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）

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，進行路由協議的評定。根據小區現場環境配置仿真參數，二者在相同的環境下進行仿真，通過編寫tcl文件生成網絡場景，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路由協議更加適合本文的無線抄表環境。

無線抄表；路由協議；DSR；NS2

近年來，國家智能電網[1-3]的不斷發展，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勢。無線抄表系統利用計算機和通信技術，遠程自動抄讀用戶電表數據，對用戶電表進行集中管理、統計與分析，完成用戶的電能量計費和管理功能[4]。在數據采集和數據傳輸的過程中該抄表系統都要保證數據的可靠性，節點采集到的數據以及下發控制命令，以節點間多跳的無線網絡方式被傳遞到抄表控制中心。在無線網絡中，路由算法直接影響無線網絡的相關性能。本文將在無線抄表系統的框架下，針對特定的某個小區，搭建抄表網絡，通過兩種路由算法進行抄表網絡仿真，實現該小區的無線抄表算法。

1 無線抄表系統整體結構

文中參考某市區小區規模，構建抄表網絡。文中研究的無線抄表系統主要有3類通信節點，分別為主站、集中器和表計節點，主站與集中器間的通信網絡稱為遠程通信網絡，遠程網絡主要通過GPRS/GSM/CDMA等方式進行二者之間的通信。集中器與表計節點之間的通信網絡稱為本地通信網絡。本地通信網絡的主要方式有自組網/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，即是中心節點。用戶表計為單個節點，將采集到的電能數據上傳到中心節點。采集器與集中器通過多跳手段、自組織網絡的形式進行通信，構建整個系統的抄表網絡，文中主要介紹的是本地網絡，如圖1所示為無線抄表系統的結構圖。

圖1 無線抄表系統結構

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

2 路由協議

2.1 DSR路由協議

動態源路由協議DSR[7]屬于按需路由協議[8-9]，節點僅僅在需要發送信息且該節點沒有直接到達目的節點的路由時，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，數據分組的頭部包含路由信息，每個節點根據該路由進行轉發分組，節點不需要定期發送檢測網絡結構的控制路由，網絡開銷少，適合結構穩定的抄表網絡[10]，根據該小區構建的抄表網絡，結構相對穩定，DSR比較適合該小區的抄表網絡，仿真測試在后續章節進行介紹。

2.2 DSDV路由協議

DSDV[11-13]即是目的節點序列距離矢量路由協議，協議中每個節點都維護一張路由信息表，該表中表項為目的節點、目的節點序列號、下一跳節點和跳數。為維護路由信息表節點周期性地廣播給鄰節點路由分組以交換路由信息，也可以根據路由信息表的變動來觸發路由更新。DSDV只能為給定的路由提供一條路徑，此路由協議中節點維護了整個網絡的路由信息，在網絡拓撲結構變化較頻繁的無線網絡中，頻繁地更新路由表以維護準確路由信息，致使網絡代價很大，那么DSDV就會出現問題，DSDV主要應用在網絡拓撲變化相對穩定的環境中，符合該小區的環境配置，仿真測試在后續章節進行介紹。

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、事件驅動的網絡模擬器[14-15]，可以仿真TCP、UDP等網絡協議，數據傳輸如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的安裝環境在Linux平臺下，網絡的核心協議不變，但是仍然需要根據實際情況，去配置環境參數，構建網絡拓撲結構，仍然是使用NS2的重要環節。根據實際小區環境，需要很快的進行網絡拓撲的搭建，靈活的轉換環境參數，最終使得仿真環境符合小區的實際環境，需要使用腳本語言OTCL來配置網絡的環境。

3.2 仿真環境搭建

網絡的覆蓋面積為300 m*300 m，網絡的節點數目為100個，節點的最大傳輸距離為100 m，無線傳輸信道的帶寬為1M。根據某小區實際環境設置仿真環境參數，小區有100住戶，區域在300*300 m內，即是100只等待讀取數據的電能表，即是100個節點，假設需要抄取用戶0的電能表數據，數據經過一定的路徑被送到目的地99，傳輸層采用可靠的傳輸協議TCP，數據源采用的是cbr等，具體參數如表1。

DSDV的環參數設置與DSR的環境參數設置相似，在這里不在做詳細敘述。

表1 DSR仿真參數

3.3 路由協議仿真

3.3.1 DSR路由協議的仿真

如圖2所示，源節點0在1 s的時候開始向目的節點發送數據，節點0要向節點99發送分組但沒有節點99的路由信息，這時開始路由發現過程。節點0首先向鄰居節點進行廣播，發送路由請求包RREQ，收到分組的節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節點的路由信息，若滿足條件，則向節點0回復RREP包，RREP中包含節點0到99的路由信息，源節點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路由發現過程

3.3.2 DSDV路由協議仿真過程

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

圖3 DSDV路由發現過程

4 路由協議的仿真結果分析

抄表網絡仿真結果的分析是整個仿真實現很重要的一個環節，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為數據分組發出的時間，Trev接收到數據分組的時間，該參數反映了路由的有效性。如圖4所示，在2 s的時候，DSDV協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協議大，在端到端延時性能來說，應擇優選擇DSR協議。

吞吐量：單位時間內的某個節點發送和接收的數據量，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，都相對穩定，DSR協議在吞吐量方面較好。

延遲變化量：jitter=（TP[j]-TP[i]）/（[j]-[i]），TP[j]為數據包 P[j]的延遲，TP[i]為數據包 P[i]的延遲，[j]為數據包P[j]的序號，[i]為數據包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，所以擇優選擇DSR協議。

丟包率：單位時間內未收到的數據封包與發送的數據封包數的比率，可能發生的原因有信號的衰減、網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，重點介紹抄表網絡中的DSR、DSDV兩種路由算法，進而介紹無線抄表的應用環境，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。經過仿真綜合分析得出，DSR路由協議在端到端時延、吞吐量、延遲時間變化量性能上都要優于DSDV協議，綜合分析得出DSR路由協議更加適合該小區的無線抄表。隨著智能電網的不斷發展，智能抄表發展會越來越迅速，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。