基于QoS的智能配电通信无线传感器网络应用研究

近期以来，中国国家自然科学基金、美国国家科学基金和欧盟第七期科研架构都对无线传感器网络在电力系统中应用研究给予了的重点资助。2010年，美国国家标准技术委员会所制定的《智能电网发展框架和路线图》中将无线传感器网络中的IEEE802.15.4标准协议明确列为推荐的通信标准之一，无线传感器网络在智能电网中的应用研究有着广阔的发展前景。 将无线传感器网络应用于智能配电高性能数据通信，其实质是对一类具有不确定性过程和有确定实时性和可靠性数据传输QoS性能指标要求的多目标协调优化求解难题。其核心是：需改进IEEE802.15.4标准MAC协议信道抢占方式，在不提高网络开销情况下嵌入QoS功能；需增加数据流量和无线链路不确定性动态变化的预估功能，在保障QoS功能需求下构建具有控制机制的端到端路由协议；需规范网络节点布局和拓扑结构规划的设计方法，在满足配电网架构条件下优化无线传感器网络结构。针对上述问题，本文通过建立网络结构和链路质量、节点内和节点间竞争状态、数据性能分析的数学模型，从节点-网络-整体全面地对无线传感器网络在智能配电网高性能通信中的应用基础理论方法进行了研究，这对探索提高无线传感器网络性能提供了思路，对智能配电高性能通信应用具有很好的理论意义和实用价值。 本文的主要研究工作如下： （1）给出了智能配电通信无线传感器网络节点布局和拓扑结构规划的理论计算公式和设计方法。依据智能配电网高性能数据通信网络需求和所处地形地貌通信环境不确定性特点，通过建立无线传感器网络链路质量数学模型和网络结构数学模型，给出网络拓扑结构设计中节点距离、密度、覆盖面积和节点规模的计算方法，为智能配电通信无线传感器网络节点布置和拓扑结构的规划设计提供了理论依据。 （2）提出了基于不公平竞争的智能配电高性能通信无线传感器网络QoS-MAC协议算法。根据配电网通信对各类数据的不同实时性传输需求，在不增加网络开销情况下改进IEEE802.15.4标准MAC层协议，提出了一种嵌入QoS功能的QoS-MAC协议算法，仿真实验结果表明，该方法在保持了MAC层传输性能的同时，实现了满足各类不同实时性数据需求的高性能数据传输。 （3）提出了智能配电通信无线传感器网络MAC层性能分析数学模型。建立节点随机数据不公平竞争的马尔科夫缓冲队列状态数学模型、邻节点间无线信道竞争状态数学模型，构建节点状态和信道状态分析算法，解决了多优先级数据传输QoS-MAC协议传输性能的数学描述问题。仿真实验结果表明，该方法可以用于无线传感网络传输性能的验证分析。 （4）提出了智能配电通信无线传感器网络端到端传输QoS保障控制路由协议。基于“预测-决策-执行”分层协作的思想，对数据流量和无线链路不确定性动态变化预估，优化传输数据路径决策，通过分类、缓冲和调度管理，有效分配有限网络资源，避免网络数据拥塞。仿真实验结果表明，该方法解决了智能配电网各类数据业务有确定性服务质量要求的端到端数据传输路径优化求解问题。 （5）构造了智能配电通信无线传感器网络的模拟仿真环境。基于QualNet网络仿真软件，构建提出的智能配电通信无线传感器网络整体结构，加入智能配电通信无线传感器网络QoS-MAC协议和QoS保障控制路由协议算法，给出仿真软件参数设置和协议修改方法。根据配电终端设备的数据通信速率要求，测试网络端到端各类数据传输的实时性和可靠性的QoS服务功能。仿真实验结果表明：本文研究的从节点-网络-整体的理论方法可满足配电通信规范对节点各类数据包传输时延和接收率性能需求。 （6）实际工程实现范例。根据黄山市配电网数据通信实际工程的配电网台区的地形、地貌、通信环境和配电信息化管理的需求，设计了智能配电通信无线传感器网络优化拓扑结构，研制无线传感器网络终端/路由/协调器，在网络节点嵌入QoS-MAC协议和QoS保障控制路由协议软件，编制了网关管理软件并与配电自动化管理系统联接，实现智能配电通信无线传感器网络的工程应用。 实际工程测试结果和仿真实验结果均验证表明，本文所做的应用基础理论研究和给出的设计方法可适应于配电网数据通信规范对数据传输QoS性能指标要求，达到了适用于智能配电网高性能数据通信的预期目标。