低壓電力線載波通信組網的研究

呂玄兵 王 翥 王 玲

(哈爾濱工業大學(威海)信息科學與工程學院，山東 威海 264209)

低壓電力線載波通信組網的研究

呂玄兵 王 翥 王 玲

(哈爾濱工業大學(威海)信息科學與工程學院，山東 威海 264209)

為改善目前低壓電力線載波通信在實際應用中通信距離短、通信效果差的現狀，給出了一種動態組網方法。首先通過網絡初始化過程獲取終端之間的通信質量;然后以通信質量為依據，分別采用Dijstra和粒子群算法兩種優化算法選取中繼節點，獲取集中器與通信終端之間的最佳通信路徑，并對這兩種算法進行對比分析;最后對該組網方法進行了實際測試。測試結果證實該組網方法是可行的，改善了系統的通信效果。

電力線載波 動態組網 Dijstra 粒子群 中繼節點 通信質量

0 引言

由于低壓電力線載波通信利用已有的電力線作為傳輸媒介，無需另建通信線路，所以其應用非常廣泛。但電力線信道不是用于通信的專用信道，載波信號傳輸時受電網情況的影響導致通信終端之間的通信距離和通信質量不穩定。單從物理層的研究來改善通信質量不僅難度大而且代價高，因此，國內有人在低壓電力線載波通信系統中設置固定的中繼節點來擴大通信范圍，提高通信質量［1］。這種方法在一定程度上改善了通信效果，但由于受電力線信道情況的影響，通信終端之間的通信質量帶有一定的時變性，所以設置固定的中繼節點不能真正滿足實際的要求。本文采用動態組網的方法，根據終端之間的通信質量動態選擇中繼節點，提高了系統的通信效果。

1 低壓電力線通信組網背景

目前，低壓電力線載波通信系統的構成如圖1所示。集中器既能與分布在三相電力線上的通信終端通過低壓電力線進行通信，又能與上位機通過串口、GPRS或者以太網等方式進行通信，低壓電力線載波通信終端與集中器通過低壓電力線進行通信，同時通信終端之間也能夠通過低壓電力線進行點對點通信。在目前的應用中，如遠程路燈控制、自動抄表等，跨相通信的可能性不大，所以系統的物理結構決定了系統的網絡結構應該是一個有三個分支的星型網絡，每一個分支對應一相電力線上的通信終端，系統的組網可以看成是對三個分支上的通信終端分別進行組網。為適應動態組網的要求，每個通信終端分配一個唯一的ID號。

圖1 低壓電力線載波通信系統Fig.1 The low voltage power line carrier communication system

2 動態組網過程

動態組網就是系統本身能夠根據終端通信質量動態地對網絡進行重構和優化。方案整體上分為以下兩個步驟。

①網絡的初始化，系統剛開始工作時，所有的終端對于控制中心來說都是盲點［2］，控制中心需通過集中器對各個終端進行搜索和測試來獲取終端之間的通信質量，建立一個網絡信息表。

②組網過程，在已知網絡信息表的基礎上，通過某種算法獲取集中器到各個通信終端之間的最佳通信路徑，上位機通過集中器向下發送指令時，將中繼節點的ID號包含在指令中，經過轉發即可準確傳輸到目標終端。

2.1 網絡初始化

在實際應用中，集中器與PC機之間的通信比較穩定，但很多通信終端不能直接通過集中器與上位機進行通信。所以上位機要通過集中器對所有的通信終端逐個搜索，并測試終端之間的通信質量。

假設上位機通過集中器進行第一次搜索時只搜索到A1、A2、A3三個通信終端，上位機會在搜索過程中測試出集中器與A1、A2、A3之間的通信質量。同理，當上位機通過A1、A2、A3發起第二次搜索過程時，會測試出A1、A2、A3這三個通信終端與其他通信終端之間的通信質量。

為避免信道的沖突，在搜索和測試過程中要根據終端的ID號依次進行一定的延時。實際應用中通信終端接收以及反饋數據的時間間隔很短，通信質量基本上不發生變化，所以認為終端的上行通信和下行通信的通信質量是一樣的。

假設整個系統中有(N-1)個通信終端，加上集中器，上位機可以建立一個(N×N)的矩陣Q，Q(i，j)表示終端i與終端j之間的通信質量。

Q 定義為［3］:

式中:T為通信時間，T的大小可以通過終端收發指令的時間間隔確定;W為誤碼率，W的大小通過對同一組數據收發來判定;M為負載數量，初始化過程中M的大小無法判斷，M的初始值統一為1;α、β為兩個參數，在不同的應用環境下(如通信終端數的不同、電網環境的不同)設定不同的值，用于調整通信時間、誤碼率和負載數量對通信質量的影響程度。

獲取Q值后，為了減少系統的運算量，根據Q值的大小將通信質量劃分為6個等級，即g={1，2，3，4，5，6}，g( i，j)表示終端 i與終端 j之間的通信質量等級。由Q的定義可知，Q值越大通信質量越差，通信質量等級越低，即g=1時通信質量最好。初始化過程結束后，可以得到元素為g( i，j)的矩陣G(N×N)，將G定義為網絡信息表。

2.2 Dijstra算法的應用研究

Dijstra算法是典型的單源最短路徑算法，用于計算一個節點到其他所有節點的最短路徑［4］。將集中器視為定點S，需要進行通信的節點為N，假設S與N通信需經過的中繼節點為:

利用Dijstra算法時，將其衡量標準變為終端之間通信等級之和為D，D( i，j)表示節點i和節點j之間通信時分支路徑的通信質量等級之和，則集中器與終端N之間的最優通信路徑即為:

集中器與終端N之間的最佳路徑即D( S，N)取最小值時的路徑。

Dijstra算法流程如下［5］。

則v( s，t)就是t到s的最佳通信路徑。

③ 令 A=A∪{t}，B=B-{t}。

④ 若B=φ，算法結束，否則轉步驟⑤。

⑤ 對與 t相鄰接的所有節點 x，如果 v(s，x)≤v( s，t)+v( t，x)直接轉步驟②;否則令 v( s，x)=v( s，t)+v( t，x)，轉步驟②。

由于仿真時無法實時反映電力線信道變化對通信終端的影響，因此取兩個實際終端進行測試。根據測試結果，可以認為它們之間的通信質量在不同距離、一定范圍內變化，如表1所示。

表1 通信質量的設定Tab.1 Communication quality settings

仿真時運用Matlab軟件。設有41個通信終端，對其按N1～N41進行編號，集中器為N0。隨意分布節點位置，仿真時得到的集中器N0與終端N41通信時的最佳路徑如圖2所示。

圖2中的各個圓圈表示各個通信節點。由圖2可以看出，N5、N14、N27、N36為求得的 N0與 N41之間通信路徑的中繼節點。

根據得到的網絡信息表分析，在該路徑中，D( N0，N )

41的值最小，即通信效果最好。

圖2 集中器N0與終端N41之間的優化路徑Fig.2 The optimal path between N0and N41

2.3 粒子群算法的應用研究

Dijstra算法逐次對比的運算思想往往使其得到的結果是最優的，其缺點是運算量比較大。因此，本文對粒子群算法也進行了研究。在與Dijstra算法相同的條件下，對粒子群算法進行仿真，得到對通信終端N41的尋優結果如圖3所示。

圖3 尋優結果及運行收斂曲線Fig.3 The optimal result and running convergence curves

粒子群算法是一種群體智能優化算法。它將每個優化問題的解視為一個有位置和速度但沒有質量的粒子。粒子在運動過程中記錄自己的飛行歷史最優值以及群體歷史最優值，并結合這兩個值對自身的速度和位置進行更新，反復迭代得到一個優化解［6］。粒子群算法運行流程如下:

①粒子初始化，首先賦予每個粒子一個隨機解;②粒子自身進行更新;

③粒子個體分別與其個體歷史最優值和其群體歷史最優值進行交換更新［7］;

④判斷是否達到最大迭代次數或求得的結果是否滿足要求，若是則結束，否則返回步驟②。

應用粒子群算法時，可以將集中器與目的通信終端之間的通信路徑看成一個離散序列，序列由集中器、中繼終端、目的終端的ID號按順序組成。

集中器與每個通信終端之間有很多條通信路徑，即有很多離散序列，將每一個序列看成是一個粒子，即每個粒子對應一個解。

粒子在運動過程中將其對應的解與其個體歷史最優值和群體歷史最優值對應的解進行對比，根據差距的大小與個體歷史最優值和群體歷史最優值交換中繼節點［8］。

2.4 兩種算法的對比

在實際應用中，不僅要考慮到通信質量的問題，還要對組網時間進行考慮。本文研究了兩種算法，在同樣的條件下對它們的運行時間和通信質量進行仿真對比。

以通信終端N41為例，仿真對比圖如圖4所示。

圖4 兩種算法的對比曲線Fig.4 The comparison curves of two algorithms

由圖4可知，采用Dijstra算法進行尋優時通信質量較好，但是其運行時間明顯比粒子群算法要長。所以在實際應用中，當系統中通信終端的數量較少時，可以選擇Dijstra算法，但在通信終端數量較多且對通信的實時性要求較高時，可以采用粒子群算法。

3 組網方法的實際測試

為了驗證文中提出的組網方法的可行性，本文選用實際通信終端進行了測試。

3.1 負載均衡性的研究

在實際應用中，由于通信終端所處的位置不同，靠近集中器的一些終端的通信質量可能一直比較穩定，致使系統運行時這些終端作為中繼節點的次數明顯偏多。由于電力線通信是單信道傳輸，若某一終端作為中繼的次數過多，會導致通信延時較長并影響終端使用壽命［9］。

為使中繼節點不過于集中在某些終端，在系統運行中對作為中繼的終端進行記錄，從而對通信質量Q中的系數β進行合理的調整。

3.2 系統的測試

實際的測試系統如圖5所示。圖5(a)為所有終端距離集中器30 m范圍內測試時上位機生成的網絡拓撲圖，圖5(b)為所有的終端分布在距離集中器70 m范圍內的測試結果。

圖5 實際測試網絡Fig.5 The practical test network

集中器是系統的通信樞紐，每個通信終端能夠按照上位機的指令測試其與其他通信終端之間進行通信時的通信質量。組網方法主要由上位機完成。上位機通過網絡初始化建立網絡信息表之后，將其轉化為等級矩陣G，進而采用優化算法獲取優化通信路徑。上位機采用VC軟件編寫，其運行流程整體如下［10］。

①初始化集中器，開始搜索和測試通信終端。

②若搜索到所有終端，則進入步驟③;否則反饋有問題的終端，然后進入步驟③。

③等待用戶指令，若收到通信指令，根據建立的網絡信息表，利用尋優算法尋找最佳通信路徑。

④判斷獲取的中繼節點是否存在超載情況，若超載，則調整參數重新生成G;否則按此路徑進行通信。

⑤發出通信指令后等待反饋，若收到反饋則結束;否則返回步驟②重新組網。

由于終端數量只有6個，因此采用Dijstra算法較為合適。測試過程中通過改變通信終端的分布范圍來體現組網方法的動態優化功能。

由圖5所示兩個網絡結構拓撲圖可以看出，隨著通信終端之間通信質量的變化，系統能夠改變集中器與通信終端之間的通信路徑，以獲取更好的通信效果。

根據70 m范圍通信時生成的通信終端之間的通信質量等級計算證實，圖5(b)所示的集中器與終端N2、N4、N6之間的通信路徑效果最好。這也證明了本文給出的組網方法是可行的，很好地改善了系統的通信效果。

4 結束語

本文給出了一種低壓電力線載波通信系統動態組網的方案，分析了網絡初始化過程，對網絡尋優過程中采用的優化算法進行了仿真對比。測試結果證實該方法很好地改善了系統的通信效果，對提高目前低壓電力線載波系統的通信質量以及擴大系統的通信范圍具有重要意義。

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［10］Wang Zhenchao，Zhang Ye，Zhao Yuqian.A distributed routing algorithm for L-PLC network［C］∥ Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics，Qingdao，2008.

Study on the Carrier Communication Networking for Low Voltage Power Lines

At present，the practical application of low voltage power line carrier communication only offers short communication distance and poor communication quality，to improve such condition;the dynamic networking method is proposed.With this method，firstly，the communication quality between terminals is obtained through the initialization process of network;then according to the communication quality，the Dijstra algorithm and the particle swarm optimization algorithm are separately used to select the relay nodes and get the optimal communication path between concentrator and communication terminal.Two of the optimization methods are analyzed and compared，and finally this networking method is tested practically.The test result verifies that the networking method proposed is feasible and improves the communication effect of the system.

Power line carrier Dynamic networking Dijstra Particle swarm Relay node Communication quality

TN913+.6

A

修改稿收到日期:2011-05-06。

呂玄兵(1987-)，男，現為哈爾濱工業大學(威海)控制科學與工程專業在讀碩士研究生;主要從事低壓電力線載波通信的研究。