一種用于電力通信的自適應(yīng)Adhoc協(xié)議

金 紅，崔志光

(1.河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊 050031;2.國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京 210031)

0 引言

電力通信是電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)電力通信較多采用的是光纖通信、電力線載波和擴(kuò)頻微波等方式。光纖通信的特點是:抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸容量大，適合用作通信骨干網(wǎng)。對于通信速率要求不高的分支通道，其成本過高，不宜大規(guī)模采用。

無線Adhoc是目前國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域，其綜合了嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)等技術(shù)，能夠相互協(xié)作地實時互聯(lián)、通信。其可快速部署，成本低，可以在任何時刻、任何地點快速構(gòu)建起一個移動通信網(wǎng)絡(luò)，并且不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，非常適合于電網(wǎng)實時監(jiān)測的應(yīng)用。本文以電網(wǎng)通信的智能化監(jiān)測為應(yīng)用背景，研究了一種自適應(yīng)的無線自組網(wǎng)通信協(xié)議，協(xié)議能提高信道利用率，降低接入正時，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程傳輸、智能管理以及故障定位等功能，這對于提高電力系統(tǒng)現(xiàn)代化管理水平、保證電網(wǎng)的正常運(yùn)行具有重要價值。

1 Adhoc網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議

Adhoc網(wǎng)絡(luò)是由一組自主的無線節(jié)點或終端相互合作形成的分布式網(wǎng)絡(luò)，沒有中心控制節(jié)點。其不依賴于預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施而臨時組建。網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點利用本身的無線收發(fā)設(shè)備交換信息，當(dāng)相互之間不在彼此的通信范圍內(nèi)時，可以借助其他中間節(jié)點中繼來實現(xiàn)多跳通信。

1.1 Adhoc協(xié)議的分類

如何解決多個用戶高效、合理地共享有限的無線信道資源(即媒體接入控制(MAC)協(xié)議)是移動自組網(wǎng)中的關(guān)鍵難點之一。MAC協(xié)議的好壞直接影響到網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時延等性能指標(biāo)的優(yōu)劣。目前的MAC協(xié)議主要分以下幾類:

(1)固定分配類。目前主要有3種多址接入方式實現(xiàn)固定分配類 MAC協(xié)議:即頻分多址接入(FDMA)、時分多址接入(TDMA)及碼分多址接入(CDMA)。原則是把共享的一條信道(或鏈路)分割成若干個相互獨立的子信道，每個子信道又分配一個(或多個)用戶節(jié)點專用。

(2)隨機(jī)競爭類。隨機(jī)競爭類MAC協(xié)議是連接在廣播信道上的節(jié)點都可以向信道發(fā)送廣播信息。節(jié)點需要以某種方式競爭信道使用權(quán)，得到使用權(quán)便將可信息發(fā)送出去;所有節(jié)點都能接收到任一節(jié)點發(fā)送的信息，如果檢測出是發(fā)給自己的則接收下來，否則丟棄。無線自組網(wǎng)中這類MAC協(xié)議應(yīng)用廣泛。

(3)按需分配類。網(wǎng)絡(luò)按某種循環(huán)的順序詢問每個節(jié)點是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有數(shù)據(jù)，則立即發(fā)送，否則網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向下一個節(jié)點詢問。以詢問的方式不同，這種方法又可分為集中式控制和分布式控制兩種類型。在集中式控制方法中，網(wǎng)絡(luò)中存在一個中心站，由該站完成對網(wǎng)絡(luò)中個節(jié)點的詢問控制過程;而分布式控制方法中，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點都有責(zé)任按某種確定地規(guī)則對詢問控制過程進(jìn)行管理。

1.2 MAC協(xié)議的性能指標(biāo)

1.2.1 吞吐量

當(dāng)在信道上發(fā)生傳輸碰撞及傳輸錯誤時，必然導(dǎo)致幀的丟失，這時信道時間被浪費。信道時間的浪費程度反映在MAC的優(yōu)劣上。把單位時間內(nèi)在信道上成功傳輸?shù)男畔⒘慷x為吞吐量。如果在信道上幀不發(fā)生碰撞，且?guī)g隙為零的話，信道被最大限度的使用。相反，如果信道上所有的幀均發(fā)生碰撞，則吞吐量是最小值S=0。

1.2.2 平均傳輸時延

某一幀從進(jìn)入緩沖器的時刻開始，至成功地到達(dá)目的站接收緩沖器的時刻為止的一段時間，稱為該幀的傳輸時延。當(dāng)幀被成功的傳輸時，其延遲時間主要由發(fā)送等待時間(即為獲得信道使用權(quán)的等待時間)和該幀的在信道上的傳輸時間T組成。如果發(fā)生碰撞或傳輸錯誤，延遲時間還應(yīng)包括由于重傳而帶來的延遲時間。由于每幀的傳輸延遲可能不同，一般取一幀的平均延遲時間作為幀延遲的量度。通常，用一幀的傳輸時間T對平均傳輸時延歸一化，該平均傳輸時延用符號D表示。

2 自適應(yīng)預(yù)約按需傳輸多址接入?yún)f(xié)議

本文提出一種自適應(yīng)預(yù)約按需傳輸(Adaptive Reservation On－Demand Transmission，ARODT)的多址接入?yún)f(xié)議。在信道傳輸時期中包括兩個階段:節(jié)點獲得信道資源使用權(quán)的自適應(yīng)預(yù)約接入階段、節(jié)點發(fā)送分組的按需傳輸階段。在接入階段，中心控制節(jié)點(CCN)可根據(jù)業(yè)務(wù)量的多少動態(tài)調(diào)整接入策略，從而使各分組發(fā)送的節(jié)點快速、有效、公平地獲得信道使用權(quán);在傳輸階段，節(jié)點可在CCN的安排下無沖突的發(fā)送分組。協(xié)議能提高信道利用率、降低接入時延，可用于現(xiàn)代電力通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1 信道接入方法

中心節(jié)點根據(jù)接收業(yè)務(wù)分組的情況收集、統(tǒng)計成功業(yè)務(wù)量(即當(dāng)前吞吐量)，然后與預(yù)設(shè)的用于表示輕業(yè)務(wù)量門限的第一業(yè)務(wù)量門限值及用于表示重業(yè)務(wù)量門限的第二業(yè)務(wù)量門限值相比較，確定當(dāng)前的業(yè)務(wù)量等級并選擇相應(yīng)的信道接入方式。具體流程圖如圖1所示。

圖1 信道接入判斷流程

2.2 不同業(yè)務(wù)量接入方式

根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)量情況確定不同的信道接入方法，兩個門限共分三級，即輕業(yè)務(wù)量情況、中高業(yè)務(wù)量情況和重業(yè)務(wù)量情況。

2.2.1 輕業(yè)務(wù)量

在輕業(yè)務(wù)量情況下，所用的方法是各節(jié)點使用很短的接入預(yù)約(AR)分組預(yù)約，之后CCN發(fā)送很短的接入成功(AS)分組給以確認(rèn)，一方面是告訴該接入節(jié)點此次接入是否成功、它是否可以立即發(fā)送業(yè)務(wù)分組(通常其長度遠(yuǎn)大于 AR、AS等控制分組)，另一方面是通告其他節(jié)點之后要回避足夠的時間長度讓該節(jié)點的業(yè)務(wù)分組成功發(fā)送直至結(jié)束，最后，該節(jié)點進(jìn)行無沖突的分組發(fā)送。

2.2.2 中高業(yè)務(wù)量

在中高業(yè)務(wù)量情況下，如果還有空閑信道資源，CCN安排各節(jié)點的預(yù)約接入，否則，直接進(jìn)入無沖突業(yè)務(wù)分組傳輸階段;在接入階段，各節(jié)點競爭接入時隙，成功后CCN分配相應(yīng)的信道資源，若失敗，CCN給以反饋，節(jié)點在下一次接入階段再進(jìn)行接入嘗試;接入后進(jìn)入無沖突業(yè)務(wù)分組傳輸階段，各成功接入節(jié)點在CCN安排的信道資源上依次無沖突發(fā)送業(yè)務(wù)分組。

2.2.3 重業(yè)務(wù)量

在重業(yè)務(wù)量情況下，CCN依次輪詢各節(jié)點，若節(jié)點有業(yè)務(wù)分組發(fā)送，該節(jié)點就發(fā)送;若沒有，該節(jié)點回復(fù)確認(rèn)(ACK)分組，CCN增大對該節(jié)點的輪詢周期長度。當(dāng)CCN通過附帶輪詢節(jié)點標(biāo)記的業(yè)務(wù)分組來輪詢各節(jié)點時，若有幾次被輪詢時沒有業(yè)務(wù)分組發(fā)送，則需要間隔幾個周期后再輪詢該節(jié)點。一旦節(jié)點有一次被輪詢時有業(yè)務(wù)分組發(fā)送，則下一周期起繼續(xù)輪詢該節(jié)點。此外，CCN附帶優(yōu)先級限制輪詢各節(jié)點，可以讓更需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)分組優(yōu)先得以發(fā)送。

3 仿真分析

仿真采用Visual C++6.0，在程序中設(shè)置為AR分組、AS分組長度都為0.02，仿真網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)n0=50，仿真時間 Simulation_time=100000，節(jié)點數(shù)據(jù)包緩存長度Line_size=50。我們對ARODT協(xié)議的吞吐量、時延等性能進(jìn)行了仿真分析。ARODT協(xié)議的吞吐量如圖2所示。

圖2 ARODT協(xié)議的吞吐量性能

從圖2可知，節(jié)點數(shù)越多時的時候，信道利用率越高。原因在于:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)較小時，業(yè)務(wù)量相對越小，信道并沒有被充分利用，隨著節(jié)點數(shù)增加，信道利用率隨之提高。

ARODT協(xié)議的平均時延如圖3所示。

圖3 ARODT協(xié)議的平均時延性能

從圖3可知，業(yè)務(wù)量由輕業(yè)務(wù)量增長的過程中，由于業(yè)務(wù)量的增加，時延隨之有較大增長;在中高業(yè)務(wù)量時平均時延曲線斜率不大，時延增長不大。

4 結(jié)語

本文以電網(wǎng)智能化監(jiān)測為應(yīng)用背景，研究無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)在電力通信中的應(yīng)用技術(shù)，提出了一種自適應(yīng)預(yù)約按需傳輸多址接入?yún)f(xié)議，該協(xié)議克服現(xiàn)有技術(shù)中單一信道接入方式的不足，提供一種可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)量選擇不同信道接入方式的自適應(yīng)多址接入方法，綜合了各種信道接入方式的優(yōu)點，以達(dá)到接入最優(yōu)化。仿真分析可知:該協(xié)議有較高信道利用率，且平均時延波動不大，沒有呈指數(shù)增長。無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)簡便易行、成本低廉，能夠很好的解決有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護(hù)和升級的問題，具有較高的組網(wǎng)靈活性和傳輸可靠性。隨著技術(shù)的不斷提升，在實際應(yīng)用中，AdHoc網(wǎng)絡(luò)安全、抗干擾以及其與現(xiàn)有電力通信網(wǎng)的互聯(lián)等也是今后值得探討的話題。

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