基于OPNET Simulator的低壓電力線載波通信路由算法仿真

陳杰春 張亞南 閆瑞乾

(東北電力大學自動化工程學院,吉林 吉林 132012)

低壓電力線載波通信(Power Line Carrier Communications,PLCC)技術是一種以低壓電力線路為傳輸媒介，通過載波方式進行信息傳輸和交換的技術，是一種電力系統特有的通信方式。與其他通信方式相比，低壓PLCC技術能夠充分利用現有的電力線資源，因此具有良好的開發前景和應用價值。從20世紀90年代初開始，低壓PLCC技術就已經應用于自動抄表、電網負載控制及供電管理等方面[1]。

電力網絡的阻抗特性、衰減特性和噪聲干擾是影響低壓PLCC傳輸質量的主要因素，其中前兩者制約信號的傳輸距離，后者決定數據傳輸的質量[2]。網絡中繼技術和組網路由算法是擴展低壓PLCC距離的重要手段。現有的低壓PLCC路由算法，如基于人工蛛網的路由算法[3]、基于蟻群算法的路由算法[4,5]、分簇路由算法[6]及基于傳輸矩陣的路由算法等，在理論上都是可行且適合于電力線特性的，但其實際的網絡性能尚不明確。在此，筆者基于傳輸矩陣的路由算法，探討基于OPNET Simulator軟件的低壓PLCC路由算法的仿真方法。通過算法仿真，以進一步了解算法的性能和可用性。

基于傳輸矩陣的路由算法是一種只適用于主從式低壓PLCC網絡的路由算法。該方法是在主控制器中存放一個定期動態更新的路由表，主控制器根據路由表發送數據到從控制器。從控制器中不存放路由表，它只需根據所接收數據中的地址來決定轉發數據或發送反饋信息[7]。

主從式低壓PLCC網絡結構如圖1所示，假定低壓電力線上有9個設備：主控制器0和從控制器1～8。

圖1 主從式低壓PLCC網絡結構

初始化過程。首先建立一個9×9的零矩陣，讓主控制器0發送廣播信號，假設只有從控制器2、3接收到廣播并分別反饋含有從控制器地址的應答信號。主控制器0分析應答信息后，將傳輸矩陣第0行的第2、3列元素分別置1。然后，主控制器0再發送命令讓從控制器2發送廣播信號(已發送過反饋信號的從控制器不再發送反饋應答信號)，假設從控制器2接收到來自從控制器1、5的反饋信號并將其分別反傳給主控制器0，主控制器0將傳輸矩陣的第2行的第1、5列元素置為1。之后主控制器0再發送命令讓從控制器3發送廣播信號，依此類推，得到如圖2所示的傳輸矩陣，進而可確定如圖3所示的網絡拓撲結構。

如此，主控制器0便可以根據傳輸矩陣按照指定路徑給從控制器發送消息。如主控制器0要傳輸數據給從控制器8，首先搜索傳輸矩陣的第8列，找到第6行元素的值為1；再搜索矩陣的第6列，找到第1行元素的值為1；再搜索矩陣的第1列，找到第2行元素的值為1；再搜索矩陣的第2列，找到第0行元素的值為1。搜索過程結束，確定的傳輸路徑為0→2→1→6→8。

圖2 傳輸矩陣

圖3 網絡拓撲結構

2 OPNET建模

OPNET Simulator是目前作為網絡規劃、仿真和分析工具的高端產品，在通信、國防和數據網絡領域已被廣泛認可和應用。陳磊等使用OPNET Simulator分析了以太網的通信延遲與節點數目、數據幀長度和通信速率之間的關系[8]。OPNET Simulator提供三層建模機制：最底層是進程模型，實現算法協議；中間層為節點模型，反映設備的硬件特性；最上層為網絡模型，表現現實網絡的拓撲結構[9]。筆者根據OPNET Simulator的三層建模機制，對基于傳輸矩陣的路由算法進行初始化建模仿真，獲得仿真數據并分析網絡性能。

2.1 通信協議

在進行三層建模之前，首先要完成數據幀的設計。數據幀(圖4)是傳輸信息的基本單元，由若干字段組成。定義每個字段為8位，分別為源地址、中繼地址、目的地址、控制位和數據位。

圖4 通信幀結構

其中，中繼地址段的大小會根據傳輸需要的個數而動態改變。

2.2 進程建模

基于傳輸矩陣的路由算法的進程仿真模型如圖5所示，該進程仿真模型由init、idle、snd、rcv、wt_free和end共6個狀態組成。

圖5 進程仿真模型

init狀態完成設備的初始化，包括讀取設備的命名、主從狀態、設備地址、仿真開始時間、統計量的聲明和產生中斷命令。idle狀態是閑置狀態，系統初始化后，若沒有事件發生則處于閑置狀態。snd狀態完成數據包的發送和發包統計量的記錄。根據數據包攜帶的信息和自身的主從狀態及地址等參數，rcv狀態完成數據包的轉發、收包統計記錄、銷毀、傳輸矩陣的更新及發包中斷等處理。利用CSMA協議，wt_free狀態監聽信道是否空閑，在發送數據時，若信道空閑則馬上發送數據；否則會等待繼續監聽，等信道空閑后發送。end狀態是系統仿真結束后進入的狀態，用以顯示初始化時間的確切結果。

主控制器流程如圖6所示，其中MAX為總線上的設備個數，M[MAX]為廣播所記錄的數組，當其某一位為1時，就發送命令讓該設備廣播，等待接收反饋應答信號。在接收到反饋信息時會刷新等待時間重新等待，直到在限定時間內無反饋信號而跳出等待，廣播下一個節點設備。N[MAX]記錄下一層需廣播的節點設備，當其所有數據為0時，初始化過程結束。

從控制器流程如圖7所示。在初始化階段，將從控制器的標志位置0。若接收到反饋應答信號，則將標志位置1，并停止反饋應答信號；若接收到需要廣播的信號，就進行和主控制器相同的廣播過程，在此不再贅述。

圖6 主控制器流程

圖7 從控制器流程

2.3 節點建模

節點模型如圖8所示(虛線為統計線，用以偵聽信道狀態)，其中每個設備都具有對數據包的接收、轉發和發送功能，因此都配有一組收發機(bus_rx、bus_tx)和判斷收發、轉發的程序處理模塊(proc)。收發機模擬硬件接口，控制數據的傳輸速率，并完成數據的發送和處理。

圖8 節點模型

2.4 網絡結構建模

網絡模型如圖9所示，其中主設備和從設備隨機相連在總線上。主設備和從設備唯一的區別是主設備對總線進行控制并負責數據包的發送，而從設備負責對數據包進行轉發和信息反饋。圖9中單位格長度為125m，由程序設定數據的傳播距離為250m，即兩個單位格的長度。

圖9 網絡模型

3 仿真結果分析

用所建仿真模型分別進行兩組實驗。第一組實驗在保證20個從設備不變的前提下，將數據傳輸速率分別設置為600、1 200、1 800、2 400、3 600、4 800bit/s，通過算法仿真分別確定系統的初始化時間(即創建傳輸矩陣的時間)為16.6、8.3、5.6、4.2、2.8、2.1s。

第二組實驗在保持數據傳輸速率為1 200bit/s的條件下，將從設備數量分別設置為10、20、30、40、50個，通過算法仿真分別確定系統的初始化時間為4.1、8.3、13.1、17.0、21.0s。

由仿真結果看出，數據的傳輸速率與系統的初始化時間成反函數關系，在設備數量為20個時，初始化時間約為9 600/傳輸速率。從設備的數量與系統初始化時間成線性函數關系，在傳輸速率為1 200bit/s時，初始化時間約為0.42倍的從設備數量。

4 結束語

筆者基于傳輸矩陣的動態路由算法，探討了基于OPNET Simulator的低壓PLCC路由算法的仿真方法。分別給出了協議設計、進程建模、節點建模和網絡結構建模的方法，這些方法均具有一般性，可以為其他路由算法的仿真提供借鑒。

[1] 王君紅,劉寶,袁若權,等.基于電力載波通訊的遠程控制系統設計及應用[J].化工自動化及儀表,2009,36(1): 49～52.

[2] 邢明海,胡靜宇,鄧海峰.低壓電力線載波抄表系統中的通信技術應用[J].化工自動化及儀表,2002,29(1):38～42.

[3] 劉曉勝,張良,周巖,等.低壓電力線通信人工蛛網結構的可靠性分析[J].中國電機工程學報,2012,32(28):142～149.

[4] 劉曉勝,周巖,戚佳金.電力線載波通信的自動路由方法研究[J].中國電機工程學報,2006,26(21):76～81.

[5] 劉曉勝,戚佳金,宋其濤,等.基于蟻群算法的低壓配電網電力線通信組網方法[J].中國電機工程學報,2008, 28(1):71～76.

[6] 戚佳金,劉曉勝,徐殿國,等.低壓電力線通信分簇路由算法及網絡重構[J].中國電機工程學報,2008,28(4):65～71.

[7] 俞天白,楊將新,趙玉璽.樓宇控制系統中的電力線載波通信路由算法[J].電網技術,2006,30(9):88～91.

[8] 陳磊,馮冬芹,金建祥,等.以太網在工業應用中的實時能力分析[J].化工自動化及儀表,2003,30(1):44～48.

[9] 陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2004.