基于qos-cam的配电网信道访问机制研究

基于qos-cam的配电网信道访问机制研究

0当代配电设备使用效率研究随着社会经济的发展和科学技术的进步，无线传感器网络（wsd）技术在配电网络通信中的应用引起了社会的关注。2010年美国国家标准技术委员会制定的智能电网协作标准将WSN中的ZigBee协议列为推荐的通信标准之一。近几年,国内外研究状况为:文献提出了一种新颖的基于WSN技术的输电线路监测系统,用于提高输电线路的可观测性和稳定性;文献提出了一种基于WSN的配电线路故障定位方案;文献提出了一种新型变电站自动化通信网络;文献提出将WSN应用于电力监控系统中,更好地实现电量监控和配电网继电保护;文献提出了一种基于WSN技术的系统级特性故障检测方法,更好地改进了当代配电设备的使用效率。以上研究主要集中在电力系统设备和监控等应用点层面上。WSN中的媒体访问控制(MAC)协议无法兼顾所有网络特性,因此需要在多个性能指标之间做出选择和折中。基于分类数据优先级和信道竞争的MAC层协议的研究状况为:文献提出了经典的S-MAC协议;文献在S-MAC协议的基础上,提出了T-MAC协议;文献提出了自适应睡眠的S-MAC协议;文献提出了应用于载波侦听与监测的B-MAC协议;文献在前人的基础上提出了可以减少前导冲突率的Wise-MAC协议;文献通过选择发送的数据,提出了多种类别的数据具有QoS支持的Q-MAC协议;文献提出了一种可减少数据传输延时的QoS-MAC协议;文献提出了一种基于优先级的介质访问控制协议,即PQ-MAC路由协议;文献针对配电网通信对数据实时性的不同需求,提出了一种多优先级数据的MAC层QoS算法。文献[7-11]采用了休眠和唤醒机制,但同步休眠会增加通信数据的传输延时,若传输数据对其实时性要求较高,则不利于通信数据的有效传输;文献[12-15]采用了基于多优先级数据信道访问机制的QoS算法,但因无法解决信道访问中的随机延时问题,均未能给出保证性的QoS算法。文献[16-17]从WSN数据传输性能满足智能配电网数据通信的QoS层面上,对配电网数据通信进行了实时性数据和非实时性数据的不同通信要求的划分,但其二级划分不完全符合中国电力配电自动化数据通信要求。现有的研究方法都无法满足智能配用电网通信中特定数据在相邻节点间时,对实时性和可靠性的保证性要求。在此基础上,本文针对配电网数据通信的需求将配电自动化的通信数据分为3种优先级数据(遥信、遥控、遥测),研究了一种在IEEE802.15.4标准MAC层协议中引入QoS支持的信道访问机制QoS-MAC。通过建立3个优先级别的通信数据队列模型、传输延时模型、有效吞吐率模型和节点的无线信道冲撞率模型,衡量WSN在配电网中的数据传输性能。1遥信、使用数据的可靠性指标中国电力工业通信规范将配电自动化的通信数据分为遥信、遥控、遥测三类,并对遥信、遥控数据提出明确的实时性和可靠性指标,对遥测数据提出可靠性指标,如表1所示。综合分析可知,根据遥信、遥控、遥测三类数据的实时性指标要求,可将其分为高、中、低3种优先级数据,并采用差异化的数据传输策略。2电力网络wss的qos-mac模型2.1缓冲阵列设置为使WSN节点数据通信的信道竞争机制满足配电网中遥信、遥控、遥测三类数据差异化的QoS传输需求,在IEEE802.15.4标准MAC层协议中引入QoS支持的信道访问机制QoS-MAC。在配电网的WSN通信节点中设置高、中、低优先级数据缓冲队列,分别存放对应的遥信、遥控、遥测三类差异化要求的数据。同时采用载波侦听多点接入/冲突避免(CSMA/CA)机制,为高优先级的通信数据设置最多的退避次数和最短的退避时间,为中优先级的通信数据设置较多的退避次数和较短的退避时间,为低优先级的通信数据设置较少的退避次数和较长的退避时间。因此,高优先级缓冲队列中的数据总是最先发送,当高优先级数据的缓冲队列为空时,发送中优先级数据缓冲队列中的数据;当中优先级数据缓冲队列为空时,才最后发送低优先级缓冲队列中的数据。在配电网中遥信、遥控、遥测三类数据中,遥信数据总是优先发送,遥控数据次之,遥测数据最后发送。2.2星形网络的设计构建一个由1个协调器节点和N个网络节点组成的星形网络,将此网络作为配电网WSN中通信数据的建模对象,并设网络中的每个节点的信道使用情况都受其他节点状态的影响。2.2.1缓冲阵列模型马尔可夫过程的一步链模型是随着事件的发展,当前时刻的状态变化只与前一时刻的状态有关,而与过去其他任意状态都无关的一类随机过程模型。节点内缓冲队列状态随着时间的发展而随机变化的过程即可用马尔可夫一步链模型描述。文献[16-17]中针对两类不同实时性通信数据的有效传输,建立了节点中缓冲队列的二维马尔可夫链模型。在此基础上,针对配电网数据通信的需求,在WSN节点中建立3个缓冲队列,分别存放高、中、低优先级数据,构建缓冲队列的三维马尔可夫链模型,如图1所示。图1中(k0,k1,k2)表示当节点的高、中、低优先级数据缓冲队列中分别有k0,k1,k2个数据包时的一个状态。节点内3个缓冲队列的状态为(k0,k1,k2)时的概率是。3个缓冲队列的长度分别为m0,m1,m2;高、中、低3个优先级的数据产生率分别为λ0,λ1,λ2;发送率分别为μ0,μ1,μ2。在较高优先级的缓冲队列中有数据包时,优先发送较高优先级缓冲队列的数据。即当k0>0时,k1,k2状态不变;当k0=0,k1>0时,k2状态不变;当k0=0,k1=0时,k2状态变化。根据马尔可夫一步链的无后效性,由图1可推算出每个节点的27种不同状态时的条件概率,其表达式见附录A。公式需满足的约束条件为:k0=1,2,…,m0;k1=1,2,…,m1;k2=1,2,…,m2。图1中的节点可分为p0,p1,p2,p3共4种状态,其表达式为:式中:p0为当节点缓冲队列有高优先级数据发送时的概率;p1为当节点缓冲队列中无高优先级数据发送,但有中优先级数据发送的概率;p2为当节点缓冲队列中仅有低优先级数据发送的概率;p3为无数据发送的概率。当配电网WSN中的节点数为N时,假设n0,n1,n2个节点分别有高、中、低优先级数据发送,其他n3个节点无数据发送,则其概率记为,表达式由式(2)给出:2.2.2发送高、中、低优先级数据的正交试验若当前信道是空闲状态,则在前一个时间单位内信道是空闲状态下的条件概率为pi|i,同理在前一个时间单位内信道是繁忙状态下的条件概率为pi|b。由于上述无线信道的2种不同状态,则当前信道是空闲的概率可表示为:在此基础上,发送高、中、低3个优先级数据的节点分别可检测到当前信道是空闲的概率pi,0,pi,1,pi,2可表示为:式中:pi|i,0,pi|i,1,pi|i,2分别对应于发送高、中、低优先级数据的节点时,信道在前后2个连续时刻都是空闲的概率。其他所有发送高、中、低优先级数据的节点都没有进行信道检测的概率pi|i,x(x=0,1,2)的表达式为:式中:Q0,Q1,Q2分别为有发送高、中、低3个优先级数据节点的概率;τ0,τ1,τ2分别为发送高、中、低优先级缓冲队列中数据的节点进行信道检测的概率;bm,0,bm,1,bm,2分别为高、中、低优先级缓冲队列中的数据包第m次的平均退避时间;Ttx,0,Ttx,1,Ttx,2分别为高、中、低优先级缓冲队列中的数据包平均传输时间。0≤m≤K0,高优先级缓冲队列检测空闲信道评估(CCA)信道的时间是1,则高优先级缓冲队列中的数据包经过n次退避后可获得物理信道的总消耗时间是。若高优先级缓冲队列中的数据包可以在第n次退避后获得信道,则此时检测到信道的次数是n+1,其概率是(1-pi,0)npi,0。若高优先级缓冲队列中的数据包在达到最大退避次数K0时仍然无法获取物理信道,则此时的退避时间是,概率是在MAC层协议中,每个数据包在传输与退避过程中消耗的总时间构成了发送每个数据包的平均时间。因此,高、中、低优先级数据包发送的平均时间为:并且数据包的发送率μ和数据包发送的平均时间Ts是倒数关系,即μ=1/Ts。2.3qos网络模型在配电网通信WSN建设中网络性能研究越来越受到人们的重视,本文从网络的有效吞吐率、传输延时、信道利用率3个方面来反映网络系统的本质属性。为能实时、高效地分析基于配电网数据通信的改进型WSN的性能,从提升QoS方面需要建立以下3种模型:①3种优先级数据的传输延时模型;②3种优先级数据的网络有效吞吐率模型;③发送3种优先级数据的节点无线信道冲突率模型。2.3.1wsn数据的性能指标数据传输延时是衡量网络性能的参数之一,即可以反映配电网通信WSN的数据通信实时性的性能指标。WSN中数据的传输延时主要包括当前数据包的服务时间、队列等待时间和优先级等待时间。由附录A式(A1)、式(10)至式(12)可推算出传输延时计算模型。1高分类数据的优先时间计算模型高优先级数据传输延时包括高优先级数据包传输时间和高优先级数据队列等待时间,即2数据传输时间中优先级数据的传输延时包括节点内高优先级数据包传输时间、中优先级数据包传输时间、中优先级数据队列等待时间和在传输过程中新产生的高优先级数据传输时间,可由式(14)表示:即3中小型城市所有的数据,有低、中级数据或未发力低优先级数据传输延时包括节点内高优先级数据队列传输时间,中优先级数据队列等待时间、数据包传输时间,低优先级数据队列等待时间、数据包传输时间,以及在传输过程中新产生的高、中优先级数据的传输时间,可由式(16)表示:2.3.2性能测试的内容有效吞吐率是衡量网络性能的参数之一,即可以反映配电网通信WSN的数据通信容量的性能指标。吞吐率在性能测试中是指单位时间内在网络上传输的数据量。而网络有效吞吐率是指在数据通信中,有效的数据传输吞吐量与数据产生量的一种比值。式中:L0,L1,L2分别为高、中、低优先级缓冲队列中每个数据包的字节长度。2.3.3不同节点间的相互冲刷网络节点信道冲撞率也是衡量网络性能的参数之一,可以反映配电网通信WSN的数据通信能力的性能指标。在CSMA/CA机制中,由于不同的节点在同一时刻抢占相同的信道,从而发生节点间的相互冲撞并且无法在一定退避次数内获得物理信道,导致丢包率增大的比率用无线信道冲撞率表示。由式(4)可推算出发送高、中、低优先级数据节点的信道冲撞率计算模型F0,F1,F2分别为:2.4数据传输的可靠性WSN节点Oi到邻接节点Oj的可靠性是用来描述完成规定数据传输质量的量度。配电数据通信可靠性可定义为WSN节点在规定时间区间内的可用率以及在占有信道条件下数据传输的正确率。数据传输误码率可通过统计数据计算获得,即WSN节点Oi到邻接节点Oj规定数据传输的正确率a和出错率b统计值为常数时,其误码率为:配电网数据通信的可靠性为:式中:x=0,1,2,分别表示高、中、低3种不同优先级;Rx为数据的可靠性;Gx为数据的网络有效吞吐率;Fx为数据的无线信道冲撞率。若节点处于稳定状态,发生的出错率很低,则b→0,rij→0。配电网数据通信的可靠性可简化为:3无线传感器网络参数设置基于上述建立的QoS-MAC模型,对配电网改进型的WSN进行仿真实验。该WSN采用由1个协调器节点与10个网络节点组成的星形网络拓扑结构。在以上机制中,发送高优先级数据的固定退避时间为20symbols(320μs),最大退避次数设为15次,发送中、低优先级数据的退避时间指数均为BE=,最大退避次数设置为5次。设在配电网数据通信中,每个数据包的长度为128B,节点占用信道的传输时间为313symbols(5008μs)。高、中、低优先级数据缓冲队列的长度均为5个数据包,即640B。为准确快捷地测试出WSN性能,此仿真测试中,无线传感器网络采用IEEE802.15.4标准物理层中定义的网络带宽,即250kbit/s。当数据产生率在0.6~23kbit/s范围内变化时,10个网络节点的总通信负荷也在其定义的网络带宽范围之内。因此,对高优先级数据设置8kbit/s和16kbit/s共2种不同的产生率。在不同高优先级数据产生率的情况下,中优先级数据产生率从0.6kbit/s增加到23kbit/s,低优先级数据产生率也从0.6kbit/s增加到23kbit/s。使用MATLAB分别在2种不同的数据设置下,对WSN性能模型进行仿真。3.1遥信数据传输图2是对3种优先级数据的传输延时模型进行仿真实验的测试结果。由图2可知,随着中、低优先级数据产生率逐渐增大,高优先级数据仍然可以保持很低的数据传输延时,中优先级数据可以保持较低的数据传输延时。由此说明,此QoS-MAC模型可保证遥信数据通信基本不受遥控和遥测数据的影响,遥控数据通信也可不受遥测数据的影响。图中遥信数据最大的传输延时仅可达到10ms,遥控数据最大的传输延时也只达到20ms,遥测数据最大的传输延时可达60ms。即3种数据的传输延时均可以满足配电网数据通信实时性的要求,并且保证了较高优先级数据的通信延时可以不受较低优先级数据通信延时的影响。3.2使用可实现全数据的网络有效接收数图3是对3种优先级数据的网络有效吞吐率模型进行仿真实验的测试结果。图中随着中、低优先级数据产生率的逐步增加,高优先级数据的网络有效吞吐率几乎不受其他优先级数据产生率的影响,仍然能保持一个较大的数值,中优先级数据的网络有效吞吐率影响相对较小,与此同时,低优先级数据的网络有效吞吐率明显下降。由图3可知,遥信数据几乎不受遥控、遥测数据的影响,仍然能保持0.8以上较高的网络有效吞吐率,可以确保完成遥信数据的传送。遥控数据受遥测数据的影响较大,当遥测数据产生率较小时,遥控数据也具有较高的网络有效吞吐率,可以完成遥控数据的正常传输。当遥测数据较大时,遥控数据的网络有效吞吐率明显下降。遥测数据最高的网络有效吞吐率也可达0.9,最低的网络有效吞吐率可低至0.3。综上可知,当遥控、遥测数据的产生率在一定范围内时,大量的遥信、遥控、遥测数据仍然能完成数据传输。但当网络的负担较大时,较高优先级数据传输几乎不受影响,而大量较低优先级数据将不能完成正常传输。3.3无线信道冲刷率图4是对3种优先级数据的无线信道冲撞率模型进行仿真实验的测试结果。图4中随着中、低优先级数据产生率逐渐增加,高优先级数据的无线信道冲撞率几乎不受影响,中优先级数据的无线信道冲撞率相应增加,而低优先级数据的无线信道冲撞率明显增加。由图4可知,遥信数据几乎不受遥控、遥测数据的影响,能保持较低的信道冲撞率,最高也仅为0.2,保证了遥信数据传输的信道通畅。遥控数据受遥测数据影响相对较大,随着遥测数据产生率的增加,遥控数据的信道冲撞率可逐渐增大至0.6。但当遥测数据的产生率在一定范围内,遥控数据也具有较低的信道冲撞率,保证了遥控数据的正常传输。而遥测数据的信道冲撞率受其他数据影响较大。综上可知,在无线信道竞争中,相对于较低优先级数据传输的节点,具有较高优先级数据传输的节点可优先抢占信道。3.4合理的数据传输由图3、图4与式(21)