基于马尔可夫模型的智能电网mac层多业务性能分析方法

基于马尔可夫模型的智能电网mac层多业务性能分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能电网和无线通信技术领域，具体涉及到一种基于马尔可夫模型的 智能电网MAC层多业务性能分析方法。
【背景技术】
[0002] 智能电网（Smart Grid，SG)是一个完全自动化的电力传输网络，能够监视和控制 每个用户和电网节点，保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电 能的双向流动。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、 可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用 户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。
[0003] 随着智能电网的研究和建设，对智能电网通信网络建设的要求越来越严格。例如 要求更广的覆盖面和更宽的通信带宽要求；要求数据传输延时更短，对实时性、可靠性要 求更高。此外，尤其在雪灾等恶劣天气和地震等灾难情况下，及时了解电力设备工作情况， 保障电力设施安全、稳定、可靠的工作成为智能电网紧迫的需求。这就促使低成本、高可 靠、自组织自治愈的无线Mesh网络逐渐成为智能电网中无线通信系统的主流技术。因为 基于IEEE802. Ils的无线Mesh网络的一些特征尤其适合于独特的智能电网邻居区域网。 首先，IEEE802. Ils的默认路由协议一混合无线Mesh路由协议（Hybrid Wireless Mesh Protocol, HffMP)结合了主动和被动的路由机制，并且根节点到Mesh节点的拓扑结构适 合于静态的Mesh网络，这正好满足邻居区域网络的相对静态性；其次，IEEE802. Ils通过 IEEE802. Ile的增强型分布式协调功能EDCA机制区分不同的应用流，并且通过优先级来 满足不同应用流的QoS需求，这刚好也是智能电网邻居区域网络的需求；此外，当智能电网 出现如紧急断电等的紧急情况时，网络由于收到很多断电信息而发生拥塞，或者当网关节 点出现故障时，造成邻居区域网内的节点无法与数据中心通信。但是具有高可靠性的无线 Mesh网络能够通过多网关机制或者通过自组建立路由发现将信息发送到其他网关，从而保 证电网的正常通信。并且建立高可靠的无线Mesh邻居区域网络还可以为智能家庭网络提 供更好的可扩展性。因此，无线Mesh网络在智能电网中的应用，不仅提高了电网企业内部 的工作效率，而且提高了整个电网企业的经济效益和社会效益。因此Mesh技术在智能电网 中具有广泛的应用前景。
[0004] 但是目前大多数的研究都只是通过改进路由协议来提高智能电网的性能，而没有 真正研究IEEE 802. Ils无线Mesh网络是否能很好的保证智能电网邻居区域网中的不同需 求。因此通过分析基于IEEE802. Ils无线Mesh网络的智能电网MAC层多业务性能，来研究 IEEE802. Ils是否能很好的满足智能电网的不同QoS需求是十分有意义的。

【发明内容】

[0005] 本发明提出一种基于马尔可夫模型的智能电网MAC层多业务性能分析方法。基于 IEEE802. Ils在MAC层实现的EDCA机制，为不同智能电网业务流提出一种新的三维马尔可 夫分析模型，该模型包括了非饱和状态到饱和状态的整个过程。由于在多跳无线Mesh网络 中，隐藏终端对节点带来的干扰会大大降低节点上不同优先级业务争用信道的性能，因此 根据提出的马尔可夫模型，综合考虑隐藏终端和智能电网不同业务流的QoS需求，分析不 同业务流在H)CA机制中的退避过程，并分析了不同业务流的丢包率、平均吞吐量、时延等 MAC层性能参数，从而研究基于IEEE802. Ils无线Mesh网络是否能有效的满足智能电网的 不同QoS需求。
[0006] 为了达到以上目的，本发明提供了一种基于马尔可夫模型的智能电网MAC层多业 务性能分析方法，其特点在于，基于H)CA机制提出一种新的三维马尔可夫分析模型，结合 隐藏终端和不同业务流的QoS需求分析各业务流的退避过程，并分析各业务流MAC层的吞 吐量、端到端时延等性能，具体方法包括以下步骤：
[0007] 步骤1、建立三维马尔可夫模型；
[0008] 基于m)CA机制，提出一种新的三维马尔可夫模型分析智能电网第i类业务流的状 态，其中i = 0, 1，2, 3。令P1为第i类业务流发生碰撞的概率，p bl为第i类业务流在退避 过程中检测到信道忙的概率，为优先级为i的业务缓存队列为空的概率，Pa表示给定时 隙内至少有一个帧到达的概率。令bu k= Iimt^3Pa, j，k)为第i类业务流的马尔可夫平 稳分布，表示第i类业务流数据包发生j次碰撞并且退避计时器为k的概率，bldlJ%缓存队 列为空时的平稳分布，则根据马尔可夫链分析的状态转移概率有：
其中j的取值范围为（〇, 1， ，Lretry ⑴）' Lretry ⑴ 为第i类业务流的最大退避阶数，值为 4或7, k表示退避计时器，取值范围为（0，1，···，CWli j-I), CW1^j= 2 iCWli。，表示第i类业务 流处在第j个后退级数时的竞争窗口，CWli。为初始最小竞争窗口值；b 。表示第i类业务 流计时器减到0时的状态，表示第i类业务流达到最大退避阶数并且计时器为0 时的状态。
[0009] 根据马尔可夫规律有
^idle 分别表不为：
则得到马尔可夫初始分布blia。如下所示：
[0010] 步骤2、隐藏终端影响下智能电网不同业务流退避过程分析；
[0011] 在m)CA标准中，第i类业务流成功发送数据的预期退避时隙跟该优先级的退避窗 口 CW11 j和数据帧碰撞概率P i有关，重传 j次后数据帧成功传输的概率为
》如果将 所有状态的预期退避时隙相加则可以得到第i类业务流成功发送数据的预期平均退避时 隙数T1:
[0012] 假设在侦听范围内承载第i类业务流的节点个数为η;，i = 0, 1，2, 3,当节点A传 输数据时，与其他某个正要传输的节点B发生碰撞的概率为P1;在IEEE 802. lie EDCA机制 中，节点B正在发送数据时，节点A的后退计数器被冻结，从A的时间线上观察B的行为，B 的传输仅占用A的一个时隙，由于A和B的后退过程相互独立，所以在A退避的任何时刻都 可能与B发生冲突，当B和A发送的业务为相同级别业务时，冲突概率表示为|，当B与A发 送的业务为不同级别业务，冲突概率表示为+则P1表示为：
[0013] 由于第i类业务流缓存队列不为空的概率qni= 1-q i，则第i类业务流在给定时 隙内发送数据包的概率为If，因此得到非饱和状态下第i类业务流的碰撞概率P1S:
[0014] 在多跳无线Mesh网络中，节点的状态不仅受侦听范围内竞争节点的影响，而且隐 藏终端对节点带来的干扰会大大降低节点上不同优先级业务争用信道的性能；假设节点C 在节点A的侦听范围之外，但是在节点B的干扰范围之内，则节点C为隐藏节点，节点C的 传输将干扰节点B接收来自A的数据；在RTS/CTS接入方式下，数据帧发生冲突的概率远远 小于RTS发生冲突的概率，因此只考虑RTS发生的冲突；要使节点B成功的接收来自节点A 的RTS，隐藏终端C的传输必须延迟一定的时间D1= 2 (T rts+SIFS)，其中Trts为RTS帧的传 输延迟，SIFS为最小帧间间隔；在多跳网络中，D 1的任何时隙s h内节点A和C传输的RTS 都可能在节点B发生碰撞，其中SlotTime为一个时隙间隔，sh的计算如下： sh= D i/SlotTime = 2 (Trts+SIFS)/SlotTime
[0015] 假设在隐藏区域内承载第i类业务流的节点个数为nhl，i = 0, 1，2, 3,则在隐藏终 点的影响下第i类业务流发生碰撞的概率为：
[0016] 令Pb为检测到信道忙的概率，即在时隙内至少有一个传输的概率为：
因此，第i类业务流在退避过程中检测到信道忙的概率Pbl为：
[0017] 令T1为第i类业务流在给定时隙发送数据帧的概率，则τ i的值为站点各个退避 计时器为0的概率和：
[0018] 步骤3、智能电网不同业务流MAC层性能分析；
[0019] 步骤3. 1、平均吞吐量分析；
[0020] 在EDCA机制中，当节点检测到信道持续空闲一个时隙δ时，退避计数器减1。当 节点检测到信道忙时，退避计数器将被挂起，则此时退避计数器的退避时间大于信道空闲 时隙s。我们令S 1S承载第i类业务流的节点退避计数器连续两次递减的时间间隔。δ i 由一个信道空闲时隙S和信道忙时间组成。因此信道忙时间包括：1)RTS传输失败所花的 时间I；iRTS;2)成功传输一个数据帧所花的时间T Sidata。令1^和T PHY为MAC层头部和物理 层头部传输时延，α为传播时延，TdatJP Tadi分别为数据帧和ACK确认帧传输时延，Trts和