0 引言

    智能電網(wǎng)是指近年來結(jié)合能源技術(shù)及信息通信技術(shù)更新后的電網(wǎng)。通過先進的信息、控制和通信技術(shù)，智能電網(wǎng)可以實現(xiàn)電網(wǎng)的電子監(jiān)控、監(jiān)測、自愈、診斷以及基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Metering Infrastructure，AMI）自動計量等智能功能，部分還具有實時性^[1-2]。為保障快速和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，智能電網(wǎng)使用多種通信技術(shù)。因為電力線的普遍存在，電力線通信技術(shù)(Power Line Communication，PLC)比其他的通信技術(shù)更有優(yōu)勢。

    PLC作為接入網(wǎng)(Access Network，AN)中的一種可選的網(wǎng)絡技術(shù)，由于一個MV/LV配送網(wǎng)絡覆蓋面積大，并且一個包的傳送過程中會有多個中間結(jié)點的參與，電力線通信接入網(wǎng)(PLC-AN)需要具有路由功能。另外，電力線信道的特性不同于無線，簡單地采用傳統(tǒng)的路由方案不能最大限度地提高電力線網(wǎng)絡的性能^[3]，因此必須根據(jù)電力線特性為PLC設(shè)計一種特定的路由協(xié)議。在PLC信道中信號的衰落是由于分支網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中的信號反射^[4]和在每一個電容組及MV/LV變壓器中的信號衰減^[5]。此外，無線通道和PLC的噪聲特性也有許多不同，在PLC信道的噪聲可以被建模為有色背景噪聲、窄帶干擾、同步和異步脈沖噪聲^[6]。電力網(wǎng)中的HV、MV、LV如圖1所示。

    最近，許多學者^[7]致力于PLC-AN中路由功能的研究。BUMILLER G、LAMPE L及HRASNICA H三位學者提出：當所有節(jié)點需要從網(wǎng)絡接收相同信息時，洪泛法被證實是一種有效的PLC-AN路由方案。然而實際情況是，所有自動化網(wǎng)絡及智能電網(wǎng)設(shè)備都不會有相同的需求，如AMI、電力系統(tǒng)故障檢測以及要求點對點通信的電力交通工具充電系統(tǒng)。另外，BIAGI M、LAMPE L和GRECOL S在研究中提出了收集每個電力設(shè)備位置信息的地理路由，應用無線路由方案并將其擴展，卻沒有考慮到多個接收者的情況。而機會路由（Opportunistic routing，OR）充分利用點對點和傳感器網(wǎng)絡中無線媒介的廣播特性進行數(shù)據(jù)傳輸，已經(jīng)成為一種很有前景的提高網(wǎng)絡性能的方法。PLC信號在電力線的穿透特性使得OR成為PLC-AN一個很好的選擇。

1 機會路由概述

    OR可以利用無線媒介的廣播特性使幾個臨近節(jié)點都監(jiān)聽到數(shù)據(jù)，只要有一個用戶正確地接收到幀數(shù)據(jù)并向前轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸就可以繼續(xù)，因此OR提高了網(wǎng)絡的可靠性。此外，一個傳輸任務在同一時間有一個多跳的機會，OR有助于減少傳輸?shù)目偭俊?/p>

    一個傳輸任務分別通過傳統(tǒng)連續(xù)路由和OR傳輸?shù)睦硐脒^程和平均到達目的地的傳輸任務量的計算，如圖2所示。在這個例子中，假設(shè)一個傳輸任務被第一跳節(jié)點正確接收的概率是0.5，被第二跳節(jié)點正確接收的概率是0.2。連續(xù)路由時，由于每個傳輸任務跨一跳距離的成功概率為0.5，因此期望的進展是0.5，一個數(shù)據(jù)包為了到達目的地需要交叉四跳，因此在連續(xù)路由中平均需要傳輸8次，而OR時，一個傳輸任務交叉兩跳的概率為0.2，并且如果交叉雙跳失敗，通過一跳的概率為0.5，因此在OR中對于一次傳輸?shù)钠谕M展是0.8，這就使每次傳輸所需的平均次數(shù)減少。

    實現(xiàn)這些目標的關(guān)鍵問題是：轉(zhuǎn)發(fā)集的選擇、優(yōu)先級設(shè)定、重復傳輸?shù)谋苊饧耙种?。圖3顯示了連續(xù)路由和OR的傳輸過程。在這個例子中OR需要3次傳輸，而傳統(tǒng)路徑需要5次傳輸。

2 系統(tǒng)模型

2.1 窄帶信道模型

    在低壓線路中的平均信道衰減由式(1)給出：

2.2 網(wǎng)絡模型

    一個電氣網(wǎng)絡可以使用一個通信網(wǎng)絡圖來代表：g={ν，ε}其中ν和ε分別為頂點和邊的集合。邊的集合被定義為：

3 PLC-OR的設(shè)計

3.1 默認路徑選擇

    圖4顯示了在一個由37個節(jié)點構(gòu)造的拓撲結(jié)構(gòu)中如何選擇一個從源到目的地的特定路徑。這個拓撲機構(gòu)是來自某省的實際配電試驗饋線，它使用Dijkstra算法計算最小距離，按機會路由選擇轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點。在這個例子中，沿著S和d之間的路徑中放置了5個中間繼電器節(jié)點。

3.2 基于ACK的協(xié)調(diào)方案

    圖5給出了一個PLC-OR的協(xié)調(diào)的具體例子。在這個例子中，第一優(yōu)先級的節(jié)點沒有成功接收數(shù)據(jù)幀，而第二和第三優(yōu)先級的節(jié)點成功接收。在第j個中繼節(jié)點成功傳輸需要T_j=T_tx+T_co+T_po，其中T_tx、T_co、T_po分別為實際時間、PLC-OR的協(xié)調(diào)時延和CSMA/CD協(xié)議的額外開銷。協(xié)調(diào)時延由以下公式給出：

其中T_RIFS和T_s分別為RIFS時間和感知時間。相似地CSMA/CD協(xié)議的額外開銷是：T_po=T_CIFS+pσ，其中T_CIFS和σ分別為CIFS時間和空閑時隙，p為在傳輸之前用于描述大量空閑時隙的隨機變量。

    傳統(tǒng)方案中每個傳輸任務需要的時間是T_tx+T_RIFS+T_ACK+T_po，而在PLC-OR中還需要一個(n-1)Ts。根據(jù)G3-PLC的實際參數(shù)，假設(shè)K_max=3時，傳統(tǒng)方案和PLC-OR方案分別平均為97.82 ms和100.6 ms，因此對于每個傳輸任務PLC-OR方案會多花費3%的時間。

3.3 速率、色調(diào)映射模型和傳輸集選擇算法

    通過Dijkstra算法構(gòu)建了默認路徑后，每個節(jié)點i應選擇各自的傳輸速率R_i、色調(diào)映射模式M_i和傳輸節(jié)點集合F_i。設(shè)計一個bit.m/s的最大化問題，即每個節(jié)點i都要試圖達到的最大值：

    其中L為以bit計的幀長度，T_out、T_j分別表示為當所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點沒有成功解碼幀時的媒介保持時間以及第j優(yōu)先級的節(jié)點成功接收到幀時的媒介保持時間。p中的控制變量為R_i和M_i，并且當p和T隨著R_i和M_i的變化而變化時，F(xiàn)_i也會變化。

    由于三個變量是離散變量，因此該問題為一個離散組合優(yōu)化問題。在P中可能組合的總數(shù)為J·2^M·P_NK，其中J和M分別為MCS電平數(shù)和子信道數(shù)，N和K分別為N_i和F_i的大小。由于F_i是一個有序集，因此可能組合模式的數(shù)量為P_NK而不是C_NK。為減少搜索空間，使用一個分支定界算法。

    公式中的分子是期望包步進(EPA)，EPA給出了優(yōu)先規(guī)則和包含屬性兩個引理。

    引理1：轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先權(quán)規(guī)則：給出元素Fi、Mi及Ri，只有到達目的地更近的一個節(jié)點取得更高的優(yōu)先權(quán)時，傳輸集才完成。

4 仿真實驗

4.1 實驗場景

    在G3-PLC規(guī)范中，一次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為252，并且信道感知時間為兩個最大量。由于VCS有一個時間限制，所以定義轉(zhuǎn)發(fā)集最大為K_max，當K_max=3時，對于三個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的排序需要四個最大量，因此總的最大數(shù)據(jù)量為248⁶。在三種模型中兩個相鄰節(jié)點之間的距離分別遵循（1 km，0.5 km）、（1.5 km，0.75 km）和（2 km，1 km）的均值和正態(tài)分布的標準差，在三種密度模型中兩個相鄰節(jié)點之間的最大距離分別為2 km、3 km和4 km。假設(shè)有一個窄帶干擾，相應子信道的SNR就降低10 dB。

    鏈路的平均長度為1-22，目的節(jié)點則是在其他122個節(jié)點中隨機選擇，使用Dijkstra算法選擇到達每個目的地的默認路徑。在低壓電力線之間有10個連續(xù)的建筑物，兩個相鄰建筑物之間的距離遵循均值為90 m、標準差為10 m的標準正態(tài)分布。

4.2 性能結(jié)果

    圖6展示了存在及不存在窄帶干擾時，三種密度模型中到達目的地的傳輸時間(秒)，在這個模型中使用中壓信道模型，沒有窄帶干擾時的性能結(jié)果如圖6(a)所示；在低密度模型中SPR花費8.86 s到達目的地。當節(jié)點密度低時，大多數(shù)節(jié)點只有一個接收者，這種情況下OR性能并不是很好， SPR-ETX和PLC-OR的功能相似。然而在網(wǎng)絡變密時，OR顯示出了更好的性能，即在低、中和高密度模型中PLC-OR性能的提高比SPR-ETX分別高出4.4%、10%和17%。

    圖6(b)顯示了不存在窄帶干擾時SPR及OR的性能。沒有窄帶干擾時，PLC-OR和SPR-ETX的性能增量幾乎是一樣的，而SPR的性能則是所有方案中最差的。其他路由方案的性能增量比SPR高大約50%， PLC-OR和SPR在達到相同可靠性水平時整個傳輸時間降低了。

    為了得到在EEE123節(jié)點測試饋線網(wǎng)中的結(jié)果，本文進行了10 000次模擬實驗，平均結(jié)果如圖7所示。假設(shè)在IEEE-123-NBD情況下，智能電網(wǎng)存在窄帶干擾的概率為0.2。如果沒有干擾消除方案，在存在窄帶干擾時OR的性能會較差，而PLC-OR的性能很好，比SPR和SPR-ETX分別高出60%和8%。與鏈路拓撲結(jié)構(gòu)相比，在MV/LV分配網(wǎng)絡中本文提出的PLC-OR性能有所提高。

5 未來工作

    下一步要實現(xiàn)的是將OR和協(xié)同傳輸技術(shù)進行結(jié)合。在協(xié)同傳輸中，為保證吞吐量和可靠性，幾個節(jié)點可以同時傳輸一個包，如果適當控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集中的傳輸，會使OR和協(xié)同傳輸?shù)慕Y(jié)合達到更好的性能。關(guān)于PLN-AN的另一個延伸是可以使用網(wǎng)絡編碼很好的解決網(wǎng)絡互聯(lián)的情況。

參考文獻

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