一種新型低壓配電網(wǎng)電力線通信路由算法

張長青　楊春光　梁麗　曹華鋒　孫廣

摘? ?要：為了準確分析低壓配電網(wǎng)電力線通信中的通信時延和吞吐量問題，提出了一種用于低壓配電網(wǎng)樹型物理拓撲路由的人工蛛網(wǎng)路由算法（ACRA）。介紹了線路的建立、維護和改造，為進一步的研究提供了理論依據(jù)，準確地計算了網(wǎng)絡(luò)的通信時延。仿真分析對基于OpNET14.5的通信延時和吞吐量證明了理論計算的正確性。對于ACRA的性能評價，在含有噪聲的環(huán)境中建立了包含ACRA的電力線通信（PLC）節(jié)點的測試。實驗結(jié)果表明該算法有效的保證了PLC的服務(wù)質(zhì)量（Qos）和可靠性。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);電力線通信;人工蛛網(wǎng)路由算法;可靠性;服務(wù)質(zhì)量

中圖分類號：TP39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

Abstract：In order to analyze the communication delay and throughput of power line communication in low voltage distribution network accurately，this paper presents and analyzes an artificial spider network routing algorithm （ACRA） for tree-based Physical Topology Routing in low voltage distribution network. The establishment，maintenance and transformation of the line are introduced. It provides a theoretical basis for further research and accurately calculates the network communication delay. The simulation analysis proves the correctness of the theoretical calculation for the communication delay and throughput based on OpNET14.5. For the performance evaluation of ACRA，the test of power line communication （PLC） node including ACRA is established in noisy environment. Experimental results show that the algorithm effectively guarantees the quality of service （Qos） and reliability of PLC.

Key words：smart grid;power line communication;artificial spider routing algorithm;reliability;quality of service.

隨著智能電網(wǎng)和用電需求量的不斷發(fā)展，低壓（LV）配電網(wǎng)中的電力線通信（PLC）已成為終端用戶和供電商之間進行信息交流的潛在技術(shù)之一。目前，對PLC的研究主要集中在信道的輸入阻抗[1]、衰減特性[2]、信道噪聲特性[3]、信道模型[4]、阻抗匹配[5]、耦合電路設(shè)計[6]、電力線噪聲抑制技術(shù)[7]、正交頻分復(fù)用應(yīng)用[8]和跳頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)等[9]。通過建立網(wǎng)絡(luò)路由或中繼技術(shù)，可從網(wǎng)絡(luò)層面提高PLC系統(tǒng)的可靠性。

在文獻[10]提出的低壓配電網(wǎng)總線型數(shù)據(jù)通信層的人工蛛網(wǎng)路由算法基礎(chǔ)上，分析了一種用于低壓配電網(wǎng)樹型物理拓撲路由的人工蛛網(wǎng)路由算法，進一步改進了人工蛛網(wǎng)路由算法。為進一步的研究提供理論依據(jù)，準確地計算出聯(lián)網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，人工蛛網(wǎng)路由算法可以有效地保證電力線通信的QoS和可靠性。

1? ?人工蛛網(wǎng)路由算法

1.1? ?低壓PLC的拓撲結(jié)構(gòu)

對于三相配電網(wǎng)，變壓器次級側(cè)之間的信號衰減非常大。沒有相位耦合，每個相位可以視為平行的且相對獨立[11]，因此，任何一個相位的拓撲都可以成為研究的焦點。本文在文獻[12]提出的低壓配電網(wǎng)的物理拓撲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立了單相配電網(wǎng)，如圖1所示。

基站（BS）負責(zé)收集和協(xié)調(diào)來自網(wǎng)絡(luò)中每個終端節(jié)點的數(shù)據(jù);BS與廣域網(wǎng)（WAN）連接以進行外部信息交換。在實踐中，信號隨著傳輸距離而衰減[13]。因此，只有與BS具有較短物理距離的終端節(jié)點才能夠保證可靠的通信。在傳輸距離較遠的情況下，傳統(tǒng)的輪詢方法不能保證BS與遠離BS的節(jié)點之間直接通信，因此通信的成功率可能非常

低[14]。為了解決這個問題，本文提出了一種新型人工蛛網(wǎng)路由算法。在該方法中，首先在BS與一些節(jié)點之間建立通信路由。然后將節(jié)點視為中繼節(jié)點來擴展通信距離，并且逐漸將所有節(jié)點都連接到通信系統(tǒng)。最后，完成BS與所有節(jié)點之間的路由。因此，有必要選擇中繼節(jié)點并建立、維護和重構(gòu)路由。

1.2? ?人工蛛網(wǎng)路由算法

本文提出了一種基于單層人工蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的路由算法。在圖2所示的單層人工蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，中心節(jié)點（如圖2中的節(jié)點I）負責(zé)協(xié)調(diào)和處理來自子網(wǎng)內(nèi)的外圍節(jié)點（如圖2中的節(jié)點1，2，3、……、h）的信息。此外，中心節(jié)點是中心節(jié)點和其他相關(guān)子網(wǎng)的BS之間的通信。在具有人工蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，BS到任何一個終端節(jié)點的通信路由是唯一的。

假設(shè)物理鏈路如圖1所示，本文假設(shè)：

（1）聯(lián)網(wǎng)過程中的所有節(jié)點負責(zé)記錄接收信息的物理信號強度β;

（2）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何節(jié)點都可以與至少一個其他節(jié)點通信;

（3）每個節(jié)點試圖在最大物理范圍內(nèi)找到可能的節(jié)點數(shù);

（4）BS的邏輯ID為0，并且已經(jīng)分配了邏輯ID的節(jié)點不再參與新的邏輯ID分配過程;

（5）在完成聯(lián)網(wǎng)之后，中心節(jié)點不會成為不良節(jié)點（由于信道條件發(fā)生變化，無法與其他節(jié)點通信的節(jié)點）。

1.2.1? ?初始化算法

本文結(jié)合圖1說明人工蛛網(wǎng)路由初始化算法，首先還需對路由初始化算法做如下假設(shè)：

（1）網(wǎng)絡(luò)廣播只能由與BS物理距離近的節(jié)點1到節(jié)點9截獲;

（2）h2是節(jié)點10～16中的任何一個;

（3）節(jié)點17～24沒有接收到來自h2的廣播;

則具體步驟為：

步驟1：當(dāng)BS發(fā)送網(wǎng)絡(luò)廣播時，為了便于解釋算法的過程，節(jié)點依次向BS發(fā)送響應(yīng)，并由BS分配邏輯ID（1到9）。節(jié)點1至節(jié)點9接收來自BS的廣播，這表明在這些節(jié)點物理范圍內(nèi)的鏈路處于良好狀態(tài)，并且9個節(jié)點可以直接或間接地彼此通信。BS從這9個節(jié)點中選擇一個節(jié)點h1作為中心節(jié)點。

步驟2：節(jié)點h1發(fā)送廣播，其余8個節(jié)點接收廣播，記錄h1的邏輯ID（沒有邏輯ID的節(jié)點不響應(yīng)廣播），并向h1發(fā)送響應(yīng)。中心節(jié)點h1記錄外圍節(jié)點的邏輯ID以生成路由表。將路由表發(fā)送到BS，從而完成子網(wǎng)1（單層人工蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)）的人工蛛網(wǎng)拓撲網(wǎng)絡(luò)，并記錄9個節(jié)點所在的邏輯層為層1。

步驟3：節(jié)點h1發(fā)送網(wǎng)絡(luò)廣播，廣播由節(jié)點10～24接收，其中，包含這些節(jié)點的邏輯層記錄為層2。重復(fù)步驟1，節(jié)點h1分配邏輯ID并選擇中心節(jié)點h2，h2發(fā)送廣播并重復(fù)步驟2，位于不同分支中的節(jié)點17～24不接收來自h2的廣播，或者如果它們確實接收到廣播，由于信號衰減，則廣播強度較弱。在這種情況下，引入信號強度β的綜合指數(shù)以進一步判斷：

其中，s是物理信號強度的特征值，l是信息源所屬的子網(wǎng)的層數(shù)，η是不同節(jié)點之間通信成功的概率，η可以從實際的統(tǒng)計值得到，η的值越高表示層之間的通信可靠性越高。相反，η的值越低表示表示層之間的通信可靠性越低。

步驟4：h2和h3再次發(fā)送廣播，假設(shè)節(jié)點25～36接收來自h2的廣播，重復(fù)步驟3，選擇中心節(jié)點 h4和h5以在不同的分支中形成新的蛛網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng) h3廣播的邏輯ID響應(yīng)沒有節(jié)點并且獲得空響應(yīng)時，則停止聯(lián)網(wǎng)。

步驟5：h4和h5發(fā)送廣播并重復(fù)步驟3。當(dāng)h4和h5廣播的邏輯ID響應(yīng)沒有節(jié)點時并獲得空響應(yīng)時，則停止聯(lián)網(wǎng)。規(guī)定第3層是h4和h5所在的蛛網(wǎng)邏輯層。h4和h5通過選擇h2和h1作為中繼節(jié)點并將路由表發(fā)送給BS完成初始化。

如果第3層的中心節(jié)點h4和h5仍然接收沒有邏輯ID的節(jié)點，則它們重復(fù)聯(lián)網(wǎng)過程，直到所有節(jié)點具有邏輯ID并連接到網(wǎng)絡(luò)。然后將建立網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的通信路由。

1.2.2? ?路由算法示例

圖1中的單相配電網(wǎng)由一個BS和36個終端節(jié)點組成。在人工蛛網(wǎng)初始化算法之后，網(wǎng)絡(luò)的MAC層反映了圖3所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

通過9個節(jié)點截獲BS的一個廣播，然后這9個節(jié)點將逐一響應(yīng)BS以接收邏輯ID。BS選擇邏輯ID為5的節(jié)點作為第1層的中心節(jié)點，然后，這些節(jié)點基于步驟1和步驟2在MAC層中構(gòu)成蛛網(wǎng)。具有邏輯ID為5的節(jié)點繼續(xù)廣播，并被來自不同物理分支的15個節(jié)點截取，然后為這些節(jié)點分配邏輯ID為10～24。選擇具有邏輯ID為13的節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點。如果在該中心節(jié)點的廣播未被具有在另一分支中分配的邏輯ID節(jié)點攔截時，該節(jié)點將向節(jié)點5發(fā)送消息。然后，節(jié)點5重新選擇節(jié)點19作為中心節(jié)點來完成第2層的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)實際環(huán)境和時間延遲的冗余計算，本文規(guī)定在所建立的第2層中心節(jié)點之前，節(jié)點5等待10s來收集所有回復(fù)。中心節(jié)點13和19用相同的算法搜索，直到其余節(jié)點獲得邏輯ID以完成第3層中的網(wǎng)絡(luò)。

在完成蛛網(wǎng)路由初始化之后，每個中心節(jié)點記錄同一子網(wǎng)中的節(jié)點邏輯ID和網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。外圍節(jié)點記錄它們自己的節(jié)點和中心節(jié)點的邏輯ID和網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。路由表的復(fù)雜度和長度由網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的數(shù)量決定。

2? ?路由維護與重構(gòu)算法

2.1? ?路由維護原理

由于低壓電力線網(wǎng)絡(luò)的開放性和時間可變性，在網(wǎng)絡(luò)運行期間將出現(xiàn)不良節(jié)點。本文提出了維護路線的兩個原則，以確保BS數(shù)據(jù)收集的成功率：

原則1：當(dāng)路由引起的不良節(jié)點中斷已經(jīng)完成的網(wǎng)絡(luò)操作時，則開始重建不良節(jié)點的本地路由過程。

原則2：在網(wǎng)絡(luò)的空閑時段期間，BS發(fā)起路由檢測指令。如果找到不良節(jié)點，則實施原則1以建立新的通信路由。

在100 m×100 m樹型網(wǎng)格的次級側(cè)，本文設(shè)置了39個終端用戶節(jié)點和一個BS節(jié)點（節(jié)點1），如圖4所示。人工蛛網(wǎng)路由算法（ACRA）的結(jié)果如圖5所示，具有樹形拓撲的網(wǎng)格中每個節(jié)點僅有單個點對點鏈路，如圖4所示。如果一個通信鏈路（如鏈路21-31）被中斷，則除非整個網(wǎng)絡(luò)被重建，否則中斷的通訊鏈接無法恢復(fù)。

在圖5所示的ACRA網(wǎng)絡(luò)中，同一層中的節(jié)點（如節(jié)點23，28，33，36）可以與其他節(jié)點通信。當(dāng)一個通信鏈路中斷時，由于附加的切向連接，外圍節(jié)點可以繼續(xù)與中心節(jié)點通信。例如，當(dāng)鏈路28-33中斷時，外圍節(jié)點28可以通過選擇外圍節(jié)點23作為中繼節(jié)點來與中心節(jié)點33通信。在聯(lián)網(wǎng)之后，BS可以通過中心節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點通信，該中心節(jié)點充當(dāng)中繼節(jié)點。表1使用ACRA的通信質(zhì)量比使用樹拓撲更有效，因此，ACRA可以有效降低網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)頻率。

2.2? ?路由重構(gòu)算法

如圖3所示，本文假設(shè)邏輯層2中的中心節(jié)點13在數(shù)據(jù)處理延遲tproc之后，沒有接收到由節(jié)點11發(fā)送的任何信息，則確認節(jié)點11是不良節(jié)點。然后，節(jié)點13運用以下過程來重構(gòu)本地路由：

步驟1：中心節(jié)點13將重建廣播并發(fā)送到其相同子網(wǎng)中的節(jié)點。

步驟2：截取指令用于路由重構(gòu)節(jié)點依次輪流轉(zhuǎn)發(fā)指令，并將自己的邏輯ID添加到數(shù)據(jù)分組中。

步驟3：節(jié)點11記錄重構(gòu)廣播信號的物理強度，計算并選擇具有最大β強度的節(jié)點作為中繼節(jié)點，并向節(jié)點12發(fā)送響應(yīng)，節(jié)點11以節(jié)點12作為中繼節(jié)點并建立到中心節(jié)點13的通信路由。

步驟4：節(jié)點12向節(jié)點13發(fā)送信息，節(jié)點13更新路由表。

步驟5：節(jié)點13逐層地將信息發(fā)送到相應(yīng)節(jié)點的BS以更新路由表。然后，完成用于路由不良節(jié)點的重建過程。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)不良節(jié)點時，并非所有節(jié)點都必須重構(gòu)路由。僅涉及與不良節(jié)點相同的子網(wǎng)中的節(jié)點重構(gòu)路由，極大地縮短了路由重建和維護時間，并提高了系統(tǒng)的效率。

2.3? ?算法的時序策略

PLC只允許一個節(jié)點在任何給定的時間發(fā)送數(shù)據(jù)，因此有必要提出一個合理的時序策略。否則，通道沖突將嚴重影響系統(tǒng)的性能。利用子網(wǎng)中節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸時序，將人工蜘蛛網(wǎng)路由算法（ACRA）與集群簡單輪詢（CSP，用于解決PLC訪問中"靜默節(jié)點"問題的一般輪詢方法）進行比較。在ACRA中的兩個外圍節(jié)點之間的通信間隔時間TWT定義為：

其中，TP表示一個外圍節(jié)點的管理處理延遲;TT表示節(jié)點間的信號傳輸時間;TR表示通信冗余時間。通常，電力線中的信號傳輸時間TT足夠快，可以忽略不計。本文假設(shè)TWT為150ms，利用數(shù)據(jù)沖突和信道利用率來驗證蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信效果。

3? ?時延分析

3.1? ?不含不良節(jié)點的時延分析

通信時延是服務(wù)質(zhì)量（Qos）的重要衡量指標(biāo)，因此有必要準確計算人工蛛網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信時延。在樹形拓撲中，任何兩個節(jié)點之間只有一個鏈路連通，由于信道噪聲和其它不確定性導(dǎo)致節(jié)點通信失敗，則不能準確地計算恢復(fù)通信的時間，延遲時間可以是暫時的或永久的。因此，本文不計算樹拓撲的時間，分組ttx的傳輸時間為：

其中，p是分組大小，Band是通信速率。本文提出了數(shù)據(jù)處理延遲tproc = 0.5s。

聯(lián)網(wǎng)后，影響通信延遲的唯一因素是連接節(jié)點的子網(wǎng)。對于選擇與中繼節(jié)點相同中心節(jié)點的不同子網(wǎng)，通信延遲是相同的。因此，本文在圖3中分別從第1層、第2層和第3層中選擇子網(wǎng)1、子網(wǎng)3和子網(wǎng)4來計算延遲。首先，本文計算外圍節(jié)點的延遲，并且沒有不良節(jié)點的子網(wǎng)中所有節(jié)點與BS通信。

4? ?仿真與實驗

4.1? ?仿真環(huán)境與參數(shù)

為了模擬實際低壓配電網(wǎng)的配電環(huán)境，本文在50m范圍內(nèi)設(shè)置了21個終端節(jié)點和一個BS節(jié)點，并用PC為模擬平臺，以O(shè)pnet14.5為編譯仿真環(huán)境。假設(shè)所有節(jié)點形成三個人工蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)在整個模擬期間保持不變。圖9給出了組網(wǎng)后的拓撲結(jié)構(gòu)，其中subnet_0表示BS節(jié)點，subnet_1_0，subnet_2_0和subnet_3_0是子網(wǎng)的中心節(jié)點，其他節(jié)點是終端節(jié)點?；贙onnex準則[15]，本文將信道傳輸速率設(shè)置為2.4 kbps，并將數(shù)據(jù)包大小設(shè)置為24bit。

4.2? ?仿真結(jié)果與分析

根據(jù)每個節(jié)點的24 bit/s的生成速率，subnet_3_0到subnet_2_0的鏈路吞吐量為168 bit/s。subnet_2_0到subnet_1_0的鏈路吞吐量（包括子網(wǎng)3和子網(wǎng)2的數(shù)據(jù)）為336 bit/s。subnet_1_0-subnet_0的鏈路吞吐量（包括所有21個節(jié)點的數(shù)據(jù)）為504 bit/s。subnet_3_0到subnet_2_0，subnet_2_0到subnet_1_0和subnet_1_0到subnet_0的鏈路吞吐量仿真結(jié)果如圖10（a）所示。該圖顯示出每個鏈路的吞吐量模擬結(jié)果與理論計算相同。根據(jù)等式（3），計算出的每個鏈路的傳輸延遲為0.07 s，0.14 s和0.21 s。每個鏈路之間的數(shù)據(jù)傳輸延遲的仿真結(jié)果如圖10b所示，延遲模擬結(jié)果也與理論計算相同。仿真結(jié)果表明，在吞吐量和傳輸時延的一定的情況下，該組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以保證電力線通信的QoS。

4? ?結(jié)? ?論

分析了智能電網(wǎng)中低壓配電網(wǎng)樹形物理拓撲的人工蛛網(wǎng)路由算法，進一步改進了人工蛛網(wǎng)路由算法，并對通信時延和吞吐量進行了計算和仿真。結(jié)論如下：

（1）該路由算法解決了部分節(jié)點由于數(shù)據(jù)連接有限而導(dǎo)致無法訪問PLC系統(tǒng)的問題，并提高了通信可靠性。使用該算法，組網(wǎng)之后的路由維護過程簡單而有效。路由重構(gòu)算法在局部網(wǎng)絡(luò)層對不良節(jié)點進行路由重構(gòu)，避免了對系統(tǒng)中所有節(jié)點進行路由重構(gòu)的需要，從而提高了通信系統(tǒng)的效率，增強了PLC系統(tǒng)的抗破壞能力。

（2）根據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力，人工蛛網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通信延遲和數(shù)據(jù)吞吐量保證了PLC中的QoS。該路由算法具有實用性和可操作性的特點。

（3）每個節(jié)點按照嚴格的時間序列發(fā)送數(shù)據(jù)，大大降低了信道沖突率，提高了信道利用率。因此，該算法提高了系統(tǒng)的通信可靠性。本研究結(jié)果證明，蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)是提高低壓PLC可靠性，保證PLC的QoS有效路由方法。該路由算法還可以為其他網(wǎng)絡(luò)提供新穎的路由方法，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Addhoc網(wǎng)絡(luò)。

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