低压电力线通信人工蛛网动态路由方法研究
第 1 章 绪 论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
随着智能电网在全球范围内的快速发展，世界各国政府为智能电网的研究与建设提供了大量的资金和政策支持，出台了一系列的激励措施和法律法规。2011 年，在我国政府和企业的共同推动下，智能电网的建设正式被纳入国家“十二五”发展规划纲要。中国国家电网公司决定以智能电网技术为基础，在全国范围内建设新型电网。通信作为实现智能电网的基本元素，其物理层、数据链路层和网络通信层的合理设计至关重要[1]。高速、双向、集成的通信系统是智能电网建设的重要组成部分，同时要求智能电网的通信系统要像配电网一样广泛分布于千家万户，如此便形成了通信网络和配电网络这两张紧密联系的网络。当这样的通信系统建成后，它可以提高配电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场，抵御配电网受到的攻击，从而提高电网的价值。
低压电力线通信技术作为终端用户与电力公司交换信息的最直接手段，是智能电网的通信网络建设中可供选择的极具竞争力的技术手段。因此，随着我国智能电网的快速发展，LVPLC 技术受到了众多研究者的关注，在国内重新成为研究热点[2]。PLC 技术在智能电网低压侧的应用主要包括：自动抄表系统[3,4]，高级量测系统[5]，V2G 通信[6]，需求侧管理[7]，家庭能源管理系统等[8]。但由于低压配电网物理拓扑的复杂性、未知性和易变性，物理介质的多样性和共享性，通信信道的强噪声干扰等特点，使得电力线通信可靠性较低，直接影响其在智能电网建设中的大规模应用。近年来，国内外研究人员对提高电力线通信可靠性的研究主要包括 2 个方向：(1)提高 PLC 网络内点对点的通信成功率。针对这一方向，研究人员主要从以下几个方面展开工作：信道噪声抑制技术及特性研究[9]，信道建模与快速估计[10]，基于正交频分复用(OFDM)技术的电力线通信可靠性研究[11]，阻抗匹配特性和耦合电路设计[12]，跳频调制/解调技术研究[13]，信道编码技术研究[14]，传输特性与信号衰减特性研究[15]，高性能载波通信芯片设计开发等[16]；(2)通过组网，建立网络路由(中继)，提高电力线通信网络的可靠性。国内外学者在这方面进行了初步的探讨、研究[17 26]。对于载波通信网络来说，点对点通信的高可靠性，并不意味着整个网络的高可靠性，它仅是网络可生存性的前提和基础。因此，建立由路由器、中继器等设备组成的电力线通信网是保证通信系统可靠性的重要方式，也是电力线通信发展的一个重要方向。由于低压电力线通信环境与无线通信网络环境在动态性、开放性和多径性等方面具有一定的相似性，因此，可借鉴无线通信网络的各种路由理论，如：层次路由[27]，基于簇的动态路由[28]，网格路由[29]，基于蚁群算法的路由[30]等，进行电力线通信路由方法的理论研究。
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1.2 电力线通信技术发展及应用研究现状
1.2.1 电力线通信技术的发展
1.2.1.1 电力线通信的简介
采用 PLC技术的主要优势是降低敷设新的通信网络时所需的支出成本。高压和中压供电网络都可以用来提供长距离的连接，从而避免敷设新的通信网络。考虑到低压配电网络已经广泛深入到世界范围内的千家万户，因此，利用 PLC 技术实现接入网，是解决电信领域“最后一公里”问题的具有竞争力的方案。利用供电网络实现通信功能最早开始于 20 世纪初期。最早的载波频率系统(CarrierFrequency System, CFS)工作于高压输电网络，采用 10W 的信号发射功率实现500km 的传输距离[35]。这类系统主要用于电力设施之间的内部通信以及远程测量和监控任务。中、低压配电网络的载波通信技术，如，波动载波信令(RippleCarrier Signaling, RCS)系统能够实现配电网络的负载管理。目前，窄带 PLC 系统所能提供的最高数据传输速率不高于 500kb/s，两个 PLC 调制解调器之间的最大传输距离为 1km。为了将传输距离进一步延长，必须要采用中继技术。最早的窄带 PLC 系统采用的是幅移键控(Amplitude Shift Keying, ASK)技术。但由于该技术的抗干扰能力较弱，因此该技术并不特别适用于 PLC 网络。二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)技术的抗干扰能力非常强，所以理论上该技术更适用于 PLC 系统。但是，由于 BPSK 技术的相位检测非常困难，所以，基于 BPSK 的 PLC 系统并未得到广泛的应用。随着相位检测技术的问题得以解决，BPSK 技术将有望应用于未来的 PLC 系统中[36]。 基于 PLC 技术的自动控制系统的实现，不需要建设任何新的通信网络，该系统功能框图如图 1 1 所示。利用 PLC 技术可极大程度降低在目前楼宇内构建新通信网络所需投入的高额资金，其能够在目前的楼宇内实现的功能主要有三个方面：(1) 统一控制现有楼宇内的各种系统，如门禁控制系统、窗户遮挡系统等；(2) 控制连接至楼宇内部的各种电力设施；(3) 安全任务，如安全锁、安全监控等。 宽带 PLC 系统能够实现的数据传输速率至少为 2Mb/s 以上，远高于窄带PLC 系统的数据传输速度。通常情况下，窄带 PLC 网络仅能实现低速率的信号传输或者语音信号的传输，而宽带 PLC 系统则能提供更多、更广泛的电信服务。所以，宽带 PLC 技术是公认的极具竞争力的电信技术。然而，由于供电网络并非是为了满足数据传输目的所设计的，在实际宽带 PLC 技术应用中，还存在不少的限制因素，如，宽带 PLC 系统的信道衰减严重、传输距离有限等。宽带 PLC技术需要解决的另一大难点是电磁兼容问题。对于宽带 PLC 系统而言，其所需的带宽较 CENELEC 所定义的窄带系统带宽要大的多(高达 30MHz)。另一方面，PLC 网络就如同天线，对同一个频率范围内工作的其它通信系统(如各类无线电业务)来说是噪声源。有鉴于此，宽带 PLC 系统必须工作在有限的信号功率下，这就进一步降低了宽带 PLC 系统的性能(包括传输的速率和距离)。
.......第 2 章 人工蛛网路由模型通信可行性研究
2.1 引言
通过组网建立网络路由是提高低压 PLC 可靠性的有效手段，在总结目前路由方法特点的基础上，所提出的路由方法不仅是对传统低压 PLC 路由方法的补充，也为从新的角度研究低压 PLC 技术提供参考。因此，本章从建立路由提高电力线通信可靠性的角度出发，分析基于 PLC 技术的智能抄表系统网络物理结构、低压 PLC 网络结构特点、逻辑网络模型，并借鉴分簇路由、分层路由、网格路由的设计思想，结合自然蛛网的结构，建立人工蛛网数学模型，设计节点通信路由模型，并根据自然蛛网信息传递机理制定了人工蛛网通信规则。仿真证明人工蛛网路由模型良好的通信性能，验证其通信可行性。根据仿真结果、电力线通信实际组网需求等因素，确定采用单层人工蛛网路由模型作为低压电力线通信组网模型的方案。
.......2.2 低压电力线通信网络结构及特点
2.2.1 LVPLC 网络
物理拓扑 LVPLC 系统以低压供电电缆作为通信信号的传输媒介来实现 PLC 系统的接入。由文献[3,4,22]可知，由于低压电力线通信信号相间损耗非常大，在研究基于 PLC 技术的智能抄表网络时，均可以某一单相网络为研究对象，本文据此对某一相 PLC 网络进行研究。低压配电网络通过配电变压器与中压或者高压电网相连接，某一相 PLC 网络结构如图 2 1 所示。一般情况下，PLC 接入系统与广域网/电信骨干网之间的通信是依靠安装于变压器二次侧的 PLC 基站来实现的。除此之外，还可将 PLC 接入系统的基站节点安装于街边的某个配电箱，甚至安装于某个终端用户处来实现与通信骨干网的连接。无论在什么条件下，骨干通信网络的通信信号必须通过 PLC 基站节点进行适当的转换，才能成为适用于在低压配电网络环境下进行传输的通信信号。一方面，来自 PLC 网络的通信信号被 LVPLC 调制解调器转换成能够被常规的通信系统处理的标准信号。同时，用户端设备一般均需要具备包括 ISDN 接口和以太网接口在内的标准通信接口。另一方面，用户也可通过位于电表处的网关实现与接入网的连接。网关将 PLC 接入网分割成室外、室内两部分，并承担将室外、室内不同频率信号间的转换功能。 2.2.2 低压电力线通信网络构成 通过在目前的电表内安装电力线载波通信模块对电表进行升级的方式，即可实现基于低压电力线通信的智能抄表系统，每个智能电表终端均可视作为一个载波通信终端节点。从这个层面出发，采用低压 PLC 技术的智能抄表系统网络物理结构与低压电力线通信网络结构是一致的。为了表述的方便性和统一性，文中统一采用低压电力线通信系统来代替智能抄表系统的表述。低压电力线通信以电力线为通信媒介传输不同类型的信息，提供各类通信和自动控制服务。为了实现通信信号在电力线信道内的可靠传输，低压电力线通信网络由以下专用设备构成：PLC 调制解调器，基站，中继器和网关[93]。 (1) PLC 调制解调器 PLC 调制解调器完成电力线信号的调制、解调和编码等功能，可实现用户使用的标准通信设备与电力线信道的连接，PLC 调制解调器的一端是用户接口，为不同的通信设备提供标准接口。这些接口包括用于数据传输的以太网接口，通用串行总线接口，提供固定电话业务的接口等。PLC 调制解调器另一端通过耦合装置连接到低压配电线路，可将电力线通信信号耦合至电力线信道以及从电力线信道上提取信号，实现电力线通信信号的发送与接收。图 2 2 为 PLC 调制解调器的功能框图。耦合器的功能包括：(1)实现高通滤波器的功能；(2)保证高、低电压的安全隔离。 (2) 基站 图 2 3 为电力线基站功能框图，其功能是将低压电力线通信网络与通信骨干网进行连接。在低压电力线通信网络中，基站负责其所管辖的终端用户节点的运行监控，路由建立与维护等。同时，基站提供包括各种数字用户线路(xDSL，Digital Subscriber Line)、用于连接高速网络的同步数字体系(SDH，SynchronousDigital Hierarchy)、用于无线互联的 WLL(Wireless Local Loop)等接口。
.......第 3 章 电力线通信人工蛛网路由可靠性研究 ..................37
3.1 引言 ................................................ 37
3.2 人工蛛网全端可靠性分析............................... 37
第 4 章 人工蛛网动态路由实现方法研究 ......................57
4.1 引言 .................................................. 57
4.2 总线型 LVPLC 网络的人工蛛网路由实现 ................... 57
4.2.1 Dijkstra 中心节点选取算法..............................57
第 5 章 基于人工蛛网的 LVPLC 改进分级蚁群路由算法 ..........90
5.1 引言 .................................................. 90
5.2 分级蚁群路由算法 ........................................ 90
5.3 改进分级蚁群路由算法 ..................................... 92
第 5 章 基于人工蛛网的 LVPLC 改进分级蚁群路由算法
5.1 引言
围绕 LVPLC 建立路由提高可靠性的问题，还可以参考一些学者的研究成果，比如，将人工智能算法应用到 PLC 路由问题中，以解决在这样复杂的网络中建立路由进而实现可靠的组网难度很大的问题。目前，蚁群优化算法已应用于电力线通信中继/路由优化领域，并取得了一定的效果[20,115,116]。但是蚁群算法的时间效率问题是束缚该算法应用的重要因素之一。减少网络节点数是提高蚁群算法效率的重要途径。为了解决蚁群算法在低压电力线通信路由寻优方面的效率低下问题，根据前文提出的人工蛛网路由方法，可以在网络层将大规模网络分成由若干个人工蛛网子网组成的分级网络这一特性，本章提出了基于人工蛛网的低压电力线通信改进分级蚁群路由算法，建立以人工蛛网为“局部网”，以蚁群算法构建的网为“骨干网”的两层通信网络路由模型，建立低压电力线通信分层动态路由模型，综合研究提高电力线通信网络的可生存性方法。该算法解决了低压电力线通信的路由优化问题，为通过建立路由提高低压电力线通信可靠性提供了新的思路。以中继节点数量最小为寻优目标的仿真结果表明，该算法能有效提高算法寻优效率及网络的通信性能，延长低压电力线通信距离，具有一定的实际指导意义。
.......5.2 分级蚁群路由算法
假设图 5 1 所示分级网络的经过人工蛛网算法的组网结果如图 5 3 所示。每个逻辑子网内的路由维护、重构等均由子网的中心节点负责，且子网间的通信均以中心节点为中继进行，降低了蚁群算法在 Level 1 节点内的使用次数，在一定程度上降低了算法的使用率，提高了寻优效率。结合人工蛛网的改进分级蚁群路由算法流程图如图 5 4 所示，算法过程如下： 根据蛛网组网初始化算法，图 5 5 所示的单相低压电力线通信网络在不同通信距离的情况下，，人工蛛网组网结果如图 5 7 所示。人工蛛网算法将树形网络分割成由多个人工蛛网(如 19, 21, 30, 31, 35，中心节点为 35)组成的分级网络，且在不同通信距离条件下，组网结果变化不大，这表明人工蛛网算法对不同的通信环境具有一定的稳定性和自适应性。每个子网的中心节点负责其所在子网的周边节点与 BS 节点的通信、路由维护等。若 BS 能与每个子网的中心节点可靠通信，则 BS 能保证与网络内所有节点的可靠通信。由此，可极大程度降低相应的通信链路数量，在此基础上应用蚁群算法进行路径寻优，理论上可较大幅度提高其寻优效率。 表 5 2 为基站节点与网络内任一节点通信的路由表。从表中可知，基站节点与网络内其它节点通信时，均以各子网的中心节点为中继节点进行通信。人工蛛网路由算法将低压配电网络分割成由多个单层人工蛛网为子网的分级网络，为应用分级蚁群算法进行路径寻优创造条件。
.......结 论
根据低压电力线通信网络自身特点，尤其是低压配电网拓扑结构的特点，研究适合低压电力线载波通信网络的路由模式，探索新的相关路由算法，对于提高低压电力线通信可靠性有着较为重要的意义。同时，这也是从本质上解决低压电力线通信在智能抄表系统规模化应用的关键手段。本文在国家自然科学基金项目的资助下，针对上述问题，提出了低压电力线通信人工蛛网动态路由方法，提高了低压电力线通信网络的可靠性。本文主要完成的工作及结论如下： (1)详细分析了 LVPLC 网络的组成、物理拓扑结构、逻辑拓扑结构及网络层的结构特点，结合自然圆形蛛网的结构特点，构建了人工蛛网路由的数学模型，并制定人工蛛网通信规则。对双层人工蛛网路由模型的通信性能进行仿真，验证了人工蛛网路由模型的通信可行性，可以满足自动抄表系统的通信需求。根据路由算法设计的简洁性、易用性、高效性等要求，确定采用单层人工蛛网路由模型为本文的研究对象。 (2)应用融合 Markov 概率模型的改进因子分解法计算人工蛛网的全端可靠性，在 >0.5gp 的条件下，人工蛛网的全端可靠性高于其它典型网络的全端可靠性 1 倍以上，证明了人工蛛网路由模型的高连通可靠性；采用经典的网络抗毁度计算方法，首次分析人工蛛网的抗毁度，人工蛛网的抗毁度是其它典型网络抗毁度的 1.5 倍以上。从全端可靠性和抗毁度两个方面，证明了人工蛛网的高连通可靠性。从理论分析与仿真两个层面证明，单层人工蛛网路由模型具有应用于低压电力线通信的高连通可靠性，为接下来的人工蛛网路由算法的建立及实现提供理论依据。 (3)针对总线型网络，提出了人工蛛网中心节点选取算法、人工蛛网初始化算法，制定了详细的自动路由协议及组网完成后网络的数据包传输规则；仿真对比实验表明，提出的 ACRP 协议可降低 90%以上的信道冲突，提高信道吞吐量及利用率 3 倍以上。针对网络结构更复杂的树形网络，提出了树形网络人工蛛网路由初始化算法，并制定路由维护原则。设计了人工蛛网算法时序，有效降低了信道数据冲突率。总线型网络的人工蛛网组网实验结果表明，人工蛛网路由算法在总线型低压电力线通信网络的适用性较好，实际的网络延时在加入干扰前后波动保持在 20%左右，吞吐量波动维持在 5%左右，与未建立路由网络相比，大幅度提高通信的可靠性；树形网络的人工蛛网组网实验表明，在加入干扰前、后的延时波动维持在 20%左右，吞吐量波动维持在 5%左右，与总线型网络的通信性能相似，误码率维持在较低水平，在保证低压电力线通信系统的连通性、实时性、通信效率等服务质量方面具有较大优势。
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参考文献（略）
本文编号：40244
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/40244.html
