劉倩倩，侯思祖

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003）

無線抄表算法的研究與仿真

劉倩倩，侯思祖

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003）

基于小區(qū)內的無線抄表，本文主要研究無線抄表算法，主要介紹了DSR、DSDV兩種路由協(xié)議，運用NS2仿真軟件對其進行仿真對比，通過分析吞吐量、端到端時延、延時變化量、丟包率的值，進行路由協(xié)議的評定。根據(jù)小區(qū)現(xiàn)場環(huán)境配置仿真參數(shù)，二者在相同的環(huán)境下進行仿真，通過編寫tcl文件生成網(wǎng)絡場景，通過編寫awk文件仿真分析trace文件，通過xgraph對仿真結果進行繪圖顯示，結果表明DSR路由協(xié)議更加適合本文的無線抄表環(huán)境。

無線抄表；路由協(xié)議；DSR；NS2

近年來，國家智能電網(wǎng)[1-3]的不斷發(fā)展，無線抄表技術也在逐步的推進。無線抄表在減少成本、抄表效率與準確性等方面有著顯著的優(yōu)勢。無線抄表系統(tǒng)利用計算機和通信技術，遠程自動抄讀用戶電表數(shù)據(jù)，對用戶電表進行集中管理、統(tǒng)計與分析，完成用戶的電能量計費和管理功能[4]。在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中該抄表系統(tǒng)都要保證數(shù)據(jù)的可靠性，節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以及下發(fā)控制命令，以節(jié)點間多跳的無線網(wǎng)絡方式被傳遞到抄表控制中心。在無線網(wǎng)絡中，路由算法直接影響無線網(wǎng)絡的相關性能。本文將在無線抄表系統(tǒng)的框架下，針對特定的某個小區(qū)，搭建抄表網(wǎng)絡，通過兩種路由算法進行抄表網(wǎng)絡仿真，實現(xiàn)該小區(qū)的無線抄表算法。

1 無線抄表系統(tǒng)整體結構

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

圖1 無線抄表系統(tǒng)結構

中心節(jié)點是抄表網(wǎng)絡的通信中樞，負責接收管理抄表中心發(fā)送的指令、表計節(jié)點數(shù)據(jù)、統(tǒng)計計算數(shù)據(jù)[6]。系統(tǒng)由抄表中心下發(fā)命令給中心節(jié)點，中心節(jié)點通過路由算法將命令下發(fā)到表計節(jié)點抄取電表數(shù)據(jù)，表計節(jié)點與中心節(jié)點之間通過無線網(wǎng)絡進行通信，中心節(jié)點通過GPRS無線技術，將信息傳遞到抄表中心，實現(xiàn)對電能量采集的全過程。

2 路由協(xié)議

2.1 DSR路由協(xié)議

動態(tài)源路由協(xié)議DSR[7]屬于按需路由協(xié)議[8-9]，節(jié)點僅僅在需要發(fā)送信息且該節(jié)點沒有直接到達目的節(jié)點的路由時，通過一定的方式建立路由。DSR采用源路由機制進行分組轉發(fā)，數(shù)據(jù)分組的頭部包含路由信息，每個節(jié)點根據(jù)該路由進行轉發(fā)分組，節(jié)點不需要定期發(fā)送檢測網(wǎng)絡結構的控制路由，網(wǎng)絡開銷少，適合結構穩(wěn)定的抄表網(wǎng)絡[10]，根據(jù)該小區(qū)構建的抄表網(wǎng)絡，結構相對穩(wěn)定，DSR比較適合該小區(qū)的抄表網(wǎng)絡，仿真測試在后續(xù)章節(jié)進行介紹。

2.2 DSDV路由協(xié)議

DSDV[11-13]即是目的節(jié)點序列距離矢量路由協(xié)議，協(xié)議中每個節(jié)點都維護一張路由信息表，該表中表項為目的節(jié)點、目的節(jié)點序列號、下一跳節(jié)點和跳數(shù)。為維護路由信息表節(jié)點周期性地廣播給鄰節(jié)點路由分組以交換路由信息，也可以根據(jù)路由信息表的變動來觸發(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)點維護了整個網(wǎng)絡的路由信息，在網(wǎng)絡拓撲結構變化較頻繁的無線網(wǎng)絡中，頻繁地更新路由表以維護準確路由信息，致使網(wǎng)絡代價很大，那么DSDV就會出現(xiàn)問題，DSDV主要應用在網(wǎng)絡拓撲變化相對穩(wěn)定的環(huán)境中，符合該小區(qū)的環(huán)境配置，仿真測試在后續(xù)章節(jié)進行介紹。

3 路由算法的仿真

3.1 仿真平臺的介紹

NS2是一個由C++和OTcl語言編寫、面向對象、事件驅動的網(wǎng)絡模擬器[14-15]，可以仿真TCP、UDP等網(wǎng)絡協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸如FTP、CBR等的模擬以及路由隊列的管理機制諸如DropTail、RED等。

文中NS2的安裝環(huán)境在Linux平臺下，網(wǎng)絡的核心協(xié)議不變，但是仍然需要根據(jù)實際情況，去配置環(huán)境參數(shù)，構建網(wǎng)絡拓撲結構，仍然是使用NS2的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)實際小區(qū)環(huán)境，需要很快的進行網(wǎng)絡拓撲的搭建，靈活的轉換環(huán)境參數(shù)，最終使得仿真環(huán)境符合小區(qū)的實際環(huán)境，需要使用腳本語言OTCL來配置網(wǎng)絡的環(huán)境。

3.2 仿真環(huán)境搭建

網(wǎng)絡的覆蓋面積為300 m*300 m，網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)目為100個，節(jié)點的最大傳輸距離為100 m，無線傳輸信道的帶寬為1M。根據(jù)某小區(qū)實際環(huán)境設置仿真環(huán)境參數(shù)，小區(qū)有100住戶，區(qū)域在300*300 m內，即是100只等待讀取數(shù)據(jù)的電能表，即是100個節(jié)點，假設需要抄取用戶0的電能表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過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)設置與DSR的環(huán)境參數(shù)設置相似，在這里不在做詳細敘述。

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0在1 s的時候開始向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點0要向節(jié)點99發(fā)送分組但沒有節(jié)點99的路由信息，這時開始路由發(fā)現(xiàn)過程。節(jié)點0首先向鄰居節(jié)點進行廣播，發(fā)送路由請求包RREQ，收到分組的節(jié)點查看自己是否重復收到過，若有則丟棄，若沒有則判斷是否包含99節(jié)點的路由信息，若滿足條件，則向節(jié)點0回復RREP包，RREP中包含節(jié)點0到99的路由信息，源節(jié)點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)過程

3.3.2 DSDV路由協(xié)議仿真過程

如圖3所示，源節(jié)點0在1 s的時候開始向目的節(jié)點99發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都維護一張到網(wǎng)絡中已知節(jié)點的距離估計和下一跳的路由表，每個節(jié)點僅僅記錄到節(jié)點99的跳數(shù)和通往節(jié)點99的下一跳信息，每個節(jié)點的路由表中都含有一個由節(jié)點99產(chǎn)生的節(jié)點序列號，節(jié)點0根據(jù)下一跳的指示最終到達目的節(jié)點99，路由成功建立。

圖3 DSDV路由發(fā)現(xiàn)過程

4 路由協(xié)議的仿真結果分析

抄表網(wǎng)絡仿真結果的分析是整個仿真實現(xiàn)很重要的一個環(huán)節(jié)，文中通過測量端到端的時延delay，延遲時間變化量jitter，丟包率drop和吞吐量throughput來評價一個網(wǎng)絡的性能，運用NS2自帶的xgraph工具，對各個性能進行繪圖顯示。

端到端時延：Tdelay=Trev-Tsend，Tsend為端到端時延，Trev為數(shù)據(jù)分組發(fā)出的時間，Trev接收到數(shù)據(jù)分組的時間，該參數(shù)反映了路由的有效性。如圖4所示，在2 s的時候，DSDV協(xié)議的端到端時延達到最大值，在接下來的時間內，其延時較DSR協(xié)議大，在端到端延時性能來說，應擇優(yōu)選擇DSR協(xié)議。

吞吐量：單位時間內的某個節(jié)點發(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，[i]為數(shù)據(jù)包P[i]的序號，jitter為延遲變化量。如圖6所示，延遲時間變化量與端到端時延，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：單位時間內未收到的數(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)生的原因有信號的衰減、網(wǎng)絡的質量等因素造成的。DSDV在80 s的時間內的丟包率為0.066%，DSR在同樣的時間內丟包率為0.073%，二者差距很小。

5 結 論

文中首先對無線抄表進行簡單的介紹，重點介紹抄表網(wǎng)絡中的DSR、DSDV兩種路由算法，進而介紹無線抄表的應用環(huán)境，然后使用NS2對無線抄表進行仿真評估，評估的主要參考量為端到端時延、吞吐量、延遲時間變化量和丟包率。經(jīng)過仿真綜合分析得出，DSR路由協(xié)議在端到端時延、吞吐量、延遲時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)的無線抄表。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能抄表發(fā)展會越來越迅速，基于無線的抄表算法會逐漸增多，算法會不斷的完善，智能抄表是將來重要的研究方向。

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圖4 端到端延時仿真圖

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：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)。