电力线载波通信的自动路由方法研究.pdf

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1、第 26 卷 第 21 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.26 No.21 Nov.2006 2006 年 11 月 Proceedings of the CSEE 2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013(2006)21-0076-06 中图分类号：TM77 文献标识码：A 学科分类号：47040 电力线载波通信的自动路由方法研究 刘晓胜，周 岩，戚佳金(哈尔滨工业大学，黑龙江省 哈尔滨市 150001)Method Study of Automatic Routing for Power Line Communication LIU Xi

2、ao-sheng,ZHOU Yan,QI Jia-jin(Harbin Institute University,Harbin 150001,Heilongjiang Province,China)ABSTRACT:The reliability of Power Line Communication(PLC)is the most important one of the factors that limit the application of PLC in practice seriously.The specialties and the methods of building up

3、the PLC networks are discussed in the view of communication reliability,and the necessity of routing automatically is analyzed simply.A kind of ant colony algorithms named Like-Ant Colony Algorithm(LACA)is put forward,which is applicable for communicating in low-voltage networks,and the frame of aut

4、omatic routing protocol and the relative automatic route model are given.With this model,the quality of channels can be identified real-time,and the dynamic route tables of PLC nodes can be modified to keep the available state of communication as following the change of channel quality,and an effect

5、ive method of searching the optimum route for PLC is presented for building up general controlling networks.The emulation and the experimentation indicate that the LACA is a simple and effective method of extending the distance and improving the reliability of PLC.KEY WORDS:power line communication;

6、like-ant colony algorithm;automatic route;low-voltage network 摘要：电力线载波通信可靠性是制约其广泛应用最重要的一个因素。该文从通信可靠性的角度，论述了电力线载波通信组网的特点和方法，分析了自动组网的必要性，提出适用于低压配电网电力线载波通信的类蚁群算法(like-ant colony algorithm)，给出自动路由协议框架，并建立了自动路由模型。通过该模型，可以动态识别低压配电网信道质量，并根据信道质量变化，动态维护电力线载波通信网络路由，保证通信网络的有效性，为建立控制类网络提供一种简单有效的组网方法。仿真和试验研究表明，该

7、方法可以有效延长电力载波通信距离和提供系统通信的可靠性。关键词：电力线通信；类蚁群算法；自动路由；低压配电网 基金项目：黑龙江省自然科学基金项目(F200508)。0 引言 低压配电网(low-voltage network)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、将来可以随时使用的高速数字通信网络。电力线通信(power line communication,PLC)，又称电力线载波通信，是指利用电力线，通过载波方式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。近年来，电 力 线 通 信 技 术，尤 其 是 宽 带 电 力 线 通 信

8、(broadband over power line,BPL)技术，已经成为通信领域新的研究热点，被认为是一种未来重要的现场设备总线技术。电力线宽带(BPL)通信技术就是指带宽限定在230MHz 之间、通信速率通常在 1Mbit/s 以上的电力线载波通信技术。它多采用以 OFDM 为核心的多种扩频通信技术，目前主要用于宽带接入和家庭上网1。其路由和中继问题由专用交换机/路由器解决。通常所说的电力线载波通信多指窄带电力线(narrow over power line,NPL)通信技术，即指带宽限定在 3500kHz、通信速率小于 1Mbit/s 的电力线载波通信技术，多采用普通的 PSK 技术、

9、DSSS 技术和线性调频 Chirp 等技术，主要用于控制与数据采集网络(以下简称控制网)的通信，没有交换机/路由器等专用网络通信设备。目前电力载波通信研究多集中在信道特性分析、估测、编/解码、功率控制和频谱管理等领域1-8，很少开展用于控制网的有关窄带电力线通信组网问题的研究。本文结合电力线通信的具体特点，将改进的蚁群算法应用到窄带电力载波通信网络之中，提出了适用于电力线载波通信的自动路由类蚁群算PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 21 期 刘晓胜等：电力线载波通信的自动路由方法研究 77 法。该方法简单易行，为动态寻找最优路由、延长通信距离和提高通信可靠性，提

10、供了一种有效的方法。1 电力线载波通信组网 1.1 组网特点 电力线载波通信信道的时变性、频率选择性和强干扰性等特点，使得用电力载波通信方式组网必须具有自己的特点：（1）网络物理拓扑和逻辑拓扑会经常发生变化。这些变化使得电力线通信组网具有了很多 Ad hoc 网络特征。因此，传统的电力线载波通信方法既无法保证通信距离，也无法保证电力线通信系统长期运行的可靠性。（2）没有专用的交换机或中继器。作为控制网用的窄带电力线通信，一般不采用 Internet 网中的专用交换机和中继器等设备，无法实现信号的转发和放大。因此，通信距离会随着电网信道质量的变化而动态变化。（3）通信媒质共享信道。在一个供电变压

11、器下，电力线载波信道完全共享，信息以广播的方式发布，所有电力线载波节点(以下简称节点)共享同一个信道。在此环境下，低压配电网信道特性的固有特点不能保证每一个载波节点能够正确地收到相关信息。因此，电力线通信组网需要通过路由/中继器将同一个物理子网划分成多个逻辑子网。（4）弱数据处理能力。控制网一般由一个中心(核心)节点、多个主节点和若干个终端设备节点组成。中心节点和主节点一般为控制器，所包含的CPU 数据处理能力相对比较强；而终端设备多为执行器或数据采集器，或不包含 CPU，或所包含的CPU 数据处理能力较弱。电力线通信模块一般采用弱数据处理能力的 CPU。因此，电力线组网很难实现一般计算机网络

12、中的网络路由算法。（5）一对多通信。在控制网中，通信方式经常是“一对多”，即一个控制器(中心节点)与它所负责控制的若干个终端设备(终端节点)之间通信，各终端设备之间不需要直接的命令发布(通信)。因此，只需要维护一个全局路由表，即只需要保证中心节点与所有终端节点可靠通信，这大大简化了电力线通信路由表的维护工作。1.2 自动组网必要性 这是保证通信系统有效性与可靠性的需要。（1）提高电力线通信自愈性/强壮性。一方面，低压配电网负载的投入、切出或工作状态(例如直流电机的启/停/调速)的改变，均可导致原有电力线通信逻辑拓扑结构的变化；另一方面，原有的中继节点失效也会导致部分电力线通信的中断。传统的固定

13、路由方法很难解决这两种情况带来的问题。自动路由算法可以实现网络的动态重组，能有效地克服这类问题。它通过自动寻找新的、合适的路由节点，使网络具有自愈性。（2）扩大电力线通信组网规模。电力线通信的距离正比与发送功率，而发送功率受到相关法规的制约。因此，适当增加路由/中继数量是扩大电力线通信规模的又一重要手段。1.3 组网过程 载波系统每次上电后即开始自动组网。每一个节点发送广播数据包(即广播蚂蚁)。同时，每一个节点接收其它节点发送的广播数据包，并根据这些数据包的地址信息建立、更新本节点的可通信路由表。当中心节点发现有某个节点多次通信失败时，中心节点便发起一次对该节点的最优路由寻优过程，并根据寻优结

14、果更新中心节点路由表，标明该节点正常，或已退出网络，或已经失效。首次组网比较耗时，正常维护实时性比较好。2 基于类蚁群算法路由模型 2.1 电力载波通信的模型分析 低压配电网的物理拓扑多为星形/树形结构。为简化问题，这里以路灯专用配电线路为例，分析电力线载波通信的物理模型和逻辑模型，并假设：4条路灯配电网支路物理连通；任意相邻的两个节点都能够保证电力线通信正确和可靠；通信逻辑拓扑图为无向图；每个普通节点在一个中心节点控制范围内都有一个唯一的地址编码(ID 号)，且节点编码按一定规律分布。图 1 是一典型的路灯供电系统物理拓扑结构 图9。一般电力变压器位于路段中间附近，变压器二次侧引出四条独立支

15、路为街道两侧路灯供电，是一种典型的星形结构。作为一个典型的控制网，电力变压器二次侧安装有主控制器 1(以下简称节点1)，它通过电力线载波方式与各路灯节点的终端控制器(节点 2，3，)组成电力线通信网络，并监控各路灯节点的工作状态。对于电网的某一时刻来说，假设节点 1 需要与节点 62、63、64、65 通信。然而，节点 1 通过广播方式最远只能与节点 26、27、24 和 25 可靠通信，与节点 46、47、48、49 无法可靠通信。以第一条支PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 78 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷 路为例，节点 26 可以与节点 46

16、通信，并且最远可与节点 50 通信，而无法与节点 58 通信；对于节点22 来说，可以与节点 46 通信，但最远点不能与节点 50 通信。而节点 50 可以直接与节点 62 通信。这里节点 26 和 50 分别充当了一级路由和二级路由。当然，节点 22 和 46 也可以分别充当一级路由和二级路由。不难看出，路灯供电系统尽管共享配电网介质，属于同一个物理网络，但是，从通信角度来看，同一段配电网被划分成多个不同的逻辑子网，由路由器将不同的逻辑子网连接起来，并且需要根据信道质量变化而动态改变这种划分。这些路由器形式上只有一个端口，仅仅起着信号重新放大作用，但实质上将不同逻辑子网连接起来。每一个节点都

17、有其自己的逻辑子网，每个子网覆盖的节点范围可能相同，也可能相互交叉，还可能完全不同。因此，如何动态确定路由/中继器的位置以及级数将是影响电力线通信系统可靠性的一个关键因素。路灯 电力 变压器 第 1 条支路 第 3 条支路 第 4 条支路 第 2 条支路 380V 10kV 非路灯 负载 62 58 50 46 26 22 6 63 59 51 47 27 23 3 4 24 48 64 5 25 49 65 1 图 1 基于电力载波通信路灯监控系统物理拓扑结构图 Fig.1 Physical topology structure graph of street lighting system

18、 based on PLC 2.2 基于类蚁群算法自动路由模型 2.2.1 蚁群算法基本原理 蚁群算法10-17(ant colony algorithm,ACA)，也称蚁群优化算法(ant colony optimization,ACO)，是近年来发展起来的、受自然界蚂蚁搜寻食物行为启发得到的并行优化算法。蚁群算法利用单个人工蚂蚁(artificial ants)迭代构筑和优化最优侯选解；人工信息素和基于问题的启发式信息指导人工蚂蚁寻找最优解；当一个蚂蚁完成了它的一次完整搜寻过程，则它将在走过的路经上释放信息素；作为比较理想的路径将从更多的蚂蚁处得到信息素，从而使该部分路径得以加强；同时为了

19、避免搜索停止，路径上的信息素会按照某一系数挥发掉。不难看出，该算法是一种性能优良的启发式随机优化算法，采用正反馈机制实现分布式全局优化，通过信息素的不断更新达到最终收敛于最优路径上，算法无需进行大量的概率计算或建立复杂的数学模型来进行系统预测，可应用于通信网中路由的组合优化求解，能够大大提高系统的可靠性和鲁棒性。路由问题(RP)是该算法典型应用领域之一13。图 2 给出了标准蚁群算法流程图。2.2.2 类蚁群算法自动路由协议格式 考虑到电力线载波通信组网的特殊性，本文将集中控制思想、广播原理、CSMA 和有限生命原则与蚁群优化方法相结合,提出了一种基于类蚁群算法的自动路由模型(LAARM)。基

20、于类蚁群算法14-15的自动路由协议模型(LAARM)采用如下的数据分组格式 Fra_H flay src dest life path1 path2 path3 path4 path5 data status Fra_E 初始化：循环次数 Nc=0;时间 t=0;信息素等;计算转移概率 评估方案 应用决策规则转移到新状态，时间 t=t+1；开始 一次循环结束？信息素挥发释放信息素更新路由表满足精度要求？满足迭代次数？输出结果 是 否 是 是 否 否 结束 图 2 蚁群算法框架结构 Fig.2 Frame construction of ACO 其中，Fra_H、Fra_E 是帧头和帧尾，用于

21、区分帧的起始和结束；flag 是数据分组标志，用于区别探索蚂蚁分组和普通数据传输分组；当 flag 为“1”时，此数据包为普通数据传输分组；当 flag 为“0”时，此数据包为蚂蚁路由维护分组；src 为源节点的地址标识；dest 为目的节点地址标识；life 为数据分组在网络中被转发的次数，即数据分组的寿命。数据分组每被转发一次，该值被减 1。当数据分组被转发次数超过设定值时，该数据分组被丢弃。当此数据包为蚂蚁路由维护数据包时，则认为该蚂蚁“死亡”。path1、path2、path3、path4 和 path5 为需要执行重发数据分组任务的载波节点地址标识。它实际上是数据分组被转发次序，也是

22、数据包传递的路由；Data为数据净载荷，数据包为蚂蚁路由维护分组，此部分数据为空；status 为请求/应答标识。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 21 期 刘晓胜等：电力线载波通信的自动路由方法研究 79 2.2.3 自动路由协议模型(LAARM)实现（1）度量标准与连通规则的确定。网络通信中路径的标注多为距离、信道带宽、平均通信量、通信开销、队列长度和时延等。这里采用距离“跳数”方式，即任意两个可以直接通信的节点，长度规定为单位距离 1；需要通过 1 个路由器来通信的两个节点，其长度为 2，以此类推。节点与长度关系如图 3 所示。考虑到网络传输时延和网络数据

23、“风暴”，中心节点 A 到任意节点的最大长度限定为 5。A B C D E F G H 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 图 3 部分网络节点拓扑通信结构示意图 Fig.3 Schematic plan of topology of part nodes（2）动态路径长度的计算。路径长度即为数据包经过路由器的个数。图 3中数据包从节点A需要经过节点B或节点C或节点D 才能够到达节点 E，因此，节点 A 到节点 E 的路径长度为 2。节点 A 到节点 H 的路径长度为 3，以此类推。当电力线信道质量发生变化时，每一个节点可以直接通信的节点距离

24、会发生变化，所需的路由位置和个数也会发生变化，某路径长度也必然会发生变化。（3）定时广播的本地节点路由维护。各节点在网络空闲时，定时生成和发送广播蚂蚁(broad_ant)，收到该广播蚂蚁包的节点则动态更新本节点的直接可达节点路由表(Sub_Table_i)，但此数据包不会被节点转发，以避免发生“广播风暴”。此时 dest 为某一特殊值(0 xFF)。（4）蚂蚁生成与蚂蚁丢弃方法。只有中心节点(这里节点 A)根据网络空闲状态和线路通信状态，定时或事件触发生成探索蚂蚁(search_ant)；当探索蚂蚁到达目的节点后，目标节点将更改原数据分组帧中的 src、dest、path1、path2、pa

25、th3、path4 和 path5 以及 status，按原路径返回中心节点；当一个探索蚂蚁经过 5 个路由器仍未到达目的节点时，该探索蚂蚁寿命被减为零，并被丢弃。（5）最大初始化与捷径增强规则。网络初始化时，各节点的信息素表为max。当某路径(r,s)长时间挥发时，rs(t+1)=rs(t),(r，s)0；当路径(r,s)sbest(sbest为迭代或全局最优解路径集)且(r，s)max时，rs(t，s)=max。（6）中继与搜索原则。由于每个电力线通信节点数据处理能力有限，并且没有普通路由器的队列缓冲能力，因此，对于普通数据包，每个普通的电力载波节点仅仅根据帧的内容与格式要求，决定或接收该

26、帧或重发该帧或放弃该帧。对于探索蚂蚁，每个普通节点根据自己的节点路由表(Sub_Table_i)中本节点地址编码与其它节点地址编码之差作为选择依据，即按式(1)选择下一个节点，并要满足式(2)成立：0allowedallowedarg max (,)(,)ifarg max (,)elsekkuur ur uqqsr u=(1)()()0udruIDIDIDID (2)其中：(r,u)=IDrIDu，IDr为当前节点地址编码；IDu为可选节点地址编码；IDd为目标节点地址编码；(r,u)为节点 r 和节点 u 地址编码差值的模，是一种启发式搜索信息。式(1)用来尽可能保证路由距离的最大化；式(

27、2)用来保证选择节点向目标节点方向移动。（7）最大蚂蚁数的限制。由于并不能保证中心节点生成的每一个搜索蚂蚁都能在有限路径长度内到达某一个指定节点，探索蚂蚁很可能在探索目标节点过程中“死亡”。因此，在每一次迭代过程中，需要指定最大蚂蚁数。最大蚂蚁数可取节点数的二倍。当搜索蚂蚁数超过最大蚂蚁数且无有效路径时，放弃本次迭代。该点将在中心节点路由表(Main_Table)中给出特殊标记，以便下一次新的路径搜索时再次尝试。（8）禁忌表。由于每个节点并不知道所有节点的地址编码，所有节点路由表(Sub_Table_i)中没有出现的节点实际上均在禁忌表中。此外，数据分组格式中路由地址(path1、path2、

28、path3、path4、path5)都是下一个节点选择时的禁忌数据，即保证已经在本次探索蚂蚁中充当过路由的节点不允许再次充当路由。3 仿真与试验研究 3.1 仿真研究 为检验算法的有效性，建立一个与实际系统相同的网络拓扑，即由 4 条支路组成一个星形网络，每条支路 16 个节点，中心节点为 1 号节点，并假设PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 80 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷 每个节点最远能覆盖相邻的 6 个节点。每只蚂蚁寿命最大为 5 跳。图 4 为每次迭代采用 20 只蚂蚁、对节点 65 进行路由搜索的一次 Matlab 仿真结果。其搜索出最佳中

29、继分别为节点 25 和节点 49 或节点 25 和节点 45。可见，最佳路由并不唯一，这也与实际情况相一致。图 5 为每次迭代采用 10 只蚂蚁、对节点 64 进行搜索路由的一次仿真结果。其搜索出最佳中继分别为节点 24 和节点 48。需要特别考虑的问题是，蚁群算法是一个随机搜索算法，也就是说是比较耗时的一种寻优过程。对于一个具有 65 个节点的电力线通信网络可以作如下估计：假设电力线通信速率 2400bps，数据包长度 15bytes，每批 10 蚂蚁，平均迭代搜索次数 15次，最远点寻优过程最长时间大约在 100s 左右。因此，尽管初次组网时建立中心节点整个路由表需要比较长的时间，但在正常

30、运行过程中仅需要对个别节点进行路由寻优维护，因此，该算法在实时性要求不是十分严格的实际应用领域是完全可行的。0 10 20 30 40 迭代次数 0 2 4 6 跳数/次数 图 4 搜索 65 号节点的仿真结果 Fig.4 Emulation result of searching No.65 0 10 20 30 40 迭代次数 0 2 4 6 跳数/次数 图 5 搜索 64 号节点的仿真结果 Fig.5 Emulation result of searching No.64 3.2 试验研究 作者采用了意法半导体公司最近推出的电力载波芯片 ST7538。该芯片是一款半双工、同步/异步 FS

31、K 调制解器，同时具有载波信号监听(CD_PD)和频段使用检测(BU)功能，可以在低压配电网上实现载波侦听多路访问(CSMA)协议。普通电力线载波节点采用 ATMEL 公司生产的、具有 8K Flash 的高性能微处理器 ATMEGA8L；作为中心控制节点的电力线载波通信模块，其 CPU 采用了同系列的高端微处理器 ATMEGA64，来提高程序存储空间和数据存储空间。图 1 是作者在某城市一条街道上建立的一套实际路灯照明应用系统结构示意图。该街道长约1.5km，有 64 个灯杆，一杆一灯。供电变压器和配电控制箱位于街道中间部位，向两侧引出 4 路配电线路。该变压器同时为附近居民区供电。中心控制

32、节点安装在配电控制箱内，每个灯杆安装一个普通电力线载波节点。中心控制节点到最远节点实测通信距离约 800m。表 1 给出了某一时刻的路由情况。从表 1 可以看出：没给节点通信覆盖距离并不完全相同，各支路情况已不尽相同。表 1 某时段的路由分配表情况 Tab.1 Routing assignment information 支路数 1 级路由 2 级路由 3 级路由 1 34 54 2 35 3 40 4 41 现场实践表明：除晚上 6:0010:30 时段外，中心节点可以与任意电力线载波节点直接通信，不需要任何路由；在晚上 7:008:30 时段内与最远点通信 最 多 需 要 两 级 路由；在

33、 晚上 6:007:00 和8:3010:30 时段内与最远点通信一般只需要一级路由。当然，充当路由的节点不是固定不变的。4 结论 本文利用蚁群算法，建立了基于类蚁群算法的电力载波通信自动路由模型。通过定时发送广播蚂蚁，建立普通节点路由信息表；通过定时发送探索蚂蚁，建立和维护中心控制节点路由信息表。通过路由与搜索条件的约束，保证了搜索的有效性和快速性。节点地址编号的规律性排放会进一步提高该方法的有效性。虽然类蚁群算法是一种比较耗时的路由寻优方法，但是它可以针对通信发生故障的单个节点进行寻优，此过程是短时完成的。另外，该模型方法不需要实时监测信道质量，当通信失败时即认为信道质量发生变化。因此，该

34、方法简化了对系统的软硬件要求，同时又可以针对通信发生故障的单个节点进行寻优，此过程是短时完成的。同时又可以比较好地提高网络的可靠性和抗毁性，适用于电网物PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 21 期 刘晓胜等：电力线载波通信的自动路由方法研究 81 理拓扑和信道质量经常变化的场合。随着配电网作为数据通信网的功能日益加强，电力线通信自动路由技术将是实现基于信息共享的配电自动化系统的关键性技术。它将为配电网的四遥、故障分析及处理、自动读表与负荷控制以及用户服务等提供更为实时化、人性化的服务。同时该技术可以广泛应用于普通工业和民用低压配电网系统的数据网络通信，为上述领域提

35、供了一种值得借鉴的方法。参考文献 1 程晓荣，苑津莎，侯思祖，等中压宽带电力线通信接入及信道特性测试与分析J电力系统及自动化，2005，29(14)：69-72 Cheng Xiaorong，Yuan Jinsha，Hou Sizu，et al Medium-voltage access of broadband PLC and test and analysis of channel characteristics JAutomation of Electric Power Systems，2005，29(14)：69-72(in Chinese)2 姜霞，Nguimbis，程时杰 低压配电

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46、，Chaiporn Jaikaeo Ant-based distributed topology control algorithms for mobile AD HOC networksJWireless Networks，2005，11(3)：299-317 收稿日期：2006-05-12。作者简介：刘晓胜(1966)，男，齐齐哈尔市人，副教授，博士后，主要从事网络通信、照 明电子学、智能控 制、智能 建筑等领 域研究，；周 岩(1968)，女，哈尔滨市人，在站博士后，副教授，主要从事数字化产品设计、无机非金属材料加工等领域研究；戚佳金(1979)，男，浙江诸暨人，博士研究生，主要从事电力载波通信研究。（编辑 王彦骏）PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建