一種QoS感知和負(fù)載均衡的無(wú)線Mesh智能電網(wǎng)路由機(jī)制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)和無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及到一種QoS感知和負(fù)載均衡 的無(wú)線Mesh智能電網(wǎng)路由機(jī)制。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用戶對(duì)電力系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)面 臨著許許多多的挑戰(zhàn)，包括滿足用戶需求、能源多樣化和優(yōu)化設(shè)備成本等等。由于傳統(tǒng)的電 網(wǎng)缺少分布式能源接入并且不支持用戶端和供電端的實(shí)時(shí)交互，更缺少可靠性和靈活性， 從而無(wú)法克服該些挑戰(zhàn)，更不能滿足能源清潔化和高效化的要求，在該種新形勢(shì)下，智能電 網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，并將成為下一代電網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢(shì)。
[0003] 建立高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵，通過(guò)該雙向系統(tǒng)， 用戶可W通過(guò)實(shí)時(shí)的電價(jià)來(lái)調(diào)整用電，避開(kāi)用電高峰期從而也降低了用電高峰期給電網(wǎng)帶 來(lái)的壓力，提高資源的利用率。而作為智能電網(wǎng)"最后一公里"通信的鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（NAN) 實(shí)時(shí)傳輸家庭用電和智能電網(wǎng)控制信息、電力質(zhì)量數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控等等，是該實(shí)時(shí)雙向系 統(tǒng)最重要的部分。隨著智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)，對(duì)智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的要求越來(lái)越嚴(yán) 格。例如要求更廣的覆蓋面和更寬的通信帶寬要求；要求數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)更短，對(duì)實(shí)時(shí)性、可 靠性要求更高。此外，尤其在雪災(zāi)等惡劣天氣和地震等災(zāi)難情況下，及時(shí)了解電力設(shè)備工作 情況，保障電力設(shè)施安全、穩(wěn)定、可靠的工作成為智能電網(wǎng)緊迫的需求。由于多跳無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)支持各種物理模塊，包括802. lla/b/g/n，能處理各種不同的應(yīng)用，如大容量的數(shù)據(jù)和 時(shí)延受限的數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)自組織自治愈為網(wǎng)絡(luò) 提供健壯的無(wú)線連接。而且它具有部署成本低、容易維護(hù)和高可靠的特點(diǎn)。該就促使無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)逐漸成為智能電網(wǎng)中"最后一公里"通信的主流技術(shù)。并且基于IE邸802. 11s的 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)其根節(jié)點(diǎn)到Mesh節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和混合路由協(xié)議HWMP尤其適合于相對(duì)靜 態(tài)的智能電網(wǎng)鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，因此是鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。
[0004] 雖然IE邸802. 11s無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)鄰居區(qū)域網(wǎng)中有很好的應(yīng)用前景， 但是在實(shí)際應(yīng)用中面臨很多挑戰(zhàn)；（1)在IE邸802. 11s默認(rèn)路由協(xié)議一HWMP的路由判據(jù) 中，固定長(zhǎng)度的測(cè)試帖和簡(jiǎn)單的帖錯(cuò)誤率的計(jì)算不能滿足智能電網(wǎng)鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)不同業(yè)務(wù) 流的QoS需求。（2)雖然802. 11s在MAC層利用邸CA機(jī)制來(lái)區(qū)分不同的業(yè)務(wù)流，但是在網(wǎng) 絡(luò)負(fù)載較重產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，固定參數(shù)無(wú)法滿足智能電網(wǎng)的QoS需求。（3)802. 11s不能實(shí) 現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，該是因?yàn)槟J(rèn)路由判據(jù)ALM總是選擇傳輸速率最高的路徑，該樣可能將 更多的數(shù)據(jù)流引向該路徑，增加了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延增加，并 且更多的擁塞使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。目前，針對(duì)上述問(wèn)題的研究大多數(shù)只是針對(duì)單方 面進(jìn)行研究，沒(méi)有綜合考慮鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的特殊性，尤其在負(fù)載均衡方面的研究較 少。因此研究適合于鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議來(lái)提高整個(gè)智能電網(wǎng)的性能是十分迫切的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種QoS感知和負(fù)載均衡的無(wú)線Mesh智能電網(wǎng)路由機(jī)制NQA-LB。基于 802. 11s默認(rèn)路由協(xié)議HWMP，NQA-LB根據(jù)鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)不同業(yè)務(wù)流的QoS需求，計(jì)算不同業(yè) 務(wù)流的誤帖率；結(jié)合MAC層的邸CA機(jī)制，實(shí)時(shí)的感知轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列，計(jì)算不同業(yè)務(wù)流 的數(shù)據(jù)包排隊(duì)延遲；綜合考慮鏈路質(zhì)量和鏈路負(fù)載情況，設(shè)計(jì)QoS感知和負(fù)載均衡的路由 判據(jù)，給不同的業(yè)務(wù)流提供高效的服務(wù)，保證不同QoS需求的同時(shí)提高電網(wǎng)的可靠性。針對(duì) 邸CA機(jī)制在QoS保證和擁塞避免方面的不足，還提出了數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)調(diào)整機(jī)制邸CA-AP，結(jié) 合考慮網(wǎng)絡(luò)總體負(fù)載和各個(gè)業(yè)務(wù)流的負(fù)載情況，在MAC層動(dòng)態(tài)的調(diào)整數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，提 高低負(fù)載下網(wǎng)絡(luò)的資源利用率和高負(fù)載下高QoS需求的業(yè)務(wù)流的可靠性，從而提高NQA-LB 的整體性能。
[0006] 為了達(dá)到W上目的，本發(fā)明提供了一種QoS感知和負(fù)載均衡的無(wú)線Mesh智能電 網(wǎng)路由機(jī)制NQA-LB，其特點(diǎn)在于；根據(jù)鄰居區(qū)域網(wǎng)絡(luò)不同業(yè)務(wù)流的QoS需求，結(jié)合MAC層的 邸CA機(jī)制，計(jì)算不同業(yè)務(wù)流的誤帖率和排隊(duì)延遲，綜合考慮鏈路質(zhì)量和鏈路負(fù)載情況來(lái)改 進(jìn)HWMP協(xié)議，并在MAC層動(dòng)態(tài)的調(diào)整數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)，保證不同業(yè)務(wù)流的QoS需求并提高電 網(wǎng)的可靠性。具體方法包括W下步驟：
[0007] 步驟1、計(jì)算不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的誤帖率
[000引本發(fā)明用S維馬爾科夫鏈分析邸CA機(jī)制中不同優(yōu)先級(jí)i的狀態(tài)，其中i = 0, 1，2, 3,區(qū)分的計(jì)算不同業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)包丟失率。令優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的概 率為Pi, Pi也等于承載優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)在退避過(guò)程中檢測(cè)到信道忙的概率。令 T i為一個(gè)節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙空閑下傳輸優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包的概率，當(dāng)數(shù)據(jù)帖被傳輸?shù)耐瑫r(shí)如果 至少有一個(gè)其它節(jié)點(diǎn)也在傳輸數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)包將發(fā)生碰撞。根據(jù)馬爾科夫鏈分析的狀態(tài)轉(zhuǎn) 移概率和馬爾科夫的規(guī)律可W得到優(yōu)先級(jí)為i的節(jié)點(diǎn)在退避過(guò)程中檢測(cè)到信道忙的概率Pi 為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種QoS感知和負(fù)載均衡的無(wú)線Mesh智能電網(wǎng)路由機(jī)制NQA-LB，其特征在于包括 以下步驟： 步驟1計(jì)算不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的誤幀率 根據(jù)智能電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)流的QoS需求，用IEEE 802. Ile的EDCA機(jī)制區(qū)分不同業(yè)務(wù)流， 通過(guò)三維馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖分析EDCA機(jī)制中不同優(yōu)先級(jí)i的狀態(tài)，其中i = 0, 1，2, 3,計(jì) 算優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的概率Pi:
其中τ i為一個(gè)節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙空閑下傳輸優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包的概率，n i表示發(fā)送優(yōu)先 級(jí)為i的數(shù)據(jù)流的站點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)包在丟失前將嘗試傳輸最大重傳次數(shù)LMfey(i)，得到優(yōu)先級(jí)為 i的數(shù)據(jù)幀丟失率P1()SS(i)，也就是優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)流的誤幀率ef(i):
步驟2計(jì)算不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的排隊(duì)延遲 枏據(jù)數(shù)據(jù)包丟生率n,i+筧優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕师?_ω:
優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包排隊(duì)時(shí)延DQ(i)等于當(dāng)前的數(shù)據(jù)包被服務(wù)之前四個(gè)隊(duì)列中被服務(wù)的 所有數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延之和；當(dāng)隊(duì)列i中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)Qi小于隊(duì)列j中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)qj， 即q j寸，優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包排隊(duì)時(shí)延D Q(i)表示為：
其中^和為經(jīng)過(guò)指數(shù)加權(quán)平均移動(dòng)算法EWMA進(jìn)行平滑處理過(guò)的不同隊(duì)列中緩存的 隊(duì)列大小，Ca(i)為優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包預(yù)期傳輸時(shí)延； 步驟3設(shè)計(jì)QoS感知和負(fù)載均衡的路由判據(jù)CCa 根據(jù)步驟1所得的誤幀率ef(i)和步驟2所得的數(shù)據(jù)包排隊(duì)延遲D Q(i)，綜合考慮鏈路質(zhì) 量和鏈路負(fù)載，設(shè)計(jì)QoS感知和負(fù)載均衡的路由判據(jù)CCa:
CCa表示優(yōu)先級(jí)為i的預(yù)期數(shù)據(jù)包端到端總時(shí)延，即傳輸時(shí)延C a(i)與排隊(duì)時(shí)延D Q(i)2 和； 步驟4基于EDCA機(jī)制的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)調(diào)整算法AP-EDCA 綜合考慮網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載NC和各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流負(fù)載TC [i]，在NQA-LB路由機(jī)制的MAC層動(dòng) 態(tài)的調(diào)整數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，提高NQA-LB在高負(fù)載下的可靠性和在低負(fù)載下的資源利用率； 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)丟包率低于預(yù)設(shè)門(mén)限值時(shí)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕，網(wǎng)絡(luò)狀況良好，此時(shí)如果高優(yōu)先級(jí)業(yè) 務(wù)的隊(duì)列長(zhǎng)度小于門(mén)限值，則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)資源有剩余，將低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的的優(yōu)先級(jí)調(diào)高再 加入隊(duì)列，從而避免了過(guò)多信道時(shí)隙的浪費(fèi)；而網(wǎng)絡(luò)丟包率較高時(shí)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)比較擁塞，此 時(shí)如果低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列較小而高優(yōu)先隊(duì)列高于門(mén)限值，則降低高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)緩解連 續(xù)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)性能；如果網(wǎng)絡(luò)丟包率在低門(mén)限值和高門(mén)限值之間，則保持?jǐn)?shù)據(jù)包的優(yōu)先 級(jí)不變。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種QoS感知和負(fù)載均衡的無(wú)線Mesh智能電網(wǎng)路由機(jī)制 NQA-LB，其特征在于：所述的優(yōu)先級(jí)為i的數(shù)據(jù)包預(yù)期傳輸時(shí)延Ca(i)為通過(guò)綜合考慮智能 電網(wǎng)業(yè)務(wù)流實(shí)際數(shù)據(jù)包的大小Β ω和不同業(yè)務(wù)流的誤幀率e f⑴，優(yōu)化IEEE 802. 11默認(rèn)路 由協(xié)議HWMP的路由判據(jù)Ca所得：
其中
UP 〇 p為信道接入開(kāi)銷(xiāo)和協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，B t為測(cè)試幀的 長(zhǎng)度，r為傳輸速率，ef為測(cè)試幀誤幀率。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種QoS感知和負(fù)載均衡的無(wú)線Mesh智能電網(wǎng)路由機(jī)制 NQA-LB，其特征在于：所述的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)調(diào)整算法AP-EDCA包括以下步驟： A初始化EDCA機(jī)制的默認(rèn)接入?yún)?shù)，初始化網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載上下門(mén)限值NClw和NC high，各優(yōu) 先級(jí)負(fù)載門(mén)限值TC[i]min和TC[i] _，各門(mén)限值的取值大于0小于1 ; B計(jì)算網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載NC和不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流的流量負(fù)載TC[i]:
NC為和TC [i]分別為經(jīng)過(guò)EWMA進(jìn)行平滑處理過(guò)的平均數(shù)據(jù)包丟失率和不同優(yōu)先級(jí)業(yè) 務(wù)流的流量負(fù)載為最大隊(duì)列長(zhǎng)度； C節(jié)點(diǎn)根據(jù)步驟B中的計(jì)算公式周期的計(jì)算數(shù)據(jù)包丟失率感知網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載，跟蹤各優(yōu) 先級(jí)流量負(fù)載，并與步驟A中相應(yīng)的預(yù)設(shè)門(mén)限值相比較； D當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)丟包率NC低于預(yù)設(shè)門(mén)限值NClw時(shí)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)狀況良好，此時(shí)如果高優(yōu) 先級(jí)業(yè)務(wù)的隊(duì)列長(zhǎng)度小于門(mén)限值，即TC[i+2]〈TC[i+2]min，其中i = 0, 1，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)資源有剩 余，將低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)調(diào)高i = i+2,增加接入信道的概率；從而避免了過(guò)多信道 時(shí)隙的浪費(fèi)，提高資源的利用率； E如果網(wǎng)絡(luò)丟包率在低門(mén)限值和高門(mén)限值之間，即％1("〈％〈^_，則保持?jǐn)?shù)據(jù)包的優(yōu) 先級(jí)不變； F當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)丟包率NC高于門(mén)限值NChigh時(shí)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)比較擁塞，此時(shí)如果低優(yōu)先級(jí) 隊(duì)列長(zhǎng)度較小并且高優(yōu)先隊(duì)列長(zhǎng)度大于門(mén)限值，即TC[i-l]〈TC[i-l]min并且TC[i]>TC[i] max，其中i = 2, 3,則降低高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)i = i-1，緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠 性。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種QoS感知和負(fù)載均衡的無(wú)線Mesh智能電網(wǎng)路由機(jī)制NQA-LB。該路由機(jī)制包括四個(gè)步驟：首先用EDCA機(jī)制區(qū)分不同QoS需求的智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)流，根據(jù)EDCA機(jī)制的數(shù)據(jù)包碰撞率計(jì)算不同業(yè)務(wù)流的誤幀率；其次根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)緩存的隊(duì)列長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕?，?jì)算不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包排隊(duì)延遲；然后綜合考慮不同業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)幀誤幀率和排隊(duì)延遲，設(shè)計(jì)QoS感知和負(fù)載均衡的路由判據(jù)，為不同QoS需求的業(yè)務(wù)流選擇一條負(fù)載較少的最佳路徑；最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載和各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流的負(fù)載情況，在MAC層動(dòng)態(tài)的調(diào)整數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)。本發(fā)明能更加準(zhǔn)確的感知MAC層的鏈路質(zhì)量，保證智能電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)流的QoS需求，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)包投遞率和平均吞吐量，減少所有業(yè)務(wù)流的端到端時(shí)延。
【IPC分類(lèi)】H04W40-02, H04W28-16, H04W28-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104661260
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510027735
【發(fā)明人】鄧曉衡, 和莉芳, 劉安豐, 桂勁松, 曾志文, 漆華妹
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年1月20日