鮑興川，彭 林

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院信息與通信研究所，南京210003)

(* 通信作者電子郵箱 baoxingchuan@geiri．sgcc．com．cn)

0 引言

為了保證智能電網(wǎng)應(yīng)用中的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)［1－3］，在通信干擾方面，往往通過多信道通信來克服無線射頻干擾影響［4－5］，這樣既保證了多信道通信，也提高了智能電網(wǎng)中的服務(wù)質(zhì)量，而在延遲上，通過采用并行傳輸方式以提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能［6］;但是隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)應(yīng)用對于服務(wù)質(zhì)量的要求變得越來越高，使得大多數(shù)通信技術(shù)(如表1所示)并不能完全保證電網(wǎng)應(yīng)用中所要求的服務(wù)質(zhì)量，這就需要一個可靠、高效的通信架構(gòu)來為將來智能電網(wǎng)的應(yīng)用提供令人滿意的通信服務(wù)［7］。但是不同通信架構(gòu)針對的通信延遲要求也是不同的［8］，加之通信設(shè)備間數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載和數(shù)據(jù)類型的不斷變化［9］，使得時間因素成為了目前智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)收集的關(guān)鍵因素。

智能的信道分配策略是目前對抗信道干擾最有效的途徑:Musham等［10］提出在電網(wǎng)中使用一種鄰近優(yōu)化信道分配算法(Near-Optimal CA algorithm for Grid WMN，NOCAG)，以緩解多信道傳輸時信道干擾的影響;Suryawanshi［11］提出構(gòu)建一種對抗信道干擾負(fù)載過大導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的多信道通信模型并盡可能恢復(fù)因信道干擾丟失的數(shù)據(jù);Naragund等［12］提出通過一種基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信道信息收集構(gòu)建的路由樹來進(jìn)行信道分配，從而更加有效對抗干擾。

然而，影響傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS性能的不僅僅是來自無線射頻的干擾，同時還受到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，而且對于各種對抗信道干擾而進(jìn)行的多信道分配策略中，不同的數(shù)據(jù)包對應(yīng)的延遲要求也是不同的。為了進(jìn)一步滿足配電網(wǎng)感知應(yīng)用中QoS需求，本文在保證對抗信道干擾的基礎(chǔ)上，針對數(shù)據(jù)優(yōu)先級的信道調(diào)度策略提出了基于最小跳數(shù)生成樹的鏈路路由算法(Link routing algorithm Based on Minimum Hop Spanning Tree，LB-MHST)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)自身的網(wǎng)絡(luò)特性和實(shí)時的鏈路狀態(tài)，構(gòu)建最小跳數(shù)生成樹，再由數(shù)據(jù)傳輸時信道的可用狀態(tài)結(jié)合父—子節(jié)點(diǎn)間的信干噪比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio，SINR)值，對配電網(wǎng)通信信道進(jìn)行分配，并且在信道分配期間充分考慮了數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，最終不僅保證了配電網(wǎng)良好的抗干擾性，而且還減少了配電網(wǎng)的傳輸延遲，進(jìn)一步綜合滿足了配電網(wǎng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS要求。

表1 現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)QoS感知路由協(xié)議對比Tab．1 Comparison of existing QoS aware routing protocols in wireless sensor network

1 配電網(wǎng)信道調(diào)度以及主站通信模型

1．1 信道調(diào)度模型

在研究過程中，使用對數(shù)正態(tài)分布陰影模型對智能電網(wǎng)環(huán)境中真實(shí)的信道情況進(jìn)行建模。根據(jù)相關(guān)研究［20］，上述模型可以用在具有干擾的無線電傳播環(huán)境當(dāng)中，例如智能配電網(wǎng)狀態(tài)感知環(huán)境。本文在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭性O(shè)置距離發(fā)射器d處的路徑衰落為:

其中:PLd0→d是離發(fā)射器的距離為d處的路徑衰落，單位為dBm;PL(d0)為參考距離d0處的路徑衰落;η路徑衰落系數(shù)(本文η為2．42);Xσ是均值為0、標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ的高斯隨機(jī)變量(本文 Xσ為3．12)。

針對智能電網(wǎng)中無線傳感網(wǎng)對高鏈路質(zhì)量的需求，本文基于接收器的信道調(diào)度(Receiver-Based Channel Assignment，RBCA)算法［21］的良好抗干擾性，結(jié)合WSN自身的網(wǎng)絡(luò)特性，在后期的時間間隙分配上和多分支并行傳輸調(diào)度上考慮了數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，最終提出了一種根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級來劃分信道的調(diào)度算法，即基于最小跳數(shù)生成樹的鏈路路由算法，達(dá)到了減少了配電網(wǎng)傳輸?shù)难舆t的目的，進(jìn)一步滿足了在復(fù)雜環(huán)境中配電網(wǎng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS要求。

LB-MHST算法把WSN中的sink節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)時的鏈路狀態(tài)，構(gòu)建最小跳數(shù)生成樹，從而使得每一個連接到sink節(jié)點(diǎn)的子樹的鏈路成本小于預(yù)先設(shè)定的值。然后，基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的信道調(diào)度算法，其流程如圖1所示。構(gòu)建好路由樹，再利用基于時分復(fù)用(Time Division Multiple Access，TDMA)的多信道調(diào)度算法計算最小調(diào)度長度，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的射頻干擾(Radio Frequence，RF)狀態(tài)實(shí)行信道分配，即若節(jié)點(diǎn)之間的SINR超過預(yù)定的閾值，才可以向這些節(jié)點(diǎn)分配信道。

1．2 配網(wǎng)主站通信模型

配電網(wǎng)主站的作用是對下游傳感節(jié)點(diǎn)搜集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中的分析處理。新一代的智能配電網(wǎng)主站系統(tǒng)需要支持配電生產(chǎn)、調(diào)度、運(yùn)行及用電等業(yè)務(wù)的閉環(huán)管理，以保證配電網(wǎng)的安全，為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合分析以及輔助決策提供服務(wù)［22］。主站的通信配電網(wǎng)感知系統(tǒng)的通信模型如圖2所示。顯然，通過對電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，可以大大減少配電感知系統(tǒng)主站層與感知層的實(shí)時通信延遲，以此提高電網(wǎng)的故障診斷和“自愈”的速度，增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖1 基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的信道調(diào)度算法流程Fig．1 Flow chart of channel scheduling algorithm based on data priority

圖2 配電網(wǎng)感知系統(tǒng)的通信模型Fig．2 Communication model of distribution network sensing system

2 本文算法

為滿足復(fù)雜環(huán)境的配電網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS需求，本文把基于優(yōu)先級的信道調(diào)度策略分為兩部分。首先根據(jù)實(shí)時的信道鏈路狀態(tài)信息，在RBCA算法的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的信道分配算法。如算法1所示，先找出路由樹中活躍的父節(jié)點(diǎn)，然后再對其分配信道。根據(jù)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的延遲要求，把需要轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包分為三個等級，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)優(yōu)先級，提出數(shù)據(jù)傳輸算法，如算法2所示。結(jié)合上述兩種算法，最終實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的信道分配與數(shù)據(jù)傳輸，以提高配電網(wǎng)中感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

2．1 鏈路狀態(tài)感知信道調(diào)度算法

在算法1中，節(jié)點(diǎn)之間的干擾鏈接是根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的SINR值來確定的，并且迭代地為父節(jié)點(diǎn)分配信道，輸出信道分配矩陣。

算法1 信道調(diào)度算法。

算法1中，用parentS表示父節(jié)點(diǎn)集，interfP表示受干擾的父節(jié)點(diǎn)，sm表示信噪比矩陣，閾值指的是干擾信噪比閾值。

如圖3所示，初始化父節(jié)點(diǎn)之后要遍歷所有的父節(jié)點(diǎn)，逐一比較信干噪比閾值，然后遍歷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類。在圖3所示流程的新父節(jié)點(diǎn)設(shè)置上，按照圖4所示示例調(diào)度，假設(shè)通信節(jié)點(diǎn)A為父節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)B、C處于節(jié)點(diǎn)A的通信半徑范圍內(nèi)，當(dāng)A發(fā)送數(shù)據(jù)時計算出A與B、C之間的信噪比值，如果節(jié)點(diǎn)之間的SINR值大于設(shè)定的閾值，則為這兩個節(jié)點(diǎn)分配信道。此時數(shù)據(jù)根據(jù)分配到的信道進(jìn)行傳輸完畢以后，再根據(jù)算法2中的數(shù)據(jù)優(yōu)先級方法(假設(shè)C數(shù)據(jù)優(yōu)先級大于B)，處于節(jié)點(diǎn)C的通信半徑的節(jié)點(diǎn)E接收節(jié)點(diǎn)C的信息，設(shè)置其父節(jié)點(diǎn)位為C，迭代循環(huán)依次為父節(jié)點(diǎn)分配傳輸信道。

圖3 信道調(diào)度流程Fig．3 Flow chart of channel scheduling

圖4 信道調(diào)度示意圖Fig．4 Diagram of channel scheduling

本文中，時間間隙的分配是在信道分配給父節(jié)點(diǎn)以后進(jìn)行的。在時間間隙上，要事先找出所有正在通信的節(jié)點(diǎn)，再在目前正在通信的節(jié)點(diǎn)中檢查是否存在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的父節(jié)點(diǎn)，根據(jù)通信的父節(jié)點(diǎn)找出通信子節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的分配信道傳輸。

2．2 基于優(yōu)先級的數(shù)據(jù)傳輸算法

本節(jié)提出一種延遲感知數(shù)據(jù)收集模型，為了體現(xiàn)服務(wù)差異，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流類型發(fā)送不同的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)的差異化。如表2所示，為延遲敏感的包(如緊急應(yīng)答包)賦予高優(yōu)先級;為非實(shí)時的數(shù)據(jù)包(如周期性控制包)賦予中優(yōu)先級;為其他的數(shù)據(jù)包賦予低優(yōu)先級。為了簡化復(fù)雜度，將流量分為:實(shí)時流量(Real-Time，RT)、非實(shí)時流量(Not Real Time，NRT)和最大投遞流量(Best Effort，BE)流量。在算法2中，將節(jié)點(diǎn)的父集、活躍節(jié)點(diǎn)、分組接收速率(Packet Reception Rate，PRR)、總循環(huán)次數(shù)和跳數(shù)作為輸入，然后通過服務(wù)優(yōu)先級的調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)包的優(yōu)先傳輸以及延遲感知數(shù)據(jù)傳輸。最后輸出三種優(yōu)先級的流量(RT，NRT，NE)的延遲。

表2 流量負(fù)載Tab．2 Traffic load

算法2 延時感知數(shù)據(jù)收集算法。

輸入 父親節(jié)點(diǎn)集合parentS，活躍節(jié)點(diǎn)nid，總循環(huán)次數(shù)round，跳數(shù) nnodes。

輸出 RT，NRT，BE數(shù)據(jù)包的延遲。

1) 初始化

2) 根據(jù)優(yōu)先級發(fā)送數(shù)據(jù)包

3) for(t∈round){

4) for(nid∈nnodes){

5) 第nid個活躍節(jié)點(diǎn)的RT/NRT/BE數(shù)據(jù)包分別賦值給RT/NRT/BE Packets

6) 各個節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絪ink節(jié)點(diǎn)

7) 如果nid的父節(jié)點(diǎn)的PRR值大于閾值，則執(zhí)行8)

8) 如果nid的跳數(shù)為1，則執(zhí)行9，否則執(zhí)行11)

9) 分別按照RT/NRT/BE三個優(yōu)先級來計算nid的時延

10) 節(jié)點(diǎn)通過中間節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳到sink節(jié)點(diǎn)

11) 把nid節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)賦值給三個優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)集合，再跳到9)

12) }

13)}

14)當(dāng)所有活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸完畢，或到循環(huán)次數(shù)，結(jié)束

在算法2中，節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的速率PRR根據(jù)編碼方式可以分為兩種:

第一種是不歸零編碼(Non Return Zero，NRZ)方式:

第二種是secded編碼方式:

其中:Pb是指調(diào)制方式，PL是指離發(fā)射器d處的路徑衰落，fL是指框架尺寸。這里，算法2可以選擇三種調(diào)制方式:振幅鍵控(Amplitude Shift Keying，ASK)、頻移鍵控(Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK)和偏置正交相移鍵控(Offset Quadrature Phase Shift Keying，O-QPSK)。故對應(yīng)相干解調(diào)時的誤碼率分別為:

其中:Eb/N0為每比特能量與噪聲功率譜密度且Eb/N0表示為標(biāo)準(zhǔn)噪聲誤差函數(shù)，可表示為Q(x)=0．5*為 信 噪比，式(4)和式(5)中的BN是指Mica2收發(fā)器芯片的噪聲帶寬，R指Mica2上的數(shù)據(jù)傳輸速率。

3 仿真模型

3．1 應(yīng)用場景

在智能電網(wǎng)中，不同應(yīng)用對于通信延遲的要求是不同的。比如，應(yīng)急響應(yīng)通常是用來預(yù)測問題的發(fā)生，故需要在有效時間內(nèi)及時傳送緊急信息包以最大限度地減少運(yùn)行中的電網(wǎng)問題，而消耗數(shù)據(jù)包對時間的要求就沒有那么嚴(yán)格。因此，本文根據(jù)延遲要求將數(shù)據(jù)包類型的優(yōu)先級分為三類:為緊急分組(稱為實(shí)時流量(RT))賦予最高優(yōu)先級;為包括溫度、壓力、消耗統(tǒng)計的數(shù)據(jù)包都被賦予第二優(yōu)先級(被稱為非實(shí)時(NRT));第三類是控制包(被稱為最大能力投遞流量(BE))。本文根據(jù)流量優(yōu)先級對流量進(jìn)行的分類，考慮了兩種主要場景:

1)在第一個場景中，根據(jù)數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級對其進(jìn)行分類，對多信道調(diào)度進(jìn)行評估。

2)在第二個場景中，分別對高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和低網(wǎng)絡(luò)

對兩種負(fù)載情形下的最大能力數(shù)據(jù)性能進(jìn)行仿真評估。

3．2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本文使用基于Matlab的網(wǎng)絡(luò)仿真器對所提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證評估，并使用不同的種子進(jìn)行上百次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中部署了大約120節(jié)點(diǎn)，且所部署的200 m×200 m區(qū)域由一個源節(jié)點(diǎn)搜集信息。實(shí)驗(yàn)分別使用了不同數(shù)量(1，8，16)的信道對所提出的多信道調(diào)度算法進(jìn)行仿真評估。此外，還利用對數(shù)正態(tài)陰影傳輸模型中的路徑損耗和陰影偏差參數(shù)來模擬智能電網(wǎng)中的實(shí)際信道條件，具體相關(guān)參數(shù)如表2所示。對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的延遲性能，使用表3所示的低網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載和高流量負(fù)載環(huán)境進(jìn)行測評。本文使用的所有仿真參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)Tab．3 Simulation parameters

4 仿真實(shí)驗(yàn)

基于現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，本文實(shí)驗(yàn)使用該平臺中智能配電網(wǎng)的信道參數(shù)對所提算法進(jìn)行性能評估。

實(shí)驗(yàn)1 信道數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)延遲的影響。

預(yù)先設(shè)置性能評估中所需的無線電參數(shù)，實(shí)驗(yàn)方案如表5所示。

表5 仿真實(shí)驗(yàn)中的無線電參數(shù)Tab．5 Radio parameters in simulation experiment

4．1 信道數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)延遲的影響

如圖5所示，不同的信道數(shù)量對數(shù)據(jù)包(包括RT、NRT、BE)的傳輸延遲的影響不同。在單信道傳輸時，RT類型數(shù)據(jù)包的傳輸延遲要明顯低于NRT、BE類型，且在圖5(a)中，當(dāng)處于低流量負(fù)載時，實(shí)驗(yàn)中三種類型的數(shù)據(jù)包延遲隨著信道數(shù)量的增加而減少。由于提出算法延續(xù)了MHST算法服務(wù)區(qū)分機(jī)制，所以攜帶RT業(yè)務(wù)的高優(yōu)先級信道要優(yōu)于承載NRT和BE數(shù)據(jù)流的低優(yōu)先級信道;此外，實(shí)驗(yàn)在建立數(shù)據(jù)傳輸路徑時考慮了實(shí)際的信道情況和鏈路質(zhì)量的變化情況，所以與MHST最小跳數(shù)生成樹路由算法相比，最小跳數(shù)生成樹的鏈路路由算法可以更有效地減少三種類型的數(shù)據(jù)包傳輸延遲。

在不同流量負(fù)載下LB-MHST算法的性能不同，如圖5(b)所示，當(dāng)RT分組數(shù)量增加時，LB-MHST以及MHST算法仍可以滿足RT數(shù)據(jù)包的延遲要求，但導(dǎo)致了NRT、BE分組通信延遲的增加。在實(shí)際通信中，由于NRT和BE數(shù)據(jù)包并不是數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵數(shù)據(jù)包，所以其通信延遲的增加并不會影響本文的性能評價。

圖5 兩種不同路由算法性能對比Fig．5 Performance comparison of two different routing algorithms

實(shí)驗(yàn)2 多信道調(diào)度算法的延遲感知性能。

通過實(shí)驗(yàn)2，展示了多通道調(diào)度對路由算法延遲性能的影響。重點(diǎn)研究了基于優(yōu)先級的延遲感知調(diào)度算法對于數(shù)據(jù)傳輸延遲的影響。從實(shí)驗(yàn)1可以看出，在多信道調(diào)度時，各種類型的數(shù)據(jù)包傳輸延遲都有著明顯的改善，而為了進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)的傳輸延遲，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合算法2對基于優(yōu)先級的延遲感知調(diào)度算法將在數(shù)據(jù)傳輸延遲方面的影響進(jìn)行討論。

從圖6(b)中可以看出，在高流量負(fù)載的單信道和多信道傳輸下，具有延遲感知調(diào)度的傳輸延遲性能要明顯優(yōu)于無延遲感知調(diào)度。對比圖6可以看出，與MHST算法相比，在單信道調(diào)度時，LB-MHST算法將延遲性能提高了12%，8信道時延遲性能提高了15．2%，16信道時延遲性能提高了18%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，LB-MHST算法可以進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)的傳輸延遲。

4．2 各信道調(diào)度對配電網(wǎng)通信主站影響

在本節(jié)中，分析了節(jié)點(diǎn)信道調(diào)度策略對電網(wǎng)通信主站性能的影響。為了驗(yàn)證算法提高主站的通信效率，實(shí)驗(yàn)對比了在主站實(shí)時通信的過程中使用了兩種算法后通信主站每秒處理的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

圖6 不同負(fù)載下延遲感知調(diào)度性能對比Fig．6 Performance comparison of delay aware scheduling under different loads

如圖7所看出，本文算法能夠提高主站數(shù)據(jù)包處理效率，原因是路由選擇考慮了數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，有效控制了配電網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)的擁塞風(fēng)險。

圖7 多信道調(diào)度對電網(wǎng)主站的性能影響Fig．7 Effect of multi-channel scheduling on master station performance

5 結(jié)語

現(xiàn)場實(shí)測表明，在智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中低功耗無線通信會由于惡劣并且復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境而存在噪聲、干擾、連通性差和衰落等問題。為了解決上述問題，本文提出了鏈路質(zhì)量感知路由算法(LB-MHST)，并針對不同數(shù)據(jù)包的延遲要求，利用數(shù)據(jù)優(yōu)先級傳輸，進(jìn)一步滿足配電網(wǎng)中的QoS性能要求。此外，還分析了所提出的算法對電網(wǎng)主站實(shí)時通信的影響。通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，表明了所提出算法可以有效減少智能電網(wǎng)環(huán)境中的通信延遲。未來，將對本文所提出算法在更加惡劣的智能電網(wǎng)環(huán)境中WSN的多信道調(diào)度作深入的調(diào)研，并研究如何把本文提出的調(diào)度策略與加權(quán)公平調(diào)度方案結(jié)合起來，以滿足在不同的智能配電網(wǎng)應(yīng)用場景中的公平性要求。