基于DL／T645規約的電能表集抄無線傳感器網絡MAC協議設計

摘要：隨著智能電網的發展，電力行業對各種電能表終端的遠程、實時管理，以及對抄表數據的通信需求成為一項重要的研究課題。將無線傳感器網絡用于多功能電能表數據通信，需解決各層協議的通信機制和與DL／T645規約匹配等問題。文中提出了一種改進型的基于IEEE802．15．4的QoS—MAC協議，并針對電力DL／T645規約的電能表各類數據傳輸的特點以及集中抄表無線傳感器網絡的數據通信需求，構造了一種具有實時性和可靠性服務質量的無線傳感器網絡MAC層模型。
關鍵詞：無線傳感器網絡；QoS—MAC層模型；DL／T645規約；數據傳輸

0 引言
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networlks，WSN)以其能夠協作感知和采集網絡分布區域的信息而成為最近幾年無線通信領域一個最重要的研究熱點，并已引起了學術界和工業界的高度重視，被專家譽為是將對21世紀產生巨大影響的技術之一。無線傳感器網絡被廣泛應用于國防軍事技術、環境信息監測、城市交通管理、醫療設備、工農業監測與控制等領域。在電能表集抄技術的數據傳輸中，人們對于無線傳感器網絡技術的期待是：如何用簡潔的協議棧來支持網絡的有效運行；如何利用廣播信息，就可以避免交互應答；如何得到簡化的協議層次和精簡的信令方式；如何節省系統的開銷等。一些專用于無線傳感器網絡中的通信協議，可使網絡中能量獲得最大的節省，可隨時接入大量節點，而且具有高容錯性、強魯棒性(即系統的健壯性)等。
我國電能表集抄技術的無線傳感器網絡通信研究起步較晚，但是目前已越來越受重視。無線傳感器網絡完全的RF冗余和多數據通道，能夠自我建構、調整，智能分布式自組織，能夠很好地對用電網絡設備的運行進行監測、診斷和響應等遠程操作，并能對用電網絡中不斷變化的信息交換進行傳輸。將無線傳感器網絡應用于電能表集中抄表系統，越來越成為一個研究熱點。無線傳感器網絡的ZigBee技術在自動集中抄表系統的應用，能夠提高數據的穩定傳輸能力和各通信終端自組網的能力。而基于DL／T645規約和兼容IEEE802．15．4標準的技術在無線自組織多跳冗余網絡中能保證無線數據的可靠傳輸。文獻提出了一種基于無線傳感器網絡技術的配電專用無線通信網絡拓撲結構，并通過修改IEEE802．15．4的MAC層協議，在不增加網絡通信開銷的條件下，增加IEEE802．15．4標準對QoS的支持。但其只建立高低兩個優先級通信，因而不能更好地對DL／T645規約數據分類。文獻對實時業務中的不同QoS需要，考慮了數據包的優先級而提出了一種基于數據包優先級的DCF(PMDCF)，并采用馬爾科夫鏈方法對基于PMDCF的數學模型進行性能分析。但是，此算法未結合電能表集抄數據進行研究。本文針對電力DL／T645規約的電能表各類數據傳輸的特點，以及電能表集抄技術中無線傳感器網絡的通信需求，分析了無線傳感器網絡技術領域里的相關協議，提出了一種改進型的、基于IEEE802．15．4 QoS-MAC層的網絡模型。通過對無線傳感器網絡IEEE802．15．4標準中加入QoS服務，對各類抄表數據根據不同優先級建立緩沖隊列，從而設計了一種具有實時性和可靠性服務質量的無線傳感器網絡MAC層協議。為衡量無線傳感器網絡的數據通信性能，文中還建立了數據通信性能的評價模型，編制了網絡性能分析仿真算法，并在不同的抄表數據產生率下，對所提出的QoS—MAC協議網絡傳輸性能進行了Matlab算法實現。最后，通過所設計的網絡分析測試環境，并采用當前無線傳感器網絡領域熱門的Opnet 14．5網絡仿真與分析軟件進行模擬仿真測試。結果表明，本文所提出的方法可為電能表集抄數據傳輸提供可行而且有效的QoS服務。

1 多功能電能表DL／T645規約對無線傳感器網絡數據通信的需求
DL／T645通信規約又稱多功能電能表通信規約，是我國電力行業的一個強制執行標準。GB DL／T645—2007為2008年6月1日之后實施的版本。DL／T645標準為統一和規范多功能電能表與數據終端設備進行數據交換提供了物理連接和協議。不論載體是有線或無線，所有的多功能電能計量表在進行底層數據傳輸時，均要采用此通信規約。
在電能表集抄無線傳感器網絡中傳輸數據時，由于DL／T645規約中對集抄器響應的通信數據具有不同的周期性、時效性和緊急性，因此，根據多功能電能表DL／T645規約的數據特點，電表抄表數據可歸分為三類：
第一類是周期性測量數據，用于提供周期性的終端設備工作狀態測量數據，包括多功能電能表的巡檢應答信息、設備狀態信息和功率使用信息；
第二類是時效性抄表數據，即由集抄終端設備每月定時向集中器設備無線節點或協調器節點發出的用電信息，包括當前正向有功用電量、電表校時等。
第三類是緊急通信數據，包括在集抄終端設備處于非正常狀態時，由集中器設備無線節點或協調器節點發出的緊急上報數據及遠程控制命令。
因此，系統需要為抄表無線傳感器通信網絡設計QoS機制，使其能為緊急狀態數據提供更大的機會來爭取信道的使用和較低可能數據的丟失，同時為時效性抄表數據提供較小的通信延時服務；而對于周期性測量數據，在緊急狀態數據和時效性抄表數據傳輸時，可減小其數據的吞吐量，使得在集抄終端出現緊急狀況時，用電管理部門能夠及時接收到錯誤提示，而不受其它測量數據傳輸的影響。
為了減少信道沖突、減少緊急和時效數據的傳輸延時和增加整個網絡的有效吞吐率，需要對多功能電能表抄表數據提供不同的QoS服務；同時，考慮到數據包的時效和緊急性，數據包的優先級并不是越細越好。綜合考量，根據自動抄表通信網絡實際要求的不同QoS需要，其優先級可歸分為三類，這三種數據包優先級如表1所列。