笪膶⒈辉撝虚g節(jié)點重傳．但這種回溯至信源節(jié)點的過程將延長整個數(shù)據(jù)傳輸時間，并且 SACK周期回溯和報文重傳過程將產(chǎn)生很大的流量，有可能導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)傳輸負載過重，形成局部擁塞．局部擁塞將導(dǎo)致后續(xù)數(shù)據(jù)包由于無法及時轉(zhuǎn)發(fā)而在中繼節(jié)點上丟棄，從而進一步觸發(fā)重傳過程，加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，因此協(xié)議容易引起擁塞窗口的頻繁調(diào)整、經(jīng)常處于慢啟動階段，導(dǎo)致連接吞吐量的急劇下降．然而電力通信應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸完整性和時效性具有較高需求，因為在規(guī)定時間內(nèi)損失了任何數(shù)據(jù)信息將有可能對整個能量交互系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來致命影響．因此，筆者以保證數(shù)據(jù)完整性，提升系統(tǒng)的傳輸時效性為目的，針對自組織結(jié)構(gòu)多跳無線傳輸物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計傳輸層動態(tài)保障機制．

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和數(shù)學(xué)模型建立

智能電網(wǎng)是高效合理利用可再生能源，解決能源危機的有效手段[12]．與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，智能電網(wǎng)的一個顯著特點是能夠通過高級量測體系A(chǔ)MI準確獲取用戶側(cè)用電需求，并通過系統(tǒng)智能決策，合理分配能量供給，提升能源利用率[13]．當 AMI系統(tǒng)延伸至用戶側(cè)，量取用電量和本地電能質(zhì)量信息并進行細粒度負荷控制時，系統(tǒng)對通信組網(wǎng)和通信能力便提出了更高的要求：①大規(guī)模組網(wǎng)要求，AMI通信系統(tǒng)的自頂而下的分層結(jié)構(gòu)將包含百萬級數(shù)量的智能終端，以一個 110,kV站點為例，其通常有 20條 10,kV出線，配電 400個臺區(qū)，共有 20萬戶智能電表，100萬個智能終端．泛在終端接入則必須考慮網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的經(jīng)濟性和網(wǎng)絡(luò)運行的可控性．②AMI的數(shù)據(jù)抄收、負荷控制、信息發(fā)布、事件上報、表計遠程功能升級等需要可靠雙向通信，確保數(shù)據(jù)的傳輸完整性和正確性．③AMI中數(shù)據(jù)交換更頻繁、數(shù)據(jù)交換量更大、其中部分數(shù)據(jù)交換還具有高時效性要求．

無線通信自組織物聯(lián)網(wǎng)具有快捷多址接入和靈活組網(wǎng)的優(yōu)點，可較好地滿足上述需求，實現(xiàn) AMI“最后一公里”多智能終端信息交互．通信模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)，智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各種智能終端與控制中心以無線通信方式進行信息交互，通信多采用多播和斂播傳輸模式，即由戶內(nèi)控制中心以多播方式下發(fā)給各個智能終端控制命令，其中包含量測參數(shù)．而此時智能電表被映射為具有自組織功能的戶內(nèi)網(wǎng)關(guān)，智能終端(或智能家電)則將分布式監(jiān)測數(shù)據(jù)以斂播方式傳輸?shù)綉魞?nèi)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合接入點(data aggregation points，DAPs)接入 AMI系統(tǒng)．在一個居民小區(qū)范圍內(nèi)通常不只含有一個接入點，而是多個DAPs設(shè)置以提升網(wǎng)絡(luò)可靠性．這便與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的點對點通信模式以及無線蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的以基站為中心的單一星型通信結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別．短距離多跳無線通信技術(shù)如 PIEEE 802.11,s和 IEEE 802.15.4等技術(shù)，為這一功能實現(xiàn)提供了可能．PIEEE 802.11,s工作組已擴展了多跳網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使其能夠與 802.11設(shè)備相互通信[14]．作為ZigBee首選無線自組織通信技術(shù)的IEEE 802.15.4提供了完整的底層(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)解決方案以實現(xiàn)多點接入形成自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[15]．圖 1給出電能量測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架，包含智能家居電能監(jiān)測、智能電表控制、DAPs中繼和上層AMI系統(tǒng)云計算．

圖1 智能電網(wǎng)高級量測系統(tǒng)“最后一公里”無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.1 AMI “l(fā)ast mile communication” wireless network structure in smart grid

由圖1可知，具有通信功能的智能家電可抽象為物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)源節(jié)點，智能電表為中繼節(jié)點，通過多級簇樹結(jié)構(gòu)將用戶側(cè)電量信息匯集至 AMI系統(tǒng)．因此新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是多 DAPs的自組織簇樹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．數(shù)據(jù)源節(jié)點上的數(shù)據(jù)觸發(fā)類型包括周期監(jiān)測數(shù)據(jù)和突發(fā)激勵數(shù)據(jù)．由于戶內(nèi)(或樓宇內(nèi))建筑阻隔以及各節(jié)點通信能力差異，節(jié)點間為異構(gòu)通信模式．

以雙向賦權(quán)圖G=(V，E)表示上述通信網(wǎng)絡(luò)．V＝{v1，v2，…，vn，vDAP1，vDAP2，…，vDAPm}為節(jié)點集，包含n個通信節(jié)點和m個匯聚節(jié)點；E＝{e1，e2，…，eq}為邊集，映射節(jié)點間通信鏈路集合．與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)UDG(unit disk graph)圖模型不同，將節(jié)點異構(gòu)通信表示為 V 中節(jié)點的有效傳輸距離集合 Λ，Λ＝{λ1，λ2，…，λn，…，λm}，在節(jié)點集 n+m 較大時，可近似認為Λ服從Poisson分布，則雙向通信鏈路的必要條件為 E＝{ei|D(vj，vk)≤min(λj，λk)，vj，vk∈V}．

3 動態(tài)附加傳輸通道保障機制描述

在物聯(lián)網(wǎng)無線通信過程中，出現(xiàn)傳輸層數(shù)據(jù)擁塞或丟包加速比陡增時的通道保障機制．不失一般性，假設(shè)當前數(shù)據(jù)傳輸鏈接通道為 S(v0，vDAPi)，其中 v0是數(shù)據(jù)源節(jié)點，vDAPi是目的匯聚節(jié)點，即經(jīng)任意一個DAP匯聚點接入 AMI系統(tǒng)．在 t0時刻傳輸出現(xiàn)擁塞，則擁塞點前向節(jié)點 vi通過連續(xù)自檢發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)內(nèi)來自同源數(shù)據(jù)不斷累加并開始丟棄，擁塞點后向節(jié)點 vj發(fā)現(xiàn)在未拆除傳輸層鏈接時緩沖區(qū)內(nèi)同源數(shù)據(jù)消失．則節(jié)點vi、vj可獨立判斷連接通道擁塞，并啟動多代理動態(tài)附加通道保障機制．

保障機制采用著色和漂白技術(shù)，首先由節(jié)點 vi、vj沿原有傳輸通道分別向源、目的節(jié)點回溯，S(v0，vi)著紅色，S(vj，vDAPi)著藍色，并定義 DAPs永久藍色且不褪色．此后，代理Ag_Red從vi出發(fā)，Ag_Blu從vj出發(fā)，依照各自復(fù)合量度探索建立最優(yōu)附加通道．為保證附加通道傳輸具有低延時和抖動，即最優(yōu)性，代理器游歷過程中復(fù)合量度由殘余帶寬率和接收節(jié)點隊列空余率 2個參數(shù)構(gòu)成．接收節(jié)點隊列占用率計算公式為

式中：μk為接收節(jié)點；vk為隊列的空余率；qk為節(jié)點vk當前隊列長度；vkl(t)和 vkr(t)分別為對于節(jié)點 vk通信緩沖區(qū)在 t時刻的數(shù)據(jù)包發(fā)送速率和接收速率；ξ為“流”控制報文傳輸預(yù)留的隊列緩沖，ξ∈[0.01，0.1]；Bk為節(jié)點vk的通信緩沖區(qū)尺寸．

代理器游歷修復(fù)的復(fù)合量度定義為

式中α和 β為權(quán)值系數(shù)，α+β＝1，對嚴格實時傳輸報文取低α /β比，對要求數(shù)據(jù)流傳輸過程低抖動，則提升變比．

當 ti時刻代理器在節(jié)點 vh，通過計算 vh與相鄰節(jié)點間無線鏈路殘余帶寬率和 vh鄰居節(jié)點的隊列空余率，選取具有最大復(fù)合量度的鄰居節(jié)點作為下一跳游歷目的節(jié)點．局部搜索目標公式為

當代理器基于局部搜索優(yōu)化目標確定并游歷至下一跳節(jié)點 vk后，該節(jié)點被著染與代理器相同顏色，設(shè)置節(jié)點漂白計時器剩余時間 vk.TTL＝Ag.TTL，TTL為剩余時間(time to live)．隨后節(jié)點進入漂白過程，即隨著時間推移，vk.TTL減少，節(jié)點逐步被漂白，直至褪為未著色(白色)節(jié)點．圖2給出動態(tài)附加通道保障機制執(zhí)行過程中節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換Markov過程．

當滿足以下 2個條件之一，附加通道即成功建立，搜索過程終止：①某一代理器到達異類顏色節(jié)點；②2個代理器在同一個節(jié)點內(nèi)相遇．DSTC算法流程如圖3所示．

圖2 節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換Markov過程Fig.2 Node states transition Markov process

圖3 DSTC算法流程Fig.3 Flow chart of DSTC algorithm

4 仿真和性能評估

仿真環(huán)境模擬一個居民小區(qū)，區(qū)域內(nèi)包含 1,000個智能終端數(shù)據(jù)源節(jié)點，10個 DAPs作為數(shù)據(jù)匯集點．無線通信采用自由空間信道傳播模型，考慮實際應(yīng)用場景功耗限制，仿真采用慢速傳輸9,600,bit/s．傳輸數(shù)據(jù)包長度為 1,024,bit，控制信息包為 256,bit．節(jié)點集合中各數(shù)據(jù)源產(chǎn)生數(shù)據(jù)量服從 X～N(μ，σ2)正態(tài)分布，μ＝20，σ＝3．網(wǎng)絡(luò)運行期間，引用 Poisson分布來描述無線信道集合 E＝{eij}在傳輸層出現(xiàn)擁塞/中斷事故概率，P(λ＝0.1)．仿真比較在一個完整工作日中不同時段通信負載差異情況下未采用 DSTC機制和采用DSTC機制的傳輸層服務(wù)質(zhì)量．

由于居民用電習(xí)慣，在 1,d(工作日)內(nèi)電器使用情況和電能質(zhì)量檢測密度不同使得 IHNS通信負載輕重存在差異，圖4給出24,h內(nèi)各時段通信負載．從圖中可以看到，在 1：00和 18：00—24：00時段為居民用電高峰，智能終端與 AMI系統(tǒng)交換頻繁，為通信重負載；相反在夜間休息時段 2：00—5：00，外出工作時段 9：00—11：00 和 13：00—16：00 為 IHNS通信輕負載時段．針對不同負載情況，以數(shù)據(jù)傳輸丟包率、傳輸延時和抖動為量度評價傳輸服務(wù)質(zhì)量．

圖4 在工作日24,h內(nèi)各小時平均流量Fig.4 Communication traffic in whole workday

首先統(tǒng)計并計算各時段內(nèi)數(shù)據(jù)包傳輸丟包率，如圖 5所示．由分析結(jié)果可見傳輸延遲與網(wǎng)絡(luò)流量有著緊密相關(guān)性：在網(wǎng)絡(luò)通信輕負載時段數(shù)據(jù)傳輸表現(xiàn)良好的低丟包率；而在重度負載時段(如 18：00—24：00)，2種傳輸?shù)膩G包率均有所增加．但 DSTC依靠附加通道使后續(xù)到達數(shù)據(jù)包繞徑傳輸，較好地抑制了大量簡單丟包．網(wǎng)絡(luò)重載時段 DSTC平均有效保留總數(shù)據(jù)量的 0.54%數(shù)據(jù)包不被丟棄．提升了電能質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)的完整性，保證 AMI系統(tǒng)輸入量精度．

圖5 在工作日24,h內(nèi)各小時丟包率Fig.5 Ratio of loss packets per hour in workday

傳輸層 TCP協(xié)議具有丟包重傳機制，當處于較高丟包率時，大量的重傳數(shù)據(jù)包占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，造成數(shù)據(jù)傳輸延遲．圖 6給出未使用 DSTC和使用通道保障機制下傳輸延時曲線．兩類延時曲線跟隨網(wǎng)絡(luò)流量同向變化，重度負載時的丟包重傳占用帶寬和TCP慢啟動是高傳輸延遲的主要誘導(dǎo)原因．而DSTC機制對兩類誘因都有較好的抑制作用：首先 DSTC有效保留數(shù)據(jù)包不被大量丟棄，減少重傳數(shù)據(jù)量；并且新建優(yōu)化附加通道 TCP擁塞窗口保持大尺度傳輸，避免了慢啟動形成．實驗結(jié)果顯示采用 DSTC的傳輸過程中 Delaymax＝0.4,s，比未使用該機制最大延時下降低 35.5%．進一步計算兩曲線上統(tǒng)計數(shù)據(jù)(延時)的標準差，分別為 σno_DSTC＝0.21，σDSTC＝0.12，表明DSTC機制提供了較穩(wěn)定的傳輸性能．

圖6 在工作日24,h內(nèi)各小時平均傳輸延遲Fig.6 Average delay per hour in workday

數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性不僅由傳輸延時參數(shù)描述，同時抖動參數(shù)刻畫了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間穩(wěn)定性．仿真中統(tǒng)計了24,h各時段的平均抖動，如圖7所示．分析重度負載時段(18：00—24：00)，DSTC 使數(shù)據(jù)包傳輸獲得低平均抖動性能(＝3.14,ms)．低抖動提升數(shù)據(jù)傳輸時效性，且利于控制類信息的準確下達，避免傳輸抖動造成控制信息下行至智能終端的滯后．消除不可控通信滯后對電能調(diào)度系統(tǒng)形成的擾動．

圖7 在工作日24,h內(nèi)各小時平均抖動Fig.7 Average jitter per hour in workday

5 結(jié) 語

用戶側(cè)用電需求、實時用電量以及電能質(zhì)量信息是智能電網(wǎng)負荷端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最終決定電能交互系統(tǒng)的運行狀態(tài)和電網(wǎng)運營模式．需要可靠接入智能電網(wǎng)高級量測系統(tǒng)．以無線通信多址接入技術(shù)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)體系為實現(xiàn)泛在智能終端靈活接入AMI提供了有效解決途徑．然而無線傳輸系統(tǒng)在重度通信負載時表現(xiàn)出傳輸易中斷，丟包和重傳率高等低性能表現(xiàn)，成為高級量測“最后一公里”接入/通信急需解決的核心問題和技術(shù)難點．針對該問題，本文采用多代理器協(xié)同技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了一種動態(tài)附加傳輸通道保障機制．由隊列空余率和殘余帶寬率參數(shù)判選最優(yōu)方向進行代理器獨立游歷，完成附加通道快速建立和更替．選取居民小區(qū)在一個完整工作日內(nèi)的電能監(jiān)測通信負載場景，仿真驗證動態(tài)附加通道保障機制在網(wǎng)絡(luò)通信不同時段“輕-重”負載情況下均可保持低丟包率傳輸，降低數(shù)據(jù)傳輸延時和抖動．進而從傳輸層面提升物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)用戶側(cè)電能監(jiān)測信息的完整性和時效性．

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