0 引言

    智能電網(wǎng)是指近年來結(jié)合能源技術及信息通信技術更新后的電網(wǎng)。通過先進的信息,、控制和通信技術,，智能電網(wǎng)可以實現(xiàn)電網(wǎng)的電子監(jiān)控、監(jiān)測,、自愈,、診斷以及基礎設施（Advanced Metering Infrastructure，AMI）自動計量等智能功能,，部分還具有實時性^[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,。因為電力線的普遍存在,，電力線通信技術(Power Line Communication,，PLC)比其他的通信技術更有優(yōu)勢。

    PLC作為接入網(wǎng)(Access Network,，AN)中的一種可選的網(wǎng)絡技術,，由于一個MV/LV配送網(wǎng)絡覆蓋面積大，并且一個包的傳送過程中會有多個中間結(jié)點的參與,，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)絡的性能^[3],，因此必須根據(jù)電力線特性為PLC設計一種特定的路由協(xié)議。在PLC信道中信號的衰落是由于分支網(wǎng)絡拓撲結(jié)構中的信號反射^[4]和在每一個電容組及MV/LV變壓器中的信號衰減^[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三位學者提出：當所有節(jié)點需要從網(wǎng)絡接收相同信息時,，洪泛法被證實是一種有效的PLC-AN路由方案,。然而實際情況是，所有自動化網(wǎng)絡及智能電網(wǎng)設備都不會有相同的需求,，如AMI,、電力系統(tǒng)故障檢測以及要求點對點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電力設備位置信息的地理路由，應用無線路由方案并將其擴展,，卻沒有考慮到多個接收者的情況,。而機會路由（Opportunistic routing，OR）充分利用點對點和傳感器網(wǎng)絡中無線媒介的廣播特性進行數(shù)據(jù)傳輸,，已經(jīng)成為一種很有前景的提高網(wǎng)絡性能的方法,。PLC信號在電力線的穿透特性使得OR成為PLC-AN一個很好的選擇。

1 機會路由概述

    OR可以利用無線媒介的廣播特性使幾個臨近節(jié)點都監(jiān)聽到數(shù)據(jù)，只要有一個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)絡的可靠性。此外,，一個傳輸任務在同一時間有一個多跳的機會,，OR有助于減少傳輸?shù)目偭俊?/p>

    一個傳輸任務分別通過傳統(tǒng)連續(xù)路由和OR傳輸?shù)睦硐脒^程和平均到達目的地的傳輸任務量的計算，如圖2所示,。在這個例子中,，假設一個傳輸任務被第一跳節(jié)點正確接收的概率是0.5，被第二跳節(jié)點正確接收的概率是0.2,。連續(xù)路由時,，由于每個傳輸任務跨一跳距離的成功概率為0.5，因此期望的進展是0.5,，一個數(shù)據(jù)包為了到達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,，一個傳輸任務交叉兩跳的概率為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中對于一次傳輸?shù)钠谕M展是0.8,，這就使每次傳輸所需的平均次數(shù)減少。

    實現(xiàn)這些目標的關鍵問題是：轉(zhuǎn)發(fā)集的選擇,、優(yōu)先級設定,、重復傳輸?shù)谋苊饧耙种啤D3顯示了連續(xù)路由和OR的傳輸過程,。在這個例子中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)絡模型

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

3 PLC-OR的設計

3.1 默認路徑選擇

    圖4顯示了在一個由37個節(jié)點構造的拓撲結(jié)構中如何選擇一個從源到目的地的特定路徑。這個拓撲機構是來自某省的實際配電試驗饋線,，它使用Dijkstra算法計算最小距離,，按機會路由選擇轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點。在這個例子中,，沿著S和d之間的路徑中放置了5個中間繼電器節(jié)點。

3.2 基于ACK的協(xié)調(diào)方案

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

其中T_RIFS和T_s分別為RIFS時間和感知時間。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時間和空閑時隙,，p為在傳輸之前用于描述大量空閑時隙的隨機變量。

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

3.3 速率,、色調(diào)映射模型和傳輸集選擇算法

    通過Dijkstra算法構建了默認路徑后,，每個節(jié)點i應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)點集合F_i,。設計一個bit.m/s的最大化問題,，即每個節(jié)點i都要試圖達到的最大值：

    其中L為以bit計的幀長度，T_out,、T_j分別表示為當所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點沒有成功解碼幀時的媒介保持時間以及第j優(yōu)先級的節(jié)點成功接收到幀時的媒介保持時間,。p中的控制變量為R_i和M_i，并且當p和T隨著R_i和M_i的變化而變化時,，F(xiàn)_i也會變化,。

    由于三個變量是離散變量，因此該問題為一個離散組合優(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,，使用一個分支定界算法,。

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

    引理1：轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先權規(guī)則：給出元素Fi,、Mi及Ri,，只有到達目的地更近的一個節(jié)點取得更高的優(yōu)先權時，傳輸集才完成,。

4 仿真實驗

4.1 實驗場景

    在G3-PLC規(guī)范中,，一次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為252，并且信道感知時間為兩個最大量,。由于VCS有一個時間限制,，所以定義轉(zhuǎn)發(fā)集最大為K_max，當K_max=3時,，對于三個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的排序需要四個最大量,，因此總的最大數(shù)據(jù)量為248⁶。在三種模型中兩個相鄰節(jié)點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)分布的標準差,，在三種密度模型中兩個相鄰節(jié)點之間的最大距離分別為2 km、3 km和4 km,。假設有一個窄帶干擾,，相應子信道的SNR就降低10 dB。

    鏈路的平均長度為1-22,，目的節(jié)點則是在其他122個節(jié)點中隨機選擇,，使用Dijkstra算法選擇到達每個目的地的默認路徑。在低壓電力線之間有10個連續(xù)的建筑物,，兩個相鄰建筑物之間的距離遵循均值為90 m,、標準差為10 m的標準正態(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,，三種密度模型中到達目的地的傳輸時間(秒),，在這個模型中使用中壓信道模型，沒有窄帶干擾時的性能結(jié)果如圖6(a)所示,；在低密度模型中SPR花費8.86 s到達目的地,。當節(jié)點密度低時，大多數(shù)節(jié)點只有一個接收者,，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)絡變密時,，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SPR及OR的性能,。沒有窄帶干擾時，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在達到相同可靠性水平時整個傳輸時間降低了,。

    為了得到在EEE123節(jié)點測試饋線網(wǎng)中的結(jié)果，本文進行了10 000次模擬實驗,，平均結(jié)果如圖7所示,。假設在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OR的性能會較差，而PLC-OR的性能很好,，比SPR和SPR-ETX分別高出60%和8%,。與鏈路拓撲結(jié)構相比，在MV/LV分配網(wǎng)絡中本文提出的PLC-OR性能有所提高,。

5 未來工作

    下一步要實現(xiàn)的是將OR和協(xié)同傳輸技術進行結(jié)合,。在協(xié)同傳輸中，為保證吞吐量和可靠性,，幾個節(jié)點可以同時傳輸一個包,，如果適當控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集中的傳輸，會使OR和協(xié)同傳輸?shù)慕Y(jié)合達到更好的性能,。關于PLN-AN的另一個延伸是可以使用網(wǎng)絡編碼很好的解決網(wǎng)絡互聯(lián)的情況,。

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