低壓電力線載波通信的動態(tài)路由算法

陳曉娟，耿雪瑩

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林，132012)

電力線載波通信是電力系統(tǒng)獨有的通信方式，是以電力線為傳輸媒質(zhì)，通過載波方式傳輸模擬或數(shù)字信號的通信技術(shù)［1］。由于低壓電力線最初不是為了通信而設(shè)計的，因此用它作為通信信道存在著強衰減、高噪聲和強時變等不利信號傳輸?shù)奶匦裕?］，這些因素的影響都會降低電力線通信的可靠性。為提高低壓電力線載波通信的可靠性，本文從網(wǎng)絡(luò)層入手，對現(xiàn)有的路由算法進行改進，針對現(xiàn)有方案存在的自適應(yīng)性低、負(fù)載均衡性差及可靠性不高等缺陷，提出負(fù)載均衡—蟻群動態(tài)路由算法。

1 低壓載波通信網(wǎng)絡(luò)模型

低壓電力線載波通信信道具有時變性、頻率選擇性和強干擾性的特點，使得低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)具有獨特的特性［3］。

低壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為樹型—星型的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［4］。三相低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)淙鐖D1所示［5］。三相低壓電力線之間在網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上是相對獨立的，因此可以任選其一作為研究對象。

圖1中，A、B、C三相的分支出，設(shè)有單相電力線通信網(wǎng)關(guān)，每一網(wǎng)關(guān)各自負(fù)責(zé)每相電網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的組網(wǎng)。選取一相進行研究，集中器(網(wǎng)關(guān))與采集器之間采用總線型結(jié)構(gòu)。一種較為簡單的總線型連接如圖2所示，其中采集器終端用1到10編號代表，設(shè)備之間的標(biāo)注表示距離。

設(shè)定采集器之間的最大通信距離為10，同樣假設(shè)集中器與采集器之間距離也為10。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D3中可以看出，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槎鄺l總線型、樹形結(jié)構(gòu)，而非單一總線。集中器只與采集器1、2、6、7直接通信，并通過層級傳遞構(gòu)成與其他所有通信器連通的網(wǎng)絡(luò)［6］。

圖1 三相低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)?/p>

圖2 一種簡單的總線型連接圖

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于電力線信道的強時變性或通信距離變化而發(fā)生變化，同時通信設(shè)備間可通信距離的差別性又增加了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，因此，研究如何更合適地選取動態(tài)路由中繼點，給出網(wǎng)絡(luò)路由建議及維護方案是十分必要的。

2 負(fù)載均衡—蟻群算法

2．1 含有負(fù)載均衡因子和信道質(zhì)量參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)

現(xiàn)有的基于蟻群的電力線載波路由算法，幾乎是將優(yōu)化程度標(biāo)準(zhǔn)選定為“跳數(shù)”，因為電力線信道特性的評定密切需要依靠電載波通信距離和通信可靠性，所以，路徑的評價必須要應(yīng)用信道特性。路徑的評價與負(fù)載的強弱、噪聲和干擾的大小及時延的長短都密切相關(guān)，所以采用時延、丟包率、負(fù)載因子作為目標(biāo)函數(shù)，通信距離為約束條件，定義目標(biāo)函數(shù)如下:

式中:節(jié)點數(shù)用N表示;cost(p)表示p路徑的開銷，p路徑中的i節(jié)點用p(i)表示;ψ(p)表示p路徑上負(fù)載因子;i，j節(jié)點彼此相鄰，它們之間的最小通信距離為p(i)－p(j)。

1)計算路徑開銷主要考慮信道的延時和誤碼率，所以節(jié)點的時延為

2)計算負(fù)載因子ψ的方法為

式中:i節(jié)點作為中繼節(jié)點的次數(shù)為θi，i節(jié)點的負(fù)載因子用ψi表示。

2．2 轉(zhuǎn)移規(guī)則的改進

根據(jù)電力線通信載波特點，路徑轉(zhuǎn)移規(guī)則為

q∈［0，1］，q0為區(qū)間［0，1］內(nèi)一固定值，當(dāng) q≤q0時，利用先驗知識對路徑進行選擇，否則按照下式:

式中:τis代表i節(jié)點與 s節(jié)點間的信息素;λis表示i節(jié)點到S節(jié)點的延時;taubk為i節(jié)點不能遍歷的節(jié)點集合;α和β分別是τis和λis權(quán)重，當(dāng)α較大時，代表信息素較重要，而β較大時代表延時更重要［7］。

啟發(fā)因子的計算方法為

其中Sigij(t)表示節(jié)點j的信號強度，A為信號強度的權(quán)重因子。

2．3 禁忌表更新規(guī)則

螞蟻每次轉(zhuǎn)移后都要重新更新禁忌表，根據(jù)電力線載波通信系統(tǒng)的物理拓?fù)涮匦?，在每次轉(zhuǎn)移節(jié)點后，將上一個可通信的節(jié)點集合傳給下一個節(jié)點集合，下一節(jié)點集合再將這些節(jié)點加入禁忌表，這樣就可以避免節(jié)點走多余的路，加速收斂。每只螞蟻迭代完成后，將禁忌表清空。

2．4 信息素的更新規(guī)則

2．4．1 全局信息素更新

全局信息素更新規(guī)則為［8］

式中:ρ為信息素的揮發(fā)系數(shù)，由于信息可無限的累積，迭代最優(yōu)路徑信息素的增長速度可通過調(diào)節(jié)ρ的大小來調(diào)整，ρ的取值范圍為 ρ∈［0，1);Δτij(t)是信道質(zhì)量較優(yōu)路徑的信息素增加值，下面通過公式說明Δτij(t)的計算方法。

式中:Lgb為全局最優(yōu)路徑，ωd為延時，ωl為誤碼率大小，γd為延時的相對權(quán)值，γl為誤碼率的相對權(quán)值。

2．4．2 局部信息素的更新規(guī)則

使用ACS的局部信息素更新規(guī)則為

在常規(guī)的算法中，不改變信息素初值τij(0)，針對不同目標(biāo)節(jié)點進行組網(wǎng)時，改進算法中信息素初值對應(yīng)節(jié)點負(fù)載情況做出的負(fù)反饋變化，即τijn(0)=Фj* τij(0)，其中，τijn(0)為第 n 個節(jié)點組網(wǎng)尋找最優(yōu)路徑時線路 ij上的信息素初值，τij(0)為第1個通信節(jié)點組網(wǎng)前網(wǎng)絡(luò)的原始信息素初值，Фj為可變信息素初值的變化系數(shù)。仿真參數(shù)Фj變化規(guī)律如表1所示。

表1 Фj變化規(guī)律

2．5 算法流程圖

算法流程見圖4。

3 仿真試驗結(jié)果

仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示，仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，算法經(jīng)37次迭代就能達(dá)到收斂，由此可見本算法能夠找到有效通信路由線路，并能夠收斂于最優(yōu)路由線路。

表2 仿真實驗參數(shù)設(shè)置

沒有改進時的負(fù)載情況如圖6所示。從圖6中能夠看到，有的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù) (承擔(dān)的中繼次數(shù))過大。在這一次組網(wǎng)尋找最優(yōu)路徑過程中，21號節(jié)點被16次選作為路由節(jié)點，即轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為16。這個現(xiàn)象可以從路徑優(yōu)化的角度被理解，因為跳數(shù)最少作為優(yōu)化目標(biāo)，盡量使直接可通信距離為最遠(yuǎn)，于是會造成負(fù)載不均衡。

圖4 負(fù)載均衡－蟻群算法流程圖

圖5 全局最優(yōu)解曲線變化

圖6 沒改進時負(fù)載情況圖

信息素初始值變參數(shù)控制算法負(fù)載情況如圖7所示。從圖7中可看出，不再有負(fù)載量過大的通信節(jié)點，結(jié)果表明采用該改進算法，網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡情況有較大改善。

圖7 信息素初始值變參數(shù)控制算法負(fù)載情況

4 結(jié)束語

在盡可能不影響路由線路優(yōu)化結(jié)果情況下，對現(xiàn)有蟻群算法進行改進，把信道質(zhì)量和負(fù)載均衡因子引入到目標(biāo)函數(shù)中，同時讓信息素初值隨節(jié)點負(fù)載情況進行負(fù)反饋變化，從而改善路由算法中存在的動態(tài)路由負(fù)載失衡問題，提高了通信的可靠性。

［1］林維明，華曉輝，王東方．低壓電力線通信的現(xiàn)狀與展望［J］．電力系統(tǒng)通信，2007，28(2):45 －48．

［2］董亞波，高鋒．低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(2):58 －62．

［3］忻龍彪，劉春蕾．電力載波遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)綜述［J］．低壓電器，2008(4):1 －4，9．

［4］戚佳金，劉曉勝，徐殿國，等．低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)［J］．中國電機工程學(xué)報，2008，28(4):65 －71．

［5］邢明海，胡靜宇，鄧海峰．低壓電力線載波抄表系統(tǒng)中的通信技術(shù)應(yīng)用［J］．化工自動化及儀表，2002，29(1):38 －42，48．

［6］劉曉勝，周巖，戚佳金．電力線載波通信的自動路由方法研究［J］．中國電機工程學(xué)報，2006，26(21):76 －81．

［7］李領(lǐng)治，鄭洪源，丁秋林．一種基于改進蟻群算法的選播路由算法［J］．電子與信息學(xué)報，2007，29(2):340 －344．