低壓電力線分簇蛛網混合多徑盲路由算法及通信協議設計

劉曉勝 李延祥 王 娟 朱宏林 徐殿國

（1.哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150000 2.蘇州匯川技術有限公司 蘇州 215104）

1 引言

低壓電力線通信（Low Voltage Power Line Communication，LVPLC）由于利用已有的遍布城鄉的電力傳輸線作為信息傳輸的媒介，具有覆蓋面廣、投資少、運行及維護成本低等特點，因此在遠程智能抄表、路燈控制等領域得到廣泛應用[1]。然而電力線設計的初衷是用來傳輸電能而非數據信息，大量電器啟停、運行帶來的噪聲干擾，以及信號選擇性衰減，線路阻抗經常波動等劣勢，常常導致通信鏈路失效，使得電力線通信的通信范圍過小，可靠性偏低，限制了大規模電力通信的應用[2]。

國內外關于提高低壓電力線載波通信可靠性方面的研究主要從增強物理層通信能力和建立網絡中繼（路由）兩個方面展開。前者主要集中在信道特性[3,4]、噪聲[5,6]、信源和信道編碼[7,8]、信號調制解調方式[9]等方面。后者主要集中在多級中繼路由算法的設計和改進上。目前已有多位學者對電力線通信動態路由算法進行了研究，取得了一定的成果，然而仍有許多不足。

文獻[10,11]借鑒無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）中的分簇思想，提出了基于非交疊分簇的動態路由算法。該算法雖然具有層次清晰，組網迅速等優點，然而由于只具有單一通信鏈路，一旦某一通信鏈路失效，必須進行局部甚至全局的網絡重構，頻繁的網絡重構將帶來大量的網絡延時，不滿足電力線通信網絡的實時性和抗毀性要求。

文獻[12,13]利用蟻群算法、變異遺傳算法等智能算法，提出了基于QoS的動態路由組網算法，優化了網絡結構，但是存在收斂速度慢，容易陷入局部最優等問題。

文獻[14,15]提出了基于單層人工蛛網的分層動態路由算法，在一定程度上提高了網絡的可靠性，但是存在蛛網中心節點間通信鏈路通信質量依賴的問題。

本文根據電力線組網的一般特點和要求，將非交疊分簇算法和人工蛛網拓撲相結合，提出了一種新型的分簇蛛網混合多徑盲路由算法，結合通信協議的設計，詳細闡述了電力線網絡初始化、運行、維護與重構等過程算法。最后通過仿真對比驗證了算法和協議的有效性和優越性。

2 分簇蛛網混合算法的核心思想

2.1 低壓電力線通信網絡模型

低壓電力線網絡的典型拓撲結構為樹形拓撲，完整的網絡系統由網關節點和子節點構成。圖1為一種典型低壓電力線通信物理拓撲結構[16]。變壓器二次側臺區為三相配電網，每相由一個網關節點負責該相全部節點信息的收集和管理。由于不能跨相通信，三相之間在邏輯上相互獨立。因此只需以其中一相為例，研究其通信方法。

電力線網絡數據鏈路的通信范圍是有限的，雖然網關與各節點在物理上是連通的，但是在邏輯上卻可能是斷開的。假設臺區內某相上子節點總數為n，由于通信距離或噪聲干擾等原因，網關只能與其中m個節點實現直接通信，對于其余子節點則需要通過建立中繼路由來實現間接通信。因此為了實現全網通信，必須先建立網關到部分子節點的邏輯通信鏈路，再由這些節點作為中繼路由，擴展通信范圍，由此形成電力線通信網絡的邏輯拓撲。通常電力線網絡的節點數量和分布情況都是未知的。盲路由算法要解決的就是未知網絡邏輯拓撲的建立及維護等問題。

圖1 典型低壓電力線通信網絡物理拓撲結構Fig.1 A typical low voltage power line communication physical topology

2.2 傳統非交疊分簇算法

分簇算法的基本思想是將網絡分成“簇”，每個簇由一個“簇頭”和若干個“簇員”組成。“簇頭”是按照某種分簇算法或規則選舉出來負責協調和管理簇內其他節點的節點，簇內除簇頭外其他節點稱為“簇員”[17]。一個簇頭節點也可以同時成為其他簇的簇員節點。

非交疊分簇算法規定已經加入一個簇的節點不再加入其他簇，因而在各節點之間確定了唯一的通信鏈路，如圖2所示。例如網關節點0要與節點26通信，則需要依次以節點6和節點4為中繼，形成唯一通信鏈路 0-6-4-26。鏈路的唯一性明確了通信路徑，但同時帶來了頻繁網絡重構的麻煩。

圖2 非交疊分簇結構圖Fig.2 Non-overlapping clustering structure

2.3 人工蛛網拓撲

人工蛛網算法是受到自然界中蜘蛛網結構抗毀性強的特點啟發而產生。其核心思想是將星型拓撲和環型拓撲相結合，從而形成網狀拓撲結構，如圖3所示。人工蛛網拓撲結構為通信提供了多條備用鏈路，極大地增強了通信的可靠性。

圖3 人工蛛網拓撲結構圖Fig.3 Artificial cobweb topology structure

2.4 分簇蛛網混合算法

分簇蛛網混合算法將非交疊分簇算法通信鏈路明確，及人工蛛網拓撲可靠性強的優點相結合。其核心思想是在組網階段，在簇內建立鄰居鏈路，為每個簇內成員提供至多兩條同層通信鏈路，作為原通信鏈路失效的備份。如果下行通信鏈路失效，節點可以以下層目的節點的某一鄰居節點作為中繼，實現與目的節點間的通信；如果上行通信鏈路失效，節點可以以自身的某一鄰居節點作為中繼，實現與上層節點間的通信。

如圖4所示，當網關節點0要與節點26通信時，正常情況下的通信鏈路為0-6-4-26。若節點 4和節點26之間的通信鏈路失效，則節點4將以節點26的鄰居節點33為中繼，完成下行通信，從而形成新的通信鏈路 0-6-4-33-26；反過來節點 26以鄰居節點 33為中繼，完成上行通信，通信鏈路為26-33-4-6-0。

圖4 分簇蛛網混合拓撲結構圖Fig.4 Clustering-cobweb hybrid topology structure

3 通信協議設計

3.1 數據幀格式設計

本文參考DL/T 645-1997[18]及DL/T 645-2007[19]通訊規約，結合電力線網絡需要多級中繼的特性進行路由算法的通信協議設計。

數據幀主要由幀頭、控制碼、源節點、目的節點、中繼節點、層數、數據長度域、數據域、校驗碼和幀尾等幾部分構成。標準數據幀格式如圖5所示。

圖5 標準數據幀格式Fig.5 Normal data frame

具體格式根據相應功能有所不同，數據幀的種類通過控制碼加以區別，幀中各部分除數據域和中繼節點域外各占一個字節。

幀頭和幀尾分別為68 H和16 H，用以標識數據幀的開始和結束；控制碼用來區分數據幀的種類，其具體含義見表1；源節點表示發送節點的物理ID；目的節點表示數據幀要送到的節點的物理ID；中繼節點域用來存放源節點到目的節點之間需要經過的中繼節點的物理 ID，具體長度視網絡中繼級數而定。對于m級中繼網絡，中繼節點域為m?1字節。若經過的中繼節點數不足 m?1，則在空缺的位用FFH補全；層數表示源節點或目的節點所在的層數；數據長度域用來標識數據域的長度；數據域用來存放待發送的數據；校驗碼為從幀起始符開始到校驗碼之前的所有各字節的模256的和。

表1 控制碼及其含義對照表Tab.1 Control codes and corresponding meanings

3.2 路由表格式設計

此外還對各節點路由表的格式進行了設計，包括子節點本地路由表和網關節點路由表。格式如圖6和圖7所示。子節點本地路由表需要記錄節點所在層數，節點的兩個鄰居節點和上一層的中心節點以及全部子節點物理ID。網關節點路由表需要記錄各子節點的物理ID及其所在層數和該節點的上一層中心節點。

圖6 子節點本地路由表格式Fig.6 Child node local routing table format

圖7 網關節點路由表格式Fig.7 Gateway node routing table format

網關節點在發送數據時采用層層查找的方式，無需記錄各子節點的所有中繼節點。如圖4中，網關節點0要與節點10進行通信，則網關節點0查找網關節點路由表，發現節點10上層中心節點為節點11，節點11上層中心節點為節點1，節點1上層節點為節點0，則網關節點確定了與節點10的通信路徑0-1-11-10。按照該思路，可以唯一確定網關節點與任意節點的通信路徑。

這種路由表格式占用內存小，大大節省了網關節點的存儲空間，有利于擴大網關節點的通信范圍。

下面將結合網絡邏輯拓撲的建立和維護等過程，對網絡通信各過程中常用到的數據幀及兩種路由表的記錄和修改方式作以詳細介紹。

4 分簇蛛網混合盲路由組網初始化算法

4.1 前提與假設

電力線通信網絡組網的過程實際上就是建立網絡通信邏輯拓撲的過程，為了便于討論，作如下假設。

（1）網絡中所有節點都具有唯一的物理地址，網關節點的物理地址為0，其他子節點的物理地址依次為1,2,…,n（n≤255）。

（2）任意節點至少可以與1個其他節點通信，即網絡中不存在孤立點。

（3）電力線通信鏈路為對稱鏈路，即兩節點間可以實現雙向通信。

（4）采用 P-堅持的CSMA/CA（載波監聽多路訪問/沖突避免）協議，以避免數據傳輸時發生信道沖突。

（5）為了便于比較通信誤碼率，規定所有組網幀發送一組固定數據。

4.2 路由組網初始化算法

分簇蛛網混合多徑盲路由組網算法的步驟如下。

（1）上電后網關節點邏輯層數默認為0，所有子節點邏輯層數默認為6，網關及各子節點路由表為空。

網關節點發送組網幀，源節點為0，層數為0。組網幀格式如圖 8。假設收到該組網幀的節點數為m個，則該 m個節點自動加入邏輯層 1，并按照CSMA協議依次向網關節點返回應答幀，應答幀格式如圖9所示。網關節點在收到應答幀后將節點相關信息寫入網關節點路由表中。

圖8 組網幀Fig.8 Networking frame

圖9 應答幀Fig.9 Response frame

（2）節點在收到網關節點發送的組網幀后，等待一定時間 T，確保所有節點都已經完成對組網幀的響應。在定時T結束后，已經加入網絡（成功發送應答幀）的各節點將原組網幀中的源節點改為自身物理ID，層數加1，形成新的組網幀，同樣按照CSMA協議依次向周圍發送，直至邏輯層1內的所有節點都發送完組網幀。

這期間，顯然邏輯層1內的節點一方面向周圍發送組網幀，一方面也會收到來自同層其他節點的組網幀。收到組網幀的節點判斷自身層數與源節點的層數關系。

① 若兩者相等，說明發送方與接收方位于同一邏輯層，則接收方將發送方 ID及與其通信的誤碼率記錄下來，至邏輯層1組網結束時，將所有發送節點中與其通信的誤碼率最小的兩個節點作為其鄰居節點記錄在本地路由表中。

② 若接收方層數大于發送方，接收節點自動加入邏輯層 2，并向發送方回復應答幀，表示加入發送節點所在的簇內，成為其簇員節點。此后不再對其他來自邏輯層1的組網幀作處理。發送方在收到應答幀后，將簇員節點物理 ID記錄在本地路由表中，同時向網關節點發送節點信息上報幀，報告新節點加入信息。假設源節點為6，新節點為4，位于邏輯層2，則節點信息加入幀格式如圖10。

圖10 節點信息上報幀Fig.10 Node information reporting frame

③ 若接收方層數小于發送方（在這里接收方只能是網關節點），則不作處理。

節點在收到組網幀后等待連續的一段時間 T，若一直沒有再收到組網幀，說明邏輯層1的所有節點都已經完成了組網幀的發送。

（3）重復步驟（2），直到所有接收節點中不存在位于發送節點下一層（即未加入網絡）的節點，說明所有節點都已加入網絡，此后不會再產生新的組網幀。網關節點經過一定時間Tm，仍未收到新的節點信息上報幀，表示所有節點都已加入網絡。組網過程隨即完成。

按照此算法進行組網，無需事先知道網絡節點的數量和分布情況，實現了未知網絡邏輯拓撲的建立。

5 網絡運行、維護及重構算法

5.1 網絡運行過程

網絡運行過程主要涉及到網關節點廣播命令幀，網關節點單播命令幀，一般數據幀，應答幀等。

根據電力線通信網絡數據采集要求的不同，設計了命令標識碼作為二級控制碼，具體含義見表3。這里以讀取本地路由表信息（02H）為例，作以詳細介紹。

表2 命令標識碼及其含義對照表Tab.2 Command identifiers and corresponding meanings

網關節點廣播命令幀用于收集全網信息，幀格式如圖11。收到廣播命令幀的節點向網關節點返回相應一般數據幀，并轉發該廣播幀，直至傳到末端節點。

網關節點單播命令幀用于收集網絡內某一節點的信息。假設網絡支持6級中繼，若網關節點0要以節點6和節點4為中繼，向節點26發送單播命令幀，則單播命令幀格式如圖12。

圖11 網關節點廣播命令幀Fig.11 Gateway node broadcast command frame

圖12 中心節點單播命令幀Fig.12 Center node unicast command frame

下層節點在收到上層節點發送的命令幀后，向發送方回復應答幀（如圖9）表示接收成功。

對于一般數據幀，只需按照中心節點一層一層的向上轉發，就可以發送到目的節點，幀格式如圖13所示。上層節點在收到下層節點發送的一般數據幀后，向發送方回復應答幀（如圖 9）表示接收成功。

圖13 一般數據幀Fig.13 General data fra me

5.2 新節點加入過程

新節點加入過程主要涉及到節點申請加入幀，組網幀，應答幀，節點信息上報幀等。

已經完成組網過程的網絡，在網絡運行過程中，可能會有新的節點加入。該節點在收到來自其他節點的數據幀后，如果發現自身路由表為空，說明節點尚未加入網絡。則該節點此時應主動向周圍發送節點申請加入幀，申請加入網絡，幀格式如圖 14所示。

圖14 節點申請加入幀Fig.14 Node applying for joining frame

收到該幀的節點再次向周圍發送組網幀，幀格式如圖 8。新節點對收到的各組網幀的處理過程同本文4.2節中步驟（2）。至此完成節點加入過程。

5.3 鏈路及節點失效與網絡重構

在網絡運行過程中，若發送命令幀或數據幀的一方沒有及時收到接收方的應答幀，認為原通信鏈路失效。此時需要啟動鏈路失效恢復過程。鏈路失效恢復過程主要涉及到更新路由信息幀。

5.3.1鏈路失效過程

如果在通信過程中發現節點的上行通信鏈路失效，只需將節點的1個鄰居節點作為中繼節點，即可恢復通信。

如果是下行鏈路失效（通常都是這種鏈路失效），則重新發送數據幀，并在數據幀的控制碼中加入鏈路失效標識，幀格式如圖15。收到該幀的節點判斷自身是否為原目的節點的鄰居節點。若是，則將該幀還原為原數據幀發送給目的節點。反過來目的節點收到數據幀后，以該鄰居節點為中繼向上返回相應數據幀。

圖15 帶有鏈路失效標識的數據幀格式Fig.15 Data frame with link failure identifier

5.3.2節點失效及網絡重構過程

如果經過一定延時，仍然未能及時返回目的節點的信息，則認定節點失效。對其進行快速局部網絡重構。

通過上一層鄰居節點向下發送組網幀，為失效節點尋找新的中心節點。若快速局部網絡重構完成，則由新的中心節點通過多級中繼向網關節點發送更新路由信息幀，報告重構后原失效節點的路由更新信息，更改本地路由表和網關節點路由表。更新路由信息幀格式如圖16所示。

圖16 更新路由信息幀Fig.16 Updating routing information frame

5.4 節點退出過程

5.4.1節點被動退出

如果快速局部網絡重構沒有找到失效節點，則認為失效節點已經脫離網絡，稱這種情況為節點被動退出。此時失效節點的原上層中心節點向上返回節點被動退出幀，直至網關節點，報告節點異常，提醒檢修人員檢修。假設節點26被動退出，則由其上層中心節點4向網關發送的幀格式如圖17所示。

圖17 節點被動退出幀Fig.17 Node exit passively frame

5.4.2節點主動退出

如果節點由于某種原因需要退出網絡（如線路改造、拆除等問題），需要事先通知其上層節點及網關節點。

當節點需要主動退出網絡時，需要發送節點主動退出幀（見圖18）至其下層子節點及網關節點。

其下層子節點需要進行快速局部網絡重構，尋找新的上層中心節點，具體步驟不再贅述。網關節點收到退出幀后刪除路由表中關于該節點的全部信息，并發送節點退出許可幀（見圖19）至待退出節點，提示節點可以完成退出。

圖18 節點主動退出幀Fig.18 Node exit actively frame

圖19 節點退出許可幀Fig.19 Node exit permit frame

至此完成節點退出過程。

通信協議的數據幀長度一般不超過10字節，降低了系統開銷，提高了通信的準確性和穩定性，具有良好的推廣和實用價值。

6 仿真與對比實驗

6.1 組網初始化算法仿真

為了驗證路由算法的有效性，利用Matlab對算法進行了仿真研究。

在100 m×100 m的區域內隨機分布40個節點（滿足假設條件），網關節點位于區域中心，物理ID為0，其余節點編號為1,2,3,…,39。為了模擬電力線信道的時變性和隨機性，設置節點間有效通信距離在20～25 m范圍內變化。分別采用傳統分簇算法和本文提出的分簇蛛網混合算法進行組網，仿真結果如圖20和圖21所示。

可以明顯看出，非交疊分簇算法雖然結構簡單、邏輯清晰，但是由于只具有單一通信鏈路，抗干擾性能較差；而分簇蛛網混合算法在原有算法的基礎上增加了鄰居鏈路，提供了備用鏈路，減少了頻繁網絡重構的麻煩，在一定程度上保證了通信的可靠性和穩定性。

圖20 傳統分簇算法仿真結果Fig.20 Traditional clustering algorithm simulation

圖21 分簇蛛網混合算法仿真結果Fig.21 Clustering-cobweb hybrid algorithm simulation

6.2 網絡重構算法仿真

由圖21可知，每個節點有唯一上層中心節點和至多兩個鄰居節點，如對于18節點，其與網關節點的默認通信路徑為0-6-30-18；對于 26節點，其與網關節點的默認通信路徑為0-6-4-26。

當30和18節點間通信鏈路失效時，30節點將選擇24節點作為中繼與18節點通信，形成通信路徑 0-6-30-24-18。

然而，如果4和26節點間通信鏈路失效，由于4節點的子節點中不存在 26節點的鄰居節點（33節點雖然是26節點的鄰居節點，但是卻無法收到4節點的鏈路失效幀，所以無法實現通信鏈路恢復），所以 26節點成為失效節點。由 4節點的鄰居節點19和38發起組網幀，結果19節點得到26節點的應答幀，于是通信鏈路變成0-6-19-26。

圖22 網絡重構算法仿真結果Fig.22 Network reconstruction algorithm simulation

節點加入及退出情況較為簡單，在此不作贅述。

通過以上仿真結果可以看出，本文提出的低壓電力線分簇蛛網混合多徑盲路由算法可以快速有效的實現低壓電力線網絡邏輯拓撲的組網、運行、維護和重構等問題。

6.3 路由表開銷對比

隨著網絡中節點數的增加，路由表的開銷也會隨之增大。傳統路由通信協議采用 1-0鄰接矩陣的形式記錄本地路由信息，每個節點與網絡中其他節點的通信情況都要被記錄，即每個節點所占用的存儲空間為n字節，組網完成后，路由表中必將存在大量的0值，同時由于一個節點可能與很多節點可以實現通信，從而造成路由路徑不明確，給自動中繼帶來一定的麻煩。

本文采用層層查找的方式進行自動路由，網關節點路由表中只記錄每個節點的物理ID、所在層數以及該節點的上一層中心節點ID，即每個節點所占用的存儲空間僅為3字節，同時由于唯一確定了節點的通信路徑，使得自動中繼過程更加簡便易行，大大提高了效率。

假設一個節點的地址占用1字節存儲空間，網絡中節點總數為n，中繼級數為6，則1-0矩陣式網關節點路由表所占用的存儲空間是n2個字節；而采用本文所設計的網關節點路由表所占用的存儲空間為3 n個字節。從圖23以看出，隨著網絡節點數的增加，1-0矩陣式路由表的路由開銷將遠大于層層查找式路由表。

圖23 兩種路由表開銷對比Fig.23 Overhead of two types of routing table

顯然，本文提出的層層查找式路由表在節省路由開銷和簡化中繼過程方面具有其他路由表設計方法不可比擬的優勢。

6.4 通信可靠性分析

通信可靠性是衡量路由算法優劣的重要指標。

設各條通信鏈路失效概率用 p來表示，中繼級數用m來表示，每級通信的成功率用P0來表示，網關節點成功將數據幀傳輸到目的節點的概率用P來表示。

則對于傳統分簇算法，只有當每級通信都成功時，才能完成網關到目的節點的通信。每級通信的成功率P0為

因此通信成功率P為

對于分簇蛛網混合算法，每級通信的成功率P0為

因此通信成功率P為

表 3為假設各條通信鏈路失效的概率均為p=0.1，分別采用傳統分簇算法和分簇蛛網混合算法時，網關節點成功將數據幀傳輸到目的節點的概率P隨中繼級數m增加的變化情況。表4為假設中繼級數m=6，分別采用兩種算法的通信成功率P隨鏈路失效概率p增加的變化情況。

表3 p=0.1時，P隨m增加的變化Tab.3 The change of P with the increase of m when p=0.1

表4 m=6時，P隨p增加的變化Tab.4 The change of P with the increase of p when m=6

從表中可以看出，隨著中繼級數的增加，采用傳統分簇算法時，網關節點與目的節點的通信成功率會下降得非常快，而分簇蛛網混合算法的通信成功率卻幾乎不受中繼級數的影響；另一方面，在相同中繼級數（6級中繼深度）的情況下，當信道質量較差時，采用傳統分簇算法的通信成功率已經很難達到要求；而分簇蛛網混合算法的通信成功率仍然高于0.6。

以上兩組對比充分說明了在中繼級數增加和信道質量惡化的情況下，分簇蛛網混合算法比傳統分簇算法具有更高的可靠性和穩定性，為電力線通信網絡的可靠運行提供了優良的保障，具有良好的應用前景。

7 結論

本文首先分析了低壓電力線通信的特點，提出了多級中繼路由的必要性。

接著分析了傳統非交疊分簇路由算法、蟻群優化算法以及人工蛛網算法等的優勢和不足，進而提出了一種基于分簇蛛網混合的新型多徑盲路由算法。并結合通信協議的設計，給出了低壓電力線網絡邏輯拓撲的組網、運行、維護和重構等問題的解決方案。

最后通過仿真分析、路由表開銷和通信可靠性分析驗證了算法和協議的有效性和優越性。結果表明，本文提出的分簇蛛網混合算法能夠實現快速有效的網絡建立和重構；通信協議實現簡單、開銷小、穩定性高，對于提高通信的可靠性具有積極的意義。

今后的研究方向將是通過吞吐量、延時等指標的具體分析驗證協議的有效性；以及考慮如何保證算法的QoS性能及在不對稱鏈路情況下算法及通信協議的改進。

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