基于Mesh的电力无线多跳高效传输技术研究

陈文彬 庞建民 郑利斌 李新军

0 引言

电力无线通信网作为电网的重要支撑和保障,是实现电网智能化运行和控制的重要基础．如何将电力无线通信网采集到的数据信息安全可靠地传输至监控中心,对电网的安全运行十分重要．当前主要使用的电力无线通信手段包括电力无线专网、无线自组织网络通信、公众移动通信等多种通信技术[1-3]．就当前的通信技术手段而言,由于其在终端设备的信息监测上仍存在大量盲区,无法完成对线路的实时状态监测与控制.

近年来,随着5G/6G[4-6]、智能电网[7-8]、自组网技术[9]、物联网技术、D2D(Device to Device,终端直通)[10-11]等的迅速发展,以及电力物联网技术[12-14]的提出,为实现泛在电力物联网中发、输、变、配、用、调各类设备及人员全景感知、泛在接入、智能开放,具有广连接、大容量、低时延、深覆盖的电力通信网络正在得到广泛研究[15-19]．如文献[9]中对基于软件定义网络(Software Defined Network,SDN)的电力通信网络的关键技术进行了全面阐述和介绍.

同时,已有大量研究者开展了Mesh网络和多跳网络在电力无线网络中的应用研究[20-25],讨论如何提升电力无线网络在线监测的传输实时性和可靠性．无线Mesh网络作为MANET(Mobile ad hoc Network,移动自组网)的一种特殊形式,具有多跳网状拓扑和自组织能力．但Mesh的设计定位更适用于节点固定的场景,以提供高质量、稳定的网络服务为目标;MANET则主要定位于军事、救援等应急场景,设备存在一定的移动性．因此,Mesh更适合应用在电力无线通信方面．例如,文献[23]提出采用双链路备份方案实现高压输电线路网络的可靠覆盖；文献[24]提出通过引入接收确认、选择重传、差错控制等可靠协议设计机制提升网络的可靠性；文献[2]则基于节点间的距离、链路之间的间隔,提出了一种在现有网络中添加链路连接增强网络传输能力的策略．但上述研究首先均未充分结合实际网络特征考虑传输性能随着传输次数增加带来的性能损失,其次,很可能明显增加网络信令开销.

因此,本文将充分考虑电力无线通信网络架构典型特征,在不提升网络信令开销的前提下,研究如何提升电力无线通信网络的深覆盖、高可靠等业务的传输能力,从而满足高频次、高质量数据采集,以及泛在电力物联网全景感知和泛在接入的要求.

1 基于Mesh的传统链式多跳传输协议

1.1 系统模型

电力无线通信网络的主要特征为:输电线路及铁塔的分布形式为线性分布,即网络架构为链状拓扑．Mesh网络的主要应用之一是可采用无线多跳的链路方式进行信息传递．如图1,该链式电力无线网络中存在7个节点,分别表示为节点N0,N1,…,N6,节点之间的归一化距离为1．数据需要从N0传输到节点N6.

1.2 传统多跳传输协议

传统链式多跳传输方式描述如下:假设每一跳传输的发送和接收节点分别为当前跳的“源节点”和“目的节点”,如果当前跳的目的节点成功接收数据时,它会向当前跳的源节点返回“ACK”确认信号,并且转变为下一跳的源节点;其后续相邻节点也能在同时收到“ACK”确认信号,并做好接收数据的准备．如果当前跳的目的节点无法成功接收数据,它将向源节点返回“NACK”信号从而请求源节点重传数据,其后续相邻节点在收到该“NACK”信号后保持原状态不变.

如图1中,假设数据包的平均误块率(Block Error Ratio,BLER)为30%,即每一个数据Block每跳出错的概率即为30%,因此可近似理解为每一个Block全程6跳的传输过程中平均有2跳会发生错误,则至少需要8次才能将数据从节点N0传输至节点N6．在第1跳中,节点N0向节点N1发送数据,节点N1回复ACK表示成功接收．在第2跳中,节点N1向节点N2发送该包,但节点N2接收失败,于是向节点N1反馈NACK请求重传．因此在第3跳中,节点N1将数据重传至节点N2．在第4跳和第5跳中,节点N3和节点N4均成功接收了数据,第6跳数据传输失败．于是第7跳为节点N4继续重传数据,节点N5成功接收．最后,在第8跳中,节点N5成功将数据发送给节点N6．综上,该数据总共经历了8次才由节点N0传输到节点N6.

传统多跳电力无线网络的优点是:路由选择方法简单,参与路由的节点数目少,各跳之间相互独立．缺点为:一旦目的节点错误接收数据,必须请求源节点重传,造成时间和功率等资源的浪费.

2 免重传无线多跳系统及传输协议

2.1 基本思路

在无线通信传输过程中,传输距离、多径衰落和信号干扰等因素都会降低包的成功接收率．自由空间传播模型下的路径损耗的计算公式[26]为

L0=32.44+20·log(f)+20·log(d),

(1)

式中:f为工作频率(单位:MHz),d为接收节点和发送节点之间的距离(单位:km).

在传输总距离一定的情况下,传统系统传输时延主要由端到端跳数和每跳的重传次数共同决定．若减小BLER,则减小了单跳传输距离,每跳重传次数会减少,但系统端到端跳数会增加;若增大BLER,则增大了单跳传输距离,系统端到端跳数会减小,但每跳重传次数会增大．因此端到端跳数与每跳重传次数之间存在一定的反比关系,传统传输系统的时延将在这两者之间取折中.

本文提出的方案可近似理解为免重传方案,即当接收节点无法准确接收时不必请求重传,而是由备份节点尝试向更远的目的节点发送,可大幅降低端到端的总跳数,从而大幅降低系统端到端时延,但所付出的代价是需要更多的节点参与到路由转发中来.

2.2 系统组成

本文所提出的新型电力无线免重传多跳传输系统,主要由源节点、目的节点和备份节点组成．备份节点是为了保证通信链路正常,存在于两座塔之间的数量不等、仅具有路由功能的路由节点.

每一跳发送数据的都是源节点,接收数据的都为目的节点,备份节点即为源节点与目的节点之间用来准确接收源节点发出的数据的节点．备份节点比目的节点离源节点更近．备份节点和目的节点之间的距离定义为“备份步长”．假设每相邻两个节点之间设有一个备份节点,每相邻两个备份节点之间也可设一个“备份-备份”节点．“备份-备份”节点是当前跳备份节点在后续跳中的备份节点,比当前跳的备份节点距离源节点距离更短．本方案假设无论当前跳的目的节点能否正确接收数据,当前跳的备份节点均能正确接收数据.

当目的节点无法正确接收源节点发出的数据时,备份节点将代替目的节点执行目的节点的功能,即进行下一跳转发．如果当前跳的目的节点没有成功接收数据,备份节点将变为后续跳的源节点,则备份-备份节点就转变为后续跳的备份节点．如图2所示,其路由中存在18个节点,备份节点位于源节点和目的节点之间的2/3处,备份节点之间也存在“备份-备份”节点,位于距离下一个备份节点的1/3处．图2中,每一跳的源节点和目的节点都属于同一种类型的节点,例如,圆节点向下一个圆节点发送数据,它们之间的方型节点是备份节点;同样的,当源节点和目的节点均为三角型节点时,它们之间的黑色圆节点是备份节点.

2.3 传输协议

下面介绍节点之间的具体传输步骤和过程,图3为当前跳数据传输时各节点信令流程和工作流程示意图．当前跳的源节点发送数据后,当前跳的目的节点接收数据,同时当前跳的备份节点侦听并接收同样的数据．在此假设ACK/NACK都能准确接收,因为ACK/NACK是指示数据块传输是否正确的重要信令,所以通常情况下,通信系统会保证其传输错误率非常低．例如:在4G/LTE蜂窝系统中,ACK/NACK传输的目标误码率通常设定在10-4以下．另外,系统可以采用减低MCS、重复编码、功率提升等传统技术方案对ACK/NACK的传输准确性进行增强和保证.

如果当前跳的目的节点正确接收数据时,当前跳的目的节点向源节点反馈ACK信令,当前跳的备份节点、后续跳的备份节点均能同时侦听到ACK信令;当前跳的目的节点转变为后续跳的源节点,当前跳的备份节点释放收到的数据,后续跳的备份节点和目的节点做好接收数据的准备.

如果当前跳的目的节点无法正确接收数据时,当前跳的目的节点向源节点反馈NACK信令,当前跳的备份节点、后续跳的备份节点均能同时侦听到NACK信令;当前跳的目的节点不做任何动作,当前跳的备份节点转变为后续跳的源节点,后续跳的备份节点转变为后续跳的目的节点来接收数据.

与传统方案相比,本文所提的免重传方案不会产生额外的信令开销．在目的节点接收数据后反馈ACK/NACK时,当前跳的备份节点、后续跳的备份节点、备份-备份节点和目的节点均要同时侦听该ACK/NACK．假设目的节点与源节点之间的归一化距离为“1”,当目的节点向源节点反馈ACK/NACK时,所有距离目的节点在“1”之内的节点都可以侦听到信令,包括当前跳的源节点、备份节点、后续跳的备份节点和目的节点．因此,当这些节点侦听到ACK/NACK信令时,它们可以根据该信令和距离当前跳目的节点的距离自动判断并转换自己在后续跳中的角色.

3 性能分析

本节将重点对传统传输方案和本文所提出的免重传无线方案的平均传输次数进行性能对比分析．平均传输次数与系统端至端传输时延呈正比关系,如果平均传输次数越多,则平均端到端时延也更大.

假设N表示传统传输方案路由中存在N+1个节点,假设每跳之间的距离为单位距离1,因此第1个源节点和最后一个目的节点之间的归一化距离为N,对应于图1和图2,第1个节点位于坐标“0”,最后一个节点位于坐标“N”.

假设误块率BLER为q,即表示数据块出错的概率为q,因此,若采用传统方案,每跳中数据块无差错到达接收方的概率为1-q,数据块第i次无差错到达接收方且前i-1次都出错的概率为

Pi=(1-q)·qi-1,

(2)

所以,每一跳中数据块无损坏到达接收方需要的平均发送次数为

(3)

因此,采用传统方案的平均传输总次数为

(4)

本文所提出的免重传方案的传输次数与备份节点的个数和备份步长存在紧密关系．在本文所提出的免重传系统中,假设平均传输总次数为Q,单跳如果失败,但备份节点接收成功,则实际传输距离为(1-a);如果成功,则传输距离为实际每跳距离1(归一化距离)．因此可得出如下计算:

Q·[q·(1-a)+(1-q)]=N.

(5)

因此,免重传系统的平均传输总次数为

(6)

根据上述分析,计算仿真得出N=3和N=10时传统方案和本文免重传方案的平均传输次数的比较结果如图4所示．图4中,传统传输系统的平均传输总次数随着误块率的增加呈现大幅增长,主要原因是如果传输失败的概率增加,重传次数也相应迅速增加．然而,本文所提出的免重传系统的平均重传次数并没有呈现大幅增长,因为在免重传方案中,当前跳的目的节点如果不能准确接收,但存在距离源节点更近的备份节点可以准确接收数据包．如果从单跳传输距离的角度来对比考虑,传统多跳系统每跳传输距离可能为0;但免重传多跳系统每跳传输的距离至少为1-a,因此免重传系统传输总次数肯定也低于传统方案.

图5为N=10时,随着误块率的增加,本文所提出的免重传方案传输次数Q与传统方案传输次数M之间的比值变化(备份步长a分别设置为1/2,1/3,1/6)．比值越小,则说明免重传方案的次数越少,性能越优．由图5可知,在误块率较低时(q<0.2),采用新方案的平均传输总次数与传统方案相比,减少的并不明显,因为在BLER较低的情况下,传统方案传输出错概率很低,重传次数很少;然而随着误块率的进一步增大,传统方案出错增多,重传次数增多,新方案的优势得到明显体现．如当误块率为0.4时,新方案的平均传输次数仅为传统方案次数的65%～75%．且备份步长a越小,降低的次数越多．因为备份步长越短,每跳备份节点传输的距离就越远,总次数会越少.

上述分析是基于传统方案中链式多跳节点个数固定为N+1时,在直接调整每跳BLER情况下两种传输方案的性能对比．然而,BLER与传输距离密切相关,单跳的传输距离又将直接影响传统方案的总跳数．因此,本文继续假定源节点与目的节点的总传输距离一定,对比分析通过改变每跳传输距离而改变BLER的情况下的两种方案的性能.

假设源节点与目的节点的总传输距离固定为D,单位为km．假设接收节点所收到的干扰一致,根据表1参数,进行链路仿真计算和链路损耗计算,得出传输距离与SNR的关系、SNR与BLER的关系．基于此进一步重新仿真两种方案在传输总距离固定为10 km时的性能,如图6所示.

表1 链路仿真参数Table 1 Link simulation parameters

由图6可知,传统传输方案的总次数随着误块率的增加呈现先减少后增长的趋势．前期次数减少是因为单跳的传输距离在增加,总距离固定则传输总次数下降;后期次数增长是因误块率太高带来了重复传输的增多．本文免重传方案的总次数也呈现先减少后增长的趋势,但后期传输次数的增长幅度得到明显控制,因为距离源节点距离更近的备份节点可准确接收数据并转发．另外,对比图中4条曲线的最小值,可得出本文的免重传方案的最优性能可比传统方案的最优性能提升10%～20%.

总之,在BLER较低的情况下,可通过增加单跳的传输距离,减少传输总跳数,降低端到端时延，但随着传输距离的进一步增大,BLER将进一步增大,系统出错概率增大,传统方案重复次数增多,总跳数增加．本文所提出的免重传方案因存在距离源节点更近的备份节点准确接收数据,所以，传输总次数得到明显优化.

值得注意的是:大部分情况下,本文所述的“备份节点”可以是系统中原来已部署的节点,无需增加总节点个数与部署成本．原因在于:传统方案中,为了避免多次重传,目标BLER通常设置得较低,因而单跳传输距离短;而在所提方案中,容错性能较好,目标BLER可以设置得较高,从而单跳传输距离远,可进行“跨节点”传输,而此时“被跨过的节点”即可自动成为本文所述的“备份节点”．例如当传统方案BLER为0.01时,所述新方案单跳可设置传输两个节点,将中间节点设置为备份节点使用,即a为1/2,BLER也因此增大.由图6可知,新方案在BLER大于0.01区间的性能明显优于传统方案在BLER为0.01时的性能.

4 结束语

针对电力无线网络区域信号覆盖难、通信质量差的问题,本文所提出的基于Mesh的免重传电力无线多跳高效传输技术可在未增加任何网络信令开销的前提下,明显降低数据经过多跳传输所需的平均次数,进一步显著降低平均时延,提升电力在无线通信网络的实时性和可靠性,仿真试验也验证了该结论．随着当前泛在电力物联网技术、小型化低功耗技术、射频拉远技术的迅速发展,使得本文的研究具有一定的实际应用价值.