智能電網(wǎng)中電力線通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的機(jī)會路由協(xié)議

李祝紅 趙燦明 閆龍 張信明

摘 要：針對智能電網(wǎng)（SG）中電力線通信（PLC）網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載均衡的問題，提出了一個(gè)自適應(yīng)機(jī)會路由協(xié)議——負(fù)載均衡的機(jī)會路由協(xié)議（LBORP）。在LBORP中，所有收到數(shù)據(jù)包的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會參與到數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)中，不再局限于一條路由路徑，避免了流量僅從一條鏈路經(jīng)過導(dǎo)致的負(fù)載不均衡現(xiàn)象;而且候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級不僅考慮到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離，還考慮到了PLC鏈路的不穩(wěn)定性以及流量的變化。除此之外，在LBORP中采用一種隱式確認(rèn)方案，進(jìn)一步減少協(xié)議的端到端時(shí)延。在仿真實(shí)驗(yàn)中，與基于有序樹的PLC路由協(xié)議（PLC-TR）和PLC機(jī)會路由協(xié)議（PLC-OR）相比，LBORP在時(shí)延上分別降低了19.7%和45.8%，在丟包率上分別降低了23.4%和32.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LBORP能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡，提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性并減小端到端時(shí)延。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);電力線通信;負(fù)載均衡;路由算法;機(jī)會路由

中圖分類號： TP393.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-9081（2019）03-0812-05

Abstract： To solve load balancing problem of Power Line Communication （PLC） network in Smart Grid （SG）， an adaptive opportunistic routing protocol named LBORP （Load Balancing Opportunistic Routing Protocol） was proposed. All the candidate forwarding nodes receiving a packet in LBORP had the opportunity to participate in packet forwarding. As a result， packet forwarding was no longer limited to one routing path， which avoided load imbalance caused by traffic with only one link for traffic to pass. And forwarding priority of the candidate forwarding nodes considered not only the distance from forwarding nodes to destination node， but also instability of PLC links and change of traffic. Besides， an implicit acknowledgment scheme was adopted in LBORP， further reducing the end-to-end delay of the proposed protocol. In simulation experiment， compared to PLC-TR （Power Line Communication-Tree Routing） and PLC-OR （Power Line Communication-Opportunistic Routing）， LBORP reduced delay by 19.7% and 45.8% respectively and reduced packet loss rate by 23.4% and 32.5% respectively. Experimental results show that LBORP can achieve network load balancing， improve network reliability and reduce end-to-end delay.

Key words： Smart Grid （SG）; Power Line Communication （PLC）; load balancing; routing algorithm; opportunistic routing

0 引言

智能電網(wǎng)（Smart Grid， SG）[1-3]是一種多種通信技術(shù)相結(jié)合的智能化的電力通信網(wǎng)絡(luò)。通過智能電網(wǎng)，用戶設(shè)備的用電信息可以從用戶經(jīng)過多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳送到電力控制中心，同時(shí)，電力控制中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)測用電設(shè)備的狀態(tài)變化，并及時(shí)為用戶提供所需的電力，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。電力線通信（Power Line Communication， PLC）技術(shù)[4-6]是智能電網(wǎng)中的通信技術(shù)之一，是一種利用配電網(wǎng)中的配電線實(shí)現(xiàn)信息交互的數(shù)據(jù)通信方式。PLC能夠?qū)崿F(xiàn)電力和信息的同時(shí)傳輸，并且由于其部署成本低、安全性高，具有其他通信方式不具備的優(yōu)勢，因此被廣泛地應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)等。

在現(xiàn)有的研究中，一般使用兩種方法實(shí)現(xiàn)PLC[7]：第一種基于窄帶信號，頻率在500kHz以下，最大傳輸速率為幾百kbps;第二種方法則基于寬帶信號，頻率在2～30MHz，最大傳輸速率可超過幾百M(fèi)bps[8]。盡管寬帶傳輸能夠支持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是在PLC中，窄帶傳輸更受青睞?，F(xiàn)有的一些PLC標(biāo)準(zhǔn)，比如G3-PLC和IEEE 1901.2，都是基于窄帶信號的，這主要是因?yàn)檎瓗盘柲軌虼┻^電力設(shè)備，比如常用到的變壓器等，而寬帶信號無法穿過這些設(shè)備，這大大限制了寬帶傳輸?shù)倪m用范圍。此外，智能電網(wǎng)中的應(yīng)用大都并不需要很高的數(shù)據(jù)傳輸速率[9]，窄帶信號已經(jīng)能夠支持常見的智能電網(wǎng)應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。而在基于窄帶信號傳輸?shù)腜LC網(wǎng)絡(luò)中，由于具有多跳特性，如何進(jìn)行高效路由是PLC網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)十分重要的問題。

針對PLC網(wǎng)絡(luò)中的路由問題，目前蕪湖市供電公司PLC網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際采用固定性路由的方式，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包后，通過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，通過一跳一跳的方式逐步轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)的序列是在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包前通過Dijkstra算法計(jì)算得到。文獻(xiàn)[10]根據(jù)電力線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬潭ǖ奶匦裕岢龌谟行驑涞穆酚蓞f(xié)議（Power Line Communication-Tree Routing， PLC-TR），將PLC網(wǎng)絡(luò)抽象為一棵有序樹，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的地址信息選擇合適的路由，以降低數(shù)據(jù)的平均傳輸時(shí)延，提高數(shù)據(jù)包的投遞率。文獻(xiàn)[11]則基于地理路由思想，利用電力設(shè)備的地理位置信息進(jìn)行路由，以應(yīng)對電力鏈路的時(shí)變特性，并針對單播、多播和廣播場景分別設(shè)計(jì)了地理位置信息的PLC網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。但是，文獻(xiàn)[11]也是只選取一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，并沒有利用PLC通信中多個(gè)接收方都會收到數(shù)據(jù)包的特性。文獻(xiàn)[8]根據(jù)低頻PLC信號能夠穿過電力設(shè)備的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)PLC機(jī)會路由協(xié)議（Power Line Communication-Opportunistic Routing， PLC-OR），利用每次傳輸都會有多個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包的特性，構(gòu)建候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合，由候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合中成功收到數(shù)據(jù)包的距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

機(jī)會路由[12]與傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，只要候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功收到數(shù)據(jù)包，就能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，相比于傳統(tǒng)路由中只選取一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)大大提高了可靠性，而且減少了傳統(tǒng)路由中當(dāng)選取的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)沒有成功收到信息時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)不得不進(jìn)行重發(fā)的時(shí)延。除此之外，在機(jī)會路由中，允許一次發(fā)送跨越多跳，減少了總的發(fā)送次數(shù)[13]。

但是，現(xiàn)有的PLC網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)會路由協(xié)議仍存在一些問題。在現(xiàn)有的機(jī)會路由協(xié)議中，所有的候選中繼節(jié)點(diǎn)都在由Dijkstra算法確定的同一個(gè)最短路由路徑上[8]，比如，在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，路?-2-3-7-10-13-14-15。但是，這種固定的路由路徑的方式存在一些問題，首先，PLC鏈路是不穩(wěn)定的，這種不穩(wěn)定性既包括由于負(fù)載阻抗的瞬時(shí)變化導(dǎo)致的PLC信道的突變性，也包括PLC信道跟隨工頻周期而周期性平緩變化的時(shí)變性，固定的路由路徑無法適應(yīng)PLC鏈路的信道變化。而且，收到數(shù)據(jù)包的最短路由路徑外的節(jié)點(diǎn)可能會比收到數(shù)據(jù)包的最短路由路徑上的節(jié)點(diǎn)距目的節(jié)點(diǎn)更近，比如，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，除節(jié)點(diǎn)3和7外，節(jié)點(diǎn)4和8也可能收得數(shù)據(jù)包，此時(shí)，由節(jié)點(diǎn)8轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包是比節(jié)點(diǎn)7更好的選擇。此外，固定地選取同一個(gè)路由路徑會使得數(shù)據(jù)流量集中在同一個(gè)路由路徑上，而PLC窄帶信號的通信能力是有限的，這樣會導(dǎo)致在同一路徑上負(fù)載過重，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至崩潰。最后，現(xiàn)有的機(jī)會路由協(xié)議中，候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)是基于確認(rèn)（ACKnowledgement， ACK）進(jìn)行顯式確認(rèn)的，而發(fā)送ACK會增加端到端時(shí)延。

針對現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議中存在的問題，本文提出一種考慮負(fù)載均衡的機(jī)會路由協(xié)議（Load Balancing Opportunistic Routing Protocol， LBORP），利用機(jī)會路由實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡和可靠傳輸。不同于已有的PLC網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)會路由協(xié)議，在LBORP中，所有收到數(shù)據(jù)包的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會參與到數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)中，不再局限于一條路由路徑，避免了流量僅從一條路由路徑經(jīng)過導(dǎo)致的負(fù)載不均衡，而且候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級不僅考慮到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離，還考慮到了PLC鏈路的不穩(wěn)定性以及流量的變化。除此之外，在LBORP中不使用確認(rèn)（ACK）報(bào)文進(jìn)行顯式確認(rèn)，而是采用一種隱式確認(rèn)方案，以降低協(xié)議的復(fù)雜度以及端到端時(shí)延。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的機(jī)會路由協(xié)議LBORP能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡，提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性并減小端到端時(shí)延。

1 負(fù)載均衡分析模型和機(jī)會路由算法

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

PLC網(wǎng)絡(luò)被抽象為如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)集合包括n-1個(gè)PLC節(jié)點(diǎn){1，2，…，n-1}和1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)n;邊集合是具有鄰接關(guān)系節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的PLC鏈路集合。圖中每個(gè)PLC節(jié)點(diǎn)均連接了多個(gè)用戶負(fù)載，并經(jīng)過多跳傳輸將用戶信息傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。PLC節(jié)點(diǎn)之間存在一條PLC鏈路則稱該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)具有鄰接關(guān)系，這條鏈路屬于PLC鏈路集合。節(jié)點(diǎn)i能夠覆蓋到的節(jié)點(diǎn)為i的鄰居節(jié)點(diǎn)集合為Ni={j|（i， j）∈E}。節(jié)點(diǎn)i的候選節(jié)點(diǎn)集合為Si，是Ni的子集。

1.2 分析模型和路由算法

考慮到鏈路的不可靠性對整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)以及流量的負(fù)載均衡的影響，本文提出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的機(jī)會路由協(xié)議（LBORP）。機(jī)會路由的三要素[10]分別為：設(shè)計(jì)符合應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)度量;根據(jù)該度量確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的候選集合;源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，多個(gè)候選節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)單次數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。與每次選擇確定的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的確定性路由相比，機(jī)會路由提高了負(fù)載均衡特性與穩(wěn)定性。LBORP首先設(shè)計(jì)了基于鏈路不穩(wěn)定性和流量預(yù)分配的路由度量，該路由度量綜合考慮了源節(jié)點(diǎn)到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的局部精確代價(jià)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)端的估計(jì)代價(jià);其次，依此從候選集合中增加或刪除某些節(jié)點(diǎn)，重新調(diào)整流量分配結(jié)果，篩選出穩(wěn)定的候選集合，并計(jì)算這些穩(wěn)定集合的端到端的估計(jì)代價(jià)，最終確定代價(jià)最小的集合為最優(yōu)的候選集合;最后，在確定候選集合后，根據(jù)端到端的估計(jì)代價(jià)對候選集合中的候選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，候選節(jié)點(diǎn)按照順序依次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，提高路由協(xié)議的負(fù)載均衡特性及可靠性。為了避免重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)成功后，其他轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)不再轉(zhuǎn)發(fā)。LBORP的主要內(nèi)容可以分為三部分。

1.2.1 路由度量的計(jì)算

路由度量是反映當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對路由過程影響的重要程度的關(guān)鍵性指標(biāo)。路由度量的設(shè)計(jì)往往需要綜合考慮多個(gè)因素。本文采用端到端的估計(jì)代價(jià)作為路由的度量。其中，端到端的估計(jì)代價(jià)綜合考慮了源節(jié)點(diǎn)到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的單跳代價(jià)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)端估計(jì)代價(jià)以及節(jié)點(diǎn)之間的流量分配等因素。LBORP首先對流量進(jìn)行預(yù)分配;其次，結(jié)合流量的預(yù)分配結(jié)果以及單跳代價(jià)和遠(yuǎn)端估計(jì)代價(jià)對路由度量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

步驟1 流量的預(yù)分配及單跳代價(jià)計(jì)算。

節(jié)點(diǎn)i的流量包括流入節(jié)點(diǎn)i的流量、節(jié)點(diǎn)i自身產(chǎn)生的流量以及經(jīng)由節(jié)點(diǎn)i流出的流量。假設(shè)流入節(jié)點(diǎn)i的流量為Fin（i）、自身的流量為Fown（i），流出的流量為Fout（i），則節(jié)點(diǎn)i處的流量分配首先需要滿足流量守恒條件：

在PLC網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（Simple Network Management Protocol， SNMP）簡單且易于實(shí)現(xiàn)，因此被廣泛使用?；赟NMP的PLC網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自身產(chǎn)生的流量[14]可以建模為：

在對節(jié)點(diǎn)自身產(chǎn)生的流量進(jìn)行建模后，結(jié)合鏈路特性對節(jié)點(diǎn)的流出的流量進(jìn)行預(yù)分配。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i的初始候選節(jié)點(diǎn)集合為S0i，則為候選節(jié)點(diǎn)k，k∈S0i，預(yù)分配的流量Falloc（k）可表示如下：

其中，為了適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)候選節(jié)點(diǎn)分配的流量，本文引入調(diào)節(jié)因子α（k），調(diào)節(jié)因子可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不同需求來適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的鏈路失敗率是已知的，由于電力信息對電網(wǎng)綜合運(yùn)行和管理起到至關(guān)重要的作用，因此，本文盡可能地確保流量在中間環(huán)節(jié)傳輸時(shí)不發(fā)生丟失。那么就需要多個(gè)候選節(jié)點(diǎn)的預(yù)分配的流量滿足以下條件：

步驟2 端到端代價(jià)計(jì)算。

1.2.2 候選集合的確定

由于節(jié)點(diǎn)i具有多個(gè)相鄰接的節(jié)點(diǎn)，因此，初始的候選集合可以看作是節(jié)點(diǎn)能夠覆蓋到的節(jié)點(diǎn)組成的集合S0i。首先，鄰居節(jié)點(diǎn)中可能存在某些節(jié)點(diǎn)無法承擔(dān)節(jié)點(diǎn)i預(yù)分配的流量轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，尤其是當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)自身的流量已經(jīng)很大的情況下，如果再為節(jié)點(diǎn)i轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的流量，則可能會造成該鄰居節(jié)點(diǎn)的負(fù)載過重而崩潰，影響信息的轉(zhuǎn)發(fā)和全網(wǎng)的穩(wěn)定性。其次，由于實(shí)際的電力通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路是不可靠的，考慮綜合數(shù)據(jù)傳輸代價(jià)時(shí)，初始候選集的代價(jià)不一定是最小的。因此本文考慮在剔除負(fù)載過重的節(jié)點(diǎn)之后選擇代價(jià)最小的候選集，使得在單位時(shí)間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)，增大網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。因此，本文考慮如何從初始候選集合中確定一個(gè)合適的候選集合，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。選擇候選集合的步驟如下：

1.2.3 機(jī)會路由策略

在S*s確定之后，為了避免不同候選節(jié)點(diǎn)間同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)會造成沖突的問題，根據(jù)端到端的估計(jì)代價(jià)對候選集合中的候選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，候選節(jié)點(diǎn)按照順序依次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，提高路由協(xié)議的負(fù)載均衡特性及可靠性。當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)成功后，當(dāng)其他轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，就會知道已經(jīng)有節(jié)點(diǎn)成功轉(zhuǎn)發(fā)了數(shù)據(jù)包，而不再需要這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK進(jìn)行確認(rèn)，達(dá)到隱式確認(rèn)的目的。其他轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到的數(shù)據(jù)包后不再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。下一跳節(jié)點(diǎn)繼續(xù)重復(fù)該過程，直到數(shù)據(jù)包被傳遞到目的節(jié)點(diǎn)為止。由于每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)均有一定的轉(zhuǎn)發(fā)的概率，而不是采用固定的下一跳節(jié)點(diǎn)去轉(zhuǎn)發(fā)，可以避免某些節(jié)點(diǎn)承擔(dān)過重的負(fù)載，在一定程度上實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的負(fù)載均衡。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文基于Matlab仿真平臺進(jìn)行協(xié)議的仿真和實(shí)現(xiàn)。本文的實(shí)驗(yàn)對象分別為本文提出的負(fù)載均衡的機(jī)會路由協(xié)議（LBORP）、基于有序樹的路由協(xié)議PLC-TR（Power Line Communication-Tree Routing）[10]以及已有的機(jī)會路由協(xié)議PLC-OR（Power Line Communication-Opportunistic Routing）[8]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用蕪湖市電力通信網(wǎng)的真實(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在100km×100km范圍內(nèi)布置40個(gè)節(jié)點(diǎn)，并部署PLC電力線實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的信息通信。本文通過不斷地增加源節(jié)點(diǎn)的流量，記錄LBORP、PLC-TR和PLC-OR協(xié)議的吞吐量、端到端的平均時(shí)延和丟包率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2描述了隨時(shí)間的變化，吞吐量的變化情況。從圖2可以看出，LBORP相比于PLC-OR協(xié)議和PLC-TR協(xié)議吞吐量的變化趨勢較為緩和，在負(fù)載均衡性能方面優(yōu)于PLC-OR和PLC-TR協(xié)議。原因在于PLC-TR協(xié)議無法避免某些節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重造成的負(fù)載不均衡，使得吞吐量會有突增或突減現(xiàn)象。而機(jī)會路由本身具有負(fù)載均衡優(yōu)勢，因此，與PLC-TR協(xié)議相比，LBORP和PLC-OR協(xié)議在負(fù)載均衡性能方面優(yōu)于PLC-TR協(xié)議。而在PLC-OR中，所有的候選中繼節(jié)點(diǎn)都在由Dijkstra算法確定的同一個(gè)最短路由路徑上，固定地選取同一個(gè)路由路徑會使得數(shù)據(jù)流量集中在同一個(gè)路由路徑上，這樣會導(dǎo)致在同一路徑上負(fù)載過重。而LBORP中，所有收到數(shù)據(jù)包的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會參與到數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)中，不再局限于一條路由路徑，避免了流量僅從一條鏈路經(jīng)過導(dǎo)致的負(fù)載不均衡現(xiàn)象，而且機(jī)會路由本身就有負(fù)載均衡優(yōu)勢，所以具有較好的負(fù)載均衡性能。

圖3反映了在源節(jié)點(diǎn)流量增加的情況下，端到端的平均時(shí)延的變化。機(jī)會路由與傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，只要候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功收到數(shù)據(jù)包，就能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，相比于傳統(tǒng)路由中只選取一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)大大提高了每一跳轉(zhuǎn)發(fā)成功的概率，減小了傳統(tǒng)路由中當(dāng)選取的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)沒有成功收到信息時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)不得不進(jìn)行重發(fā)的時(shí)延。除此之外，在機(jī)會路由中，允許一次發(fā)送跨越多跳，減少了總的發(fā)送次數(shù)。因此，與PLC-TR協(xié)議相比，LBORP和PLC-OR協(xié)議在時(shí)延性能方面優(yōu)于PLC-TR協(xié)議。而在PLC-OR協(xié)議中，所有的候選中繼節(jié)點(diǎn)都在由Dijkstra算法確定的同一個(gè)最短路由路徑上，沒有考慮到收到數(shù)據(jù)包的最短路由路徑外的節(jié)點(diǎn)可能會比收到數(shù)據(jù)包的最短路由路徑上的節(jié)點(diǎn)距目的節(jié)點(diǎn)更近的情況。LBORP不僅考慮到這種情況，而且使用隱式確認(rèn)機(jī)制，避免了使用ACK進(jìn)行確認(rèn)引起的時(shí)延增加。因此，LBORP在端到端時(shí)延上優(yōu)于PLC-OR協(xié)議。與PLC-TR和PLC-OR相比，LBORP在時(shí)延上分別降低了19.7%和45.8%。

圖4為丟包率隨節(jié)點(diǎn)流量的變化趨勢圖。機(jī)會路由與傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，只要候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功收到數(shù)據(jù)包，就能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，相比于傳統(tǒng)路由中只選取一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)大大提高了每一跳轉(zhuǎn)發(fā)成功的概率，增加了可靠性。因此，與PLC-TR協(xié)議相比，LBORP和PLC-OR協(xié)議在丟包率上低于PLC-TR協(xié)議。而在PLC-OR協(xié)議中，所有的候選中繼節(jié)點(diǎn)都在由Dijkstra算法確定的同一個(gè)最短路由路徑上，固定地選取同一個(gè)路由路徑不僅無法適應(yīng)PLC信道的變化，而且會使得數(shù)據(jù)流量集中在同一個(gè)路由路徑上，而PLC窄帶信號的通信能力是有限的，這樣會導(dǎo)致在同一路徑上負(fù)載過重，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至崩潰。因此，LBORP在丟包率上低于PLC-OR協(xié)議。與PLC-TR和PLC-OR相比，LBORP在丟包率上分別降低了23.4%和32.5%。

3 結(jié)語

針對電力網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡路由問題，本文提出一個(gè)自適應(yīng)的機(jī)會路由協(xié)議LBORP。在該路由協(xié)議中，本文對流量進(jìn)行預(yù)分配，避免候選節(jié)點(diǎn)因?yàn)樨?fù)載過重而造成傳輸性能的下降，然后利用機(jī)會路由協(xié)議在負(fù)載均衡方面的優(yōu)勢，本文設(shè)計(jì)了結(jié)合電力網(wǎng)絡(luò)特性的路由度量，為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)者選擇一個(gè)端到端代價(jià)最小的候選集合，并為每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)設(shè)置了不同的優(yōu)先級，進(jìn)行機(jī)會性的轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的機(jī)會路由協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡，并且提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性，減小端到端時(shí)延。機(jī)會路由算法也可用于其他多跳網(wǎng)絡(luò)，比如：移動自組織網(wǎng)絡(luò)、車載自組織網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。LTE（Long Term Evolution）、5G中的D2D（Device to Device）通信當(dāng)需要進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，也可使用機(jī)會路由算法，相關(guān)研究會在以后的工作中開展。

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