智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡QoS建模思路研究

摘要：在當今時代，電力事業(yè)已經(jīng)成為我國經(jīng)濟發(fā)展、社會建設中不可或缺的能源，而隨著經(jīng)濟水平以及人們生活水平的提升，不論是經(jīng)濟生產(chǎn)，還是生活所需，都對供電可靠性以及安全性提出了更高的要求。在這種大背景下，智能配電網(wǎng)已經(jīng)成為電力行業(yè)研究的主要方向之一，我國已經(jīng)根據(jù)配電網(wǎng)系統(tǒng)的設備分布、結(jié)構(gòu)特點等建立起了一種基于WSN（無線傳感器網(wǎng)絡）的配電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡架構(gòu)。本文就針對智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡QoS建模思路展開了研究。

關(guān)鍵字：智能配電網(wǎng)；通信；無線傳感器網(wǎng)絡；QoS；建模思路

智能配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比較復雜，它涉及到現(xiàn)今的電氣控制技術(shù)、通信技術(shù)以及計算機技術(shù)等。通過高效、實時、可靠的通信技術(shù)，將發(fā)電、配電、輸電網(wǎng)絡有機的結(jié)合起來，確保信息流、電力流能夠?qū)崿F(xiàn)從發(fā)電端到配電端的雙向流動。現(xiàn)今WSN技術(shù)已經(jīng)成為我國智能配電網(wǎng)主要研究的技術(shù)之一，對配電網(wǎng)故障檢測、工作效率的提升和改進等都有著不可取代的作用。國內(nèi)對于WSN的研究很多都只是停留在變電站自動化、配電自動化等方面，還未深入涉及到WSN數(shù)據(jù)傳輸性能的QoS（服務質(zhì)量）方面。在智能配電網(wǎng)中，不同數(shù)據(jù)對通信網(wǎng)絡傳輸性能的QoS有著不同的要求，為了進一步改善供電質(zhì)量，將WSN技術(shù)應用于智能配電網(wǎng)是當前供電事業(yè)發(fā)展的必然需求。本文首先對智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡QoS-MAC的建模進行了闡述，然后再分析了智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡性能分析的數(shù)據(jù)模型。

一、智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡QoS-MAC的建模

配電網(wǎng)是電力建設的關(guān)鍵性工作之一，其主要作用是將電能分配到各個用電客戶手中。總體而言，配電網(wǎng)的分布以及其設備位置有以下兩個方面的特點：其一，配電系統(tǒng)分布廣、分布不均勻、整體架構(gòu)較為分散；其二，配用電區(qū)域內(nèi)集中分布著大量的用電客戶以及配電設備。本文主要是根據(jù)智能配電系統(tǒng)的分布特點，提出了利用通信無線傳感器網(wǎng)絡QoS建模加強對智能配電網(wǎng)的管理。

一般來說，QoS-MAC的建模都是采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠有效的避免多跳路由對相鄰的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點間MAC層傳輸實時性的影響。在星型網(wǎng)絡內(nèi)主要有一個協(xié)調(diào)器有線節(jié)點以及多個路由器/終端無線節(jié)點。

（一）數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點內(nèi)緩沖隊列狀態(tài)的數(shù)學模型

通過對智能配電網(wǎng)WSN通信需求的分析可知，需建立非實時、實時兩種數(shù)據(jù)的存放緩沖隊列。圖1所示為通過馬兒可夫鏈建立起來的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點緩沖隊列模型。其中，狀態(tài)（k0，k1）所表示的是在數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的實時數(shù)據(jù)緩沖隊列中有k0個數(shù)據(jù)包，在非實時數(shù)據(jù)緩沖隊列中有k1個數(shù)據(jù)包。其中緩沖隊列k0的長度是m0，而緩沖隊列k1的長度是m1。實時數(shù)據(jù)緩沖隊列的產(chǎn)生率為λ0，而非實時的產(chǎn)生率為λ1。另外，μ1為實時數(shù)據(jù)緩沖隊列的發(fā)送率，μ1為非實時的發(fā)送率。 表示的是緩沖隊列狀態(tài)處于（k0，k1）時候的概率。

圖1數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點緩沖隊列模型

圖2 馬爾可夫鏈模型

通過對圖2分析可以對各個配電網(wǎng)WSN數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的狀態(tài)概率進行計算，其方程組如下所示：

（二）QoS-MAC信道訪問機制的數(shù)學模型

為了保證通訊數(shù)據(jù)的實時操作能夠?qū)崿F(xiàn)支持QoS，可以在IEEE802.15.4中添設實時以及非實時兩種數(shù)據(jù)的不同退避時間 、 ，不同最大退避次數(shù)K0、K1。與此同時，為了避免應答數(shù)據(jù)包被新數(shù)據(jù)的傳輸打斷，應該將空閑信道的持續(xù)時間從以前的1symbol改成20symbol。

為了充分考慮前一時刻與當前時刻兩個連續(xù)時間中的智能配電網(wǎng)WSN的信道狀態(tài)，可將當前信道的空閑狀態(tài)的概率用 進行表示，其中 主要是代表前一時刻信道的狀態(tài)（空閑/繁忙）時，當前信道的空閑條件的概率。信道從忙到閑的轉(zhuǎn)換概率為 ，其中 表示數(shù)據(jù)包發(fā)送時間的平均值。對于發(fā)送實時數(shù)據(jù)節(jié)點，其檢測當前信道空閑狀態(tài)的概率可用 進行計算；對于發(fā)送非實時數(shù)據(jù)，其檢測當前信道空閑狀態(tài)的概率可用 進行計算。

在兩個連續(xù)時間單位內(nèi)，信道都是空閑狀態(tài)的概率的計算公式：

其中， ，代表發(fā)送實時數(shù)據(jù)節(jié)點時的概率； 代表發(fā)送實時數(shù)據(jù)節(jié)點時，檢測信道的概率； 代表“非實時”時檢測信道的概率。以此類推，當有n1個發(fā)送非實時數(shù)據(jù)節(jié)點時，沒有檢測信道的概率可以通過以下的式子進行計算：

二、智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡性能分析的數(shù)據(jù)模型

對于智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡的性能分析而言，可以建立實時數(shù)據(jù)傳輸延時模型以及非實時數(shù)據(jù)傳輸延時模型、傳輸節(jié)點CSMA/CA信道的沖突率模型以及數(shù)據(jù)的有效吞吐率模型進行分析。

對于實時數(shù)據(jù)傳輸延時模型來說，其數(shù)據(jù)傳輸延時 主要包含數(shù)據(jù)包傳輸時間、隊列等待時間兩類，數(shù)學模型表示如下：

對于非實時數(shù)據(jù)傳輸延時模型來說，其數(shù)據(jù)傳輸延時 主要包含該節(jié)點內(nèi)的非實時數(shù)據(jù)傳輸隊列的等待時間、實時數(shù)據(jù)傳輸隊列的等待時間、傳輸數(shù)據(jù)包所用時間以及在數(shù)據(jù)傳輸過程中，新產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)的傳輸時間等。數(shù)學模型如下所示：

對于數(shù)據(jù)的有效吞吐率模型來說，其含義是指數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行掏铝颗c數(shù)據(jù)產(chǎn)生量之間的比值。有效吞吐率的高低反映出了智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ粢嬎銛?shù)據(jù)傳輸?shù)挠行掏侣剩梢詫崟r數(shù)據(jù)傳輸與非實時數(shù)據(jù)傳輸分開進行。首先，對于實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行掏侣蕘碚f，其數(shù)學計算模型如下：

對于非實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行掏侣蕘碚f，其數(shù)學計算模型如下：

另外，在智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸中，還必須要重視一個問題，即數(shù)據(jù)包傳輸?shù)氖「怕省Ｈ绻麛?shù)據(jù)傳輸?shù)氖「怕蔬^大，就會嚴重影響到智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性以及網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。而在智能配電網(wǎng)WSN中，造成數(shù)據(jù)傳輸失敗率增大的因素主是信道沖撞。信道沖撞的涵義是指在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，因多節(jié)點搶占信道，故而導致數(shù)據(jù)傳輸失敗。實時數(shù)據(jù)傳輸失敗率與非實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖÷视胁煌挠嬎隳Ｐ停渲校?實時數(shù)據(jù)傳輸失敗率的計算模型如下所示：

非實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖÷实挠嬎隳Ｐ腿缦滤荆?/p>

三、結(jié)束語

總而言之，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，智能變電站已經(jīng)成為我國電力行業(yè)技術(shù)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。而將WSN（通信無線傳感器網(wǎng)絡）應用于智能配電網(wǎng)是一項重大的突破，為了保證這一技術(shù)的可靠性，相關(guān)研究人員引入了QoS（服務質(zhì)量）這一理念，這對改進智能配電網(wǎng)通信無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)有著重要的作用。總體來說，在智能配電網(wǎng)WSN數(shù)據(jù)傳輸中，關(guān)鍵是要處理好實時數(shù)據(jù)傳輸、非實時數(shù)據(jù)傳輸兩方面的內(nèi)容，本文通過馬爾可夫鏈而建立起來的狀態(tài)模型，能夠較為清楚的描述出數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點所處的狀態(tài)。再以此為基礎(chǔ)建立起QoS-MAC的CSMA/CA的數(shù)學模型，可以實現(xiàn)MAC層對QoS的支持。

參考文獻：

[1] 王建平，王夢彪，王金玲等.智能配電網(wǎng)通信實時性與可靠性QoS路由機制研究[J].電子測量與儀器學報，2013，27（3）：187-193.

[2] 徐鑫，李得利.WiMAX 對智能配電網(wǎng)多業(yè)務支撐探討[J].通信技術(shù)，2013，（3）：29-32.

[3] 李得利.智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)探討與性能分析[D].重慶大學，2012.

[4] 王再見，董育寧，孫剛友等.一種異構(gòu)網(wǎng)絡中基于聚集流的水平QoS映射方法[J].電子與信息學報，2012，34（1）：89-94.