低壓電力線(xiàn)載波通信新型組網(wǎng)模型性能分析

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1、低壓電力線(xiàn)載波通信新型組網(wǎng)模型性能分析 　　電力線(xiàn)(PowerLine,PL)媒介設(shè)計(jì)的初衷是為了完成電能而非數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)通信而言，其信道特性并不理想，具體表現(xiàn)為噪聲顯著且信號(hào)衰減非常嚴(yán)重[1]。同時(shí)，輸入阻抗變化、必須工作在有限的信號(hào)功率范圍內(nèi)等物理特性大大降低了電力線(xiàn)通信(PowerLineCommunication,PLC)系統(tǒng)的通信可靠性[2,3]，致使大規(guī)模應(yīng)用受到制約。提高電力線(xiàn)通信可靠性可以從物理層角度來(lái)考慮，例如，信道估計(jì)與選擇[4]、濾波設(shè)計(jì)[5]、功率分配[6]等方面，還可以從電力線(xiàn)通信的組網(wǎng)方式[7]、網(wǎng)絡(luò)模型[8]等角度來(lái)考慮。圍繞電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性、容錯(cuò)性和

2、生存性方面的研究，國(guó)外有學(xué)者開(kāi)始了初步的探討工作。有關(guān)窄帶電力線(xiàn)通信組網(wǎng)問(wèn)題的研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者仍很少開(kāi)展。本文從提高窄帶電力線(xiàn)通信可靠性角度，對(duì)新型組網(wǎng)模型的建立自動(dòng)路由等方面做研究探討，提出了基于人工蛛網(wǎng)的組網(wǎng)算法，給出對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果并作分析。 　　2新型PLC網(wǎng)絡(luò)模型 　　2.1PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 　　根據(jù)低壓配電網(wǎng)配電區(qū)域的不同，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在差異。但總體來(lái)說(shuō)，PLC網(wǎng)絡(luò)是基于樹(shù)形的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。低壓配電網(wǎng)的PLC系統(tǒng)是由位于變壓器二次側(cè)的通信基站和分布在電網(wǎng)內(nèi)的多個(gè)用戶(hù)終端構(gòu)成的。圖1所示為典型的低壓配電網(wǎng)PLC系統(tǒng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單相電力線(xiàn)通信網(wǎng)關(guān)A、B、C放置

3、在每相的起始位置，負(fù)責(zé)各相電網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。位于變壓器二次側(cè)的基站負(fù)責(zé)與各單相網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)廣域網(wǎng)與外界交互信息。為了達(dá)到負(fù)載均衡的目的，各用戶(hù)終端大致均勻地分布在每一相內(nèi)。由圖1可知，三相之間為并列且相對(duì)獨(dú)立的關(guān)系，故用其中一相的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為重點(diǎn)研究對(duì)象，便具有代表性和普遍性[8]。在PLC系統(tǒng)中，下行方向的信息由基站/網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)剿械挠脩?hù)終端，每個(gè)終端可以直接或通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)間接收到該信息;上行方向，用戶(hù)終端傳送的信息不僅可以被基站/網(wǎng)關(guān)接收，其他的用戶(hù)終端也可以接收。所以，從MAC(mediumaccesscontrol)層角度，PLC網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)樹(shù)形物理拓?fù)湎碌目偩€(xiàn)型邏輯結(jié)構(gòu)

4、[9]?；诰W(wǎng)絡(luò)的此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文將建立新的PLC組網(wǎng)模型。 　　蜘蛛經(jīng)過(guò)約18億年的進(jìn)化，現(xiàn)在的蜘蛛網(wǎng)不僅具有優(yōu)雅、超輕的結(jié)構(gòu)，而且具有超級(jí)彈性和抗張強(qiáng)度，可以抵抗各種大風(fēng)、昆蟲(chóng)等的沖擊。即使有幾個(gè)網(wǎng)格單元遭到破壞，它仍能作為網(wǎng)來(lái)捕獲獵物，具有極強(qiáng)的抗毀能力。針對(duì)蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，蜘蛛的捕食機(jī)理以及人工蜘蛛網(wǎng)通信拓?fù)涞臉?gòu)建等方面問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]已進(jìn)行了詳盡的闡述。本文只對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)的MAC層邏輯拓?fù)滢D(zhuǎn)化為單層人工蛛網(wǎng)邏輯拓?fù)涞倪^(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析。 　　由于電力線(xiàn)通信數(shù)據(jù)傳輸距離有限，在實(shí)際應(yīng)用中，可能只有離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)物理距離近的用戶(hù)終端能與該相網(wǎng)關(guān)可靠通信。假設(shè)某單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶(hù)

5、節(jié)點(diǎn)總數(shù)為》，網(wǎng)關(guān)一次廣播后有m個(gè)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)與之可靠通信，剩下個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)雖然物理鏈路是連通的，但是在MAC層是斷開(kāi)的。這種情況下，應(yīng)用傳統(tǒng)的廣播查詢(xún)所有節(jié)點(diǎn)的方法，存在部分節(jié)點(diǎn)不能成功通信的情況，因此效率很低。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們提出了基于蛛網(wǎng)的組網(wǎng)模型及相應(yīng)的路由算法。 　　前文提到，在MAC層與網(wǎng)關(guān)可靠通信的m個(gè)節(jié)點(diǎn)中，任意兩個(gè)之間也是可靠通信的，基于此本文建立了如圖2b所示的人工蛛網(wǎng)邏輯拓?fù)洹個(gè)節(jié)點(diǎn)組成m-1邊蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間能可靠通信，不相鄰節(jié)點(diǎn)可通過(guò)節(jié)點(diǎn)A為中繼進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)A為m個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選取的任意一個(gè)。假定其位于邏輯子網(wǎng)的中心，其與所有周邊節(jié)點(diǎn)均能可靠通信，功能與網(wǎng)

6、關(guān)類(lèi)似，負(fù)責(zé)收集其所在蛛網(wǎng)周邊各節(jié)點(diǎn)的信息，同時(shí)，由此節(jié)點(diǎn)發(fā)起對(duì)剩下的》-m個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)廣播，依次類(lèi)推，最終該單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)組成了多個(gè)類(lèi)似的人工蛛網(wǎng)。 　　離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)“近”的蛛網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)(例如A)，可以直接與網(wǎng)關(guān)通信，處在“中間”位置的蛛網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)需要以‘‘近”的網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)為中繼與網(wǎng)關(guān)通信，同樣，處在“較遠(yuǎn)”位置的蛛網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)，是以‘‘中間’’、‘‘近”的中心節(jié)點(diǎn)為中繼與網(wǎng)關(guān)通信。單相網(wǎng)關(guān)只要確保每個(gè)子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)能與之可靠通信即可，這樣在一定程度上提高了單相網(wǎng)關(guān)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的效率。 　　3蛛網(wǎng)路由3.1PLC通信機(jī)制 　　在介紹蛛網(wǎng)路由之前，簡(jiǎn)要說(shuō)明PL

7、C常規(guī)通信機(jī)制。首先由網(wǎng)關(guān)向該單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有用戶(hù)終端發(fā)送廣播信息，當(dāng)用戶(hù)終端收到來(lái)自網(wǎng)關(guān)的信息則將數(shù)據(jù)傳回給網(wǎng)關(guān)，同時(shí)在數(shù)據(jù)包內(nèi)添加應(yīng)答信息，使網(wǎng)關(guān)能確認(rèn)該節(jié)點(diǎn)處于良好的工作狀態(tài)。如果該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)要傳回給網(wǎng)關(guān)，它要發(fā)送確認(rèn)信息至網(wǎng)關(guān)，確認(rèn)其通信的良好狀態(tài)。在一個(gè)數(shù)據(jù)周期內(nèi)未被查詢(xún)到的用戶(hù)終端，將在下一數(shù)據(jù)周期以同樣的方式被網(wǎng)關(guān)查詢(xún)[11]。此方法受信道狀況等因素的影響，在下一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)以同樣的方式查詢(xún)到故障節(jié)點(diǎn)存在很大的不確定性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作效率低下，影響系統(tǒng)的可靠性。3.2蛛網(wǎng)組網(wǎng)算法 　　人工蛛網(wǎng)組網(wǎng)過(guò)程如下： 　　(1)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)廣播，在收

8、到該廣播的 　　(2)第一個(gè)人工蛛網(wǎng)組網(wǎng)完成后，網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送指令，由節(jié)點(diǎn)A發(fā)送組網(wǎng)廣播。設(shè)有/t(w 　　(3)網(wǎng)關(guān)以節(jié)點(diǎn)A為中繼向節(jié)點(diǎn)/發(fā)送指令，由節(jié)點(diǎn)/發(fā)送組網(wǎng)廣播，重復(fù)步驟(1)，假設(shè)第二個(gè)蛛網(wǎng)已經(jīng)將剩下的所有個(gè)節(jié)點(diǎn)連通。此時(shí)節(jié)點(diǎn)/會(huì)得到空響應(yīng)，并把該響應(yīng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)A傳回網(wǎng)關(guān)。至此，組網(wǎng)結(jié)束。形成了以節(jié)點(diǎn)A為中繼節(jié)點(diǎn)的w-1邊蛛網(wǎng)邏輯通信拓?fù)浜鸵怨?jié)點(diǎn)/為中心的-w-1邊蛛網(wǎng)邏輯通信拓?fù)洌@樣就建立了網(wǎng)關(guān)到該單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的通信路由。 　　3.3蛛網(wǎng)重路由算法 　　組網(wǎng)完成后，各中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)該子網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集與狀態(tài)監(jiān)控，并與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。本文規(guī)定

9、某子網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均發(fā)送至該子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間為一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期。假設(shè)某個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，中心節(jié)點(diǎn)A沒(méi)有收到其子網(wǎng)內(nèi)邏輯ID為2的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，則節(jié)點(diǎn)A對(duì)該節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由重構(gòu)。如圖3b所示，假設(shè)與節(jié)點(diǎn)2同屬一個(gè)子網(wǎng)且與其相鄰的節(jié)點(diǎn)1，3在節(jié)點(diǎn)2發(fā)生故障后，仍能與中心節(jié)點(diǎn)A保持良好的通信。由于節(jié)點(diǎn)1，3與節(jié)點(diǎn)2物理上的相鄰性，它們之間由距離產(chǎn)生的信號(hào)衰減會(huì)比較小，節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)1，3仍能保持通信。故節(jié)點(diǎn)2轉(zhuǎn)而以節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)3，或者節(jié)點(diǎn)1. 　　3同時(shí)為中繼節(jié)點(diǎn)，與中心節(jié)點(diǎn)A重新取得通信，傳輸其數(shù)據(jù)信息，這樣提高了子網(wǎng)內(nèi)通信的成功率。 　　對(duì)于其他子網(wǎng)內(nèi)的故障節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)節(jié)點(diǎn)A向

10、其他子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送重路由指令。在各子網(wǎng)內(nèi)重復(fù)上述過(guò)程，直到所有子網(wǎng)的故障節(jié)點(diǎn)均能正常通信為止。此種方法理論上能達(dá)到100%的數(shù)據(jù)收集率，且避免對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新組網(wǎng)，提高了通信效率。 　　4節(jié)點(diǎn)仿真模型 　　4.1終端節(jié)點(diǎn)建模 　　在本文中，不考慮用戶(hù)終端節(jié)點(diǎn)的物理故障。假設(shè)在信道環(huán)境良好的情況下，每個(gè)用戶(hù)終端均工作良好，只有信道環(huán)境的改變，導(dǎo)致用戶(hù)終端節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的改變。因此，可以應(yīng)用兩狀態(tài)馬爾科夫模型來(lái)表征由于信道環(huán)境改變?cè)斐傻挠脩?hù)終端節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)的變化情況[12]。如圖4所示，“良好”、“故障”表示用戶(hù)終端節(jié)點(diǎn)的兩種工作狀態(tài)?！傲己谩贝斫K端節(jié)點(diǎn)可以與其所在子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)直接通信，“故障”代表終端節(jié)點(diǎn)不能與其所在的子網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)通信。本文假設(shè)，在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)是不變的。在一個(gè)采集周期結(jié)束后，由于信道狀況的改變，“良好”、“故障”兩種狀態(tài)才發(fā)生轉(zhuǎn)移。Pg和Pb分別定義為節(jié)點(diǎn)在一定信道狀況下處于“良好”和“故障”狀態(tài)的概率，Pgg和Pgb分別定義為一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期后，“良好”狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)仍處于“良好”狀態(tài)和變成“故障”狀態(tài)的概率，Pbb和Pbg也是類(lèi)似的定義。式(1)?式(4)為狀態(tài)變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式。