臧軍賀

（中鋼石家莊工程設(shè)計研究院有限公司 石家莊 050021）

1 引言

當(dāng)前智能電網(wǎng)對通信技術(shù)的依賴程度越來越高，工業(yè)化的供配電系統(tǒng)更需要復(fù)雜的智能電網(wǎng)技術(shù)的支撐［1］。通常將智能電網(wǎng)中的各種應(yīng)用的通信技術(shù)分為三個層級：廣域通信網(wǎng)、場域網(wǎng)絡(luò)和家域網(wǎng)［2］。每種類型的網(wǎng)絡(luò)包含了多種多樣的通信技術(shù)來滿足信息傳輸?shù)男枨蟆＠?，光纖網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的通信速率和較低的時間延遲，通常用來滿足廣域通信網(wǎng)長距離大容量的信息傳輸［3］；無線網(wǎng)絡(luò)由于靈活性強，在環(huán)境較為惡劣的場景下具有獨特的優(yōu)勢；RS485在工業(yè)應(yīng)用中較為常見，是由于能夠在場域網(wǎng)絡(luò)強干擾和噪聲環(huán)境中能夠提供穩(wěn)定傳輸［4］。除此之外，電力線通信（PLC）作為電力系統(tǒng)特有的通信技術(shù)，因其安全性高、安裝便捷、投資成本低［5］，成為工業(yè)供配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信中最優(yōu)競爭力的通信技術(shù)，已經(jīng)有成熟的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用［6］。

當(dāng)前PLC路由協(xié)議大多照搬現(xiàn)有技術(shù)，忽視了PLC承擔(dān)的混合通信業(yè)務(wù)，包括智能電網(wǎng)的窄帶和寬帶通信［7］。本文基于節(jié)點間信道狀態(tài)信息，提出了一種基于相鄰節(jié)點關(guān)系的信道傳輸，其相鄰關(guān)系并不反映節(jié)點之間的物理距離，而是取決于其間的信道狀態(tài)信息（CSI）。節(jié)點在傳輸容量需求和CSI的要求下選擇其相鄰節(jié)點作為潛在路由節(jié)點。通過選擇合適的相鄰節(jié)點，路由協(xié)議在避免往返重傳，確定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，避免了相鄰?jié)點之間的往返傳輸，同時實現(xiàn)了最小路由跳數(shù)到達目標(biāo)節(jié)點，有效地減少了信息傳輸?shù)难舆t。

2 工業(yè)供配電系統(tǒng)

2.1 電力線通信模型（PLC）

由于電力線的結(jié)構(gòu)決定了傳遞函數(shù)對頻率傳播敏銳性，在對頻率進行選擇的過程中通信節(jié)點會加劇傳遞函數(shù)在各分支和工業(yè)配電過程中的可變負(fù)載［8］。經(jīng)典的電力線拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。

由圖1所示，頻率與結(jié)構(gòu)決定了信道傳輸?shù)男?，以?jié)點4與其他節(jié)點之間的傳遞函數(shù)為例，其幅值響應(yīng)如圖2所示。

圖2 信道傳輸節(jié)點4的傳遞函數(shù)

由圖2所示，當(dāng)傳遞函數(shù)頻段處在0～5MHz時，節(jié)點4和節(jié)點3之間的信號衰減最小，而節(jié)點4和節(jié)點2之間的信號衰減最大。這恰恰說明了傳遞函數(shù)對信號結(jié)構(gòu)與頻率選擇具有依賴性［9］。當(dāng)單一用戶訪問系統(tǒng)時，僅占用極少的信道即可滿足接入的要求，進而對較寬的信道頻寬造成資源上的浪費。當(dāng)較多用戶同時并發(fā)訪問系統(tǒng)時，不同的信號指令指揮著信道中不同的收發(fā)節(jié)點，加速了多節(jié)點對同一信號的資源共享模式。

在實際的工業(yè)用電過程中，當(dāng)接通或者斷開設(shè)備操作時，非線性的電氣設(shè)備同時運行將對PLC帶來高頻噪聲影響［10］。頻率在信道傳輸中不可避免地受到噪聲源發(fā)出的噪聲干擾，從而對于網(wǎng)絡(luò)任意節(jié)點處同樣具有頻率選擇特性。鑒于隨機性的噪聲資源和復(fù)雜性的網(wǎng)絡(luò)傳輸，噪聲與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的關(guān)系描述變得尤為困難。利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式可以得到噪聲的特性，并證實了加性噪聲是影響電力線中噪聲周期和脈沖平穩(wěn)的關(guān)鍵因素［11］。因此，若將總帶寬B劃分為K個子載波，第i個子載波上的信號發(fā)送功率為Pi，信道的傳遞函數(shù)為H(f)，噪聲功率為PNi，則收發(fā)器之間第i個子載波上的信噪比（SNR）為

2.2 相鄰節(jié)點識別

在工業(yè)供配電中，由于不同的電氣設(shè)備架接的距離和接入的分支眾多，其節(jié)點之間的通信是否能暢通，依賴于信號源發(fā)送功率、接收點處的噪聲、分支點結(jié)構(gòu)等因素。因此，僅以電力線通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪砼袛喙?jié)點之間的通信狀態(tài)將會帶來較大誤差，并對工業(yè)用電帶來安全隱患。

為了解決PLC信道的頻率選擇性和結(jié)構(gòu)敏感性特征，本研究通過定義兩節(jié)點間的閾值，若SNR大于給定閾值時則認(rèn)為這兩個節(jié)點為相鄰節(jié)點。應(yīng)對工業(yè)供配電網(wǎng)中負(fù)載隨機性地接入、退出而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化和信道狀態(tài)變化方面，具有較強的靈活性。利用每次發(fā)送數(shù)據(jù)前的信噪比估計結(jié)果對當(dāng)前相鄰節(jié)點信息進行檢查和更新，能夠及時發(fā)現(xiàn)信道的變化而導(dǎo)致的節(jié)點間通信狀態(tài)的變化，從而保證網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)的可靠性和時效性。

3 電力線通信的跨層信息選擇

3.1 跨層信息

在傳統(tǒng)的主從（M-S）系統(tǒng)中的資源分配通常由中央?yún)f(xié)調(diào)器（CCo）執(zhí)行，根據(jù)分配的結(jié)果從節(jié)點觸發(fā)調(diào)整不同帶寬上的功率分配［12］，這將給CCo帶來過多的通信負(fù)載開銷。在發(fā)送端獲得與其相鄰節(jié)點之間的信道響應(yīng)進而對信道狀態(tài)進行估計，利用信道資源分配算法能夠在功率和帶寬受限的條件下獲得最大的信道容量［13］。因此，本研究采用多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的分布式通信方式，即無須CCo節(jié)點協(xié)調(diào)僅通過自由競爭獲得信道。根據(jù)香農(nóng)定理，定義Bu和Bb分別代表帶寬的上下限，Pk和PN,k(f)分別代表第k個子載波的信號功率和噪聲功率PLC的信道容量為

對于每個發(fā)送端，最大功率分配通常采用注水（WF）算法來實現(xiàn)。然而WF協(xié)議相對于定功率分配優(yōu)勢并不明顯，尤其是相鄰節(jié)點之間的信道狀態(tài)足夠好（SNR大于閾值）的情況下，二者能夠獲得幾乎相同的信道容量。因此，本研究每個發(fā)送端根據(jù)可用載波數(shù)量等分地注入功率。本文使用2MHz～30MHz帶寬，并且注入功率譜密度的FCC限制為-60dBm/Hz，假設(shè)Pi,k和Pi_max分別代表第k個子載波的功率和節(jié)點i的總可用功率，PFCC表示子載波的最大功率限制。因此，每個子載波的發(fā)射功率為

由于總功率被平均分配，因此每個子載波具有相同的發(fā)送功率。通過資源分配，發(fā)送端的MAC層可以評估其與相鄰節(jié)點間的信道容量［14］。因此，每個節(jié)點可構(gòu)建一個相鄰節(jié)點的本地路由器表，指示相鄰節(jié)點信息以及可用帶寬和信道容量，即從MAC層到網(wǎng)絡(luò)層的跨層信息，如表1所示。

表1 路由信息表

通過表1可知，此時的MAC層尋址不僅考察節(jié)點連接信息，還需關(guān)注可用帶寬、相關(guān)信道容量的物理層信息，此即為物理層和MAC層之間信息跨層的概念。當(dāng)新的數(shù)據(jù)幀到來時，發(fā)送端檢測目的節(jié)點地址，如果目的節(jié)點在本地路由表，表明發(fā)送端與接收端是相鄰節(jié)點，無須其它路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)送端直接從本地路由表中選擇滿足通信需求的子信道。發(fā)送端對子信道選擇應(yīng)遵循兩個原則［15］：1）信道容量滿足傳輸要求；2）獲得盡可能高的帶寬效率。帶寬效率表示單位帶寬的信道容量：

由上式可見，在多節(jié)點分布式混合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)中，維持較高的帶寬效率是極為必要的：既要保證不同的業(yè)務(wù)獲得相應(yīng)的寬帶/窄帶通信，又要盡可能實現(xiàn)節(jié)點間的公平接入。如果目的節(jié)點不在發(fā)送端的本地路由表中，需要選擇相鄰節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，啟用基于跨層信息的路由協(xié)議。

3.2 避免網(wǎng)絡(luò)重傳

網(wǎng)絡(luò)重傳避免的目的是保證信息沿著有效路徑傳輸。若接收端不在發(fā)送端的本地路由表中，需要啟用路由過程。由于每個節(jié)點并不掌握全局的節(jié)點連接信息，不能區(qū)分其相鄰節(jié)點的方向。網(wǎng)絡(luò)重傳可發(fā)生在源于中間和兩側(cè)位置，用S表示發(fā)送端，D表示接收端，節(jié)點N1、N2和S互為相鄰節(jié)點。導(dǎo)致兩種類型的網(wǎng)絡(luò)重傳如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)重傳圖

由圖3所示，（a）為路由節(jié)點收到信息后再次發(fā)給發(fā)送端，這在有線通信中較為常見，可以通過禁止路由節(jié)點向信息的來源端轉(zhuǎn)發(fā)而避免。（b）中由于節(jié)點N1，N2和S彼此是相鄰節(jié)點，它們可以選擇彼此作為下一跳的潛在路由節(jié)點，S通過判斷將信息發(fā)送給N1，而不是N2，但N1節(jié)點若將S發(fā)來的信息轉(zhuǎn)發(fā)給N2將會形成無效的重傳。為解決該問題，每個節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)時，通過對比與相鄰節(jié)點之間的信道容量，來避免局部的網(wǎng)絡(luò)重傳。PLC中，在整個帶寬范圍內(nèi)，相鄰節(jié)點的信道容量總是大于相隔離節(jié)點之間的信道容量，該結(jié)論可以通過電力線的串聯(lián)級聯(lián)特性得到證明［9］。據(jù)此，對（b）中的通信傳輸問題：如果節(jié)點N1從其它節(jié)點接收數(shù)據(jù)，對比其上一跳的本地路由器表和其相自身的本地路由表。假設(shè)分別代表節(jié)點N1到S，節(jié)點N1到節(jié)點N2和S到節(jié)點 N2的信道容量。若該節(jié)點N2不能成為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，則至少有一個節(jié)點滿足以下條件：

3.3 最少跳數(shù)問題

由于電力網(wǎng)絡(luò)的廣播特性，并聯(lián)在電力線上的節(jié)點可以監(jiān)聽到其它節(jié)點發(fā)送的信息，節(jié)點可以選擇處理或忽略這些信息。在互聯(lián)網(wǎng)中，若路由節(jié)點將接收到的信息忽略，那么意味著該信息在網(wǎng)絡(luò)上被丟棄。然而在PLC中，由于多個節(jié)點能同時監(jiān)聽到該信息，選擇距離接收端最近的節(jié)點作為路由節(jié)點，是減少轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)、節(jié)約時間開銷的關(guān)鍵。

若節(jié)點想要向其相鄰節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，從自身本地路由表中尋找能夠滿足通信需求的潛在路由節(jié)點，通過刪除可能引起網(wǎng)絡(luò)重傳的節(jié)點，在剩下的潛在節(jié)點中，對比自身的本地路由表和潛在路由節(jié)點的本地路由表，依據(jù)在整個帶寬范圍內(nèi)，相鄰節(jié)點的信道容量總是大于相隔離節(jié)點之間的信道容量，表明節(jié)點N2比節(jié)點N1離D節(jié)點更遠，而更靠近D節(jié)點，若要選擇該節(jié)點作為下一跳路由，則需滿足潛在路由節(jié)點：

其中，節(jié)點N1，節(jié)點N2和S的位置如圖4中所示。

圖4 最少跳數(shù)

由圖4所示，節(jié)點N1和節(jié)點N2都是S的相鄰節(jié)點。由于節(jié)點N2比節(jié)點N1更靠近目的節(jié)點，選擇節(jié)點N2下一跳路由能夠獲得更高的效率，其中包含兩方面原因：1）雖然S-N2之間的信道容量可能小于S-N1的信道容量，由于N2也是S的相鄰節(jié)點，S-N2之間的信道條件能夠滿足通信需求；2）節(jié)點N2比節(jié)點N1更遠離目發(fā)送端節(jié)點，并且我們可以將S-N1-N2縮短為S-N2，減少了傳輸跳數(shù)，縮短了通信延時。

4 仿真結(jié)果與討論

通過轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)和帶寬效率兩個指標(biāo)研究在不同仿真環(huán)境下本文路由協(xié)議的性能。結(jié)果與最短路徑路由（SPR）和機會路由（OR）［5］進行比較，前者在每一跳中選擇最佳鏈路，后者允許節(jié)點保持網(wǎng)絡(luò)的全局連接信息來解決最小跳問題。

4.1 參數(shù)設(shè)置

在工業(yè)供配電的電力線拓?fù)渫ㄐ胖校O(shè)置主干長度L=50m，節(jié)點間連接的數(shù)量從1增加到25。一個節(jié)點的最大發(fā)射功率設(shè)置為Pmax=20mW，背景噪聲為加性高斯白噪聲，頻譜密度PN=-110dBm/Hz。決定相鄰節(jié)點關(guān)系的SNR閾值為23.1dB［23］。假設(shè)低速和高速應(yīng)用分別具有200kps和100Mps的傳輸速率需求。

4.2 跳數(shù)檢驗

首先考慮收發(fā)端位于網(wǎng)絡(luò)的兩端，且具有高速率通信需求的情況。不同節(jié)點密度下的三個路由協(xié)議的跳數(shù)如圖5所示。

圖5 不同節(jié)點的跳數(shù)

由圖5可見，SPR協(xié)議選擇最佳鏈路作為下一跳，路徑上每個節(jié)點都充當(dāng)了路由節(jié)點。OR協(xié)議和本文的基于跨層信息的路由（CLR）在節(jié)點密度低時需要幾乎相同的跳數(shù)。然而，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，信道條件更惡劣，CLR協(xié)議使用部分帶寬以確保帶寬效率，而OR協(xié)議使用整個帶寬有助于獲得與相鄰節(jié)點更大的信道容量，因此OR能夠獲得更少跳數(shù)。

4.3 性能測試

為了研究工業(yè)用電的供配電系統(tǒng)的業(yè)務(wù)通信中的CLR協(xié)議性能，本文使用具有200m和25個節(jié)點的骨干網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計M對收發(fā)器，每對收發(fā)器具有低速率業(yè)務(wù)需求的概率為σ，高速率業(yè)務(wù)需求的概率為1-σ。每次仿真隨機選擇收發(fā)端位置，考察三種路由協(xié)議的帶寬效率σ的變化關(guān)系，數(shù)值仿真1000次的結(jié)果取平均值如圖6所示。

圖6 不同路由協(xié)議下的帶寬效率

由圖6可見，SPR和OR協(xié)議基于CSMA/CA技術(shù)，并且每次只有一個節(jié)點可以使用整個信道。隨著接入網(wǎng)絡(luò)需求的增加，節(jié)點間的信道競爭惡化了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。此外，在路由過程中，傳輸占用信道的時間越長，帶寬效率越低。CLR協(xié)議能夠提高傳輸性能，這是由于該協(xié)議能夠保證兩對收發(fā)端根據(jù)其自身信道特征同時占用信道進行傳輸，在混合通信系統(tǒng)中更具優(yōu)勢。

5 結(jié)語

路由協(xié)議主要任務(wù)是選擇收發(fā)端之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，電力網(wǎng)為信道共享型樹狀拓?fù)?，任意兩點間都存在直接的工業(yè)電氣連接，最短路徑較為直觀即兩點之間的線路距離，只要避免網(wǎng)絡(luò)重傳即可保證信息沿最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)。除此之外，合理選擇最短路徑上的路由節(jié)點，可以獲得從源到目的地更少的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，進而帶來更小的路由延遲。因此，配電網(wǎng)載波通信的路由選擇問題實質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)重傳的避免問題和最短路徑上的最小跳數(shù)問題。本文提出了基于跨層信息的路由協(xié)議，利用本地路由器表構(gòu)建與相鄰節(jié)點之間的信道條件。通過局部最優(yōu)逼近系統(tǒng)整體最優(yōu)，實現(xiàn)以最小跳數(shù)達到目的地節(jié)點，從而獲得最佳的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。仿真結(jié)果表明，本文提出的路由協(xié)議在工業(yè)供配電系統(tǒng)的多用戶混合業(yè)務(wù)的通信網(wǎng)中相較傳統(tǒng)路由協(xié)議有更好的路由效果。