本文關(guān)鍵詞：低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第28卷 第4期 中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào) 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 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 學(xué)科分類號(hào)：470?40 文章編號(hào)：0258-8013 (2008) 04-0065-07 中圖分類號(hào)：TM

低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

戚佳金，劉曉勝，徐殿國(guó)，李 琰，牟英峰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江省 哈爾濱市 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：低壓配電網(wǎng)具有物理拓?fù)湮粗碗娏�信道時(shí)變性特征。為提高低壓配電網(wǎng)窄帶電力線載波通信系統(tǒng)可靠性，提出并討論一種基于非交疊分簇算法的電力線通信組網(wǎng)及路由重構(gòu)方法。該算法可以根據(jù)信道質(zhì)量的變化動(dòng)態(tài)地建立、維護(hù)、優(yōu)化電力線通信網(wǎng)絡(luò)路由，保證通信網(wǎng)絡(luò)的有效性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出并比較兩種組網(wǎng)時(shí)間序列分配算法，完善了該路由算法。仿真試驗(yàn)表明，該路由算法具有很大的靈活性、實(shí)用性和有效性。

關(guān)鍵詞：電力線通信；分簇算法；網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；動(dòng)態(tài)路由；信道時(shí)序控制

將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)，是電力系統(tǒng)特有的通信方式。低壓配電網(wǎng)是一個(gè)用戶最多、分布最廣、用戶最必不可少的動(dòng)力能源傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是一個(gè)日益被看好的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。由于用戶經(jīng)常會(huì)改變供電范圍和供電對(duì)象，使低壓配電網(wǎng)物理拓?fù)渚哂辛艘欢ǖ摹皶r(shí)變性”。同時(shí)，低壓配電網(wǎng)內(nèi)負(fù)載是經(jīng)常變化的，這種變化會(huì)導(dǎo)致通信信道的變化甚至使通信鏈路發(fā)生中斷，從而導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)的邏輯拓?fù)浒l(fā)生變化。這都會(huì)降低電力線通信的可靠性。

提高電力線通信可靠性可以從多個(gè)角度考慮，例如，可以從物理層的信道估計(jì)與選擇、信道編碼、濾波設(shè)計(jì)、功率分配、調(diào)制/解調(diào)方式等方面來(lái)考慮[1-10],還可以從高速電力線通信的組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)模型等但國(guó)內(nèi)外學(xué)者很少開展有關(guān)窄帶角度來(lái)考慮 [11-17]。

電力線通信組網(wǎng)問題的研究。本文從網(wǎng)絡(luò)抗毀性的角度，對(duì)低壓配電網(wǎng)窄帶電力線通信數(shù)據(jù)邏輯鏈路的選擇、建立、自動(dòng)路由等方面做研究探討，提出一種基于非交疊分簇的動(dòng)態(tài)路由算法和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法，并進(jìn)一步分析兩種分簇組網(wǎng)時(shí)間序列算法。最后，給出仿真試驗(yàn)結(jié)果并做分析。

1 非交疊分簇路由算法

1.1 低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡(luò)模型

一般而言，臺(tái)區(qū)或樓宇內(nèi)低壓配電網(wǎng)的典型拓?fù)錇榛跇湫偷幕旌贤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。低壓配電網(wǎng)的電力線通信系統(tǒng)由設(shè)在監(jiān)控室的主機(jī)和分布在電網(wǎng)內(nèi)的一定數(shù)量終端組成。每個(gè)終端包含一個(gè)電力線載波通信節(jié)點(diǎn)模塊和相關(guān)功能設(shè)備[15]。

值得注意的一個(gè)問題是，變壓器二次側(cè)臺(tái)區(qū)內(nèi)

0 引言

電力線通信，是指利用電力線，通過(guò)載波方式

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(F200508)；黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目(GC06A130)。

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為三相配電網(wǎng)，對(duì)于電力線載波通信而言是不能跨相通信的(除非有特殊的信號(hào)耦合裝置)。從邏輯拓?fù)渖蟻?lái)說(shuō)，三相之間為并列且相對(duì)獨(dú)立的關(guān)系，對(duì)于并列且獨(dú)立關(guān)系的拓?fù)淇梢杂闷渲幸幌嗟倪壿嬐負(fù)渥鳛橹攸c(diǎn)研究對(duì)象，便具有代表性和普遍性。為了便于表述，本文統(tǒng)一將某相電網(wǎng)上的主機(jī)和電力線載波通信模塊簡(jiǎn)稱為網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)。

圖1給出了一種典型的低壓配電網(wǎng)三相電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可以由此等效研究的一種單相電力線通信網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)�。單相電力線通信網(wǎng)關(guān)放置在各相的起始處，如圖1中A、B、C三相的2、3、4位置處，每一個(gè)網(wǎng)關(guān)各負(fù)責(zé)每相電網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。配電柜處放置三相總網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、收集3個(gè)單相網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，并與外界交互信息。

(a) 三相電力線通信網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)?/p>

圖1 一種典型的電力線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Fig. 1 A typical topology of PLC distribution

電力線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的連通能力和范圍是有限的。假設(shè)在臺(tái)區(qū)內(nèi)某相上用戶節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n，因通信距離或噪聲干擾的原因，網(wǎng)關(guān)可以直接可靠通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)為m，剩余(n?m)個(gè)節(jié)點(diǎn)雖然在物理上是連通的，但是在數(shù)據(jù)鏈路層上卻是斷開的。為了建立整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，必須先建立起網(wǎng)關(guān)到部分節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路，再由這些節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信距離的擴(kuò)展，才可能將所有的節(jié)點(diǎn)連入電力線通信網(wǎng)絡(luò)。所以，必須解決動(dòng)態(tài)路由中繼點(diǎn)的選取、

網(wǎng)絡(luò)路由的建立、維護(hù)以及重構(gòu)等一系列問題[17]。 1.2 非交疊分簇結(jié)構(gòu)

采用不同的分簇策略，可以得到不同的分簇結(jié)構(gòu)。如果規(guī)定已經(jīng)屬于某個(gè)簇的成員不再屬于其他簇，那么得到的是互不交疊的簇結(jié)構(gòu)，其邏輯拓?fù)錇闃�。否則，如果允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)屬于多個(gè)相鄰簇，那么得到的將是交疊的簇結(jié)構(gòu)，其邏輯拓?fù)錇檫B通圖[18]。在分簇結(jié)構(gòu)中，簇頭是按照某種分簇算法或規(guī)則選舉出來(lái)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理其所在簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)除簇頭外的其他節(jié)點(diǎn)稱為簇成員。對(duì)于這種非交疊分簇方法形成的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)到任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由將是唯一的。 1.3 非交疊分簇路由初始化算法 1.3.1 條件與限制

假設(shè)某相電網(wǎng)內(nèi)有n個(gè)(n≥1)節(jié)點(diǎn)，電力線物理鏈路是連通的，并約定：

（1）網(wǎng)關(guān)物理地址編號(hào)為0，其他節(jié)點(diǎn)物理地址編號(hào)依次為1,2,3,…,n。

（2）任意節(jié)點(diǎn)至少可以與1個(gè)其它節(jié)點(diǎn)通信，即不存在通信孤立點(diǎn)。

（3）最大可能建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈接，即在信號(hào)能夠到達(dá)的最大物理范圍內(nèi)，尋找到盡可能多的通信節(jié)點(diǎn)，縮短分簇時(shí)間，減少分簇個(gè)數(shù)和分簇層次。

（4）已獲得邏輯編碼(即邏輯ID)的節(jié)點(diǎn)不再參與邏輯ID的分配。

（5）網(wǎng)絡(luò)通信最長(zhǎng)響應(yīng)周期為T, 則T/n定義為時(shí)隙，即時(shí)間片。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送的具體時(shí)間與節(jié)點(diǎn)編號(hào)(ID)相對(duì)應(yīng)。

（6）短時(shí)間內(nèi)，電力線通信網(wǎng)為對(duì)等網(wǎng)。 （7）忽略電信號(hào)在銅介質(zhì)中的傳輸時(shí)間。 1.3.2 分簇組網(wǎng)初始化算法

步驟（1）：由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送分簇命令(廣播)，設(shè)收到該廣播報(bào)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為m個(gè)(1<m≤n)。網(wǎng)關(guān)定義該m個(gè)節(jié)點(diǎn)位于相同的邏輯層(Layer1)，該m個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的物理地址確定時(shí)間片序列發(fā)送應(yīng)答，網(wǎng)關(guān)收到某節(jié)點(diǎn)應(yīng)答后便給該節(jié)點(diǎn)分配邏輯

ID，

分配邏輯ID后的節(jié)點(diǎn)不再參與本次邏輯ID分配。剩下的m?1個(gè)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)參加邏輯ID的分配過(guò)程，直到m個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得邏輯ID號(hào)為止。并且，在分配邏輯地址的同時(shí)也規(guī)定了該m個(gè)節(jié)點(diǎn)的邏輯層次數(shù)為1。

步驟（2）：對(duì)于第2層(Layer2)節(jié)點(diǎn)的初始化。規(guī)定邏輯地址小的ID具有高的組網(wǎng)優(yōu)先權(quán)，其余位于Layer1層相同信道的節(jié)點(diǎn)都處于等待狀態(tài)。在

第4期 戚佳金等： 低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) 67

相同信道下一層的k個(gè)節(jié)點(diǎn)中，設(shè)有g(shù)1個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)

(0≤g1≤k≤n?m)。

按照Layer1層中邏輯ID分配方法，由優(yōu)先級(jí)為1的節(jié)點(diǎn)給響應(yīng)的g1個(gè)節(jié)點(diǎn)分配ID號(hào)。同理，已獲得ID的g1個(gè)節(jié)點(diǎn)退出分簇過(guò)程，成為以邏輯地址為1的簇頭的簇成員。

然后，由邏輯地址為2的節(jié)點(diǎn)對(duì)剩下的k?g1個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇。設(shè)有g(shù)2個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，2號(hào)節(jié)點(diǎn)給g2個(gè)節(jié)點(diǎn)分配ID號(hào)并成為該g2個(gè)節(jié)點(diǎn)的簇頭。依次進(jìn)行，一直到優(yōu)先級(jí)最低的節(jié)點(diǎn)完成對(duì)下一層節(jié)點(diǎn)的分簇為止。當(dāng)gi=0時(shí)，認(rèn)為第i號(hào)得到了空響應(yīng)。那么該節(jié)點(diǎn)及其后續(xù)同層節(jié)點(diǎn)成為獨(dú)立簇，降級(jí)為該層網(wǎng)絡(luò)的簇成員。

步驟（3）：假設(shè)在第2層已經(jīng)將剩下的n?m個(gè)節(jié)點(diǎn)全部連通，也就是當(dāng)?shù)?層的節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行分簇時(shí)，會(huì)得到空響應(yīng)。此時(shí)，初始化完成。形成的簇(包括簇中成員為空)的最大數(shù)目是m，且一定有

∑m

g

i

=n?m。其中，簇頭分別是第1層中的1號(hào)

i=1

節(jié)點(diǎn)，2號(hào)節(jié)點(diǎn),…,m號(hào)節(jié)點(diǎn)；對(duì)應(yīng)簇成員的個(gè)數(shù)分別是g1，g2,…,gm。并且，在分配邏輯地址的同時(shí)也給每一個(gè)簇員節(jié)點(diǎn)規(guī)定了該節(jié)點(diǎn)的層次數(shù)為2。如果在第2層次分簇還未將剩余的n?m個(gè)節(jié)點(diǎn)全部連通，第2層節(jié)點(diǎn)將作為簇頭重復(fù)節(jié)點(diǎn)分簇的分配過(guò)

程，直到邏輯地址為n的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)為止。

至此，成功建立了電力線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的通信路由。 1.4 組網(wǎng)算法算例

單相系統(tǒng)內(nèi)由1個(gè)網(wǎng)關(guān)和11個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。經(jīng)過(guò)非交疊分簇初始化算法后，構(gòu)成如圖2所示的分簇結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)關(guān)廣播被物理地址為3、5、9的3個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到，3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別向網(wǎng)關(guān)發(fā)送應(yīng)答獲得邏輯地址為1、2、3，建立第1層網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)邏輯地址優(yōu)先級(jí)進(jìn)行第2層次網(wǎng)絡(luò)分簇。邏輯地址為1的節(jié)點(diǎn)獲得了物理地址為1、6和11的簇員，分配邏輯地址

圖2 電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯鏈路分簇結(jié)構(gòu)圖

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

分別為4、5、6。邏輯地址為2的節(jié)點(diǎn)未找到節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于只是第1層網(wǎng)絡(luò)的簇成員。邏輯地址為9的節(jié)點(diǎn)獲得了物理地址為8、10的簇員，分配邏輯地址分別為7和8。以同樣的分簇算法進(jìn)行搜尋，直到把邏輯地址11分配完畢。

完成分簇算法初始化的同時(shí)，每一節(jié)點(diǎn)的E2ROM中生成路由鏈表，記錄該節(jié)點(diǎn)所管轄簇員的物理ID和邏輯ID及層次。如果該節(jié)點(diǎn)為簇員節(jié)點(diǎn)，只需要記錄本節(jié)點(diǎn)的物理ID和邏輯ID以及本節(jié)點(diǎn)所屬的網(wǎng)絡(luò)層次即可。路由表的長(zhǎng)度和復(fù)雜度由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和分簇層次數(shù)目決定。

2 網(wǎng)絡(luò)路由維護(hù)與重構(gòu)算法

2.1 組網(wǎng)維護(hù)原則

在完成電力線網(wǎng)絡(luò)分簇組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，考慮到電力線網(wǎng)絡(luò)信道的時(shí)變性和未知性，作者提出3條網(wǎng)絡(luò)維護(hù)原則，即：

（1）在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，對(duì)于局部范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)路由中斷采用局部路由重構(gòu)策略。

（2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入或退出網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)局部路由重構(gòu)過(guò)程。

（3）在網(wǎng)絡(luò)空閑期間，網(wǎng)關(guān)發(fā)起路由檢測(cè)指令，若發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)未能正常連通，則執(zhí)行原則（1），構(gòu)筑新的通信路由。 2.2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法

設(shè)系統(tǒng)內(nèi)共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，簇頭h發(fā)現(xiàn)邏輯地址為k的節(jié)點(diǎn)暫時(shí)脫離了其通信范圍。則，h逐層向上級(jí)簇頭發(fā)送該異常情況，直至網(wǎng)關(guān)。由網(wǎng)關(guān)判決并發(fā)起局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過(guò)程：

步驟（1）：網(wǎng)關(guān)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)組網(wǎng)廣播。 步驟（2）：第1邏輯層的節(jié)點(diǎn)接收到指令，在屬于本身的時(shí)間片內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)重構(gòu)廣播，避免信道沖突，并在數(shù)據(jù)分組中添加本身的邏輯地址和邏輯層號(hào)。

步驟（3）：第2邏輯層的節(jié)點(diǎn)再次執(zhí)行步驟（2），直到所有層次的節(jié)點(diǎn)都已轉(zhuǎn)發(fā)完重構(gòu)廣播，在這一過(guò)程中所有的節(jié)點(diǎn)都記錄接收到廣播信息的物理信號(hào)強(qiáng)度。

步驟（4）：節(jié)點(diǎn)k對(duì)接收到的所有重構(gòu)廣播中的信號(hào)強(qiáng)度記錄作判決，計(jì)算并取信號(hào)強(qiáng)度綜合指數(shù)β值為最大值的信息源點(diǎn)m作為自己的新簇頭，并向m發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，表示加入。其中，β=s×(η)j，s為物理信號(hào)強(qiáng)度，j為信息源點(diǎn)所屬的層次，η為層次間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信成功率指數(shù)，η值可以根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)取值。η值取的越大，表示層次間通

68 中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào)

第28卷

信可靠性越高，是一種基于信號(hào)強(qiáng)度為主要判決因素的重構(gòu)策略；η值取的越小，表示層次間通信可靠性越低，表示應(yīng)該盡量減少網(wǎng)絡(luò)分層，是一種基于減少網(wǎng)絡(luò)分層為主要判決因素的重構(gòu)策略。 步驟（5）：如果m本身為現(xiàn)存的簇頭，其上層路由沿該簇頭原路由返回；如果m是其他簇的成員，m將升級(jí)為簇頭。

步驟（6）：如果m為節(jié)點(diǎn)k的子節(jié)點(diǎn)，m將根據(jù)其檢測(cè)、計(jì)算的β值判別新簇頭，但是節(jié)點(diǎn)k和k的其他子節(jié)點(diǎn)不在其判決范圍內(nèi)。

步驟（7）：應(yīng)答信息逐層上報(bào)，直至網(wǎng)關(guān)，同時(shí)更新路由中所涉及到各節(jié)點(diǎn)中的路由表。

步驟（8）：網(wǎng)關(guān)逐層通知節(jié)點(diǎn)k原路由上的各原簇頭，從表中去除k節(jié)點(diǎn)的原有相關(guān)路由信息。

由于電力線信道并不穩(wěn)定，在一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)會(huì)隨機(jī)發(fā)生路由失效而導(dǎo)致路由重構(gòu)。經(jīng)過(guò)路由重構(gòu)算法后的路由都是節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度綜合指數(shù)為最大值的路由。理論上，隨著節(jié)點(diǎn)路由重構(gòu)算法的逐步進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由將得到優(yōu)化。

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 仿真環(huán)境與參數(shù)

在典型的樓宇配電系統(tǒng)中，設(shè)其配電半徑為70 m。在該配電范圍內(nèi)布置50個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，以PC機(jī)為仿真硬件平臺(tái)，以Delphi7.0為編譯和仿真環(huán)境。設(shè)定：①50個(gè)節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，但是，剔除“孤島”問題；②經(jīng)過(guò)基于分簇算法的初始化組網(wǎng)后，分配給節(jié)點(diǎn)的邏輯ID為1~50；③電力線信道是時(shí)變信道，所以，在仿真中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效通信距離可變。

3.2 仿真結(jié)果與分析

仿真1：有效通信距離變化下的初始化組網(wǎng)仿真。①電力線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的有效通信距離在30~40 m之間取值時(shí)，分簇算法初始化組網(wǎng)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3(a)所示；②電力線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的有效通信距離在40~50 m之間取值時(shí)，分簇算法初始化組網(wǎng)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。圖中節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)標(biāo)號(hào)分別表示其物理ID和邏輯ID(括號(hào)內(nèi))。

從仿真1的結(jié)果中可以得出以下結(jié)論：①利用非交疊分簇算法可以實(shí)現(xiàn)電力線網(wǎng)絡(luò)通信的中繼功能，建立了網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)的通信路由。②根據(jù)電力線信道的變化(有效通信距離的變化)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)路由。路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信距離變化而改變。③節(jié)點(diǎn)的有效通信距離越大，分簇層次越少，

(a) 直接通信距離30~40 m時(shí)的網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)構(gòu)

(b) 直接通信距離40~50 m時(shí)的網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)構(gòu)

圖3 電力線網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)構(gòu)圖

Fig. 3 Structures of PLC clustering distribution

路由關(guān)系變得簡(jiǎn)單。如，圖3(a)物理地址為33的節(jié)點(diǎn)路徑為：0(0)→22(6)→6(25)→33(49)，共4層網(wǎng)絡(luò)；圖3(b)中的路徑為：0(0)→15(4)→33(36)，共3層網(wǎng)絡(luò)。④節(jié)點(diǎn)的有效通信距離越大，簇頭個(gè)數(shù)和組網(wǎng)次數(shù)也越少。圖3(a)中的簇頭數(shù)目為13個(gè)，組網(wǎng)次數(shù)為47次；圖3(b)中的簇頭數(shù)目為9個(gè)，組網(wǎng)次數(shù)為26次。所以，也大大減少了分簇組網(wǎng)的時(shí)間。因此，仿真1的結(jié)果證明了本文所提出的非交疊分簇算法在解決低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)中繼的可行性。

仿真2：兩種重構(gòu)策略下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真。完成網(wǎng)絡(luò)初始化分簇后，部分節(jié)點(diǎn)由于脫離原路由而啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由的重構(gòu)過(guò)程。圖4(a)為當(dāng)η取0.9時(shí)，即基于信號(hào)強(qiáng)度的重構(gòu)方法，進(jìn)行40次隨機(jī)的節(jié)點(diǎn)脫離原路由而進(jìn)行重構(gòu)運(yùn)算后生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖4(b)為當(dāng)η取0.3時(shí)，即基于分層最少方法的重構(gòu)方法，進(jìn)行40次隨機(jī)的節(jié)點(diǎn)脫離原路由而進(jìn)行重構(gòu)運(yùn)算后生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

從仿真2中可以得出以下結(jié)論：①當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層次間通信可靠性較高時(shí)，η值取的較大，信號(hào)強(qiáng)度成了主要判決因素。此時(shí)，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分層數(shù)目和

第4期

戚佳金等： 低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) 69

(a) 基于信號(hào)強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略結(jié)構(gòu)圖

(b) 基于分層最少的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略結(jié)構(gòu)圖

圖4 兩種不同的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略結(jié)構(gòu)圖

Fig. 4 Structures of PLC reconfiguration networks

based on two strategies

簇頭個(gè)數(shù)增加，以較多的網(wǎng)絡(luò)層次和高強(qiáng)度的通信信號(hào)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的可靠通信。但是，其代價(jià)是路由表變得相對(duì)復(fù)雜，需要更多的硬件資源來(lái)支持；②當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層次間節(jié)點(diǎn)的通信可靠性低時(shí)，η值取的較小，η值在重構(gòu)決策時(shí)的影響力變大，物理信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)成了次要考慮因素。此時(shí)，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分層數(shù)目和簇頭個(gè)數(shù)減少，以盡量少的網(wǎng)絡(luò)層次來(lái)保證通信可靠性。③在實(shí)際工程中，可以根據(jù)具體的信道狀況來(lái)選者合適的η值，綜合考慮硬件資源以及節(jié)點(diǎn)有效通信距離。所以，仿真2的結(jié)果證明了網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法的可行性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供一種可借鑒的方法。

4 信道時(shí)序分配方法

4.1 時(shí)間間隔

在單信道條件下的電力線通信系統(tǒng)中，任一時(shí)刻只允許1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)。所以，必須有合理的信道使用時(shí)序策略，否則，通信時(shí)引起的信道沖突將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能。在本算法中規(guī)定：每?jī)蓚�(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的時(shí)間間隔應(yīng)該滿足

TI>TT+TM+TR

(1)

式中：TT為載波信號(hào)發(fā)送時(shí)間；TM為節(jié)點(diǎn)信息處理

時(shí)間；TR為通信冗余時(shí)間。

為了簡(jiǎn)化算法將TI按其最長(zhǎng)時(shí)間取值，根據(jù)協(xié)議和實(shí)驗(yàn)結(jié)果將TI取為150 ms較為合理。 4.2 信道時(shí)序分配方法

分簇算法中關(guān)于信道時(shí)序分配問題可以采用兩種算法：

算法1：如圖2所示。當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)起分簇廣播，，節(jié)點(diǎn)3將在3×150 ms時(shí)刻開始發(fā)送應(yīng)答，并等待接收網(wǎng)關(guān)分配的邏輯ID信息。同理，節(jié)點(diǎn)5、9分別會(huì)在5×150 ms、9×150 ms時(shí)刻開始發(fā)送應(yīng)答，并且獲得邏輯ID。而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在等待11×150 ms后認(rèn)為不會(huì)再有節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，第1層的分簇結(jié)束。同理，在后續(xù)幾層分簇中也采用同樣的規(guī)則以避免信號(hào)沖突。該種方法是用消耗較長(zhǎng)時(shí)間的代價(jià)保證信道不受沖突，并且，時(shí)序協(xié)議較為簡(jiǎn)單。

算法2：采用分簇時(shí)間遞減算法，每次分簇時(shí)，簇頭等待應(yīng)答的時(shí)間為系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)減去已經(jīng)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)乘以每次通信的最大單位時(shí)間TI。計(jì)算方法如下

mj

Ttotal=∑[(n?∑gh)×TI], j=i?1 (2)

i=1

h=0

式中：Ttotal為初始化組網(wǎng)總時(shí)間；m為分簇次數(shù)；n為總節(jié)點(diǎn)數(shù)；gh為某次分簇的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)。

該種方法消耗較短時(shí)間，但是，信道時(shí)序控制協(xié)議較為復(fù)雜。

4.3 兩種信道時(shí)序分配算法仿真測(cè)試

基于圖4所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總共50個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)上文所提的兩種時(shí)序分配策略組網(wǎng)的耗時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算，并分別命名為基本分簇時(shí)序分配算法和改進(jìn)分簇時(shí)序分配算法。

圖5為在30~50 m間不同的有效通信距離條件下的仿真結(jié)果。橫坐標(biāo)為有效通信距離，縱坐標(biāo)為

單位時(shí)間ΔT的個(gè)數(shù)，

圖中數(shù)據(jù)為各個(gè)有效通信距離處采樣10次取平均值所得。

圖6為50個(gè)節(jié)點(diǎn)在兩種時(shí)序分配策略下在21次組網(wǎng)仿真計(jì)算中各次組網(wǎng)的耗時(shí)對(duì)比表。

從仿真結(jié)果中看出：①改進(jìn)的分簇時(shí)間序列分配算法所耗費(fèi)的時(shí)間大大低于基本分簇算法的耗時(shí)。②節(jié)點(diǎn)有效通信距離在一定范圍內(nèi)隨機(jī)取值，基本上每次仿真計(jì)算所得的時(shí)間消耗都不同。另外，改進(jìn)的分簇時(shí)序分配算法雖然在組網(wǎng)時(shí)間上有了很大的改善，但是，在路由協(xié)議中增加數(shù)據(jù)分組

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