基于自適應組播的BPLC網絡高效組網協議

吳高翔，任 冬，劉 維，呂小紅，周婧婧

(1.國網重慶市電力公司電力科學研究院 能源互聯網技術中心, 重慶 401123；2.國網重慶市電力公司， 重慶 400010；3.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引 言

寬帶電力線通信(broadband power line communication，BPLC)[1,2]是利用低壓電力配電線作為信息傳輸媒介進行傳輸的一種速率可達Mbps級別的有線通信技術。目前，以寬帶電力線通信領域的國際標準IEEE1901.1[3]和國家電網公司Q/GDW 11612《低壓電力線寬帶載波通信互聯互通技術規范》[4]等標準文件為基礎，BPLC通信逐漸被廣泛應用于能源互聯網[5]、自動抄表[6]、智能用電系統[7]、路燈控制[8]、充電樁建設[9]等多種領域。

近年來，人們對BPLC網絡技術開展了持續的研究。顏遠志等[10]對電力線信道特性進行分析，發現噪聲、相移、時變、衰減等特性的干擾使BPLC網絡有效通信距離僅為幾百米。為提高BPLC網絡通信距離，段紅光等[11]提出在BPLC中采用多跳傳輸和多層級樹狀拓撲結構[12]。為了保證多跳有線鏈路的傳輸穩定性，尹萍等[13]提出一種基于鄰居節點覆蓋的組網算法，但該算法泛洪“入簇消息”的操作會明顯增加網絡控制開銷。李桂林等[14]提供了一種基于樹的BPLC網絡組網方法，但此方法沒有給出路由的動態重構和優化方法。吳限[15]探究了BPLC人工蛛網的組網算法來優化網絡結構。但該算法對蛛網中心節點依賴過高，易造成因中心節點損壞而網絡重構。

從上述研究中發現：現有BPLC組網協議大多需要大量控制報文來探索網絡節點，組網效率較低。所以，本文提出一種基于自適應組播的高效組網協議，通過中央協調器自適應組播關聯回復消息來增加BPLC網絡組網效率。

1 系統模型與問題描述

BPLC網絡定義了一種以中央協調器CCO(central coordinator)為中心、以代理協調器PCO(proxy coordinator)為中繼代理連接所有站點STA(station)的多層級樹形網絡，圖1為典型的BPLC網絡的拓撲圖。

圖1 BPLC網絡拓撲

1.1 協議棧結構

BPLC網絡協議棧是基于標準的開放式系統互聯(OSI)7層模型，定義了物理層、數據鏈路層、應用層共3層，基本結構如圖2所示。數據鏈路層為應用層提供傳輸服務，也可擴展與標準TCP/IP進行對接以實現標準IP網絡通信。

圖2 寬帶電力線通信網絡協議棧層級劃分

1.2 BPLC組網

為保證BPLC網絡路由建立和數據傳輸的可靠性，BPLC網絡會進行網絡組網。過程如下：

(1)CCO上電后進行網絡間的時隙和網絡標識的協調，協調成功后進行單網絡組網。

(2)CCO開始在信標時隙發送中央信標，收到中央信標的站點通過在CSMA(carrier sense multiple access)時隙發送關聯請求報文請求入網。

(3)CCO通過白名單對請求入網的站點進行認證，認證成功后將處理結果通過關聯確認報文發送給入網請求的STA站點，待入網節點收到關聯確認消息后表明入網成功，在一段時間內未收到關聯確認消息則需重發關聯請求消息。關聯確認消息中有CCO為入網節點分配的終端設備標識(terminal equipment identification，TEI)。

(4)一級節點入網成功后，CCO會為其安排信標時隙來發送發現信標，發現信標的發送，可以觸發新入網站點周圍的二級站點發起關聯入網的請求。

(5)如此循環，以便距離CCO最遠的最高層級的STA站點加入網絡。關聯入網報文交互如圖3所示。

圖3 關聯入網報文交互流程

1.3 問題描述

經研究發現，BPLC組網過程存在以下兩個問題：

(1)BPLC組網時，CCO廣播中央信標后，多個收到信標的一級節點會發送關聯請求消息，CCO收到該消息驗證其身份后馬上會發送關聯確認報文。隨著STA節點逐層級入網，節點通過PCO轉發關聯請求報文入網申請，STA節點數目增加，關聯確認報文很可能被擠壓在CCO隊列里，導致CCO不能及時給待入網節點分配TEI和時隙等信息，入網申請節點不能正常入網，從而致使BPLC網絡入網時延增加。

(2)當網絡規模較大時，STA發送大量的關聯請求報文需要CCO發送同樣規模的關聯確認報文進行回復。由于關聯請求報文在CSMA競爭時隙發送，所以CCO不能及時對某些STA發送的關聯請求消息回復關聯確認消息。這些STA就會因在等待的時間閾值內無法收到關聯確認報文而觸發重發關聯請求報文的機制，導致控制開銷和入網時延的增加。

2 ENP-BPLC協議

為解決上節所述問題，本文結合BPLC網絡場景的特點，在IEEE1901.1標準的基礎上，提出基于自適應組播的BPLC網絡高效組網協議(efficient networking protocol for BPLC network based on adaptive multicast，ENP-BPLC)，其中包含自適應組播關聯回復報文、幀類型字段攜帶消息數量、基于重發報文的關聯回復3種新機制。由于多層級的節點入網同樣會把關聯請求消息轉發到一級節點，與一級節點入網基本一致，所以本文主要討論CCO對一級節點的關聯回復。

2.1 ENP-BPLC協議的新機制

2.1.1 自適應組播關聯回復報文

針對1.3節問題(1)，本文提出自適應組播關聯確認報文機制。由于BPLC是樹形拓撲，那就意味著層級越高，站點數量很可能會越多。那么CCO在CSMA競爭時隙回復關聯確認報文時，可能存在多個關聯確認消息被放進緩存隊列里面而未及時回復。新機制的核心思想為：CCO在檢測到信道空閑后，取出緩存隊列隊頭的關聯確認報文，再檢查發送緩沖區中是否有待發的關聯回復消息；若有，繼續將其取出，連接到當前關聯回復消息之后；發送緩沖區中有多少關聯回復消息就連接多少，直到達到MAC數據幀數據字段的最大長度；然后，生成一個新類型的幀--關聯確認組播幀，將連接的關聯回復消息裝入該幀數據字段發送關聯回復報文。

2.1.2 幀類型字段攜帶消息數量

上節提到在自適應回復關聯回復報文時，生成了一個新的關聯確認組播幀類型，其中包含多個關聯確認報文。但關聯確認報文的個數是未知的，必須通過增加一個新的字段來存攜帶消息的數量信息，這樣就會造成額外的開銷。所以，本文提出了幀類型攜帶消息數量機制來避免信息字段的增加。其核心思想是：用組播幀的幀類型值攜帶關聯回復消息數量信息；不設專門的關聯回復消息數量字段。

根據IEEE1901.1技術標準，關聯確認報文等管理消息幀頭部管理消息類型字段占2字節，其中0x0000-0x0050范圍已被使用，為了與已有的管理消息類型相區分，并且能夠包含關聯確認組播幀站點數信息，新提出的關聯確認組播幀的消息類型的最高位為1，使用0x1002-0x1400字段表示關聯確認組播幀的類型，同時，也表示了該關聯確認組播幀中關聯回復報文的個數(匯總站點數最多包含1022個)，0x1401-0x14FF字段為匯總站點數的保留字段。

2.1.3 基于重發報文的關聯回復

為解決1.3節問題(2)，本文提出了基于重發報文的關聯回復機制。其核心思想為：CCO通過判斷周圍是否收到了重發的關聯請求報文自適應地發送一級回復報文。如果CCO收到了來自STA節點重發的關聯請求報文，說明該STA節點之前發送的關聯請求報文沒有收到關聯確認，間接說明了該BPLC網絡信道繁忙，如果CCO繼續在CSMA時隙單播關聯確認消息，將會加劇信道的擁塞度。CCO停止生成關聯確認消息單播發送而選擇將收到的關聯請求報文驗證后，生成關聯確認組播報文，使CSMA時隙內沒有大量的關聯確認消息與關聯請求消息競爭，從而減緩信道的報文負載，減少了控制開銷。

圖4為基于重發報文的關聯回復機制。圖4(a)為正常情況下STA發送的上行關聯請求報文和CCO發送關聯確認報文示意圖。圖4(b)為申請入網節點較多的示意圖，因為節點數目較多，上下行報文都需要競爭信道，導致了上行關聯回復消息的STA沒有收到對應的關聯確認消息而不能正常入網，需要等待一段時間之后重新發送關聯請求報文。圖4(c)為新機制的示意圖，CCO檢測到某些STA重發了關聯請求報文之后，采用停止發送關聯確認報文而采用發送關聯確認組播報文的方法，大大減輕了信道的負擔。

圖4 基于重發報文的關聯回復機制

2.2 ENP-BPLC主要操作

基于自適應組播的BPLC高效組網協議包含了上述3種新機制，其基本操作步驟如下：

步驟1 CCO開機時啟動鄰居網絡監聽定時器，如果在偵聽時間T內接收到網間協調幀，進行網間網絡標識和時隙的協調。如果在偵聽時間T內沒有接收到網間協調幀則進行單網絡組網。CCO廣播中央信標發起組網。

步驟2 鄰居節點收到中央信標，檢查信標的“開始關聯標志位”是否為1，站點準備發送關聯請求報文前先偵聽一下總線上是否有數據正在傳送(線路是否忙)。若在偵聽中發現信道閑，該STA站點向CCO直接發送關聯請求報文。若在偵聽中發現線路忙，則等待一個延時后再次偵聽，若仍然忙，則繼續延遲等待，若等待次數n超過閾值16，STA重發關聯請求消息并標記此報文。每次延時的時間不一致，由截斷的二進制指數退避算法確定延時值。

步驟3 CCO收到申請入網節點發出的關聯請求消息，查詢該關聯請求報文對應STA站點信息，進行白名單認證。CCO查詢關聯請求消息是否有重發標志。若有，則跳轉步驟5。若無，CCO查詢站點的層數，確定下一跳目的地址，如果是一級站點，則目的地址是本節點，如果是多層，則目的地址是請求站點對應最低級別的PCO。CCO為節點分配TEI和時隙，保存在關聯回復消息中。CCO對一級站點進行關聯回復，若發送關聯回復時發現信道繁忙，CCO會把關聯回復消息放到專門的關聯回復緩存隊列中。

步驟4 在檢測到信道空閑可以發送關聯確認報文時，CCO先取出緩存隊列隊頭的關聯確認報文，再檢查發送緩沖區中是否還有待發的關聯回復消息；若有，將其取出，連接到當前關聯回復消息之后；發送緩沖區中有多少關聯回復消息就連接多少，直到達到MAC數據幀數據字段的最大長度或者隊列緩存區為空。若無，則直接發送關聯確認報文，轉步驟6。

步驟5 獲取每個關聯確認報文節點地址和TEI信息，按幀類型字段攜帶消息數量方法生成一個新類型的關聯確認組播幀，將連接的關聯確認消息裝入該幀數據字段發送。

步驟6 一級節點判斷自己是否是申請入網的節點，若是，入網成功。若不是，則該節點是申請入網節點最低級別的PCO，該節點通過CCO給自己發送的關聯回復消息形成關聯確認報文發給下一級節點，下一級節點也先判斷自己是否是申請入網節點，如果不是，則該節點是入網節點的二級PCO，該節點安裝地址信息繼續發送該關聯確認消息給自己的下級節點，以此類推，直到找到關聯請求節點，入網成功。

ENP-BPLC協議流程如圖5所示。

圖5 自適應組播入網協議流程

3 性能分析

控制開銷是指BPLC網絡組網過程所需要控制報文的比特數之和，在BPLC網絡中，有網間協調報文、信標報文、關聯請求報文、關聯回復報文4類控制報文。由于本文僅研究單網絡環境，所以開銷報文不包含網間協調報文。其中，信標報文又分為中央信標、代理信標、發現信標，關聯回復報文又有關聯確認報文和關聯確認組播報文。BPLC控制開銷C的計算如式(1)

C=8*(M*(c11+c12+c13)+N*c2+O*(c31)+P(c32))

(1)

其中，c11、c12、c13、c2、c31、c32分別為中央信標、代理信標、發現信標、關聯請求報文、關聯確認報文、關聯確認組播報文的個數。M、N、O、P分別是信標幀、關聯請求報文、關聯確認報文和關聯確認組播報文大小。

根據IEEE1901.1標準，MAC幀是不同站點的MAC層之間進行傳送的基本傳輸單元。一個MAC幀由MAC幀頭、MAC業務數據單元MSDU和完整性校驗值組成。本文使用長幀頭大小為h=26字節，完整性校驗值大小為w=4字節。

信標幀大小M的計算如式(2)

M=h+m+w

(2)

m為信標幀MSDU大小=MPDU幀控制大小16字節+幀載荷520字節=536字節。從而可以得出M為566字節。

關聯請求報N的計算如式(3)

N=h+n+w

(3)

n為關聯請求報文MSDU大小=關聯消息報文頭4字節+關聯請求報文格式64字節=68字節。得出N為98字節。

關聯確認報文O的計算如式(4)

O=h+o+w

(4)

o為關聯確認報文MSDU大小=關聯消息報文頭4字節+關聯確認報文格式64字節=68字節。得出O為98字節。

關聯確認組播報文P的計算如式(5)

P=h+p+w

(5)

由于本文采用幀類型攜帶消息數量機制，所以關聯確認組播報文沒有增加額外的匯總站點數字段。

p為關聯確認組播報文大小=關聯消息報文頭4字節+關聯確認組播報文格式q。q=關聯確認組播報文基本長度+拓展可變長度。假設同時在CCO隊列中排隊的關聯確認報文為m個。每個站點信息字段大小為8字節。所以q為最大填充個數m*信息字段大小=8m字節。故P為8m+30字節。

從理論可分析證明：使用ENP-BPLC機制的報文開銷小于原BPLC入網機制。只需證明單播關聯確認報文開銷與組播關聯確認組播報文開銷之差C1-C2>0即可。

條件(1)：單信標周期內，除關聯回復報文外其它控制報文開銷相等且都為M+N=566+98字節，故在比較兩種機制控制開銷時只需比較關聯回復的兩種報文開銷即可。

條件(2)：CCO關聯確認隊列中報文個數m≥1個。

條件(3)：由于BPLC是多層級網絡拓撲，且CCO對每層節點入網回復過程都一致，故本節只討論一個信標周期內CCO對單層節點入網回復過程的控制開銷。

證明：使用ENP-BPLC協議的報文開銷小于原BPLC入網機制。

使用原PLC組網協議單播關聯確認報文開銷C1=m*O; 因為1字節(byte)=8 bit;

所以C1=8*m*Obit;

由式(4)可知：C1=8*(m*(h+o+w))=784 mbit;

同理，使用ENP-BPLC協議組播關聯確認組播報文開銷C2=P;

中國地域面積遼闊，但是耕地資源總量較少，近年來隨著工業化和城市化的持續發展，退耕還林、還草等措施的實施使得耕地面積越來越少，而且這個過程是一個不可逆的過程，耕地資源不會再增加，全國后備耕地資源短缺。在這種大環境的影響下，本地的耕地資源也越來越少，南通市近年來大力開展退耕還林、退耕還草工程，在很大程度上降低了土地資源的開墾能力，無法補償耕地占用量，對本地的糧食安全造成一定影響。

由式(5)可知：C2=8*(h+8*m+w)=(64m+240) bit;

所以C1-C2=784m-(64m+240)=720m-240;

因為m≥1;

所以C1-C2=720m-240≥480 bit>0;

得證。

4 仿真分析

4.1 仿真參數設置

本文使用OPNET 14.5仿真工具對IEEE1901.1技術標準、ENP-BPLC協議的網絡性能進行仿真。主要參數見表1。

表1 主要仿真參數

4.2 仿真結果分析

4.2.1 平均入網時延

平均入網時延是反映節點入網效率的重要性能指標。平均入網時延的計算如式(6)

(6)

其中，Tb(i)、Tr(i)、Ta(i) 分別表示第i個節點發送和轉發信標幀、關聯請求消息幀、關聯回復消息幀的時延。包括傳輸時延、傳播時延、層間處理時延、MAC層排隊時延。

4.2.2 組網控制開銷

組網控制開銷的定義如式(1)所示。

圖7是ENP-BPLC機制和IEEE1901.1標準入網機制控制開銷對比圖，可以看出：BPLC逐級入網時兩種協議的控制開銷都逐漸增加；ENP-BPLC協議控制開銷在節點數量較少時和原PLC網絡入網機制基本一致；ENP-BPLC協議控制開銷比原PLC網絡入網機制的控制開銷平均降低5.88%。這是因為隨著節點增加，有更多的節點需要發送控制報文，使控制開銷上升；在節點數較小時，CCO對入網節點的回復都主要是關聯確認報文；隨著節點數的增加，關聯確認報文緩存在CCO隊列里，需要逐一等到信道空閑再發送。甚至有些關聯請求報文因沒收到關聯確認而重發。而ENP-BPLC協議能夠自適應發送關聯回復報文，在網絡規模大時，合并緩存隊列中的管理確認報文為關聯確認組播報文，減小了原來CCO發送的關聯確報文頭部開銷，同時也減少了入網申請節點重發關聯請求報文造成的控制開銷，所以，ENP-BPLC機制能夠有效減少BPLC網絡控制開銷。

圖6 平均入網時延

圖7 控制開銷

4.2.3 入網收斂時間

組網收斂時間是指一個寬帶電力線通信網絡中從CCO發起組網到最后一個STA站點收到關聯回復報文后此過程所消耗的時間。組網收斂時間和網絡組網效率成反比。入網收斂時間計算如式(7)

Tnet=max{Ti}

(7)

其中，Tnet代表有組網收斂時間，Ti表示第i個節點入網時間。max表示取最大值。ENP-BPLC協議入網收斂時間如圖8所示。可以看到，隨著節點個數的增加，兩種協議組網收斂時間都逐漸上升。經過統計組網收斂時間，ENP-BPLC協議比IEEE1901.1標準平均縮短了0.32%。其主要原因是隨著節點數量增多，更多關聯確認報文存在在緩存隊列，增加了節點入網時間。入網收斂時間取決于網絡中最后一個節點的入網時間，而最后入網節點在規模較小時能單播關聯確認報文，在規模比較大時就可能會遇到信道繁忙而擠壓在緩存區。ENP-BPLC協議采用自適應組播方式發送擠壓在緩存隊列中的關聯確認消息，加快了組網速度，所以使組網收斂時間在網絡規模較大時有所提高。

圖8 組網收斂時間

4.2.4 關聯回復消息數量

關聯回復報文的數量代表寬帶PLC網絡所有STA成功入網所需的關聯確認報文和關聯確認組播報文之和。關聯回復數量越少，BPLC網絡性能越好。

表2為ENP-BPLC協議和IEEE1901.1數據鏈路層協議關聯回復消息數量仿真對比?？梢缘贸?，在站點規模較大時，ENP-BPLC協議關聯回復報文的數量比IEEE1901.1數據鏈路層協議更少。原因是ENP-BPLC協議通過將消息隊列中的關聯確認消息合理地組合起來，用一個關聯確認組播幀發送一組回復信息，減少了競爭時隙中發送報文的個數。

表2 關聯回復消息數量

4.2.5 入網成功率

BPLC網絡節點的入網成功率定義為：p=X/Y；其中，Y代表有所有申請入網節點個數，X代表入網成功節點個數。

表3為ENP-BPLC協議和IEEE1901.1數據鏈路層協議節點入網成功率仿真對比圖?？梢钥闯觯瑑煞N協議的入網成功率都是1。這說明，不管網絡規模大小，兩種協議下BPLC網絡中所有節點都能成功入網。結合其它4種性能可以得出：ENP-BPLC協議在不降低節點入網成功率的情況下合理地把緩存區中的關聯確認報文打包發送，不僅減少了多個消息發送的頭部開銷，而且使隊列中的報文及時發送，提升了BPLC網絡組網效率。

表3 入網成功率/%

5 結束語

低壓電力線載波通信網絡受到較強干擾的影響,要求組網算法有較高的自適應能力。本文針對BPLC數據鏈路層組網存在的兩個問題，結合BPLC網絡場景，提出了一種基于自適應組播的BPLC高效組網協議。包含自適應組播回復關聯確認報文和基于重發報文的關聯回復這兩種新機制。通過更為合理地發送一級關聯回復消息，讓信道資源更合理利用，使BPLC組網效率更高。實驗結果表明，ENP-BPLC協議能夠在不降低BPLC網絡的入網成功率的情況下，能夠有效降低多層級BPLC網絡節點平均入網時延和控制開銷，驗證ENP-BPLC協議比原BPLC網絡組網效率更高。