一种用于电力通信的自适应Adhoc协议

金 红，崔志光

(1.河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄 050031;2.国电科学技术研究院，江苏南京 210031)

0 引言

电力通信是电力系统安全、优质运行的基础。目前，国内电力通信较多采用的是光纤通信、电力线载波和扩频微波等方式。光纤通信的特点是:抗电磁干扰能力强、传输容量大，适合用作通信骨干网。对于通信速率要求不高的分支通道，其成本过高，不宜大规模采用。

无线Adhoc是目前国内外研究的热点领域，其综合了嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等技术，能够相互协作地实时互联、通信。其可快速部署，成本低，可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，并且不需要现有信息基础网络设施的支持，非常适合于电网实时监测的应用。本文以电网通信的智能化监测为应用背景，研究了一种自适应的无线自组网通信协议，协议能提高信道利用率，降低接入正时，最终实现数据的采集、远程传输、智能管理以及故障定位等功能，这对于提高电力系统现代化管理水平、保证电网的正常运行具有重要价值。

1 Adhoc网络及协议

Adhoc网络是由一组自主的无线节点或终端相互合作形成的分布式网络，没有中心控制节点。其不依赖于预设的基础设施而临时组建。网络中的移动节点利用本身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在彼此的通信范围内时，可以借助其他中间节点中继来实现多跳通信。

1.1 Adhoc协议的分类

如何解决多个用户高效、合理地共享有限的无线信道资源(即媒体接入控制(MAC)协议)是移动自组网中的关键难点之一。MAC协议的好坏直接影响到网络吞吐量、时延等性能指标的优劣。目前的MAC协议主要分以下几类:

(1)固定分配类。目前主要有3种多址接入方式实现固定分配类 MAC协议:即频分多址接入(FDMA)、时分多址接入(TDMA)及码分多址接入(CDMA)。原则是把共享的一条信道(或链路)分割成若干个相互独立的子信道，每个子信道又分配一个(或多个)用户节点专用。

(2)随机竞争类。随机竞争类MAC协议是连接在广播信道上的节点都可以向信道发送广播信息。节点需要以某种方式竞争信道使用权，得到使用权便将可信息发送出去;所有节点都能接收到任一节点发送的信息，如果检测出是发给自己的则接收下来，否则丢弃。无线自组网中这类MAC协议应用广泛。

(3)按需分配类。网络按某种循环的顺序询问每个节点是否有数据发送，如果有数据，则立即发送，否则网络转向下一个节点询问。以询问的方式不同，这种方法又可分为集中式控制和分布式控制两种类型。在集中式控制方法中，网络中存在一个中心站，由该站完成对网络中个节点的询问控制过程;而分布式控制方法中，网络中节点都有责任按某种确定地规则对询问控制过程进行管理。

1.2 MAC协议的性能指标

1.2.1 吞吐量

当在信道上发生传输碰撞及传输错误时，必然导致帧的丢失，这时信道时间被浪费。信道时间的浪费程度反映在MAC的优劣上。把单位时间内在信道上成功传输的信息量定义为吞吐量。如果在信道上帧不发生碰撞，且帧间隙为零的话，信道被最大限度的使用。相反，如果信道上所有的帧均发生碰撞，则吞吐量是最小值S=0。

1.2.2 平均传输时延

某一帧从进入缓冲器的时刻开始，至成功地到达目的站接收缓冲器的时刻为止的一段时间，称为该帧的传输时延。当帧被成功的传输时，其延迟时间主要由发送等待时间(即为获得信道使用权的等待时间)和该帧的在信道上的传输时间T组成。如果发生碰撞或传输错误，延迟时间还应包括由于重传而带来的延迟时间。由于每帧的传输延迟可能不同，一般取一帧的平均延迟时间作为帧延迟的量度。通常，用一帧的传输时间T对平均传输时延归一化，该平均传输时延用符号D表示。

2 自适应预约按需传输多址接入协议

本文提出一种自适应预约按需传输(Adaptive Reservation On－Demand Transmission，ARODT)的多址接入协议。在信道传输时期中包括两个阶段:节点获得信道资源使用权的自适应预约接入阶段、节点发送分组的按需传输阶段。在接入阶段，中心控制节点(CCN)可根据业务量的多少动态调整接入策略，从而使各分组发送的节点快速、有效、公平地获得信道使用权;在传输阶段，节点可在CCN的安排下无冲突的发送分组。协议能提高信道利用率、降低接入时延，可用于现代电力通信网络。

2.1 信道接入方法

中心节点根据接收业务分组的情况收集、统计成功业务量(即当前吞吐量)，然后与预设的用于表示轻业务量门限的第一业务量门限值及用于表示重业务量门限的第二业务量门限值相比较，确定当前的业务量等级并选择相应的信道接入方式。具体流程图如图1所示。

图1 信道接入判断流程

2.2 不同业务量接入方式

根据当前业务量情况确定不同的信道接入方法，两个门限共分三级，即轻业务量情况、中高业务量情况和重业务量情况。

2.2.1 轻业务量

在轻业务量情况下，所用的方法是各节点使用很短的接入预约(AR)分组预约，之后CCN发送很短的接入成功(AS)分组给以确认，一方面是告诉该接入节点此次接入是否成功、它是否可以立即发送业务分组(通常其长度远大于 AR、AS等控制分组)，另一方面是通告其他节点之后要回避足够的时间长度让该节点的业务分组成功发送直至结束，最后，该节点进行无冲突的分组发送。

2.2.2 中高业务量

在中高业务量情况下，如果还有空闲信道资源，CCN安排各节点的预约接入，否则，直接进入无冲突业务分组传输阶段;在接入阶段，各节点竞争接入时隙，成功后CCN分配相应的信道资源，若失败，CCN给以反馈，节点在下一次接入阶段再进行接入尝试;接入后进入无冲突业务分组传输阶段，各成功接入节点在CCN安排的信道资源上依次无冲突发送业务分组。

2.2.3 重业务量

在重业务量情况下，CCN依次轮询各节点，若节点有业务分组发送，该节点就发送;若没有，该节点回复确认(ACK)分组，CCN增大对该节点的轮询周期长度。当CCN通过附带轮询节点标记的业务分组来轮询各节点时，若有几次被轮询时没有业务分组发送，则需要间隔几个周期后再轮询该节点。一旦节点有一次被轮询时有业务分组发送，则下一周期起继续轮询该节点。此外，CCN附带优先级限制轮询各节点，可以让更需要传输的业务分组优先得以发送。

3 仿真分析

仿真采用Visual C++6.0，在程序中设置为AR分组、AS分组长度都为0.02，仿真网络节点数n0=50，仿真时间 Simulation_time=100000，节点数据包缓存长度Line_size=50。我们对ARODT协议的吞吐量、时延等性能进行了仿真分析。ARODT协议的吞吐量如图2所示。

图2 ARODT协议的吞吐量性能

从图2可知，节点数越多时的时候，信道利用率越高。原因在于:当网络中节点数较小时，业务量相对越小，信道并没有被充分利用，随着节点数增加，信道利用率随之提高。

ARODT协议的平均时延如图3所示。

图3 ARODT协议的平均时延性能

从图3可知，业务量由轻业务量增长的过程中，由于业务量的增加，时延随之有较大增长;在中高业务量时平均时延曲线斜率不大，时延增长不大。

4 结语

本文以电网智能化监测为应用背景，研究无线Adhoc网络在电力通信中的应用技术，提出了一种自适应预约按需传输多址接入协议，该协议克服现有技术中单一信道接入方式的不足，提供一种可以根据不同的业务量选择不同信道接入方式的自适应多址接入方法，综合了各种信道接入方式的优点，以达到接入最优化。仿真分析可知:该协议有较高信道利用率，且平均时延波动不大，没有呈指数增长。无线Adhoc网络简便易行、成本低廉，能够很好的解决有线通信方式布线难度大、成本高、不易维护和升级的问题，具有较高的组网灵活性和传输可靠性。随着技术的不断提升，在实际应用中，AdHoc网络安全、抗干扰以及其与现有电力通信网的互联等也是今后值得探讨的话题。

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