低压电力线通信分簇路由算法及网络重构.kdh

发布时间：2017-01-05 18:29

  本文关键词：低压电力线通信分簇路由算法及网络重构，由笔耕文化传播整理发布。

第28卷 第4期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.28 No.4 Feb.5, 2008 2008年2月5日 Proceedings of the CSEE ?2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 65

77 文献标识码：A 学科分类号：470?40 文章编号：0258-8013 (2008) 04-0065-07 中图分类号：TM

低压电力线通信分簇路由算法及网络重构

戚佳金，刘晓胜，徐殿国，李 琰，牟英峰

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江省 哈尔滨市 150001)

Simulation Study on Cluster-based Routing Algorithm and Reconstruction Method of Power

Line Communication Over Lower-voltage Distribution

QI Jia-jin, LIU Xiao-sheng, XU Dian-guo, LI Yan, MOU Ying-feng

(School of Electrical Engineering & Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China)ABSTRACT: Physical topology of low-voltage networks is unpredictable, and its Power Line Communication(PLC) channel is changeable. To enhance the reliability of narrow band PLC over low-voltage networks, a Power Line Communi- cation routering reconstruction method on basis of irreciprocal clustering algorithm is proposed and thoroughly discussed in the paper. This algorithm can not only construct but also maintain and optimize PLC networks’ dynamic routes in accord with variation of channel’s quality. In addition, two kinds of time series algorithms are presented for the purpose of comparison. The time series algorithms make routing algorithm more mature. The emulation experiment has proven this routering algorithm has the characteristics of agility, practice- ability and reliability.

KEY WORDS: power line communication; clustering algorithm; net recostruction; dynamic route; channel time series control

摘要：低压配电网具有物理拓扑未知和电力线信道时变性特征。为提高低压配电网窄带电力线载波通信系统可靠性，提出并讨论一种基于非交叠分簇算法的电力线通信组网及路由重构方法。该算法可以根据信道质量的变化动态地建立、维护、优化电力线通信网络路由，保证通信网络的有效性。在此基础上，进一步提出并比较两种组网时间序列分配算法，完善了该路由算法。仿真试验表明，该路由算法具有很大的灵活性、实用性和有效性。

关键词：电力线通信；分簇算法；网络重构；动态路由；信道时序控制

将模拟或数字信号进行传输的技术，是电力系统特有的通信方式。低压配电网是一个用户最多、分布最广、用户最必不可少的动力能源传输网络，同时也是一个日益被看好的数字通信网络。由于用户经常会改变供电范围和供电对象，使低压配电网物理拓扑具有了一定的“时变性”。同时，低压配电网内负载是经常变化的，这种变化会导致通信信道的变化甚至使通信链路发生中断，从而导致低压配电网的逻辑拓扑发生变化。这都会降低电力线通信的可靠性。

提高电力线通信可靠性可以从多个角度考虑，例如，可以从物理层的信道估计与选择、信道编码、滤波设计、功率分配、调制/解调方式等方面来考虑[1-10],还可以从高速电力线通信的组网方式、网络模型等但国内外学者很少开展有关窄带角度来考虑 [11-17]。

电力线通信组网问题的研究。本文从网络抗毁性的角度，对低压配电网窄带电力线通信数据逻辑链路的选择、建立、自动路由等方面做研究探讨，提出一种基于非交叠分簇的动态路由算法和网络重构算法，并进一步分析两种分簇组网时间序列算法。最后，给出仿真试验结果并做分析。

1 非交叠分簇路由算法

1.1 低压配电网电力线通信网络模型

一般而言，台区或楼宇内低压配电网的典型拓扑为基于树型的混合拓扑结构。低压配电网的电力线通信系统由设在监控室的主机和分布在电网内的一定数量终端组成。每个终端包含一个电力线载波通信节点模块和相关功能设备[15]。

值得注意的一个问题是，变压器二次侧台区内

0 引言

电力线通信，是指利用电力线，通过载波方式

基金项目：黑龙江省自然科学基金项目(F200508)；黑龙江省科技攻关项目(GC06A130)。

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为三相配电网，对于电力线载波通信而言是不能跨相通信的(除非有特殊的信号耦合装置)。从逻辑拓扑上来说，三相之间为并列且相对独立的关系，对于并列且独立关系的拓扑可以用其中一相的逻辑拓扑作为重点研究对象，便具有代表性和普遍性。为了便于表述，本文统一将某相电网上的主机和电力线载波通信模块简称为网关和节点。

图1给出了一种典型的低压配电网三相电力线网络逻辑拓扑结构和可以由此等效研究的一种单相电力线通信网络逻辑拓扑。单相电力线通信网关放置在各相的起始处，如图1中A、B、C三相的2、3、4位置处，每一个网关各负责每相电网内节点的组网。配电柜处放置三相总网关，负责协调、收集3个单相网关数据，并与外界交互信息。

(a) 三相电力线通信网络逻辑拓扑

图1 一种典型的电力线通信网络拓扑 Fig. 1 A typical topology of PLC distribution

电力线通信网络数据链路的连通能力和范围是有限的。假设在台区内某相上用户节点总数为n，因通信距离或噪声干扰的原因，网关可以直接可靠通信的节点数为m，剩余(n?m)个节点虽然在物理上是连通的，但是在数据链路层上却是断开的。为了建立整个通信网络，必须先建立起网关到部分节点间的通信链路，再由这些节点作为路由节点进行通信距离的扩展，才可能将所有的节点连入电力线通信网络。所以，必须解决动态路由中继点的选取、

网络路由的建立、维护以及重构等一系列问题[17]。 1.2 非交叠分簇结构

采用不同的分簇策略，可以得到不同的分簇结构。如果规定已经属于某个簇的成员不再属于其他簇，那么得到的是互不交叠的簇结构，其逻辑拓扑为树。否则，如果允许一个节点可以同时属于多个相邻簇，那么得到的将是交叠的簇结构，其逻辑拓扑为连通图[18]。在分簇结构中，簇头是按照某种分簇算法或规则选举出来负责协调和管理其所在簇内所有节点的节点，簇内除簇头外的其他节点称为簇成员。对于这种非交叠分簇方法形成的网络，网关到任何一个节点的路由将是唯一的。 1.3 非交叠分簇路由初始化算法 1.3.1 条件与限制

假设某相电网内有n个(n≥1)节点，电力线物理链路是连通的，并约定：

（1）网关物理地址编号为0，其他节点物理地址编号依次为1,2,3,…,n。

（2）任意节点至少可以与1个其它节点通信，即不存在通信孤立点。

（3）最大可能建立网络节点链接，即在信号能够到达的最大物理范围内，寻找到尽可能多的通信节点，缩短分簇时间，减少分簇个数和分簇层次。

（4）已获得逻辑编码(即逻辑ID)的节点不再参与逻辑ID的分配。

（5）网络通信最长响应周期为T, 则T/n定义为时隙，即时间片。每一个节点可以在时隙内发送数据。发送的具体时间与节点编号(ID)相对应。

（6）短时间内，电力线通信网为对等网。 （7）忽略电信号在铜介质中的传输时间。 1.3.2 分簇组网初始化算法

步骤（1）：由网关节点发送分簇命令(广播)，设收到该广播报的节点数为m个(1<m≤n)。网关定义该m个节点位于相同的逻辑层(Layer1)，该m个节点根据自身的物理地址确定时间片序列发送应答，网关收到某节点应答后便给该节点分配逻辑

ID，

分配逻辑ID后的节点不再参与本次逻辑ID分配。剩下的m?1个节点继续参加逻辑ID的分配过程，直到m个节点都获得逻辑ID号为止。并且，在分配逻辑地址的同时也规定了该m个节点的逻辑层次数为1。

步骤（2）：对于第2层(Layer2)节点的初始化。规定逻辑地址小的ID具有高的组网优先权，其余位于Layer1层相同信道的节点都处于等待状态。在

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相同信道下一层的k个节点中，设有g1个节点响应

(0≤g1≤k≤n?m)。

按照Layer1层中逻辑ID分配方法，由优先级为1的节点给响应的g1个节点分配ID号。同理，已获得ID的g1个节点退出分簇过程，成为以逻辑地址为1的簇头的簇成员。

然后，由逻辑地址为2的节点对剩下的k?g1个节点进行分簇。设有g2个节点响应，2号节点给g2个节点分配ID号并成为该g2个节点的簇头。依次进行，一直到优先级最低的节点完成对下一层节点的分簇为止。当gi=0时，认为第i号得到了空响应。那么该节点及其后续同层节点成为独立簇，降级为该层网络的簇成员。

步骤（3）：假设在第2层已经将剩下的n?m个节点全部连通，也就是当第2层的节点再进行分簇时，会得到空响应。此时，初始化完成。形成的簇(包括簇中成员为空)的最大数目是m，且一定有

∑m

g

i

=n?m。其中，簇头分别是第1层中的1号

i=1

节点，2号节点,…,m号节点；对应簇成员的个数分别是g1，g2,…,gm。并且，在分配逻辑地址的同时也给每一个簇员节点规定了该节点的层次数为2。如果在第2层次分簇还未将剩余的n?m个节点全部连通，第2层节点将作为簇头重复节点分簇的分配过

程，直到逻辑地址为n的节点进入网络为止。

至此，成功建立了电力线网络内所有节点的通信路由。 1.4 组网算法算例

单相系统内由1个网关和11个节点组成。经过非交叠分簇初始化算法后，构成如图2所示的分簇结构。

网关广播被物理地址为3、5、9的3个节点监听到，3个节点分别向网关发送应答获得逻辑地址为1、2、3，建立第1层网络。根据逻辑地址优先级进行第2层次网络分簇。逻辑地址为1的节点获得了物理地址为1、6和11的簇员，分配逻辑地址

图2 电力线网络逻辑链路分簇结构图

Fig. 2 PLC net structure of logical data link in cluster

分别为4、5、6。逻辑地址为2的节点未找到节点，相当于只是第1层网络的簇成员。逻辑地址为9的节点获得了物理地址为8、10的簇员，分配逻辑地址分别为7和8。以同样的分簇算法进行搜寻，直到把逻辑地址11分配完毕。

完成分簇算法初始化的同时，每一节点的E2ROM中生成路由链表，记录该节点所管辖簇员的物理ID和逻辑ID及层次。如果该节点为簇员节点，只需要记录本节点的物理ID和逻辑ID以及本节点所属的网络层次即可。路由表的长度和复杂度由网络节点个数和分簇层次数目决定。

2 网络路由维护与重构算法

2.1 组网维护原则

在完成电力线网络分簇组网后的网络运行中，考虑到电力线网络信道的时变性和未知性，作者提出3条网络维护原则，即：

（1）在网络运行中，对于局部范围内的网络路由中断采用局部路由重构策略。

（2）当节点加入或退出网络，网关启动局部路由重构过程。

（3）在网络空闲期间，网关发起路由检测指令，若发现有节点未能正常连通，则执行原则（1），构筑新的通信路由。 2.2 网络重构算法

设系统内共有n个节点，簇头h发现逻辑地址为k的节点暂时脱离了其通信范围。则，h逐层向上级簇头发送该异常情况，直至网关。由网关判决并发起局部网络重构过程：

步骤（1）：网关发出网络重构组网广播。 步骤（2）：第1逻辑层的节点接收到指令，在属于本身的时间片内转发重构广播，避免信道冲突，并在数据分组中添加本身的逻辑地址和逻辑层号。

步骤（3）：第2逻辑层的节点再次执行步骤（2），直到所有层次的节点都已转发完重构广播，在这一过程中所有的节点都记录接收到广播信息的物理信号强度。

步骤（4）：节点k对接收到的所有重构广播中的信号强度记录作判决，计算并取信号强度综合指数β值为最大值的信息源点m作为自己的新簇头，并向m发送应答信号，表示加入。其中，β=s×(η)j，s为物理信号强度，j为信息源点所属的层次，η为层次间点对点通信成功率指数，η值可以根据实际测试结果统计取值。η值取的越大，表示层次间通

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信可靠性越高，是一种基于信号强度为主要判决因素的重构策略；η值取的越小，表示层次间通信可靠性越低，表示应该尽量减少网络分层，是一种基于减少网络分层为主要判决因素的重构策略。 步骤（5）：如果m本身为现存的簇头，其上层路由沿该簇头原路由返回；如果m是其他簇的成员，m将升级为簇头。

步骤（6）：如果m为节点k的子节点，m将根据其检测、计算的β值判别新簇头，但是节点k和k的其他子节点不在其判决范围内。

步骤（7）：应答信息逐层上报，直至网关，同时更新路由中所涉及到各节点中的路由表。

步骤（8）：网关逐层通知节点k原路由上的各原簇头，从表中去除k节点的原有相关路由信息。

由于电力线信道并不稳定，在一定时间内系统节点会随机发生路由失效而导致路由重构。经过路由重构算法后的路由都是节点间信号强度综合指数为最大值的路由。理论上，随着节点路由重构算法的逐步进行，网络内节点的路由将得到优化。

3 仿真与结果分析

3.1 仿真环境与参数

在典型的楼宇配电系统中，设其配电半径为70 m。在该配电范围内布置50个用户节点，以PC机为仿真硬件平台，以Delphi7.0为编译和仿真环境。设定：①50个节点在区域内随机分布，但是，剔除“孤岛”问题；②经过基于分簇算法的初始化组网后，分配给节点的逻辑ID为1~50；③电力线信道是时变信道，所以，在仿真中每个节点的有效通信距离可变。

3.2 仿真结果与分析

仿真1：有效通信距离变化下的初始化组网仿真。①电力线网络各节点的有效通信距离在30~40 m之间取值时，分簇算法初始化组网形成的拓扑结构如图3(a)所示；②电力线网络各节点的有效通信距离在40~50 m之间取值时，分簇算法初始化组网形成的拓扑结构如图3(b)所示。图中节点的两个标号分别表示其物理ID和逻辑ID(括号内)。

从仿真1的结果中可以得出以下结论：①利用非交叠分簇算法可以实现电力线网络通信的中继功能，建立了网关与网络内任意节点的通信路由。②根据电力线信道的变化(有效通信距离的变化)实现了动态路由。路由节点根据网络通信距离变化而改变。③节点的有效通信距离越大，分簇层次越少，

(a) 直接通信距离30~40 m时的网络分簇结构

(b) 直接通信距离40~50 m时的网络分簇结构

图3 电力线网络分簇结构图

Fig. 3 Structures of PLC clustering distribution

路由关系变得简单。如，图3(a)物理地址为33的节点路径为：0(0)→22(6)→6(25)→33(49)，共4层网络；图3(b)中的路径为：0(0)→15(4)→33(36)，共3层网络。④节点的有效通信距离越大，簇头个数和组网次数也越少。图3(a)中的簇头数目为13个，组网次数为47次；图3(b)中的簇头数目为9个，组网次数为26次。所以，也大大减少了分簇组网的时间。因此，仿真1的结果证明了本文所提出的非交叠分簇算法在解决低压配电网电力线通信网络中实现动态中继的可行性。

仿真2：两种重构策略下的网络拓扑结构仿真。完成网络初始化分簇后，部分节点由于脱离原路由而启动网络路由的重构过程。图4(a)为当η取0.9时，即基于信号强度的重构方法，进行40次随机的节点脱离原路由而进行重构运算后生成的网络拓扑结构。图4(b)为当η取0.3时，即基于分层最少方法的重构方法，进行40次随机的节点脱离原路由而进行重构运算后生成的网络拓扑结构。

从仿真2中可以得出以下结论：①当网络层次间通信可靠性较高时，η值取的较大，信号强度成了主要判决因素。此时，重构网络的分层数目和

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(a) 基于信号强度的网络重构策略结构图

(b) 基于分层最少的网络重构策略结构图

图4 两种不同的网络重构策略结构图

Fig. 4 Structures of PLC reconfiguration networks

based on two strategies

簇头个数增加，以较多的网络层次和高强度的通信信号来保证网络的可靠通信。但是，其代价是路由表变得相对复杂，需要更多的硬件资源来支持；②当网络层次间节点的通信可靠性低时，η值取的较小，η值在重构决策时的影响力变大，物理信号强度指数成了次要考虑因素。此时，重构网络的分层数目和簇头个数减少，以尽量少的网络层次来保证通信可靠性。③在实际工程中，可以根据具体的信道状况来选者合适的η值，综合考虑硬件资源以及节点有效通信距离。所以，仿真2的结果证明了网络重构算法的可行性，为实际工程应用提供一种可借鉴的方法。

4 信道时序分配方法

4.1 时间间隔

在单信道条件下的电力线通信系统中，任一时刻只允许1个节点发送信号。所以，必须有合理的信道使用时序策略，否则，通信时引起的信道冲突将严重影响网络的性能。在本算法中规定：每两个节点发送信号的时间间隔应该满足

TI>TT+TM+TR

(1)

式中：TT为载波信号发送时间；TM为节点信息处理

时间；TR为通信冗余时间。

为了简化算法将TI按其最长时间取值，根据协议和实验结果将TI取为150 ms较为合理。 4.2 信道时序分配方法

分簇算法中关于信道时序分配问题可以采用两种算法：

算法1：如图2所示。当网关发起分簇广播，，节点3将在3×150 ms时刻开始发送应答，并等待接收网关分配的逻辑ID信息。同理，节点5、9分别会在5×150 ms、9×150 ms时刻开始发送应答，并且获得逻辑ID。而网关节点在等待11×150 ms后认为不会再有节点应答，第1层的分簇结束。同理，在后续几层分簇中也采用同样的规则以避免信号冲突。该种方法是用消耗较长时间的代价保证信道不受冲突，并且，时序协议较为简单。

算法2：采用分簇时间递减算法，每次分簇时，簇头等待应答的时间为系统内节点总数减去已经组网节点个数乘以每次通信的最大单位时间TI。计算方法如下

mj

Ttotal=∑[(n?∑gh)×TI], j=i?1 (2)

i=1

h=0

式中：Ttotal为初始化组网总时间；m为分簇次数；n为总节点数；gh为某次分簇的成员节点数。

该种方法消耗较短时间，但是，信道时序控制协议较为复杂。

4.3 两种信道时序分配算法仿真测试

基于图4所示的网络拓扑结构，总共50个节点，对上文所提的两种时序分配策略组网的耗时进行仿真计算，并分别命名为基本分簇时序分配算法和改进分簇时序分配算法。

图5为在30~50 m间不同的有效通信距离条件下的仿真结果。横坐标为有效通信距离，纵坐标为

单位时间ΔT的个数，

图中数据为各个有效通信距离处采样10次取平均值所得。

图6为50个节点在两种时序分配策略下在21次组网仿真计算中各次组网的耗时对比表。

从仿真结果中看出：①改进的分簇时间序列分配算法所耗费的时间大大低于基本分簇算法的耗时。②节点有效通信距离在一定范围内随机取值，基本上每次仿真计算所得的时间消耗都不同。另外，改进的分簇时序分配算法虽然在组网时间上有了很大的改善，但是，在路由协议中增加数据分组

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