电力线载波通信的自动路由方法研究

第26卷第21期中国电机工程学报Vol.26No.21Nov.20062006年11月ProceedingsoftheCSEE©2006Chin.Soc.forElec.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：470⋅40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)MethodStudyofAutomaticRoutingforPowerLineCommunicationLIUXiao-sheng,ZHOUYan,QIJia-jin(HarbinInstituteUniversity,Harbin150001,HeilongjiangProvince,China)ABSTRACT:ThereliabilityofPowerLineCommunication(PLC)isthemostimportantoneofthefactorsthatlimittheapplicationofPLCinpracticeseriously.ThespecialtiesandthemethodsofbuildingupthePLCnetworksarediscussedintheviewofcommunicationreliability,andthenecessityofroutingautomaticallyisanalyzedsimply.AkindofantcolonyalgorithmsnamedLike-AntColonyAlgorithm(LACA)isputforward,whichisapplicableforcommunicatinginlow-voltagenetworks,andtheframeofautomaticroutingprotocolandtherelativeautomaticroutemodelaregiven.Withthismodel,thequalityofchannelscanbeidentifiedreal-time,andthedynamicroutetablesofPLCnodescanbemodifiedtokeeptheavailablestateofcommunicationasfollowingthechangeofchannelquality,andaneffectivemethodofsearchingtheoptimumrouteforPLCispresentedforbuildingupgeneralcontrollingnetworks.TheemulationandtheexperimentationindicatethattheLACAisasimpleandeffectivemethodofextendingthedistanceandimprovingthereliabilityofPLC.KEYWORDS:powerlinecommunication;like-antcolonyalgorithm;automaticroute;low-voltagenetwork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-antcolonyalgorithm)，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-voltagenetwork)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(powerlinecommunication,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(broadbandoverpowerline,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2~30MHz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(narrowoverpowerline,NPL)通信技术，即指带宽限定在3~500kHz、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、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pdfFactoryPro试用版本创建期刘晓胜等：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Adhoc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：①4条路灯配电网支路物理连通；②任意相邻的两个节点都能够保证电力线通信正确和可靠；③通信逻辑拓扑图为无向图；④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pdfFactoryPro试用版本创建卷路为例，节点26可以与节点46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380V10kV非路灯负载62585046262266359514727233424486452549651图1基于电力载波通信路灯监控系统物理拓扑结构图Fig.1PhysicaltopologystructuregraphofstreetlightingsystembasedonPLC2.2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](antcolonyalgorithm,ACA)，也称蚁群优化算法(antcolonyoptimization,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(artificialants)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