劉曉勝 李延祥 王 娟 朱宏林 徐殿國

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院 哈爾濱 150000 2.蘇州匯川技術(shù)有限公司 蘇州 215104）

1 引言

低壓電力線通信（Low Voltage Power Line Communication，LVPLC）由于利用已有的遍布城鄉(xiāng)的電力傳輸線作為信息傳輸?shù)拿浇?，具有覆蓋面廣、投資少、運行及維護成本低等特點，因此在遠程智能抄表、路燈控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。然而電力線設(shè)計的初衷是用來傳輸電能而非數(shù)據(jù)信息，大量電器啟停、運行帶來的噪聲干擾，以及信號選擇性衰減，線路阻抗經(jīng)常波動等劣勢，常常導(dǎo)致通信鏈路失效，使得電力線通信的通信范圍過小，可靠性偏低，限制了大規(guī)模電力通信的應(yīng)用[2]。

國內(nèi)外關(guān)于提高低壓電力線載波通信可靠性方面的研究主要從增強物理層通信能力和建立網(wǎng)絡(luò)中繼（路由）兩個方面展開。前者主要集中在信道特性[3,4]、噪聲[5,6]、信源和信道編碼[7,8]、信號調(diào)制解調(diào)方式[9]等方面。后者主要集中在多級中繼路由算法的設(shè)計和改進上。目前已有多位學(xué)者對電力線通信動態(tài)路由算法進行了研究，取得了一定的成果，然而仍有許多不足。

文獻[10,11]借鑒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）中的分簇思想，提出了基于非交疊分簇的動態(tài)路由算法。該算法雖然具有層次清晰，組網(wǎng)迅速等優(yōu)點，然而由于只具有單一通信鏈路，一旦某一通信鏈路失效，必須進行局部甚至全局的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，頻繁的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)將帶來大量的網(wǎng)絡(luò)延時，不滿足電力線通信網(wǎng)絡(luò)的實時性和抗毀性要求。

文獻[12,13]利用蟻群算法、變異遺傳算法等智能算法，提出了基于QoS的動態(tài)路由組網(wǎng)算法，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是存在收斂速度慢，容易陷入局部最優(yōu)等問題。

文獻[14,15]提出了基于單層人工蛛網(wǎng)的分層動態(tài)路由算法，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但是存在蛛網(wǎng)中心節(jié)點間通信鏈路通信質(zhì)量依賴的問題。

本文根據(jù)電力線組網(wǎng)的一般特點和要求，將非交疊分簇算法和人工蛛網(wǎng)拓撲相結(jié)合，提出了一種新型的分簇蛛網(wǎng)混合多徑盲路由算法，結(jié)合通信協(xié)議的設(shè)計，詳細闡述了電力線網(wǎng)絡(luò)初始化、運行、維護與重構(gòu)等過程算法。最后通過仿真對比驗證了算法和協(xié)議的有效性和優(yōu)越性。

2 分簇蛛網(wǎng)混合算法的核心思想

2.1 低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)模型

低壓電力線網(wǎng)絡(luò)的典型拓撲結(jié)構(gòu)為樹形拓撲，完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點和子節(jié)點構(gòu)成。圖1為一種典型低壓電力線通信物理拓撲結(jié)構(gòu)[16]。變壓器二次側(cè)臺區(qū)為三相配電網(wǎng)，每相由一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責(zé)該相全部節(jié)點信息的收集和管理。由于不能跨相通信，三相之間在邏輯上相互獨立。因此只需以其中一相為例，研究其通信方法。

電力線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的通信范圍是有限的，雖然網(wǎng)關(guān)與各節(jié)點在物理上是連通的，但是在邏輯上卻可能是斷開的。假設(shè)臺區(qū)內(nèi)某相上子節(jié)點總數(shù)為n，由于通信距離或噪聲干擾等原因，網(wǎng)關(guān)只能與其中m個節(jié)點實現(xiàn)直接通信，對于其余子節(jié)點則需要通過建立中繼路由來實現(xiàn)間接通信。因此為了實現(xiàn)全網(wǎng)通信，必須先建立網(wǎng)關(guān)到部分子節(jié)點的邏輯通信鏈路，再由這些節(jié)點作為中繼路由，擴展通信范圍，由此形成電力線通信網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓撲。通常電力線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量和分布情況都是未知的。盲路由算法要解決的就是未知網(wǎng)絡(luò)邏輯拓撲的建立及維護等問題。

圖1 典型低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)物理拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 A typical low voltage power line communication physical topology

2.2 傳統(tǒng)非交疊分簇算法

分簇算法的基本思想是將網(wǎng)絡(luò)分成“簇”，每個簇由一個“簇頭”和若干個“簇員”組成?！按仡^”是按照某種分簇算法或規(guī)則選舉出來負責(zé)協(xié)調(diào)和管理簇內(nèi)其他節(jié)點的節(jié)點，簇內(nèi)除簇頭外其他節(jié)點稱為“簇員”[17]。一個簇頭節(jié)點也可以同時成為其他簇的簇員節(jié)點。

非交疊分簇算法規(guī)定已經(jīng)加入一個簇的節(jié)點不再加入其他簇，因而在各節(jié)點之間確定了唯一的通信鏈路，如圖2所示。例如網(wǎng)關(guān)節(jié)點0要與節(jié)點26通信，則需要依次以節(jié)點6和節(jié)點4為中繼，形成唯一通信鏈路 0-6-4-26。鏈路的唯一性明確了通信路徑，但同時帶來了頻繁網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的麻煩。

圖2 非交疊分簇結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Non-overlapping clustering structure

2.3 人工蛛網(wǎng)拓撲

人工蛛網(wǎng)算法是受到自然界中蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)抗毀性強的特點啟發(fā)而產(chǎn)生。其核心思想是將星型拓撲和環(huán)型拓撲相結(jié)合，從而形成網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。人工蛛網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)為通信提供了多條備用鏈路，極大地增強了通信的可靠性。

圖3 人工蛛網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Artificial cobweb topology structure

2.4 分簇蛛網(wǎng)混合算法

分簇蛛網(wǎng)混合算法將非交疊分簇算法通信鏈路明確，及人工蛛網(wǎng)拓撲可靠性強的優(yōu)點相結(jié)合。其核心思想是在組網(wǎng)階段，在簇內(nèi)建立鄰居鏈路，為每個簇內(nèi)成員提供至多兩條同層通信鏈路，作為原通信鏈路失效的備份。如果下行通信鏈路失效，節(jié)點可以以下層目的節(jié)點的某一鄰居節(jié)點作為中繼，實現(xiàn)與目的節(jié)點間的通信；如果上行通信鏈路失效，節(jié)點可以以自身的某一鄰居節(jié)點作為中繼，實現(xiàn)與上層節(jié)點間的通信。

如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點0要與節(jié)點26通信時，正常情況下的通信鏈路為0-6-4-26。若節(jié)點 4和節(jié)點26之間的通信鏈路失效，則節(jié)點4將以節(jié)點26的鄰居節(jié)點33為中繼，完成下行通信，從而形成新的通信鏈路 0-6-4-33-26；反過來節(jié)點 26以鄰居節(jié)點 33為中繼，完成上行通信，通信鏈路為26-33-4-6-0。

圖4 分簇蛛網(wǎng)混合拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Clustering-cobweb hybrid topology structure

3 通信協(xié)議設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

本文參考DL/T 645-1997[18]及DL/T 645-2007[19]通訊規(guī)約，結(jié)合電力線網(wǎng)絡(luò)需要多級中繼的特性進行路由算法的通信協(xié)議設(shè)計。

數(shù)據(jù)幀主要由幀頭、控制碼、源節(jié)點、目的節(jié)點、中繼節(jié)點、層數(shù)、數(shù)據(jù)長度域、數(shù)據(jù)域、校驗碼和幀尾等幾部分構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式Fig.5 Normal data frame

具體格式根據(jù)相應(yīng)功能有所不同，數(shù)據(jù)幀的種類通過控制碼加以區(qū)別，幀中各部分除數(shù)據(jù)域和中繼節(jié)點域外各占一個字節(jié)。

幀頭和幀尾分別為68 H和16 H，用以標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束；控制碼用來區(qū)分數(shù)據(jù)幀的種類，其具體含義見表1；源節(jié)點表示發(fā)送節(jié)點的物理ID；目的節(jié)點表示數(shù)據(jù)幀要送到的節(jié)點的物理ID；中繼節(jié)點域用來存放源節(jié)點到目的節(jié)點之間需要經(jīng)過的中繼節(jié)點的物理 ID，具體長度視網(wǎng)絡(luò)中繼級數(shù)而定。對于m級中繼網(wǎng)絡(luò)，中繼節(jié)點域為m?1字節(jié)。若經(jīng)過的中繼節(jié)點數(shù)不足 m?1，則在空缺的位用FFH補全；層數(shù)表示源節(jié)點或目的節(jié)點所在的層數(shù)；數(shù)據(jù)長度域用來標(biāo)識數(shù)據(jù)域的長度；數(shù)據(jù)域用來存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)；校驗碼為從幀起始符開始到校驗碼之前的所有各字節(jié)的模256的和。

表1 控制碼及其含義對照表Tab.1 Control codes and corresponding meanings

3.2 路由表格式設(shè)計

此外還對各節(jié)點路由表的格式進行了設(shè)計，包括子節(jié)點本地路由表和網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表。格式如圖6和圖7所示。子節(jié)點本地路由表需要記錄節(jié)點所在層數(shù)，節(jié)點的兩個鄰居節(jié)點和上一層的中心節(jié)點以及全部子節(jié)點物理ID。網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表需要記錄各子節(jié)點的物理ID及其所在層數(shù)和該節(jié)點的上一層中心節(jié)點。

圖6 子節(jié)點本地路由表格式Fig.6 Child node local routing table format

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表格式Fig.7 Gateway node routing table format

網(wǎng)關(guān)節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時采用層層查找的方式，無需記錄各子節(jié)點的所有中繼節(jié)點。如圖4中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點0要與節(jié)點10進行通信，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點0查找網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表，發(fā)現(xiàn)節(jié)點10上層中心節(jié)點為節(jié)點11，節(jié)點11上層中心節(jié)點為節(jié)點1，節(jié)點1上層節(jié)點為節(jié)點0，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點確定了與節(jié)點10的通信路徑0-1-11-10。按照該思路，可以唯一確定網(wǎng)關(guān)節(jié)點與任意節(jié)點的通信路徑。

這種路由表格式占用內(nèi)存小，大大節(jié)省了網(wǎng)關(guān)節(jié)點的存儲空間，有利于擴大網(wǎng)關(guān)節(jié)點的通信范圍。

下面將結(jié)合網(wǎng)絡(luò)邏輯拓撲的建立和維護等過程，對網(wǎng)絡(luò)通信各過程中常用到的數(shù)據(jù)幀及兩種路由表的記錄和修改方式作以詳細介紹。

4 分簇蛛網(wǎng)混合盲路由組網(wǎng)初始化算法

4.1 前提與假設(shè)

電力線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的過程實際上就是建立網(wǎng)絡(luò)通信邏輯拓撲的過程，為了便于討論，作如下假設(shè)。

（1）網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都具有唯一的物理地址，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的物理地址為0，其他子節(jié)點的物理地址依次為1,2,…,n（n≤255）。

（2）任意節(jié)點至少可以與1個其他節(jié)點通信，即網(wǎng)絡(luò)中不存在孤立點。

（3）電力線通信鏈路為對稱鏈路，即兩節(jié)點間可以實現(xiàn)雙向通信。

（4）采用 P-堅持的CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免）協(xié)議，以避免數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生信道沖突。

（5）為了便于比較通信誤碼率，規(guī)定所有組網(wǎng)幀發(fā)送一組固定數(shù)據(jù)。

4.2 路由組網(wǎng)初始化算法

分簇蛛網(wǎng)混合多徑盲路由組網(wǎng)算法的步驟如下。

（1）上電后網(wǎng)關(guān)節(jié)點邏輯層數(shù)默認為0，所有子節(jié)點邏輯層數(shù)默認為6，網(wǎng)關(guān)及各子節(jié)點路由表為空。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)幀，源節(jié)點為0，層數(shù)為0。組網(wǎng)幀格式如圖 8。假設(shè)收到該組網(wǎng)幀的節(jié)點數(shù)為m個，則該 m個節(jié)點自動加入邏輯層 1，并按照CSMA協(xié)議依次向網(wǎng)關(guān)節(jié)點返回應(yīng)答幀，應(yīng)答幀格式如圖9所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點在收到應(yīng)答幀后將節(jié)點相關(guān)信息寫入網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表中。

圖8 組網(wǎng)幀F(xiàn)ig.8 Networking frame

圖9 應(yīng)答幀F(xiàn)ig.9 Response frame

（2）節(jié)點在收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送的組網(wǎng)幀后，等待一定時間 T，確保所有節(jié)點都已經(jīng)完成對組網(wǎng)幀的響應(yīng)。在定時T結(jié)束后，已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)（成功發(fā)送應(yīng)答幀）的各節(jié)點將原組網(wǎng)幀中的源節(jié)點改為自身物理ID，層數(shù)加1，形成新的組網(wǎng)幀，同樣按照CSMA協(xié)議依次向周圍發(fā)送，直至邏輯層1內(nèi)的所有節(jié)點都發(fā)送完組網(wǎng)幀。

這期間，顯然邏輯層1內(nèi)的節(jié)點一方面向周圍發(fā)送組網(wǎng)幀，一方面也會收到來自同層其他節(jié)點的組網(wǎng)幀。收到組網(wǎng)幀的節(jié)點判斷自身層數(shù)與源節(jié)點的層數(shù)關(guān)系。

① 若兩者相等，說明發(fā)送方與接收方位于同一邏輯層，則接收方將發(fā)送方 ID及與其通信的誤碼率記錄下來，至邏輯層1組網(wǎng)結(jié)束時，將所有發(fā)送節(jié)點中與其通信的誤碼率最小的兩個節(jié)點作為其鄰居節(jié)點記錄在本地路由表中。

② 若接收方層數(shù)大于發(fā)送方，接收節(jié)點自動加入邏輯層 2，并向發(fā)送方回復(fù)應(yīng)答幀，表示加入發(fā)送節(jié)點所在的簇內(nèi)，成為其簇員節(jié)點。此后不再對其他來自邏輯層1的組網(wǎng)幀作處理。發(fā)送方在收到應(yīng)答幀后，將簇員節(jié)點物理 ID記錄在本地路由表中，同時向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送節(jié)點信息上報幀，報告新節(jié)點加入信息。假設(shè)源節(jié)點為6，新節(jié)點為4，位于邏輯層2，則節(jié)點信息加入幀格式如圖10。

圖10 節(jié)點信息上報幀F(xiàn)ig.10 Node information reporting frame

③ 若接收方層數(shù)小于發(fā)送方（在這里接收方只能是網(wǎng)關(guān)節(jié)點），則不作處理。

節(jié)點在收到組網(wǎng)幀后等待連續(xù)的一段時間 T，若一直沒有再收到組網(wǎng)幀，說明邏輯層1的所有節(jié)點都已經(jīng)完成了組網(wǎng)幀的發(fā)送。

（3）重復(fù)步驟（2），直到所有接收節(jié)點中不存在位于發(fā)送節(jié)點下一層（即未加入網(wǎng)絡(luò)）的節(jié)點，說明所有節(jié)點都已加入網(wǎng)絡(luò)，此后不會再產(chǎn)生新的組網(wǎng)幀。網(wǎng)關(guān)節(jié)點經(jīng)過一定時間Tm，仍未收到新的節(jié)點信息上報幀，表示所有節(jié)點都已加入網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)過程隨即完成。

按照此算法進行組網(wǎng)，無需事先知道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量和分布情況，實現(xiàn)了未知網(wǎng)絡(luò)邏輯拓撲的建立。

5 網(wǎng)絡(luò)運行、維護及重構(gòu)算法

5.1 網(wǎng)絡(luò)運行過程

網(wǎng)絡(luò)運行過程主要涉及到網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播命令幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點單播命令幀，一般數(shù)據(jù)幀，應(yīng)答幀等。

根據(jù)電力線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集要求的不同，設(shè)計了命令標(biāo)識碼作為二級控制碼，具體含義見表3。這里以讀取本地路由表信息（02H）為例，作以詳細介紹。

表2 命令標(biāo)識碼及其含義對照表Tab.2 Command identifiers and corresponding meanings

網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播命令幀用于收集全網(wǎng)信息，幀格式如圖11。收到廣播命令幀的節(jié)點向網(wǎng)關(guān)節(jié)點返回相應(yīng)一般數(shù)據(jù)幀，并轉(zhuǎn)發(fā)該廣播幀，直至傳到末端節(jié)點。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點單播命令幀用于收集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一節(jié)點的信息。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)支持6級中繼，若網(wǎng)關(guān)節(jié)點0要以節(jié)點6和節(jié)點4為中繼，向節(jié)點26發(fā)送單播命令幀，則單播命令幀格式如圖12。

圖11 網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播命令幀F(xiàn)ig.11 Gateway node broadcast command frame

圖12 中心節(jié)點單播命令幀F(xiàn)ig.12 Center node unicast command frame

下層節(jié)點在收到上層節(jié)點發(fā)送的命令幀后，向發(fā)送方回復(fù)應(yīng)答幀（如圖9）表示接收成功。

對于一般數(shù)據(jù)幀，只需按照中心節(jié)點一層一層的向上轉(zhuǎn)發(fā)，就可以發(fā)送到目的節(jié)點，幀格式如圖13所示。上層節(jié)點在收到下層節(jié)點發(fā)送的一般數(shù)據(jù)幀后，向發(fā)送方回復(fù)應(yīng)答幀（如圖 9）表示接收成功。

圖13 一般數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.13 General data fra me

5.2 新節(jié)點加入過程

新節(jié)點加入過程主要涉及到節(jié)點申請加入幀，組網(wǎng)幀，應(yīng)答幀，節(jié)點信息上報幀等。

已經(jīng)完成組網(wǎng)過程的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，可能會有新的節(jié)點加入。該節(jié)點在收到來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)幀后，如果發(fā)現(xiàn)自身路由表為空，說明節(jié)點尚未加入網(wǎng)絡(luò)。則該節(jié)點此時應(yīng)主動向周圍發(fā)送節(jié)點申請加入幀，申請加入網(wǎng)絡(luò)，幀格式如圖 14所示。

圖14 節(jié)點申請加入幀F(xiàn)ig.14 Node applying for joining frame

收到該幀的節(jié)點再次向周圍發(fā)送組網(wǎng)幀，幀格式如圖 8。新節(jié)點對收到的各組網(wǎng)幀的處理過程同本文4.2節(jié)中步驟（2）。至此完成節(jié)點加入過程。

5.3 鏈路及節(jié)點失效與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，若發(fā)送命令幀或數(shù)據(jù)幀的一方?jīng)]有及時收到接收方的應(yīng)答幀，認為原通信鏈路失效。此時需要啟動鏈路失效恢復(fù)過程。鏈路失效恢復(fù)過程主要涉及到更新路由信息幀。

5.3.1鏈路失效過程

如果在通信過程中發(fā)現(xiàn)節(jié)點的上行通信鏈路失效，只需將節(jié)點的1個鄰居節(jié)點作為中繼節(jié)點，即可恢復(fù)通信。

如果是下行鏈路失效（通常都是這種鏈路失效），則重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并在數(shù)據(jù)幀的控制碼中加入鏈路失效標(biāo)識，幀格式如圖15。收到該幀的節(jié)點判斷自身是否為原目的節(jié)點的鄰居節(jié)點。若是，則將該幀還原為原數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目的節(jié)點。反過來目的節(jié)點收到數(shù)據(jù)幀后，以該鄰居節(jié)點為中繼向上返回相應(yīng)數(shù)據(jù)幀。

圖15 帶有鏈路失效標(biāo)識的數(shù)據(jù)幀格式Fig.15 Data frame with link failure identifier

5.3.2節(jié)點失效及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過程

如果經(jīng)過一定延時，仍然未能及時返回目的節(jié)點的信息，則認定節(jié)點失效。對其進行快速局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

通過上一層鄰居節(jié)點向下發(fā)送組網(wǎng)幀，為失效節(jié)點尋找新的中心節(jié)點。若快速局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)完成，則由新的中心節(jié)點通過多級中繼向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送更新路由信息幀，報告重構(gòu)后原失效節(jié)點的路由更新信息，更改本地路由表和網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表。更新路由信息幀格式如圖16所示。

圖16 更新路由信息幀F(xiàn)ig.16 Updating routing information frame

5.4 節(jié)點退出過程

5.4.1節(jié)點被動退出

如果快速局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)沒有找到失效節(jié)點，則認為失效節(jié)點已經(jīng)脫離網(wǎng)絡(luò)，稱這種情況為節(jié)點被動退出。此時失效節(jié)點的原上層中心節(jié)點向上返回節(jié)點被動退出幀，直至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，報告節(jié)點異常，提醒檢修人員檢修。假設(shè)節(jié)點26被動退出，則由其上層中心節(jié)點4向網(wǎng)關(guān)發(fā)送的幀格式如圖17所示。

圖17 節(jié)點被動退出幀F(xiàn)ig.17 Node exit passively frame

5.4.2節(jié)點主動退出

如果節(jié)點由于某種原因需要退出網(wǎng)絡(luò)（如線路改造、拆除等問題），需要事先通知其上層節(jié)點及網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

當(dāng)節(jié)點需要主動退出網(wǎng)絡(luò)時，需要發(fā)送節(jié)點主動退出幀（見圖18）至其下層子節(jié)點及網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

其下層子節(jié)點需要進行快速局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，尋找新的上層中心節(jié)點，具體步驟不再贅述。網(wǎng)關(guān)節(jié)點收到退出幀后刪除路由表中關(guān)于該節(jié)點的全部信息，并發(fā)送節(jié)點退出許可幀（見圖19）至待退出節(jié)點，提示節(jié)點可以完成退出。

圖18 節(jié)點主動退出幀F(xiàn)ig.18 Node exit actively frame

圖19 節(jié)點退出許可幀F(xiàn)ig.19 Node exit permit frame

至此完成節(jié)點退出過程。

通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀長度一般不超過10字節(jié)，降低了系統(tǒng)開銷，提高了通信的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，具有良好的推廣和實用價值。

6 仿真與對比實驗

6.1 組網(wǎng)初始化算法仿真

為了驗證路由算法的有效性，利用Matlab對算法進行了仿真研究。

在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)隨機分布40個節(jié)點（滿足假設(shè)條件），網(wǎng)關(guān)節(jié)點位于區(qū)域中心，物理ID為0，其余節(jié)點編號為1,2,3,…,39。為了模擬電力線信道的時變性和隨機性，設(shè)置節(jié)點間有效通信距離在20～25 m范圍內(nèi)變化。分別采用傳統(tǒng)分簇算法和本文提出的分簇蛛網(wǎng)混合算法進行組網(wǎng)，仿真結(jié)果如圖20和圖21所示。

可以明顯看出，非交疊分簇算法雖然結(jié)構(gòu)簡單、邏輯清晰，但是由于只具有單一通信鏈路，抗干擾性能較差；而分簇蛛網(wǎng)混合算法在原有算法的基礎(chǔ)上增加了鄰居鏈路，提供了備用鏈路，減少了頻繁網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的麻煩，在一定程度上保證了通信的可靠性和穩(wěn)定性。

圖20 傳統(tǒng)分簇算法仿真結(jié)果Fig.20 Traditional clustering algorithm simulation

圖21 分簇蛛網(wǎng)混合算法仿真結(jié)果Fig.21 Clustering-cobweb hybrid algorithm simulation

6.2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法仿真

由圖21可知，每個節(jié)點有唯一上層中心節(jié)點和至多兩個鄰居節(jié)點，如對于18節(jié)點，其與網(wǎng)關(guān)節(jié)點的默認通信路徑為0-6-30-18；對于 26節(jié)點，其與網(wǎng)關(guān)節(jié)點的默認通信路徑為0-6-4-26。

當(dāng)30和18節(jié)點間通信鏈路失效時，30節(jié)點將選擇24節(jié)點作為中繼與18節(jié)點通信，形成通信路徑 0-6-30-24-18。

然而，如果4和26節(jié)點間通信鏈路失效，由于4節(jié)點的子節(jié)點中不存在 26節(jié)點的鄰居節(jié)點（33節(jié)點雖然是26節(jié)點的鄰居節(jié)點，但是卻無法收到4節(jié)點的鏈路失效幀，所以無法實現(xiàn)通信鏈路恢復(fù)），所以 26節(jié)點成為失效節(jié)點。由 4節(jié)點的鄰居節(jié)點19和38發(fā)起組網(wǎng)幀，結(jié)果19節(jié)點得到26節(jié)點的應(yīng)答幀，于是通信鏈路變成0-6-19-26。

圖22 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法仿真結(jié)果Fig.22 Network reconstruction algorithm simulation

節(jié)點加入及退出情況較為簡單，在此不作贅述。

通過以上仿真結(jié)果可以看出，本文提出的低壓電力線分簇蛛網(wǎng)混合多徑盲路由算法可以快速有效的實現(xiàn)低壓電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯拓撲的組網(wǎng)、運行、維護和重構(gòu)等問題。

6.3 路由表開銷對比

隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)的增加，路由表的開銷也會隨之增大。傳統(tǒng)路由通信協(xié)議采用 1-0鄰接矩陣的形式記錄本地路由信息，每個節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的通信情況都要被記錄，即每個節(jié)點所占用的存儲空間為n字節(jié)，組網(wǎng)完成后，路由表中必將存在大量的0值，同時由于一個節(jié)點可能與很多節(jié)點可以實現(xiàn)通信，從而造成路由路徑不明確，給自動中繼帶來一定的麻煩。

本文采用層層查找的方式進行自動路由，網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表中只記錄每個節(jié)點的物理ID、所在層數(shù)以及該節(jié)點的上一層中心節(jié)點ID，即每個節(jié)點所占用的存儲空間僅為3字節(jié)，同時由于唯一確定了節(jié)點的通信路徑，使得自動中繼過程更加簡便易行，大大提高了效率。

假設(shè)一個節(jié)點的地址占用1字節(jié)存儲空間，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)為n，中繼級數(shù)為6，則1-0矩陣式網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表所占用的存儲空間是n2個字節(jié)；而采用本文所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)節(jié)點路由表所占用的存儲空間為3 n個字節(jié)。從圖23以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的增加，1-0矩陣式路由表的路由開銷將遠大于層層查找式路由表。

圖23 兩種路由表開銷對比Fig.23 Overhead of two types of routing table

顯然，本文提出的層層查找式路由表在節(jié)省路由開銷和簡化中繼過程方面具有其他路由表設(shè)計方法不可比擬的優(yōu)勢。

6.4 通信可靠性分析

通信可靠性是衡量路由算法優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

設(shè)各條通信鏈路失效概率用 p來表示，中繼級數(shù)用m來表示，每級通信的成功率用P0來表示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點成功將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)侥康墓?jié)點的概率用P來表示。

則對于傳統(tǒng)分簇算法，只有當(dāng)每級通信都成功時，才能完成網(wǎng)關(guān)到目的節(jié)點的通信。每級通信的成功率P0為

因此通信成功率P為

對于分簇蛛網(wǎng)混合算法，每級通信的成功率P0為

因此通信成功率P為

表 3為假設(shè)各條通信鏈路失效的概率均為p=0.1，分別采用傳統(tǒng)分簇算法和分簇蛛網(wǎng)混合算法時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點成功將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)侥康墓?jié)點的概率P隨中繼級數(shù)m增加的變化情況。表4為假設(shè)中繼級數(shù)m=6，分別采用兩種算法的通信成功率P隨鏈路失效概率p增加的變化情況。

表3 p=0.1時，P隨m增加的變化Tab.3 The change of P with the increase of m when p=0.1

表4 m=6時，P隨p增加的變化Tab.4 The change of P with the increase of p when m=6

從表中可以看出，隨著中繼級數(shù)的增加，采用傳統(tǒng)分簇算法時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點與目的節(jié)點的通信成功率會下降得非?？?，而分簇蛛網(wǎng)混合算法的通信成功率卻幾乎不受中繼級數(shù)的影響；另一方面，在相同中繼級數(shù)（6級中繼深度）的情況下，當(dāng)信道質(zhì)量較差時，采用傳統(tǒng)分簇算法的通信成功率已經(jīng)很難達到要求；而分簇蛛網(wǎng)混合算法的通信成功率仍然高于0.6。

以上兩組對比充分說明了在中繼級數(shù)增加和信道質(zhì)量惡化的情況下，分簇蛛網(wǎng)混合算法比傳統(tǒng)分簇算法具有更高的可靠性和穩(wěn)定性，為電力線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠運行提供了優(yōu)良的保障，具有良好的應(yīng)用前景。

7 結(jié)論

本文首先分析了低壓電力線通信的特點，提出了多級中繼路由的必要性。

接著分析了傳統(tǒng)非交疊分簇路由算法、蟻群優(yōu)化算法以及人工蛛網(wǎng)算法等的優(yōu)勢和不足，進而提出了一種基于分簇蛛網(wǎng)混合的新型多徑盲路由算法。并結(jié)合通信協(xié)議的設(shè)計，給出了低壓電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯拓撲的組網(wǎng)、運行、維護和重構(gòu)等問題的解決方案。

最后通過仿真分析、路由表開銷和通信可靠性分析驗證了算法和協(xié)議的有效性和優(yōu)越性。結(jié)果表明，本文提出的分簇蛛網(wǎng)混合算法能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效的網(wǎng)絡(luò)建立和重構(gòu)；通信協(xié)議實現(xiàn)簡單、開銷小、穩(wěn)定性高，對于提高通信的可靠性具有積極的意義。

今后的研究方向?qū)⑹峭ㄟ^吞吐量、延時等指標(biāo)的具體分析驗證協(xié)議的有效性；以及考慮如何保證算法的QoS性能及在不對稱鏈路情況下算法及通信協(xié)議的改進。

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