基于OPNET Simulator的低壓電力線載波通信路由算法仿真

陳杰春 張亞南 閆瑞乾

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

低壓電力線載波通信(Power Line Carrier Communications,PLCC)技術(shù)是一種以低壓電力線路為傳輸媒介，通過(guò)載波方式進(jìn)行信息傳輸和交換的技術(shù)，是一種電力系統(tǒng)特有的通信方式。與其他通信方式相比，低壓PLCC技術(shù)能夠充分利用現(xiàn)有的電力線資源，因此具有良好的開發(fā)前景和應(yīng)用價(jià)值。從20世紀(jì)90年代初開始，低壓PLCC技術(shù)就已經(jīng)應(yīng)用于自動(dòng)抄表、電網(wǎng)負(fù)載控制及供電管理等方面[1]。

電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性、衰減特性和噪聲干擾是影響低壓PLCC傳輸質(zhì)量的主要因素，其中前兩者制約信號(hào)的傳輸距離，后者決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量[2]。網(wǎng)絡(luò)中繼技術(shù)和組網(wǎng)路由算法是擴(kuò)展低壓PLCC距離的重要手段。現(xiàn)有的低壓PLCC路由算法，如基于人工蛛網(wǎng)的路由算法[3]、基于蟻群算法的路由算法[4,5]、分簇路由算法[6]及基于傳輸矩陣的路由算法等，在理論上都是可行且適合于電力線特性的，但其實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)性能尚不明確。在此，筆者基于傳輸矩陣的路由算法，探討基于OPNET Simulator軟件的低壓PLCC路由算法的仿真方法。通過(guò)算法仿真，以進(jìn)一步了解算法的性能和可用性。

基于傳輸矩陣的路由算法是一種只適用于主從式低壓PLCC網(wǎng)絡(luò)的路由算法。該方法是在主控制器中存放一個(gè)定期動(dòng)態(tài)更新的路由表，主控制器根據(jù)路由表發(fā)送數(shù)據(jù)到從控制器。從控制器中不存放路由表，它只需根據(jù)所接收數(shù)據(jù)中的地址來(lái)決定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)或發(fā)送反饋信息[7]。

主從式低壓PLCC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，假定低壓電力線上有9個(gè)設(shè)備：主控制器0和從控制器1～8。

圖1 主從式低壓PLCC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

初始化過(guò)程。首先建立一個(gè)9×9的零矩陣，讓主控制器0發(fā)送廣播信號(hào)，假設(shè)只有從控制器2、3接收到廣播并分別反饋含有從控制器地址的應(yīng)答信號(hào)。主控制器0分析應(yīng)答信息后，將傳輸矩陣第0行的第2、3列元素分別置1。然后，主控制器0再發(fā)送命令讓從控制器2發(fā)送廣播信號(hào)(已發(fā)送過(guò)反饋信號(hào)的從控制器不再發(fā)送反饋應(yīng)答信號(hào))，假設(shè)從控制器2接收到來(lái)自從控制器1、5的反饋信號(hào)并將其分別反傳給主控制器0，主控制器0將傳輸矩陣的第2行的第1、5列元素置為1。之后主控制器0再發(fā)送命令讓從控制器3發(fā)送廣播信號(hào)，依此類推，得到如圖2所示的傳輸矩陣，進(jìn)而可確定如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如此，主控制器0便可以根據(jù)傳輸矩陣按照指定路徑給從控制器發(fā)送消息。如主控制器0要傳輸數(shù)據(jù)給從控制器8，首先搜索傳輸矩陣的第8列，找到第6行元素的值為1；再搜索矩陣的第6列，找到第1行元素的值為1；再搜索矩陣的第1列，找到第2行元素的值為1；再搜索矩陣的第2列，找到第0行元素的值為1。搜索過(guò)程結(jié)束，確定的傳輸路徑為0→2→1→6→8。

圖2 傳輸矩陣

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 OPNET建模

OPNET Simulator是目前作為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、仿真和分析工具的高端產(chǎn)品，在通信、國(guó)防和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。陳磊等使用OPNET Simulator分析了以太網(wǎng)的通信延遲與節(jié)點(diǎn)數(shù)目、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度和通信速率之間的關(guān)系[8]。OPNET Simulator提供三層建模機(jī)制：最底層是進(jìn)程模型，實(shí)現(xiàn)算法協(xié)議；中間層為節(jié)點(diǎn)模型，反映設(shè)備的硬件特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型，表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。筆者根據(jù)OPNET Simulator的三層建模機(jī)制，對(duì)基于傳輸矩陣的路由算法進(jìn)行初始化建模仿真，獲得仿真數(shù)據(jù)并分析網(wǎng)絡(luò)性能。

2.1 通信協(xié)議

在進(jìn)行三層建模之前，首先要完成數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)幀(圖4)是傳輸信息的基本單元，由若干字段組成。定義每個(gè)字段為8位，分別為源地址、中繼地址、目的地址、控制位和數(shù)據(jù)位。

圖4 通信幀結(jié)構(gòu)

其中，中繼地址段的大小會(huì)根據(jù)傳輸需要的個(gè)數(shù)而動(dòng)態(tài)改變。

2.2 進(jìn)程建模

基于傳輸矩陣的路由算法的進(jìn)程仿真模型如圖5所示，該進(jìn)程仿真模型由init、idle、snd、rcv、wt_free和end共6個(gè)狀態(tài)組成。

圖5 進(jìn)程仿真模型

init狀態(tài)完成設(shè)備的初始化，包括讀取設(shè)備的命名、主從狀態(tài)、設(shè)備地址、仿真開始時(shí)間、統(tǒng)計(jì)量的聲明和產(chǎn)生中斷命令。idle狀態(tài)是閑置狀態(tài)，系統(tǒng)初始化后，若沒(méi)有事件發(fā)生則處于閑置狀態(tài)。snd狀態(tài)完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送和發(fā)包統(tǒng)計(jì)量的記錄。根據(jù)數(shù)據(jù)包攜帶的信息和自身的主從狀態(tài)及地址等參數(shù)，rcv狀態(tài)完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、收包統(tǒng)計(jì)記錄、銷毀、傳輸矩陣的更新及發(fā)包中斷等處理。利用CSMA協(xié)議，wt_free狀態(tài)監(jiān)聽信道是否空閑，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若信道空閑則馬上發(fā)送數(shù)據(jù)；否則會(huì)等待繼續(xù)監(jiān)聽，等信道空閑后發(fā)送。end狀態(tài)是系統(tǒng)仿真結(jié)束后進(jìn)入的狀態(tài)，用以顯示初始化時(shí)間的確切結(jié)果。

主控制器流程如圖6所示，其中MAX為總線上的設(shè)備個(gè)數(shù)，M[MAX]為廣播所記錄的數(shù)組，當(dāng)其某一位為1時(shí)，就發(fā)送命令讓該設(shè)備廣播，等待接收反饋應(yīng)答信號(hào)。在接收到反饋信息時(shí)會(huì)刷新等待時(shí)間重新等待，直到在限定時(shí)間內(nèi)無(wú)反饋信號(hào)而跳出等待，廣播下一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。N[MAX]記錄下一層需廣播的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，當(dāng)其所有數(shù)據(jù)為0時(shí)，初始化過(guò)程結(jié)束。

從控制器流程如圖7所示。在初始化階段，將從控制器的標(biāo)志位置0。若接收到反饋應(yīng)答信號(hào)，則將標(biāo)志位置1，并停止反饋應(yīng)答信號(hào)；若接收到需要廣播的信號(hào)，就進(jìn)行和主控制器相同的廣播過(guò)程，在此不再贅述。

圖6 主控制器流程

圖7 從控制器流程

2.3 節(jié)點(diǎn)建模

節(jié)點(diǎn)模型如圖8所示(虛線為統(tǒng)計(jì)線，用以偵聽信道狀態(tài))，其中每個(gè)設(shè)備都具有對(duì)數(shù)據(jù)包的接收、轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)送功能，因此都配有一組收發(fā)機(jī)(bus_rx、bus_tx)和判斷收發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)的程序處理模塊(proc)。收發(fā)機(jī)模擬硬件接口，控制數(shù)據(jù)的傳輸速率，并完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和處理。

圖8 節(jié)點(diǎn)模型

2.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模

網(wǎng)絡(luò)模型如圖9所示，其中主設(shè)備和從設(shè)備隨機(jī)相連在總線上。主設(shè)備和從設(shè)備唯一的區(qū)別是主設(shè)備對(duì)總線進(jìn)行控制并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，而從設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和信息反饋。圖9中單位格長(zhǎng)度為125m，由程序設(shè)定數(shù)據(jù)的傳播距離為250m，即兩個(gè)單位格的長(zhǎng)度。

圖9 網(wǎng)絡(luò)模型

3 仿真結(jié)果分析

用所建仿真模型分別進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)。第一組實(shí)驗(yàn)在保證20個(gè)從設(shè)備不變的前提下，將數(shù)據(jù)傳輸速率分別設(shè)置為600、1 200、1 800、2 400、3 600、4 800bit/s，通過(guò)算法仿真分別確定系統(tǒng)的初始化時(shí)間(即創(chuàng)建傳輸矩陣的時(shí)間)為16.6、8.3、5.6、4.2、2.8、2.1s。

第二組實(shí)驗(yàn)在保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率為1 200bit/s的條件下，將從設(shè)備數(shù)量分別設(shè)置為10、20、30、40、50個(gè)，通過(guò)算法仿真分別確定系統(tǒng)的初始化時(shí)間為4.1、8.3、13.1、17.0、21.0s。

由仿真結(jié)果看出，數(shù)據(jù)的傳輸速率與系統(tǒng)的初始化時(shí)間成反函數(shù)關(guān)系，在設(shè)備數(shù)量為20個(gè)時(shí)，初始化時(shí)間約為9 600/傳輸速率。從設(shè)備的數(shù)量與系統(tǒng)初始化時(shí)間成線性函數(shù)關(guān)系，在傳輸速率為1 200bit/s時(shí)，初始化時(shí)間約為0.42倍的從設(shè)備數(shù)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于傳輸矩陣的動(dòng)態(tài)路由算法，探討了基于OPNET Simulator的低壓PLCC路由算法的仿真方法。分別給出了協(xié)議設(shè)計(jì)、進(jìn)程建模、節(jié)點(diǎn)建模和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模的方法，這些方法均具有一般性，可以為其他路由算法的仿真提供借鑒。

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