IPv6的低壓電力線載波通信組網與接入機制*

文成亮，唐亮，何金星，杜延紅，黃盛剛

(重慶郵電大學 工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

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IPv6的低壓電力線載波通信組網與接入機制*

文成亮，唐亮，何金星，杜延紅，黃盛剛

(重慶郵電大學 工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

針對低壓電力線載波通信網絡在數據傳輸過程中可靠性較低的問題，研究了電力線載波通信網絡中現有的組網方法和接入策略，同時引入IPv6地址分配算法和節點接入策略，設計了基于層次樹的低壓電力線載波通信網絡架構，并通過增加冗余節點的方式提高網絡穩定性和通信可靠性。測試結果表明，提出的組網算法對于網絡結構的魯棒性和報文傳輸可靠性都有一定的提升。

低壓電力線載波通信; IPv6地址; 組網方法

引　言

電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)是電力系統特有的通信方式，主要利用現有廣泛分布的電力線作為通信介質，具備其他接入方式不可比擬的優勢[1-2]。但隨著電力網絡中用戶終端設備的增多，使得載波通信網絡物理拓撲具有了一定的“時變性”，終端設備對地址和安全性的需求也隨之增大。同時，電網內負載具有時變性，這種變化會導致通信信道質量的不穩定甚至使通信鏈路發生中斷，從而導致電網的邏輯拓撲發生變化、降低電力線通信的可靠性[3-5]。此外，IPv6 (Internet Protocol version 6)作為下一代互聯網核心技術，具有地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好等優點。將IPv6技術沿用到智能電網中是物聯網發展的必然趨勢，也是市場的強烈需求[6-7]。但由于低壓電力線通信面臨著比其他通信方式更為惡劣的信道環境，嚴重制約了載波信號的傳輸距離，使得電力線通信的可靠性大大降低[8]。因此，如何將IPv6技術與電力載波通信網絡結合，提出適用的組網與接入機制，實現IPv6報文在電力線通信網中可靠傳輸，是目前亟需解決的問題。

目前，國內外關于IPv6技術在電力載波通信中的應用已有一定的成果。參考文獻[9]中提出了適用于測量及家庭控制和區域網絡應用的IPv6網絡技術在電力線載波通信系統中的使用，基于IEEE 802.15.4標準協議，適用于低功耗有損網絡，達到有線網絡與無線網絡的互操作性。參考文獻[10]中IETF工作組提出將運用在無線中的6LoWPAN協議的IPv6技術應用于電力線載波通信中，在IPv6技術的MAC層采用IEEE 802.15.4標準。參考文獻[11]介紹了在電力線載波通信中，為確保PLC通信可靠的物理層，使載波通信物理層適合IPv6技術在載波中的應用。參考文獻[12]提出了對IPv6報文幀的壓縮，從而更好地適用于IPv6網絡中。參考文獻[13]論述了電力線載波通信中IPv6有效的傳輸協議、自動測量、配置和管理、安全機制。

鑒于此，將IPv6技術應用于電力載波通信網絡，項目組前期提出了基于IPv6技術的載波信息分片獨立重傳機制，有效降低了載波通信丟包率[7]。通過層次樹的地址分配原則構建基于IPv6的電力線載波通信網絡，并通過冗余備份路由機制提高節點傳輸的可靠性。

1　基于IPv6的電力線載波網絡地址分配策略

在以低壓電力載波通信方式實現的電網信息采集或控制的應用場景中，目前主要采用靜態或動態方式完成載波終端節點與集中器的非IP方式的節點ID分配和組網配置。但針對大規模網絡應用時，較難實現網絡ID自動、高效管控。為此，提出采用IPv6的IP管理機制實現載波終端與集中器統一的IP自動分配與管理機制[14]。

基于IPv6技術的電力載波通信網絡中的載波節點與其他網絡設備一樣，擁有一個全球唯一的64位接口標識地址。電力載波IPv6網絡MAC層采用IEEE 802.15.4標準，其傳輸的最大報文長度為127個字節，若采用64位的長地址作為源地址和目的地址，則在MAC頭部的地址域就占用了16個字節，并且在適配層多跳路由時占用6LoWPAN頭部域16個字節，從而減小了裝載有效負載的長度[6]。因此，在子網內采用IEEE 802.15.4標準的16位短地址作為路由通信地址，即可保證載波終端節點在同一個子網內的短地址的唯一性，也可以獨立標識一個唯一的IPv6載波節點，通過16位的短地址和PANID及網絡前綴就可以實現電力載波IPv6地址的無狀態自動配置，地址分配方式如圖1所示。

圖1　節點地址分配示意圖

電力載波IPv6節點在獲取16位的MAC短地址后，就將由該短地址實現無狀態IPv6地址的自動配置。首先，將16位短地址轉換為48位的偽以太網MAC地址，48位地址由2個字節的PAN ID、2個字節的全0值、16位的MAC短地址組成。其次，將48位的偽以太網MAC地址轉換為EUI-64地址，將0xFFFE插入到PAN ID與16位短地址之間，從而形成IPv6地址的64位接口ID。最后，將64位接口ID加上64位的網絡前綴構造成128位的IPv6地址。16位短地址生成IPv6地址的轉換過程如圖2所示。

圖2　MAC層16位短地址生成IPv6地址

基于IPv6技術的電力載波通信網絡的地址空間Cskip(d)可通過式(1)計算得到[6]：

(1)

式中,Cm為全功能載波父節點設備允許擁有載波子節點數量的最大值，Rm為全功能載波父節點設備允許擁有具備地址分配功能的全功能載波路由器節點數量的最大值，Lm為電力線載波網絡拓撲的最大網絡深度，為當前載波節點所在的網絡深度。Cskip(d)含義為第d層全功能載波父節點為其全功能載波子節點分配的地址偏移量，即為第(d+1)層具備地址分配功能的全功能載波路由器節點所擁有的地址空間。若Cskip(d)的值大于零，則表明該全功能載波父節點還可以接收載波子節點，并為其分配短地址；否則表示沒有短地址可分配，不能接收載波子節點。

2　基于IPv6的電力線載波通信組網與接入方案

2.1分層組網方案

為提高通信可靠性和提高組網速度，在組網配置過程中，將各個邏輯子層中的主/從中繼節點分別置于該邏輯子層的中間位置和相鄰邏輯子層的邊界位置，其中主中繼節點為IEEE 802.15.4標準中的路由器(父節點)，從中繼節點為冗余路由器。由于載波通信距離有限，為實現終端節點可靠入網，則需要由協調器(集中器)發送組網命令，各支路節點(父節點和子節點)由近及遠逐層配置，最終載波通信網絡邏輯分層與中繼節點分布示意如圖3所示。

圖3　電力線網絡邏輯分層與中繼節點分布示意圖

在形成的上述網絡拓撲結構圖中，當主中繼節點失效后，由從中繼節點代替主中繼節點的相關功能對本層子節點進行維護，其工作原理如圖4所示。

圖4　從中繼節點消息轉發示意圖

2.2分組接入控制策略

目前的電力線載波通信系統在進行信息終端業務通信時，主要采用的是輪詢接入控制的方式，在G3-PLC中主要采用CSMA/CA算法來解決節點接入問題，該算法具有擴展性好、數據傳輸時延小、對節點間的同步要求不高的特點。但當競爭發送數據的節點比較多時，節點可能要多次偵聽信道，并且由于該瓦斯檢測網絡潛在數據沖突節點的數量較多，在一定程度上影響了節點的接入效率和信道資源利用率，因此需要根據電力線信道的特點設計適合IPv6通信的電力線載波通信接入控制方式，從而使電力載波數據傳輸更為可靠，并提高電力線載波網絡信道利用率。將IPv6應用于電力線載波中，新節點入網過程如圖5所示。

圖5　IPv6電力線載波網絡節點接入示意圖

分組接入控制策略即將電力線載波網絡的成員節點進行分組，為不同組的節點分配不同的時隙。屬于不同組的成員節點在不同的時隙內發送數據，可有效避免數據沖突，而同組節點則采用隨機競爭機制發送數據。設計時隙是循環分配的，即如果網絡中有n個分組，則任何一個分組在所分配的時隙結束后，要等待(n-1)個時隙的時間長度才能再次被分配時隙。

實現網絡節點的時隙分配，首先需要設計節點的分組規則，節點分組的好壞直接影響著時隙分配的管理效果，每個父節點都會有一個或多個子節點，這些子節點是按照一定先后次序與父節點連接的。將每個父節點所接收的第一個子節點看作一組，接收的第二個子節點看作另一組，以此類推即可完成網絡節點的分組，形成的分組如圖6所示。

圖6　電力線網絡節點分組示意圖

該分組控制方法一方面隨著網絡的形成子節點可自動分組，并且當網絡開始工作以后，如果有新的成員節點加入，則可在不影響其他成員節點的情況下自動加入現有的某個分組或形成新的分組，無需人工干預，具有一定的靈活性和擴展性。另一方面，由于同組節點分布比較分散，且無線傳感器節點的通信范圍有限，因此同組節點中距離較遠的節點可同時互不干擾地發送信息，進一步減少數據沖突。

2.3冗余路由備份策略

在電力線載波通信網絡中，其物理拓撲結構主要為一種基于樹型的混合拓撲結構，在將IPv6技術應用于載波通信系統中時，其形成的網絡拓撲結構主要為樹型，即節點接入網絡時，選取合適的父節點進行加入。為了擴大組網的規模，子節點一般選取網絡深度較小的節點為其直接父節點，這樣雖然減小了分層的層數，擴大了組網的規模，但沒考慮鏈路質量等信息。在這種情況下形成的網絡拓撲結構其通信鏈路較單一，網絡抗毀性較差，為此，提出一種冗余父節點選取策略，以實現在基于IPv6的電力線載波通信網絡中數據的可靠傳輸。

新入網節點通過發送信標請求幀進行入網請求，已入網節點通過對其回復信標響應，將其加為自己的子節點，新節點的直接父節點從網絡深度最小的節點中進行選取，這樣可擴大組網的規模。冗余父節點則依據鏈路質量和網絡深度的綜合權值進行選取，對不滿足上述要求的節點回復的信標響應直接忽略。新節點入網過程中對父節點的選取如圖7所示。

圖7　節點入網父節點選取示意圖

3　測試與驗證

3.1測試平臺搭建

為驗證所提出的電力線IPv6通信冗余路由機制的性能，搭建載波通信測試平臺，該測試平臺拓撲結構為常見的配電網樹型拓撲，如圖8所示。在所搭建的測試平臺上，終端節點在入網成功后根據網絡參數自動完成IPv6地址的配置，形成一個以集中器為根節點的層次轉發樹網絡模型。為了測試鏈路中斷下路由恢復情況，通過在載波通信網絡某一固定位置接入電力線信道衰減調試儀，對載波通頻帶范圍內的信號進行衰減以模擬鏈路故障，從而使節點工作在冗余路由模式下。

圖8　電力線載波測試平臺

3.2測試結果分析

通過上述搭建的測試系統，構建相應的層次樹型網絡拓撲結構，結合樹型路由轉發機制，實現基于樹型路由的IPv6報文多跳傳輸功能的測試。測試中利用上位機界面發送應用數據幀，通過集中器下發到對應的載波節點。對不同載波節點進行重復測試，通過上位機對載波節點成功回復的報文數量進行統計，并利用串口調試助手對載波節點接收到的數據報文時間信息進行打印。對比了普通帶狀網絡拓撲結構與本文的基于層次樹的冗余路由機制的報文成功率和數據傳輸時延。

圖9給出了數據報文傳輸時延，從圖中可以看出，普通網絡拓撲結構由于呈現一種帶狀結構，數據在傳輸時只能通過其相鄰節點或中繼進行數據傳輸。而基于層次樹的網絡拓撲而言，網絡拓撲呈現的是一種樹狀，數據包可以直接傳輸至下一層的節點或中繼，大大降低了數據傳輸的時延。

圖9　數據傳輸時延對比

圖10為普通路由方式與層次樹冗余路由方式在相同發包數量情況下，隨著網絡規模的增加數據報文投遞率的統計情況。

圖10　數據包投遞成功率對比

從圖10中可以看出，隨著網絡規模的增大，普通路由方式只能選擇其中繼父節點進行通信，當父節點出現故障或通信鏈路受損時，將會導致數據傳輸失敗。而相對于具有冗余機制的樹形路由而言，若其主中繼節點出現故障時，則其可以選擇冗余備份路徑進行傳輸，從而增加了數據報文傳輸的成功率。

結　語

本文以提高電力線IPv6通信網絡的可靠性為目的，結合電力線載波網絡的特性，針對配電網拓撲結構，提出了一種層次化冗余路由機制，通過IPv6地址分配策略將載波網絡節點構造成一顆層次轉發樹，各節點以入網后獲取的IPv6地址塊進行子節點的地址管理，并在層次轉發樹模型下實現了對IPv6報文的傳遞，從而減小了報文的傳輸時延。

在網絡故障時，依據IPv6協議設計的冗余路由尋址方法，能夠在不增加控制報文的前提下，使載波節點將IPv6報文有效地傳至目的節點，以較小的開銷實現了路由的快速恢復。

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文成亮、何金星(碩士研究生)，研究方向為電力通信技術。

Low-voltage Power Line Carrier Communication Routing Technology and Access Mechanism Based on IPv6

Wen Chengliang,Tang Liang,He Jinxing,Du Yanhong,Huang Shenggang

(Key Laboratory of Industrial Internet of Things&Networked Control,Ministry of Education,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In view of the low-reliability in the data transmission of low-voltage power line carrier communication network,the existing networking methods and access strategy in power line carrier communication network are researched.Meanwhile the IPv6 address allocation algorithm and the node access strategy are introduced,and the low-voltage power line carrier communication network architecture based on the hierarchy tree is designed.The design improves the network stability and reliability of communication through the way of redundant nodes.The test results show that the proposed networking algorithm improves the robustness of the network structure and the reliability of the message transmission.

low-voltage power line carrier communication;IPv6 address;networking method

重慶市研究生科研創新項目(基于IPv6技術的電力載波通信網絡路由技術研究，項目編號為CYS14148)。

TN913.6

A

(責任編輯：楊迪娜2016-04-05)