無(wú)線抄表算法的研究與仿真

劉倩倩，侯思祖

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003）

無(wú)線抄表算法的研究與仿真

劉倩倩，侯思祖

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003）

基于小區(qū)內(nèi)的無(wú)線抄表，本文主要研究無(wú)線抄表算法，主要介紹了DSR、DSDV兩種路由協(xié)議，運(yùn)用NS2仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真對(duì)比，通過(guò)分析吞吐量、端到端時(shí)延、延時(shí)變化量、丟包率的值，進(jìn)行路由協(xié)議的評(píng)定。根據(jù)小區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境配置仿真參數(shù)，二者在相同的環(huán)境下進(jìn)行仿真，通過(guò)編寫(xiě)tcl文件生成網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，通過(guò)編寫(xiě)awk文件仿真分析trace文件，通過(guò)xgraph對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行繪圖顯示，結(jié)果表明DSR路由協(xié)議更加適合本文的無(wú)線抄表環(huán)境。

無(wú)線抄表；路由協(xié)議；DSR；NS2

近年來(lái)，國(guó)家智能電網(wǎng)[1-3]的不斷發(fā)展，無(wú)線抄表技術(shù)也在逐步的推進(jìn)。無(wú)線抄表在減少成本、抄表效率與準(zhǔn)確性等方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線抄表系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄讀用戶電表數(shù)據(jù)，對(duì)用戶電表進(jìn)行集中管理、統(tǒng)計(jì)與分析，完成用戶的電能量計(jì)費(fèi)和管理功能[4]。在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中該抄表系統(tǒng)都要保證數(shù)據(jù)的可靠性，節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以及下發(fā)控制命令，以節(jié)點(diǎn)間多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式被傳遞到抄表控制中心。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，路由算法直接影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能。本文將在無(wú)線抄表系統(tǒng)的框架下，針對(duì)特定的某個(gè)小區(qū)，搭建抄表網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)兩種路由算法進(jìn)行抄表網(wǎng)絡(luò)仿真，實(shí)現(xiàn)該小區(qū)的無(wú)線抄表算法。

1 無(wú)線抄表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

文中參考某市區(qū)小區(qū)規(guī)模，構(gòu)建抄表網(wǎng)絡(luò)。文中研究的無(wú)線抄表系統(tǒng)主要有3類通信節(jié)點(diǎn)，分別為主站、集中器和表計(jì)節(jié)點(diǎn)，主站與集中器間的通信網(wǎng)絡(luò)稱為遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)GPRS/GSM/CDMA等方式進(jìn)行二者之間的通信。集中器與表計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的通信網(wǎng)絡(luò)稱為本地通信網(wǎng)絡(luò)。本地通信網(wǎng)絡(luò)的主要方式有自組網(wǎng)/WIFI/Zigbee/RF等進(jìn)行本地通信，文中本地通信采用RF方式完成通信[5]。每一棟單元樓都設(shè)置有集中器，即是中心節(jié)點(diǎn)。用戶表計(jì)為單個(gè)節(jié)點(diǎn)，將采集到的電能數(shù)據(jù)上傳到中心節(jié)點(diǎn)。采集器與集中器通過(guò)多跳手段、自組織網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行通信，構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的抄表網(wǎng)絡(luò)，文中主要介紹的是本地網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示為無(wú)線抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 無(wú)線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中心節(jié)點(diǎn)是抄表網(wǎng)絡(luò)的通信中樞，負(fù)責(zé)接收管理抄表中心發(fā)送的指令、表計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)[6]。系統(tǒng)由抄表中心下發(fā)命令給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由算法將命令下發(fā)到表計(jì)節(jié)點(diǎn)抄取電表數(shù)據(jù)，表計(jì)節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS無(wú)線技術(shù)，將信息傳遞到抄表中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能量采集的全過(guò)程。

2 路由協(xié)議

2.1 DSR路由協(xié)議

動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR[7]屬于按需路由協(xié)議[8-9]，節(jié)點(diǎn)僅僅在需要發(fā)送信息且該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有直接到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，通過(guò)一定的方式建立路由。DSR采用源路由機(jī)制進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)分組的頭部包含路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)該路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)分組，節(jié)點(diǎn)不需要定期發(fā)送檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制路由，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷少，適合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的抄表網(wǎng)絡(luò)[10]，根據(jù)該小區(qū)構(gòu)建的抄表網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，DSR比較適合該小區(qū)的抄表網(wǎng)絡(luò)，仿真測(cè)試在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行介紹。

2.2 DSDV路由協(xié)議

DSDV[11-13]即是目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量路由協(xié)議，協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一張路由信息表，該表中表項(xiàng)為目的節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、下一跳節(jié)點(diǎn)和跳數(shù)。為維護(hù)路由信息表節(jié)點(diǎn)周期性地廣播給鄰節(jié)點(diǎn)路由分組以交換路由信息，也可以根據(jù)路由信息表的變動(dòng)來(lái)觸發(fā)路由更新。DSDV只能為給定的路由提供一條路徑，此路由協(xié)議中節(jié)點(diǎn)維護(hù)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由信息，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較頻繁的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，頻繁地更新路由表以維護(hù)準(zhǔn)確路由信息，致使網(wǎng)絡(luò)代價(jià)很大，那么DSDV就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，DSDV主要應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓鄬?duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，符合該小區(qū)的環(huán)境配置，仿真測(cè)試在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行介紹。

3 路由算法的仿真

3.1 仿真平臺(tái)的介紹

NS2是一個(gè)由C++和OTcl語(yǔ)言編寫(xiě)、面向?qū)ο蟆⑹录?qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)模擬器[14-15]，可以仿真TCP、UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸如FTP、CBR等的模擬以及路由隊(duì)列的管理機(jī)制諸如DropTail、RED等。

文中NS2的安裝環(huán)境在Linux平臺(tái)下，網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議不變，但是仍然需要根據(jù)實(shí)際情況，去配置環(huán)境參數(shù)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仍然是使用NS2的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)實(shí)際小區(qū)環(huán)境，需要很快的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇罱?，靈活的轉(zhuǎn)換環(huán)境參數(shù)，最終使得仿真環(huán)境符合小區(qū)的實(shí)際環(huán)境，需要使用腳本語(yǔ)言O(shè)TCL來(lái)配置網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境。

3.2 仿真環(huán)境搭建

網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積為300 m*300 m，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為100個(gè)，節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離為100 m，無(wú)線傳輸信道的帶寬為1M。根據(jù)某小區(qū)實(shí)際環(huán)境設(shè)置仿真環(huán)境參數(shù)，小區(qū)有100住戶，區(qū)域在300*300 m內(nèi)，即是100只等待讀取數(shù)據(jù)的電能表，即是100個(gè)節(jié)點(diǎn)，假設(shè)需要抄取用戶0的電能表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的路徑被送到目的地99，傳輸層采用可靠的傳輸協(xié)議TCP，數(shù)據(jù)源采用的是cbr等，具體參數(shù)如表1。

DSDV的環(huán)參數(shù)設(shè)置與DSR的環(huán)境參數(shù)設(shè)置相似，在這里不在做詳細(xì)敘述。

表1 DSR仿真參數(shù)

3.3 路由協(xié)議仿真

3.3.1 DSR路由協(xié)議的仿真

如圖2所示，源節(jié)點(diǎn)0在1 s的時(shí)候開(kāi)始向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)0要向節(jié)點(diǎn)99發(fā)送分組但沒(méi)有節(jié)點(diǎn)99的路由信息，這時(shí)開(kāi)始路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。節(jié)點(diǎn)0首先向鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，發(fā)送路由請(qǐng)求包RREQ，收到分組的節(jié)點(diǎn)查看自己是否重復(fù)收到過(guò)，若有則丟棄，若沒(méi)有則判斷是否包含99節(jié)點(diǎn)的路由信息，若滿足條件，則向節(jié)點(diǎn)0回復(fù)RREP包，RREP中包含節(jié)點(diǎn)0到99的路由信息，源節(jié)點(diǎn)0收到RREP后，將路由信息保存到路由緩存中，到此路由成功建立。

圖2 DSR路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程

3.3.2 DSDV路由協(xié)議仿真過(guò)程

如圖3所示，源節(jié)點(diǎn)0在1 s的時(shí)候開(kāi)始向目的節(jié)點(diǎn)99發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一張到網(wǎng)絡(luò)中已知節(jié)點(diǎn)的距離估計(jì)和下一跳的路由表，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅僅記錄到節(jié)點(diǎn)99的跳數(shù)和通往節(jié)點(diǎn)99的下一跳信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表中都含有一個(gè)由節(jié)點(diǎn)99產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)，節(jié)點(diǎn)0根據(jù)下一跳的指示最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)99，路由成功建立。

圖3 DSDV路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程

4 路由協(xié)議的仿真結(jié)果分析

抄表網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果的分析是整個(gè)仿真實(shí)現(xiàn)很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，文中通過(guò)測(cè)量端到端的時(shí)延delay，延遲時(shí)間變化量jitter，丟包率drop和吞吐量throughput來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，運(yùn)用NS2自帶的xgraph工具，對(duì)各個(gè)性能進(jìn)行繪圖顯示。

端到端時(shí)延：Tdelay=Trev-Tsend，Tsend為端到端時(shí)延，Trev為數(shù)據(jù)分組發(fā)出的時(shí)間，Trev接收到數(shù)據(jù)分組的時(shí)間，該參數(shù)反映了路由的有效性。如圖4所示，在2 s的時(shí)候，DSDV協(xié)議的端到端時(shí)延達(dá)到最大值，在接下來(lái)的時(shí)間內(nèi)，其延時(shí)較DSR協(xié)議大，在端到端延時(shí)性能來(lái)說(shuō)，應(yīng)擇優(yōu)選擇DSR協(xié)議。

吞吐量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量，單位一般為b/s。如圖5所示，二者在吞吐量性能上差距不大，都相對(duì)穩(wěn)定，DSR協(xié)議在吞吐量方面較好。

延遲變化量：jitter=（TP[j]-TP[i]）/（[j]-[i]），TP[j]為數(shù)據(jù)包 P[j]的延遲，TP[i]為數(shù)據(jù)包 P[i]的延遲，[j]為數(shù)據(jù)包P[j]的序號(hào)，[i]為數(shù)據(jù)包P[i]的序號(hào)，jitter為延遲變化量。如圖6所示，延遲時(shí)間變化量與端到端時(shí)延，影響因素與端到端延遲相同，所以擇優(yōu)選擇DSR協(xié)議。

丟包率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)未收到的數(shù)據(jù)封包與發(fā)送的數(shù)據(jù)封包數(shù)的比率，可能發(fā)生的原因有信號(hào)的衰減、網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量等因素造成的。DSDV在80 s的時(shí)間內(nèi)的丟包率為0.066%，DSR在同樣的時(shí)間內(nèi)丟包率為0.073%，二者差距很小。

5 結(jié) 論

文中首先對(duì)無(wú)線抄表進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，重點(diǎn)介紹抄表網(wǎng)絡(luò)中的DSR、DSDV兩種路由算法，進(jìn)而介紹無(wú)線抄表的應(yīng)用環(huán)境，然后使用NS2對(duì)無(wú)線抄表進(jìn)行仿真評(píng)估，評(píng)估的主要參考量為端到端時(shí)延、吞吐量、延遲時(shí)間變化量和丟包率。經(jīng)過(guò)仿真綜合分析得出，DSR路由協(xié)議在端到端時(shí)延、吞吐量、延遲時(shí)間變化量性能上都要優(yōu)于DSDV協(xié)議，綜合分析得出DSR路由協(xié)議更加適合該小區(qū)的無(wú)線抄表。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能抄表發(fā)展會(huì)越來(lái)越迅速，基于無(wú)線的抄表算法會(huì)逐漸增多，算法會(huì)不斷的完善，智能抄表是將來(lái)重要的研究方向。

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圖4 端到端延時(shí)仿真圖

圖5 吞吐量仿真圖

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圖6 延遲變化量仿真圖

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Research and simulation of wireless meter reading algorithm

LIU Qian-qian，HOU Si-zu
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Combined with the wireless meter reading in the community，we mainly study the algorithm of wireless meter reading in this paper，the two mainly introduces the DSR，DSDV routing protocol，using the NS2 simulation software for simulation.By analyzing the throughput，end-to-end delay，packet loss rate，delay time variation value，we evaluate the routing protocols.According to the scene environment configuration simulation parameters and both in the same environment simulation，by writing TCL file generated network scenarios，by writing the awk file simulation analysis the trace files，by xgraph to drawing according to the results of simulation,we get the results.These results show that the DSR routing protocol is more suitable for wireless meter reading environment in this paper.

wireless meter reading； routing protocols； DSR； NS2

TN925

A

1674－6236（2017）17-0176-05

2016-06-21稿件編號(hào)：201606144

劉倩倩（1990—），女，河北石家莊人，碩士研究生。研究方向：電力通信網(wǎng)。