 Smart Grid 智能电网, 2013, 3, 173-176 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2013.36032 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) The Application of LT Codes in Wireless Sensor Network of Smart Grid Tengfei Li1,2,3, Nianrong Zhou1,2, Feng Gao1,2, T ing Ma1,2,3, Hong Wen3 1Yunnan Power Grid Corporation, Kunming 2Yunnan Yundian Tongfang Technology Co., Ltd., Kunming 3National Key Laboratory of Science and Technology on Communications, UESTC, Chengdu Email: litengfei.71f@163.com Received: Nov. 21st, 2013; revised: Nov. 30th, 2013; accepted: Dec. 5th, 2013 Copyright © 2013 Tengfei Li et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons At- tribution License all Copyrights © 2013 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Tengfei Li et al. All Copyright © 2013 are guarded by law and by Hans as a guardian. Abstract: With the rapid development of smart grid, advanced wireless sensor network technology is widely used in smart grid systems. The network performance of wireless sensor networks, which are deployed in the environment, is vulnerable to the impact of the surrounding environment, and the reliability of data collection in the network may be compromised. LT codes have the quality of compiled code, which makes the receiver able to translate the original data from the source through the correctly received code information, and this makes LT codes the suitable choice for the WSN demand of collecting data reliably in smart grid. Keywords: Smart Grid; Wireless Sensor Network; Reliability; LT Codes LT 码在智能电网无线传感网络中的应用 李腾飞 1,2,3，周年荣 1,2，高 峰1,2，马 婷1,2,3，文 红3 1云南电网公司技术分公司，昆明 2云南云电同方科技有限公司，昆明 3电子科技大学通信抗干扰国家级重点实验室，成都 Email: litengfei.71f@163.com 收稿日期：2013 年11 月21 日；修回日期：2013 年11 月30 日；录用日期：2013 年12 月5日 摘 要：随着智能电网的快速发展，先进的无线传感网络技术被广泛地应用在智能电网系统中，部署在环境中 的无线传感器网络，其网络性能容易遭受周围环境的影响，网络中数据收集的可靠性可能会遭到破坏。LT 码的 编译码特点，使得只要接收端能正确接收到足够的编码信息就可以译出原始数据信源，很适合智能电网中无线 传感网络对于数据可靠性收集的要求。 关键词：智能电网；无线传感网络；可靠性；LT 码 1. 引言 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN) 将传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式 向集成化、微型化、网络化、智能化的方向发展[1]， 在电力系统自动化领域，已有研究把无线传感器网络 应用于远程抄表、负荷预测、变电站自动化、配电网 继电保护、配电线路故障定位、输电线路实时监测与 预警等方面[2]。这些应用有效地监测了电力系统运 行状 Open Access 173  LT 码在智能电网无线传感网络中的应用 态，提高了电力系统的运行效率，使得无线传感器网 络成为电能生产、传输、分 配、消费环节的有益补充。 智能电网的兴起将最先进的传感器技术、网络技 术、通信技术、新能源技术和IT 技术等融合到电力 系统中，使其具备现有电网尚不具备的自愈、互动、 兼容、集成、优化和安全等特点[3]。文献[4]详细介绍 了在智能电网中，无线传感器网络可以被广泛应用于 高级量测体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输 电运行(ATO)和高级资产管理(AAM)中，例如智能家 居、变电站自动化、输电线路监测等等。通过无线传 感网络监测可以获取电网运行状态、参数等物理信 息，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整的电 网运营数据，有利于决策系统控制实施方案和应对预 案，是智能电网的有效组成部分。 无线传感器网络是一种受环境影响很大的分布 式网络，想要通过汇聚节点可靠的收集整个网络的数 据是个颇有难度的问题。在实际的网络环境中需要考 虑节点资源受限、节点突发死亡、链路故障以及地震、 火灾等问题，采取措施来提高数据的可靠性传输[5]。 一种简单的方式是将数据包多次发送，但它不能根本 保证数据的可靠传输，并且会大大增加发包的数量。 Deb-orah Estin等人证明了节点除去固有的晶振能耗 外超过 95%的能耗集中在数据通信中[6]，因此增加发 包数量也就增加了能耗。另一种方法是采用请求重传 的方式，此方法会大大增加网络的负载和时延。还有 一种方法是采用编码方式，通过发送冗余的数据信 息，从而提高数据传输的容错能力。在文献[7]中，作 者使用 RS 纠删码，但其编译码算法涉及矩阵运算， 复杂度较高，并且在遇到突发事件的时候不能实时的 改变码率。喷泉码是一类基于图的线性纠删码，在无 线通信系统中，发送端对原始信息进行编码，得到源 源不断的编码信息并且发送，只要接收端能正确接收 到足够的编码信息就可以译出原始数据信源，很适合 智能电网中无线传感网络对于数据可靠性传输的要 求。数量众多的传感器节点即分布式的数据源，除了 汇聚节点外的整个网络可以类比成一个巨大的数据 喷泉，源源不断的产生传感数据，而汇聚节点就是用 来收集这些“数据水滴”的容器，如图 1所示的模式 是一个基于喷泉码进行数据收集的无线传感器网络， 黑色的编码符号(码字)通过无线擦除信道被汇聚节点 接收，数据传输模式为编码–汇聚–译码模式。只要 Figure 1. Wireless sensor networks based on fountain codes 图1. 基于喷泉码的无线传感器网络 在编码阶段针对传感节点设计出合适的度分布函数， 就能大大提高汇聚节点的译码成功概率。 Michael Luby于1998 年提出了喷泉码的概念[8]， 喷泉码的设计需要主要考虑 2方面的问题：1) 译码开 销 尽量小，使其趋近于 0；2) 编译码复杂度尽量低： 理想情况下，希望做到每个编码分组需要的运算量是 一个与 K无关的常量，获得 K个原始数据分组成功译 码需要的运算量是 K的线性函数。 2. LT码的编码译码算法 LT 码属于喷泉码的其中一种，是一种由 K个原 数据包根据自身的度分布进行编码而生成的，而接收 端只要接收到 N (N稍大于 K)个数据包就可以高概率 地译码[9-11]，而 LT 码自身的度分布决定 了其译码 性 能，度是指与该编码包相连的原始数据分组数目，LT 码度分布用 d 表示，其意义在于：对于所有的度 d， 编码分组出现度为 d的概率为 d 。 LT 码的编码就是根据度分布函数 ，从 K个 数据包中随机地选取 d个源数据包 d k s ，然 后 将 这d个 源数据包进行模二和，生成一个编码数据包。图 2所 示为 LT 码的编码流程图。 图3所示为一个编码数据包的生成过程。 LT 码的译码过程为：找到一个度为 1的编码符号 ，令与之相连的原始数据包 n tkn s t，然后将 k s 与所 有和 k s 有联系的编码后的数据包进行异或，最后删除 所有与 k s 相连的编码后的数据包。不断进行重复上述 过程，直到找不到度为 1的编码后的数据包。如果存 在这样的数据包，表明没有全部译码。图 4所示为 LT 码的译码流程图。 图5所示为 LT 码的译码算法实现过程。 3. 仿真分析[12,13] 本节对 LT 码的性能进行仿真。仿真所用的软件 Open Access 174  LT 码在智能电网无线传感网络中的应用 Figure 2. Code flow chart of LT codes 图2. LT码的编码流程图 Figure 3. A co ded packet generation process 图3. 一个编码数据包的生成过程 Figure 5. The decoding algorithm of LT code implementatn process ：VC 6.0、 机度生成用 LT 码的性能分析 = 255，结果如 图6 520 就达到一个成功译码的稳定状态。 io 图5. LT码的译码算法实现过程 是Matlab。所用参数是：LT 随 的是鲁棒孤波分布；源数据包的长度K = 255、K = 2000、K = 4000、K = 6000、K = 8000；二进制删除信 道的删除概率p分别等于起始值为 0.05，步长为 0.05， 终值为 0.5；常数 c = 0.03；译码允许失败概率 0.5； 帧长 = 200。 3.1. 短码长的 本小节采用发送数据包长度为 K 所示，发送数据包长度 K = 255，刻画短码长的 性能我们用冗余度和成功译码概率关系图来描述。从 图中我们可以看到，在源数据包长度比较短的情况， 当我们依次增加信道噪声(即丢包率)时，只有当冗余 度不断的增加才能完全的恢复出所有的原始数据包。 以K = 255，q = 0.5为例说明，当接收端接收到 个包时 200 次迭代才能正确译码一次，此时图中 冗余度是信息源包的 2.03 倍左右。再继续接收成功译 码的概率也随之增大。直到接收到 1080 个包即冗余 度为信息源包的 4.23 倍时，译码概率才达到 1，之后 Figure 4. LT code decoding flow chart 图4. LT码的译码流程图 Open Access 175  LT 码在智能电网无线传感网络中的应用 Open Access 176 、4000、6000 和 从图 7中看到，当源信息包 时， 到2800 个左右数据包就能成功 数 我们 可以看到，随着接收数加， 接收端能达到接 100%的成功译码 源数据包 分别为 K = 40K = 6000，K = 8000时，在接收端 3.2. 长码长的 LT 码的性能分析 图7是数据包长度分别为2000 如果接收到接近于 5000、7500 和10,000 个数据包就 8000 的性能仿真。 为K = 2000当接 收端接收 地译出源 据包， 还据包的数目增 近 。当信 00， Figure 6. Decoding pr o b ab i l i ty a n d redundancy between different deletion probability 图6. 不同删除概率下译码概率和冗余度比较 Figure 7. The number of successfully decoding data packets und the robust soliton distribution of LT cod e s 图7. 鲁棒孤子分布的 LT码成功译码数据包数目 能几乎完 多， 要介绍了喷泉码技术在智能电网无线传 感网络中的应用，详细介绍了 LT 码的度分布选择和 编译 参考文献 (References) (2005) 无线传感器网络. 清 [2] 黄绪勇, 刘沛, 苗世洪, 等 (2007) 无线传感自组网在电力监 网导论. 中国电力出版社, 北京. 编码 8) Training multilayer perceptrons s of the ACM Sympo- er- 010, e on Technology and Mechatronics Automation ns,Cheng- 性能分析与研究. 中国科学 全成功译码。同时当接收数据包数目增 几乎每次都能译码成功。 4. 结语 本文主 码技术并进行了 Matlab 仿真验证。仿真结果证实 了只要接收端能正确接收到足够的编码信息(实际接 收编码数据包只需要接收略大于原始信源数据包)就 可以译出原始数据信源，很适合智能电网无线传感网 络对于数据可靠性传输的要求。 [1] 孙利民, 李建中, 陈渝, 朱红松 华大学出版社, 北京. 控中的应用动态. 电力系统自动化 , 31, 99-103. [3] 许晓慧 (2009) 智能电 [4] 张强, 孙雨耕, 等 (2010) 无线传感器网络在智能电网中的 应用. 中国电力 , 43, 31-36. [5] 王兰, 唐智灵 (2009) 无线传感器网络中的分布式信源 的仿真研究. 计算机系统应用 , 18, 46-52. [6] Singhal, S. and Wu, L. (199 with the extended Kalman algorithm. 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