CN104661260B - 一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由机制NQA‑LB。该路由机制包括四个步骤：首先用EDCA机制区分不同QoS需求的智能电网业务流，根据EDCA机制的数据包碰撞率计算不同业务流的误帧率；其次根据转发节点缓存的队列长度和数据包成功传输的概率，计算不同优先级的数据包排队延迟；然后综合考虑不同业务流的数据帧误帧率和排队延迟，设计QoS感知和负载均衡的路由判据，为不同QoS需求的业务流选择一条负载较少的最佳路径；最后根据网络总负载和各优先级业务流的负载情况，在MAC层动态的调整数据包优先级。本发明能更加准确的感知MAC层的链路质量，保证智能电网不同业务流的QoS需求，进一步提高数据包投递率和平均吞吐量，减少所有业务流的端到端时延。

Description

一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法
技术领域
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QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法。
背景技术
随着全球经济的迅速发展，用户对电力系统的要求越来越高，传统的电力网络面临着许许多多的挑战，包括满足用户需求、能源多样化和优化设备成本等等。由于传统的电网缺少分布式能源接入并且不支持用户端和供电端的实时交互，更缺少可靠性和灵活性，从而无法克服这些挑战，更不能满足能源清洁化和高效化的要求，在这种新形势下，智能电网应运而生，并将成为下一代电网发展的主流趋势。
建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的关键，通过该双向系统，用户可以通过实时的电价来调整用电，避开用电高峰期从而也降低了用电高峰期给电网带来的压力，提高资源的利用率。而作为智能电网“最后一公里”通信的邻居区域网络(NAN)实时传输家庭用电和智能电网控制信息、电力质量数据和视频监控等等，是该实时双向系统最重要的部分。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。由于多跳无线Mesh网络支持各种物理模块，包括802.11a/b/g/n，能处理各种不同的应用，如大容量的数据和时延受限的数据。另外，当网络出现问题时，无线Mesh网络能够通过自组织自治愈为网络提供健壮的无线连接。而且它具有部署成本低、容易维护和高可靠的特点。这就促使无线Mesh网络逐渐成为智能电网中“最后一公里”通信的主流技术。并且基于IEEE 802.11s的无线Mesh网络其根节点到Mesh节点的拓扑结构和混合路由协议HWMP尤其适合于相对静态的智能电网邻居区域网络，因此是邻居区域网络的最佳选择。
虽然IEEE 802.11s无线Mesh网络在智能电网邻居区域网中有很好的应用前景，但是在实际应用中面临很多挑战：(1)在IEEE 802.11s默认路由协议—HWMP的路由判据中，固定长度的测试帧和简单的帧错误率的计算不能满足智能电网邻居区域网络不同业务流的QoS需求。(2)虽然802.11s在MAC层利用EDCA机制来区分不同的业务流，但是在网络负载较重产生网络拥塞时，固定参数无法满足智能电网的QoS需求。(3)802.11s不能实现网络负载均衡，这是因为默认路由判据ALM总是选择传输速率最高的路径，这样可能将更多的数据流引向该路径，增加了转发节点的负载，从而导致数据包的端到端时延增加，并且更多的拥塞使得整个网络吞吐量下降。目前，针对上述问题的研究大多数只是针对单方面进行研究，没有综合考虑邻居区域网络业务流的特殊性，尤其在负载均衡方面的研究较少。因此研究适合于邻居区域网络的路由协议来提高整个智能电网的性能是十分迫切的。
发明内容
本发明提出一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB。基于802.11s默认路由协议HWMP，NQA-LB根据邻居区域网络不同业务流的QoS需求，计算不同业务流的误帧率；结合MAC层的EDCA机制，实时的感知转发节点的缓存队列，计算不同业务流的数据包排队延迟；综合考虑链路质量和链路负载情况，设计QoS感知和负载均衡的路由判据，给不同的业务流提供高效的服务，保证不同QoS需求的同时提高电网的可靠性。针对EDCA机制在QoS保证和拥塞避免方面的不足，还提出了数据包优先级调整机制AP-EDCA，结合考虑网络总体负载和各个业务流的负载情况，在MAC层动态的调整数据包的优先级，提高低负载下网络的资源利用率和高负载下高QoS需求的业务流的可靠性，从而提高NQA-LB的整体性能。
为了达到以上目的，本发明提供了一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB，其特点在于：根据邻居区域网络不同业务流的QoS需求，结合MAC层的EDCA机制，计算不同业务流的误帧率和排队延迟，综合考虑链路质量和链路负载情况来改进HWMP协议，并在MAC层动态的调整数据包优先级，保证不同业务流的QoS需求并提高电网的可靠性。具体方法包括以下步骤：
步骤1、计算不同优先级数据流的误帧率
本发明用三维马尔科夫链分析EDCA机制中不同优先级i的状态，其中i＝0,1,2,3，区分的计算不同业务流的数据包丢失率。令优先级为i的数据包发生碰撞的概率为pi，pi也等于承载优先级为i的数据包的节点在退避过程中检测到信道忙的概率。令τi为一个节点在时隙空闲下传输优先级为i的数据包的概率，当数据帧被传输的同时如果至少有一个其它节点也在传输数据，则数据包将发生碰撞。根据马尔科夫链分析的状态转移概率和马尔科夫的规律可以得到优先级为i的节点在退避过程中检测到信道忙的概率pi为：
其中ni表示发送优先级为i的数据的站点数，令ploss(i)表示优先级为i的数据帧丢失率，数据包在丢失前将尝试传输最大重传次数Lretry(i)，因此可以得到优先级为i的数据帧丢失率，也就是优先级为i的数据流的误帧率ef(i)：
步骤2、计算不同优先级数据包的排队延迟
令psucc(i)为优先级为i的数据包被成功传输的概率，根据数据包发生碰撞的概率pi计算得到psucc(i)如下公式所示：
优先级为i的数据包排队时延DQ(i)等于当前的数据包被服务之前四个队列中被服务的所有数据包的传输时延之和。假设当一个优先级为i的数据包加入到自己的队列中时，队列i中有qi个数据包等待发送，队列j中有qj个数据包等待发送。不考虑数据包排队过程中新增的数据包。由于不同优先级的数据包竞争到信道的机会不同，因此优先级为i的数据包的排队延迟DQ(i)分两种情况；当队列i中的数据包个数小于队列j中的数据包个数qi<qj时，优先级为i的数据包排队时延DQ(i)表示为：
当qi>qj时：
其中qi和qj为经过指数加权平均移动算法EWMA进行平滑处理过的不同队列中缓存的队列大小，Ca(i)为优先级为i的数据包预期传输时延，通过综合考虑智能电网业务流实际数据包的大小B(i)和不同业务流的误帧率ef(i)，优化IEEE 802.11s默认混合无线Mesh路由协议HWMP的路由判据Ca所得：
其中Oca和Op为信道接入开销和协议开销，Bt为测试帧的长度，r为传输速率，ef为测试帧的误帧率。
步骤3、设计QoS感知和负载均衡的路由判据CCa
IEEE 802.11s的默认路由协议HWMP通过链路空时判据(ALM)选择一条射频感知的路径。但是应用到智能电网环境中时，无法满足智能电网不同应用的QoS需求。并且由于ALM没有考虑数据包的排队延迟，在数据包转发时可能将数据包转发给高负载的节点，增加转发节点的负载，从而导致数据包的端到端时延增加，而且也将产生更多的拥塞从而导致整个网络的吞吐量下降。综合考虑步骤1和步骤2中所得的不同优先级数据帧误帧率ef(i)、数据包排队延迟DQ(i)和实际数据包大小B(i)，将ALM修改为：
CCa即为优先级为i的数据包端到端总时延，即传输时延与排队时延之和：Di＝Ca(i)+DQ(i)。
步骤4、基于EDCA机制的动态数据包优先级调整算法
综合考虑网络总负载NC和各优先级业务流负载TC[i]，在NQA-LB路由方法的MAC层动态的调整数据包的优先级，提高NQA-LB在高负载下的可靠性和在低负载下的资源利用率；当网络丢包率低于预设门限值时，说明网络负载较轻，网络状况良好，此时如果高优先级业务的队列长度小于门限值，则说明网络资源有剩余，将低优先级数据包的的优先级调高再加入队列，从而避免了过多信道时隙的浪费；而网络丢包率较高时，说明网络比较拥塞，此时如果低优先级队列较小而高优先队列高于门限值，则降低高优先级队列的优先级缓解连续拥塞，提高网络性能；如果网络丢包率在低门限值和高门限值之间，则保持数据包的优先级不变。
动态数据包优先级调整算法AP-EDCA包括以下步骤：
(1)、初始化EDCA机制的默认接入参数并且根据不同的QoS需求划分数据包的优先级，初始化网络总负载上下门限值NClow和NChigh、各优先级负载门限值TC[i]min和TC[i]max；
(2)、计算网络总负载NC和不同优先级业务流的流量负载TC[i]：
NC为和TC[i]分别为经过EWMA进行平滑处理过的平均数据包丢失率和不同优先级业务流的流量负载，qi(max)为最大队列长度；
(3)、节点根据步骤(2)中的计算公式周期的计算数据包丢失率感知网络总负载，跟踪各优先级流量负载，并与步骤(1)中相应的预设门限值相比较；
(4)、当检测到网络丢包率NC低于预设门限值NClow时，说明网络状况良好，此时如果高优先级业务的队列长度小于门限值，即TC[i+2]<TC[i+2]min，其中i＝0,1，说明网络资源有剩余，将低优先级数据包的优先级调高i＝i+2，增加接入信道的概率；从而避免了过多信道时隙的浪费，提高资源的利用率；
(5)、如果网络丢包率在低门限值和高门限值之间，即NClow<NC<NChigh，则保持数据包的优先级不变；
(6)、当检测到网络丢包率NC高于门限值NChigh时，说明网络比较拥塞，此时如果低优先级队列长度较小并且高优先队列长度大于门限值，即TC[i-1]<TC[i-1]min并且TC[i]>TC[i]max，其中i＝2,3，则降低高优先级队列的优先级i＝i-1,缓解网络拥塞，提高网络的可靠性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
本发明提出一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB；NQA-LB不仅能区分并满足智能电网不同业务流的QoS需求，而且进一步提高数据包投递率，降低所有业务流的平均端到端时延，提高网络吞吐量。这其中的主要原因包括以下几点：(1)根据EDCA机制区分不同QoS需求的业务流，不同优先级的数据流可以被区分有效的服务。(2)结合MAC层的EDCA机制，实时的感知不同数据包的丢失率，针对不同的业务流选择更准确更优的路径，降低了数据包端到端的时延。(3)考虑了中间节点的缓存队列，将数据包引向负载较少的下一跳，减少数据包发生碰撞的概率，提高数据包的投递率。(4)通过MAC层的动态数据包优先级调整算法，综合考虑网络总负载和不同优先级的流量负载，动态的调整数据包的优先级。在网络负载较少时提高网络资源利用率，提高了网络的吞吐量。在高负载下，提高高QoS需求的数据流的可靠性。
附图说明
图1是本发明设计的QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法总体流程图；
图2是四种路由方法的平均数据包投递率随着节点数目的变化曲线图；
图3是四种路由方法的平均端到端时延随着节点数目的变化曲线图；
图4是四种路由方法的平均吞吐量随着节点数目的变化图；
图5是四种路由方法中不同NAN业务流的数据包投递率随着网络节点数目的变化比较图。A是HWMP不同NAN业务流的数据包投递率比较图；B是CM-EDCA不同NAN业务流的数据包投递率比较图；C是HWMP-RE不同NAN业务流的数据包投递率比较图；D是NQA-LB不同NAN业务流的数据包投递率比较图；
图6是四种路由方法中不同NAN业务流的平均端到端时延随节点数目的变化比较图。A是HWMP不同NAN业务流的平均端到端时延比较图；B是CM-EDCA不同NAN业务流的平均端到端时延比较图；C是HWMP-RE不同NAN业务流的平均端到端时延比较图；D是NQA-LB不同NAN业务流的平均端到端时延比较图。
具体实施方法
为了更加详细的描述本发明提出的一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB,下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
为了克服现有基于IEEE 802.11s的智能电网邻居区域网络路由协议在QoS保证、可靠性方面的不足，本发明的一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB，综合考虑链路质量和链路负载情况来改进HWMP协议，满足不同智能电网业务流的QoS需求并提高电网的可靠性。
如图1所示，一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB，包括：
步骤1、计算不同优先级数据流的误帧率
通过三维马尔科夫状态转移图分析EDCA机制中不同优先级i的状态，其中i＝0,1,2,3，计算优先级为i的数据包发生碰撞的概率pi：
其中τi为一个节点在时隙空闲下传输优先级为i的数据包的概率，ni表示发送优先级为i的数据流的站点数，数据包在丢失前将尝试传输最大重传次数Lretry(i)，因此得到优先级为i的数据帧丢失率ploss(i)，也就是优先级为i的数据帧误帧率ef(i)：
步骤2、计算不同优先级数据包的排队延迟
根据数据包发生碰撞的概率pi计算优先级为i的数据包成功传输的概率psucc(i)：
优先级为i的数据包排队时延DQ(i)等于当前的数据包被服务之前四个队列中被服务的所有数据包的传输时延之和；当队列i中的数据包个数qi小于队列j中的数据包个数qj时，即qi<qj，优先级为i的数据包排队时延DQ(i)表示为：
当qi>qj时：
其中qi和qj为经过指数加权平均移动算法(EWMA)进行平滑处理过的不同队列中缓存的队列大小，Ca(i)为优先级为i的数据包预期传输时延，通过综合考虑智能电网业务流实际数据包的大小B(i)和不同业务流的误帧率ef(i)，优化IEEE 802.11默认路由协议HWMP的路由判据Ca所得：
其中Oca和Op为信道接入开销和协议开销，Bt为测试帧的长度，r为传输速率，ef为测试帧误帧率。
步骤3、设计QoS感知和负载均衡的路由判据
NQA-LB的路由过程跟HWMP类似，在执行路由发现、路由维护过程中，综合考虑不同优先级数据帧误帧率ef(i)、数据包排队延迟DQ(i)和实际数据包大小B(i)，选择一条源节点到目的节点路由判据CCa最小的路径进行数据的传输，路由判据CCa表示为：
CCa表示优先级为i的预期数据包端到端总时延，即传输时延Ca(i)与排队时延DQ(i)之和；
步骤4、设计基于EDCA机制的动态数据包优先级调整算法
该算法通过综合考虑网络总负载NC和各优先级业务流负载TC[i]，在NQA-LB路由方法的MAC层动态的调整数据包的优先级，进一步提高NQA-LB在高负载下的可靠性和在低负载下的资源利用率，具体步骤包括：
(1)、初始化EDCA机制的默认接入参数并且根据不同的QoS需求划分数据包的优先级，初始化网络总负载上下门限值NClow和NChigh、各优先级负载门限值TC[i]min和TC[i]max；
(2)、计算网络总负载NC和不同优先级业务流的流量负载TC[i]：
NC为和TC[i]分别为经过EWMA进行平滑处理过的平均数据包丢失率和不同优先级业务流的流量负载，qi(max)为最大队列长度；
(3)、节点根据步骤(2)中的计算公式周期的计算数据包丢失率感知网络总负载，跟踪各优先级流量负载，并与步骤(1)中相应的预设门限值相比较；
(4)、当检测到网络丢包率NC低于预设门限值NClow时，说明网络状况良好，此时如果高优先级业务的队列长度小于门限值，即TC[i+2]<TC[i+2]min，其中i＝0,1，说明网络资源有剩余，将低优先级数据包的优先级调高i＝i+2，增加接入信道的概率；从而避免了过多信道时隙的浪费，提高资源的利用率；
(5)、如果网络丢包率在低门限值和高门限值之间，即NClow<NC<NChigh，则保持数据包的优先级不变；
(6)、当检测到网络丢包率NC高于门限值NChigh时，说明网络比较拥塞，此时如果低优先级队列长度较小并且高优先队列长度大于门限值，即TC[i-1]<TC[i-1]min并且TC[i]>TC[i]max，其中i＝2,3，则降低高优先级队列的优先级i＝i-1,缓解网络拥塞，提高网络的可靠性。
本实施例采用NS3仿真软件来对NQA-LB协议进行仿真实验，对HWMP、CM-EDCA、HWMP-RE、NQA-LB四种协议性能进行比较。
—HWMP：指IEEE 802.11s默认混合无线Mesh路由协议HWMP。
—CM-EDCA：指文献[K.Jaebeom,L.Keun-Woo and K.Young-Bae,"Contentionmitigated EDCA algorithm for reliable smart grid mesh networks,"in Sensor,Mesh and Ad Hoc Communications and Networks (SECON),2012 9th Annual IEEECommunications Society Conference on,Seoul,2012,pp.48-50.]所提出的基于EDCA机制的竞争减少的智能电网路由协议CM-EDCA，该协议基于HWMP路由协议，在MAC层通过动态的调整智能电网数据包的优先级来提高电网的可靠性。
—HWMP-RE：指文献[J.Kim,D.Kim,K.Lim,Y.Ko,and S.Lee,"Improving theReliability of IEEE 802.11s Based Wireless Mesh Networks for Smart GridSystems,"Journal of Communications and Networks,vol.14,pp.629-639,2012]所提出的基于802.11s的可靠性增强的智能电网路由协议HWMP-RE，根据电网QoS需求优化了HWMP路由判据，路由维护机制来提高网络的可靠性。
场景设置
仿真采用节点数分别为3×3(9个节点)、4×4(16个节点)、5×5(25个节点)、6×6(36个节点)、7×7(49个节点)、8×8(64个节点)的网格网络拓扑来模拟街区智能电网邻居区域网络，为每个邻居区域网络Mesh节点配置最大传输速率为54Mb/s的IEEE 802.11a网卡，用AARF作为速率自适应调整算法，每个Mesh节点间隔150m，每个节点的传输概率相同。MAC层EDCA机制的参数使用默认值，NClow设为0.01，NChigh取值为0.1，TC[0,1]min/max为0.3/0.7，TC[2,3]min/max为0.2/0.8。仿真时间为500s，每组仿真实验重复10次取平均值。
设置智能电网邻居区域网络的不同业务流数据。HWMP协议不划分智能电网业务流的优先级，在默认路由方法和默认的EDCA机制下进行仿真。根据智能电网网络系统需求规范为CM-EDCA、HWMP-RE、NQA-LB三种协议划分业务流的优先级。相比其他数据，AMI管理数据和电力质量管理数据要求高可靠传输，因此优先级设为最高，视频监控数据虽然有严格的时延要求，但是在智能电网中相比其他数据不重要，因此优先级最低，详细智能电网业务流的配置和优先级划分如表1所示。周期AMI、周期电力质量管理数据由Mesh节点间隔产生并在网关节点汇集，用TCP流仿真优先级最高的电力质量管理数据和AMI管理数据，其他的业务流用UDP流来仿真。在干扰范围之外随机增加一个Mesh节点作为网关节点，所有邻居区域网络业务流数据通过网关节点汇聚。通过增加网络节点数来增加网络业务流，使网络越来越拥塞。
表1.智能电网邻居区域网业务流设置
通过平均数据包投递率、平均端到端时延和平均吞吐量来分析本发明提出的NQA-LB。由获得的实验数据分析可得，本发明提出的QoS感知和负载均衡的路由方法，不仅能区分的服务不同的邻居区域网络业务流，满足不同的QoS需求，还明显的提高了网络性能，例如降低网络传输时延，提高吞吐量和数据包投递率，能够为智能电网提供更优越的通信服务。
仿真结果
图2所示为四种路由协议的平均数据包投递率随网络节点数目变化曲线图。在节点数小于等于16时，网络负载较低，数据包投递率都在90％以上。随着网络节点数目增加，网络的拥塞程度逐渐加剧，产生的拥塞丢包也逐渐增多，因此数据包投递率也逐渐降低。由于HWMP简单的路由判据计算和路由不稳定，使其数据包投递率迅速下降。CM-EDCA通过动态的调整包的优先级，在一定程度上减少了数据包的碰撞概率，但是由于使用默认的路由判据ALM，因此包投递率提高不明显。虽然HWMP-RE也为不同的业务流优化了ALM，但是它仅仅考虑了实际数据包的大小。而本发明的NQA-L不仅考虑了数据包的大小，还准确的计算了不同业务流的包丢失率。另外，本发明还增加考虑了节点的排队延迟，使不同的业务流选择更准确负载更少的路径。还在MAC层根据网络负载和各优先级的负载实时调整数据包的优先级，减少网络持续的拥塞，因此NQA-LB的数据包投递率最高，平均比HWMP高13％左右，比CM-EDCA高8.6％，比HWMP-RE高5％。
图3为四种路由协议的平均端到端时延随网络节点数目变化曲线图。随着节点数的增加，网络负载相应增大，数据包需要在队列中排队等待的时间也逐渐增加。NQA-LB机制考虑了中间转发节点缓存队列大小，为业务流选择了负载更少的传输路径，减少了数据包的排队等待时间。另外，NQA-LB通过准确计算包丢失率为不同类型的数据流优化路由判据，同时在MAC层降低高优先级数据的级别，从而减少网络拥塞程度，因此端到端时延明显低于其他三种机制。而HWMP-RE在网络拥塞导致数据包无法及时转发时，通过时延处理模块处理延迟容忍的数据，因此其端到端时延最高。结合图2可以看出，HWMP-RE通过牺牲一定的时延为代价，来提高了数据包的投递率。CM-EDCA仅仅通过在MAC层调整数据包优先级轻微减少了拥塞，因此端到端时延相比HWMP降低很少。
图4所示为四种路由方法的网络平均吞吐量随网络节点数目的比较图。可以看出，随着节点数量的增加，产生的数据量增大使得网络吞吐量增大，同时网络也越来越拥塞，因此吞吐量的增加越来越缓慢。HWMP在节点数为36时吞吐量达到饱和后，网络继续增大使得信道资源不足，吞吐量反而下降。CM-EDCA通过在MAC层调整数据包优先级，在一定程度上缓和了拥塞，进而减少拥塞丢包，吞吐量在节点数为49时才达到饱和。HWMP-RE通过时延容忍处理模块减少不必要的控制包开销，为业务流数据预留了更多的带宽资源，因此平均吞吐量高于HWMP和CM-EDCA。而在网络逐渐拥塞的过程中，NQA-LB能够感知不同优先级队列中缓存的数据包，能够选择负载更少更优的路由，并且能够通过网络负载动态调整数据包优先级，减少网络拥塞，减少了数据包丢失率，从而减少了数据包重传所消耗的开销，因此获得最高的吞吐量，能承载更多的数据流。
图5为四种路由方法中不同NAN业务流(电网管理数据数据、按需请求回应数据、周期电力质量数据、视频监控)的数据包投递率比较图，图A、B、C、D分别为HWMP、CM-EDCA、HWMP-RE、NQA-LB协议不同NAN业务流的数据包投递率曲线变化图。从图A可以看出，由于HWMP没有区分不同的业务流，所以四种业务流的数据包投递率相差不大。当节点大于36时，随着节点数的增加网络发生严重的拥塞，图B中的CM-EDCA通过在MAC层动态的调整数据包的优先级，缓解网络拥塞，但是使用默认的HWMP路由判据，因此各业务流的数据包投递率相比HWMP提高不明显。从图C可以看出在网络较拥塞时，HWMP-RE通过牺牲低优先级的数据包来保证电力质量管理和按需请求等高可靠性数据包的QoS，因此视频监控的数据包投递率相比CM-EDCA没有多大变化。而本发明的NQA-LB，通过实时感知不同优先级数据包的丢包率和链路负载，能区分的为不同的业务流提供准确的路径。另外，还通过AP-EDCA算法实时调整数据包的优先级，减少网络拥塞。所以图D中的NQA-LB不仅保证了高QoS需求的业务流，而且所有业务流的可靠性相比CM-EDCA和HWMP-RE都有很明显的提高。
图6比较了四种路由方法中不同NAN业务流的平均端到端时延随网络节点数目的变化，图A、B、C、D分别为HWMP、CM-EDCA、HWMP-RE、NQA-LB协议不同NAN业务流的平均端到端时延曲线变化图。当节点数小于16时，网络负载较低，网络资源有剩余，由于NQA-LB提高了低优先级数据包的优先级，因此加快了低优先级数据包的传输。随着节点数目的增加，网络越来越拥塞，NQA-LB通过感知不同业务流的数据包误帧率和缓存队列，不仅区分的服务不同的业务流，而且减少了所有数据包的排队延迟。所以图D中所有数据包的端到端时延相比图A、B、C三个图中所有数据包的时延都明显降低，保证业务流的QoS的同时保证了所有业务流的公平性。从图A可以看出，HWMP没有区分业务流，所以所有业务流的端到到时延都差不多，并且简单的ALM路由判据计算不能满足智能电网的QoS需求，因此业务流的端到到时延随着节点的增加快速增加。CM-EDCA在网络比较拥塞(节点数大于36)时，动态的降低高优先级数据包的优先级，缓解了网络持续的拥塞，结合图3和图6中图B可以看出，虽然一些业务流(周期电网质量数据和周期AMI数据)的时延相比HWMP增加了，但是减少了网络总体的平均端到端时延。而HWMP-RE在网络比较拥塞时，通过时延容忍模块牺牲时延容忍数据包的时延来保证电力质量管理和按需请求等高可靠性需求的数据包的QoS，因此图C中时延容忍数据(周期数据流和按需请求回复)的端到端时延明显高于其他业务流，并且明显高于图A中HWMP的相同业务流的时延。

Claims (3)

1.一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB，其特征在于包括以下步骤：
步骤1 计算不同优先级数据流的误帧率
根据智能电网不同业务流的QoS需求，用IEEE 802.11e的EDCA机制区分不同业务流，通过三维马尔科夫状态转移图分析EDCA机制中不同优先级i的状态，其中i＝0,1,2,3，计算优先级为i的数据包发生碰撞的概率pi：
其中τi为一个节点在时隙空闲下传输优先级为i的数据包的概率，ni表示发送优先级为i的数据流的站点数，数据包在丢失前将尝试传输最大重传次数Lretry(i)，得到优先级为i的数据帧丢失率ploss(i)，也就是优先级为i的数据流的误帧率ef(i)：
步骤2 计算不同优先级数据包的排队延迟
根据数据包发生碰撞的概率pi计算优先级为i的数据包成功传输的概率psucc(i)：
优先级为i的数据包排队时延DQ(i)等于当前的数据包被服务之前四个队列中被服务的所有数据包的传输时延之和；当队列i中的数据包个数qi小于队列j中的数据包个数qj，即qi<qj时，优先级为i的数据包排队时延DQ(i)表示为：
当qi>qj时：
其中qi和qj为经过指数加权平均移动算法EWMA进行平滑处理过的不同队列中缓存的队列大小，Ca(i)为优先级为i的数据包预期传输时延；
步骤3 设计QoS感知和负载均衡的路由判据CCa
根据步骤1所得的误帧率ef(i)和步骤2所得的数据包排队延迟DQ(i)，综合考虑链路质量和链路负载，设计QoS感知和负载均衡的路由判据CCa：
CCa表示优先级为i的预期数据包端到端总时延，即传输时延Ca(i)与排队时延DQ(i)之和；
步骤4 基于EDCA机制的动态数据包优先级调整算法AP-EDCA
综合考虑网络总负载NC和各优先级业务流负载TC[i]，在NQA-LB路由机制的MAC层动态的调整数据包的优先级，提高NQA-LB在高负载下的可靠性和在低负载下的资源利用率；当网络丢包率低于预设门限值时，说明网络负载较轻，网络状况良好，此时如果高优先级业务的队列长度小于门限值，则说明网络资源有剩余，将低优先级数据包的的优先级调高再加入队列，从而避免了过多信道时隙的浪费；而网络丢包率较高时，说明网络比较拥塞，此时如果低优先级队列较小而高优先队列高于门限值，则降低高优先级队列的优先级缓解连续拥塞，提高网络性能；如果网络丢包率在低门限值和高门限值之间，则保持数据包的优先级不变。
2.如权利要求1所述的一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB，其特征在于：所述的优先级为i的数据包预期传输时延Ca(i)为通过综合考虑智能电网业务流实际数据包的大小B(i)和不同业务流的误帧率ef(i)，优化IEEE 802.11默认路由协议HWMP的路由判据Ca所得：
其中Oca和Op为信道接入开销和协议开销，Bt为测试帧的长度，r为传输速率，ef为测试帧误帧率。
3.如权利要求1所述的一种QoS感知和负载均衡的无线Mesh智能电网路由方法NQA-LB，其特征在于：所述的动态数据包优先级调整算法AP-EDCA包括以下步骤：
A 初始化EDCA机制的默认接入参数，初始化网络总负载上下门限值NClow和NChigh，各优先级负载门限值TC[i]min和TC[i]max,各门限值的取值大于0小于1；
B 计算网络总负载NC和不同优先级业务流的流量负载TC[i]：
NC和TC[i]分别为经过EWMA进行平滑处理过的平均数据包丢失率和不同优先级业务流的流量负载，为最大队列长度；
C 节点根据步骤B中的计算公式周期的计算数据包丢失率感知网络总负载，跟踪各优先级流量负载，并与步骤A中相应的预设门限值相比较；
D 当检测到网络丢包率NC低于预设门限值NClow时，说明网络状况良好，此时如果高优先级业务的队列长度小于门限值，即TC[i+2]<TC[i+2]min，其中i＝0,1，说明网络资源有剩余，将低优先级数据包的优先级调高i＝i+2，增加接入信道的概率；从而避免了过多信道时隙的浪费，提高资源的利用率；
E 如果网络丢包率在低门限值和高门限值之间，即NClow<NC<NChigh，则保持数据包的优先级不变；
F 当检测到网络丢包率NC高于门限值NChigh时，说明网络比较拥塞，此时如果低优先级队列长度较小并且高优先队列长度大于门限值，即TC[i-1]<TC[i-1]min并且TC[i]>TC[i]max，其中i＝2,3，则降低高优先级队列的优先级i＝i-1,缓解网络拥塞，提高网络的可靠性。
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