0 引言

    智能電網(wǎng)是指近年來結(jié)合能源技術(shù)及信息通信技術(shù)更新后的電網(wǎng)。通過先進(jìn)的信息,、控制和通信技術(shù),，智能電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的電子監(jiān)控、監(jiān)測(cè),、自愈,、診斷以及基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Metering Infrastructure，AMI）自動(dòng)計(jì)量等智能功能,，部分還具有實(shí)時(shí)性^[1-2],。為保障快速和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，智能電網(wǎng)使用多種通信技術(shù),。因?yàn)殡娏€的普遍存在,，電力線通信技術(shù)(Power Line Communication，PLC)比其他的通信技術(shù)更有優(yōu)勢(shì),。

    PLC作為接入網(wǎng)(Access Network,，AN)中的一種可選的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，由于一個(gè)MV/LV配送網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大，并且一個(gè)包的傳送過程中會(huì)有多個(gè)中間結(jié)點(diǎn)的參與,，電力線通信接入網(wǎng)(PLC-AN)需要具有路由功能,。另外，電力線信道的特性不同于無線,，簡(jiǎn)單地采用傳統(tǒng)的路由方案不能最大限度地提高電力線網(wǎng)絡(luò)的性能^[3],，因此必須根據(jù)電力線特性為PLC設(shè)計(jì)一種特定的路由協(xié)議。在PLC信道中信號(hào)的衰落是由于分支網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的信號(hào)反射^[4]和在每一個(gè)電容組及MV/LV變壓器中的信號(hào)衰減^[5],。此外,，無線通道和PLC的噪聲特性也有許多不同，在PLC信道的噪聲可以被建模為有色背景噪聲,、窄帶干擾,、同步和異步脈沖噪聲^[6]。電力網(wǎng)中的HV,、MV,、LV如圖1所示。

    最近,，許多學(xué)者^[7]致力于PLC-AN中路由功能的研究,。BUMILLER G、LAMPE L及HRASNICA H三位學(xué)者提出：當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)需要從網(wǎng)絡(luò)接收相同信息時(shí),，洪泛法被證實(shí)是一種有效的PLC-AN路由方案,。然而實(shí)際情況是，所有自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)及智能電網(wǎng)設(shè)備都不會(huì)有相同的需求,，如AMI,、電力系統(tǒng)故障檢測(cè)以及要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的電力交通工具充電系統(tǒng)。另外,，BIAGI M,、LAMPE L和GRECOL S在研究中提出了收集每個(gè)電力設(shè)備位置信息的地理路由，應(yīng)用無線路由方案并將其擴(kuò)展,，卻沒有考慮到多個(gè)接收者的情況,。而機(jī)會(huì)路由（Opportunistic routing，OR）充分利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線媒介的廣播特性進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，已經(jīng)成為一種很有前景的提高網(wǎng)絡(luò)性能的方法,。PLC信號(hào)在電力線的穿透特性使得OR成為PLC-AN一個(gè)很好的選擇。

1 機(jī)會(huì)路由概述

    OR可以利用無線媒介的廣播特性使幾個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)都監(jiān)聽到數(shù)據(jù),，只要有一個(gè)用戶正確地接收到幀數(shù)據(jù)并向前轉(zhuǎn)發(fā),，傳輸就可以繼續(xù)，因此OR提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。此外,，一個(gè)傳輸任務(wù)在同一時(shí)間有一個(gè)多跳的機(jī)會(huì),，OR有助于減少傳輸?shù)目偭俊?/p>

    一個(gè)傳輸任務(wù)分別通過傳統(tǒng)連續(xù)路由和OR傳輸?shù)睦硐脒^程和平均到達(dá)目的地的傳輸任務(wù)量的計(jì)算，如圖2所示,。在這個(gè)例子中,，假設(shè)一個(gè)傳輸任務(wù)被第一跳節(jié)點(diǎn)正確接收的概率是0.5，被第二跳節(jié)點(diǎn)正確接收的概率是0.2,。連續(xù)路由時(shí),，由于每個(gè)傳輸任務(wù)跨一跳距離的成功概率為0.5，因此期望的進(jìn)展是0.5,，一個(gè)數(shù)據(jù)包為了到達(dá)目的地需要交叉四跳，因此在連續(xù)路由中平均需要傳輸8次,，而OR時(shí),，一個(gè)傳輸任務(wù)交叉兩跳的概率為0.2，并且如果交叉雙跳失敗,，通過一跳的概率為0.5,，因此在OR中對(duì)于一次傳輸?shù)钠谕M(jìn)展是0.8，這就使每次傳輸所需的平均次數(shù)減少,。

    實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵問題是：轉(zhuǎn)發(fā)集的選擇,、優(yōu)先級(jí)設(shè)定、重復(fù)傳輸?shù)谋苊饧耙种?。圖3顯示了連續(xù)路由和OR的傳輸過程,。在這個(gè)例子中OR需要3次傳輸，而傳統(tǒng)路徑需要5次傳輸,。

2 系統(tǒng)模型

2.1 窄帶信道模型

    在低壓線路中的平均信道衰減由式(1)給出：

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

    一個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)可以使用一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)圖來代表：g={ν,，ε}其中ν和ε分別為頂點(diǎn)和邊的集合。邊的集合被定義為：

3 PLC-OR的設(shè)計(jì)

3.1 默認(rèn)路徑選擇

    圖4顯示了在一個(gè)由37個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中如何選擇一個(gè)從源到目的地的特定路徑,。這個(gè)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)是來自某省的實(shí)際配電試驗(yàn)饋線,，它使用Dijkstra算法計(jì)算最小距離，按機(jī)會(huì)路由選擇轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點(diǎn),。在這個(gè)例子中,，沿著S和d之間的路徑中放置了5個(gè)中間繼電器節(jié)點(diǎn)。

3.2 基于ACK的協(xié)調(diào)方案

    圖5給出了一個(gè)PLC-OR的協(xié)調(diào)的具體例子,。在這個(gè)例子中,，第一優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)沒有成功接收數(shù)據(jù)幀，而第二和第三優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)成功接收,。在第j個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)成功傳輸需要T_j=T_tx+T_co+T_po,，其中T_tx、T_co、T_po分別為實(shí)際時(shí)間,、PLC-OR的協(xié)調(diào)時(shí)延和CSMA/CD協(xié)議的額外開銷,。協(xié)調(diào)時(shí)延由以下公式給出：

其中T_RIFS和T_s分別為RIFS時(shí)間和感知時(shí)間。相似地CSMA/CD協(xié)議的額外開銷是：T_po=T_CIFS+pσ,，其中T_CIFS和σ分別為CIFS時(shí)間和空閑時(shí)隙,，p為在傳輸之前用于描述大量空閑時(shí)隙的隨機(jī)變量。

    傳統(tǒng)方案中每個(gè)傳輸任務(wù)需要的時(shí)間是T_tx+T_RIFS+T_ACK+T_po,，而在PLC-OR中還需要一個(gè)(n-1)Ts,。根據(jù)G3-PLC的實(shí)際參數(shù)，假設(shè)K_max=3時(shí),，傳統(tǒng)方案和PLC-OR方案分別平均為97.82 ms和100.6 ms,，因此對(duì)于每個(gè)傳輸任務(wù)PLC-OR方案會(huì)多花費(fèi)3%的時(shí)間。

3.3 速率,、色調(diào)映射模型和傳輸集選擇算法

    通過Dijkstra算法構(gòu)建了默認(rèn)路徑后,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)i應(yīng)選擇各自的傳輸速率R_i、色調(diào)映射模式M_i和傳輸節(jié)點(diǎn)集合F_i,。設(shè)計(jì)一個(gè)bit.m/s的最大化問題,，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)i都要試圖達(dá)到的最大值：

    其中L為以bit計(jì)的幀長(zhǎng)度，T_out,、T_j分別表示為當(dāng)所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)沒有成功解碼幀時(shí)的媒介保持時(shí)間以及第j優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)成功接收到幀時(shí)的媒介保持時(shí)間,。p中的控制變量為R_i和M_i，并且當(dāng)p和T隨著R_i和M_i的變化而變化時(shí),，F(xiàn)_i也會(huì)變化,。

    由于三個(gè)變量是離散變量，因此該問題為一個(gè)離散組合優(yōu)化問題,。在P中可能組合的總數(shù)為J·2^M·P_NK,，其中J和M分別為MCS電平數(shù)和子信道數(shù)，N和K分別為N_i和F_i的大小,。由于F_i是一個(gè)有序集,，因此可能組合模式的數(shù)量為P_NK而不是C_NK。為減少搜索空間,，使用一個(gè)分支定界算法,。

    公式中的分子是期望包步進(jìn)(EPA)，EPA給出了優(yōu)先規(guī)則和包含屬性兩個(gè)引理,。

    引理1：轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先權(quán)規(guī)則：給出元素Fi,、Mi及Ri，只有到達(dá)目的地更近的一個(gè)節(jié)點(diǎn)取得更高的優(yōu)先權(quán)時(shí),，傳輸集才完成,。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

    在G3-PLC規(guī)范中,，一次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為252，并且信道感知時(shí)間為兩個(gè)最大量,。由于VCS有一個(gè)時(shí)間限制,，所以定義轉(zhuǎn)發(fā)集最大為K_max，當(dāng)K_max=3時(shí),，對(duì)于三個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的排序需要四個(gè)最大量,，因此總的最大數(shù)據(jù)量為248⁶。在三種模型中兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離分別遵循（1 km,，0.5 km）,、（1.5 km，0.75 km）和（2 km,，1 km）的均值和正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差,，在三種密度模型中兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的最大距離分別為2 km、3 km和4 km,。假設(shè)有一個(gè)窄帶干擾,，相應(yīng)子信道的SNR就降低10 dB。

    鏈路的平均長(zhǎng)度為1-22,，目的節(jié)點(diǎn)則是在其他122個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇，使用Dijkstra算法選擇到達(dá)每個(gè)目的地的默認(rèn)路徑,。在低壓電力線之間有10個(gè)連續(xù)的建筑物,，兩個(gè)相鄰建筑物之間的距離遵循均值為90 m、標(biāo)準(zhǔn)差為10 m的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,。

4.2 性能結(jié)果

    圖6展示了存在及不存在窄帶干擾時(shí),，三種密度模型中到達(dá)目的地的傳輸時(shí)間(秒)，在這個(gè)模型中使用中壓信道模型,，沒有窄帶干擾時(shí)的性能結(jié)果如圖6(a)所示,；在低密度模型中SPR花費(fèi)8.86 s到達(dá)目的地。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度低時(shí),，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)接收者,，這種情況下OR性能并不是很好， SPR-ETX和PLC-OR的功能相似,。然而在網(wǎng)絡(luò)變密時(shí),，OR顯示出了更好的性能，即在低,、中和高密度模型中PLC-OR性能的提高比SPR-ETX分別高出4.4%,、10%和17%。

    圖6(b)顯示了不存在窄帶干擾時(shí)SPR及OR的性能,。沒有窄帶干擾時(shí),，PLC-OR和SPR-ETX的性能增量幾乎是一樣的,，而SPR的性能則是所有方案中最差的。其他路由方案的性能增量比SPR高大約50%,， PLC-OR和SPR在達(dá)到相同可靠性水平時(shí)整個(gè)傳輸時(shí)間降低了,。

    為了得到在EEE123節(jié)點(diǎn)測(cè)試饋線網(wǎng)中的結(jié)果，本文進(jìn)行了10 000次模擬實(shí)驗(yàn),，平均結(jié)果如圖7所示,。假設(shè)在IEEE-123-NBD情況下，智能電網(wǎng)存在窄帶干擾的概率為0.2,。如果沒有干擾消除方案,，在存在窄帶干擾時(shí)OR的性能會(huì)較差，而PLC-OR的性能很好,，比SPR和SPR-ETX分別高出60%和8%,。與鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，在MV/LV分配網(wǎng)絡(luò)中本文提出的PLC-OR性能有所提高,。

5 未來工作

    下一步要實(shí)現(xiàn)的是將OR和協(xié)同傳輸技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,。在協(xié)同傳輸中，為保證吞吐量和可靠性,，幾個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)傳輸一個(gè)包,，如果適當(dāng)控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集中的傳輸，會(huì)使OR和協(xié)同傳輸?shù)慕Y(jié)合達(dá)到更好的性能,。關(guān)于PLN-AN的另一個(gè)延伸是可以使用網(wǎng)絡(luò)編碼很好的解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的情況,。

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