用于智能電網(wǎng)的一種認(rèn)知無線路由算法研究

陸 川

?

用于智能電網(wǎng)的一種認(rèn)知無線路由算法研究

陸 川

(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 廣州 510006)

為擴(kuò)大通信網(wǎng)絡(luò)的可利用帶寬，智能的分配網(wǎng)絡(luò)資源，該文圍繞智能電網(wǎng)的通信業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求，建立面向智能電網(wǎng)Ad hoc通信協(xié)議的一種認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)路由方法。該方法基于耗能和延時最小的原則，根據(jù)節(jié)點(diǎn)個數(shù)、傳輸速率的要求，對其路由策略以及相關(guān)的頻譜分配方案展開研究，為構(gòu)建高效而穩(wěn)定的Ad hoc智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供一種新思路和設(shè)計理念，最終通過數(shù)值模型仿真驗(yàn)證其性能優(yōu)于傳統(tǒng)算法，非常適合智能電網(wǎng)方面的應(yīng)用。

Ad hoc路由; 認(rèn)知無線電; 通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議; 智能電網(wǎng)

認(rèn)知無線電(cognitive radio, CR)是具備動態(tài)的頻譜分析和接入能力的一種智能無線通信系統(tǒng)，是無線通信技術(shù)下一代的發(fā)展方向。它共享用戶頻譜資源和通信模式，提高了頻譜的利用率，是一種極適用于智能電網(wǎng)通信的接入方式?，F(xiàn)階段，有關(guān)智能電網(wǎng)的無線系統(tǒng)主要包括：1) 計量基礎(chǔ)設(shè)備，如電表的智能遠(yuǎn)程采集、糾錯以及控制等；2) 監(jiān)督、檢測、監(jiān)測分布式發(fā)電設(shè)備等的電流、電壓、溫度、頻率穩(wěn)定性等各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)；3) 通過傳感器監(jiān)測電路上的基本參數(shù)，包括溫度、擺動以及天氣狀態(tài)等。

智能電網(wǎng)[1-9]是電能監(jiān)管和控制高度智能化的電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，以智能的手段設(shè)計強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架以及強(qiáng)大魯棒的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能感知、識別以及控制等功能。與此同時，無線電通信技術(shù)飛速發(fā)展，無線電通信終端不斷涌現(xiàn)使得無線電頻譜資源變得越來越緊張，特別是免授權(quán)、免費(fèi)的頻段變得非常擁擠。在智能電網(wǎng)領(lǐng)域，稀缺的頻譜資源已成為構(gòu)建其無線采集、傳輸、傳感網(wǎng)絡(luò)的主要問題和瓶頸。

文獻(xiàn)[2]討論了CR技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用，從智能電網(wǎng)的特點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為智能電網(wǎng)中的通信方式不同于一般的通信方式，并將其抽象成具有典型特征的設(shè)備與設(shè)備間的通信(macine to machine, M2M)。其典型特征為：某些通信設(shè)備并不移動或移動較少、設(shè)備存在較長時間的睡眠期、由于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量時刻在變化從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化等。

而關(guān)于智能電網(wǎng)的CR通信方式采取的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]，一般存在兩種方式：1) 以自組網(wǎng)[3]為代表的無線分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu); 2) 借助蜂窩網(wǎng)[4]通信為代表的集中式無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

總的來說，認(rèn)知無線電技術(shù)是一種允許用戶使用已授權(quán)但暫時又未被使用的頻譜資源，使得認(rèn)知用戶工作在最佳的可用頻段上，該技術(shù)可簡單的歸納為使無線電設(shè)備具備發(fā)現(xiàn)其周圍的空閑頻譜并具備合理整合利用能力的一種無線電技術(shù)。認(rèn)知無線電技術(shù)涵蓋內(nèi)容廣泛，其中頻譜感知、分析和決策以及頻譜切換等為其核心，其主要功能包括為頻譜資源進(jìn)行重配置(reconfigure ability, RA)和認(rèn)知功能(cognitive capability, CC)。本文主要研究其認(rèn)知功能算法，以下將分別介紹認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議及基于此路由協(xié)議的認(rèn)知算法。

1 基于集群體系的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)及其路由協(xié)議

1) Ad hoc網(wǎng)絡(luò)

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一個特設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)，它由一組移動節(jié)點(diǎn)連接，并且相互之間沒有任何固定的基礎(chǔ)連接，也就意味著其特設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫请S機(jī)改變的，每個節(jié)點(diǎn)可以任意相互獨(dú)立運(yùn)動。文獻(xiàn)[6-7]提出了用于基于認(rèn)知無線電的智能電網(wǎng)分層通信構(gòu)架。家庭接入網(wǎng)(home area network，HAN)負(fù)責(zé)不同的智能終端之間的通信，能滿足高能的智能電網(wǎng)管理和需求響應(yīng)，并將其接入到廣域網(wǎng)(wide area network, WAN)，實(shí)現(xiàn)信息的向上傳輸，WAN提供公共系統(tǒng)之間的信息傳輸通信鏈路。對于HAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為減少平均能耗及考慮到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算能力，可使用基于ad hoc通信協(xié)議下的無線自組網(wǎng)分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1 典型智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模型

2) AODV路由協(xié)議

按需距離矢量路由(ad hoc on-demand distance vector routing, AODV)是基于按需距離矢量協(xié)議的一種路由協(xié)議，它對鏈路狀態(tài)變化能作出快速的響應(yīng)，主要原因是其處理過程簡單、存儲開銷相對較小，適合作為認(rèn)知無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的基礎(chǔ)參照。換句話說，它是一種反應(yīng)式路由協(xié)議，其核心思想是：當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送封包時，原節(jié)點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過程。相反，很多普通的互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議都是先驗(yàn)式的，它們查找路由不依賴于路徑上的節(jié)點(diǎn)是否要發(fā)包，而是每個節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張包含到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由表。

AODV協(xié)議中節(jié)點(diǎn)間通過周期性的交換路由信息來不斷更新自身的路由表，以便能夠及時地反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)和變化，從而維護(hù)一致的、及時的、準(zhǔn)確的路由信息。AODV路由協(xié)議主要由發(fā)現(xiàn)路由策略以及中斷處理策略組成，本文設(shè)計的策略描述如下：

1) 發(fā)現(xiàn)策略：當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要一個路線到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，且其目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)之間的鏈接不在路由表時，它將廣播一個路由請求包(route request, RREQ)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)下游節(jié)點(diǎn)接收到請求后，每個下游節(jié)點(diǎn)將創(chuàng)建或更新一個反向路由，然后不斷廣播，當(dāng)其中一個中間節(jié)點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)一個有效路由到指定目的地或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)本身可以發(fā)送相應(yīng)路由請求回應(yīng)消息(route request packet, RREP)回源節(jié)點(diǎn)，則此路由發(fā)現(xiàn)即可結(jié)束。于是遵循同樣相反的路線，沿著既定的路線更新每個節(jié)點(diǎn)收到的RREP和其路由表的ID。最終源節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建或更新一個路由轉(zhuǎn)發(fā)到指定目的地的路由表并開始數(shù)據(jù)傳輸。

2) 中斷策略：當(dāng)存在一個數(shù)據(jù)傳輸鏈路中斷時，如果它的位置很靠近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，上游節(jié)點(diǎn)會檢測鏈路中斷的風(fēng)險，執(zhí)行當(dāng)?shù)匦迯?fù)，并廣播下游節(jié)點(diǎn)。在修復(fù)的過程中，上游節(jié)點(diǎn)緩沖受影響的連接時數(shù)據(jù)包，直到它接收到相應(yīng)RREP找到新路線。如果本地修復(fù)失敗，中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個路由錯誤數(shù)據(jù)包RERR到源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)將試圖重建一個新的路線。如果檢測到的中間節(jié)點(diǎn)鏈接損壞接近源節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將發(fā)出一個路由錯誤數(shù)據(jù)包RERR說明數(shù)據(jù)不可到達(dá)的目的地，這樣源節(jié)點(diǎn)將重復(fù)同樣的過程，重新建立新的鏈路。

2 基于集群體系的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知算法

基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知無線電路由處理在建立上述路由線以外，還需進(jìn)行頻譜選擇工作，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，每個中間節(jié)點(diǎn)均會進(jìn)行相應(yīng)的計算，從中選擇最好的頻譜向前傳輸數(shù)據(jù)包，也就意味著在不同的節(jié)點(diǎn)實(shí)際上選擇了不同的頻譜，即選擇了不同的信道?？梢钥闯?，每個節(jié)點(diǎn)可以同時傳輸多個數(shù)據(jù)并使用不同的信道，但也意味著存在多個用戶同時使用該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中用戶也需要進(jìn)行等級劃分，分為主用戶和次用戶。路由算法根據(jù)對主用戶活動不同程度的保護(hù)不同而存在不同的路由路徑，同時也必須兼顧次級用戶的路由延遲。

基于集群的體系結(jié)構(gòu)確定適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)作為簇首和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)提供最大路徑的穩(wěn)定性，并與其他集群成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，其結(jié)構(gòu)圖2所示。

圖2 認(rèn)知算法的集群體系結(jié)構(gòu)

對傳感節(jié)點(diǎn)S，通道C在時間T上，定義θ代表在時刻第個通道是否可用，可用為1，不可用為0；定義W為第個節(jié)點(diǎn)在時刻是否有數(shù)據(jù)需要上傳，需要為1，不需要為0。于是就形成了一個消息表(θW)，將該消息表將作為一個請求消息傳遞給簇首。

在認(rèn)知無線電傳感系統(tǒng)中，空閑通道才能作為傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)用通道，其可用性主要由主用戶的行為決定，因此可以通過預(yù)測通道特性或根據(jù)通道的歷史使用情況制定出適合的認(rèn)知策略，從而提升傳輸效率。

基于無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及頻譜資源頻繁變化，本文設(shè)計了一種適合頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的按需路由策略。根據(jù)系統(tǒng)需要，算法對節(jié)點(diǎn)的頻譜可利用率、通道干擾等環(huán)境進(jìn)行優(yōu)劣排序，并結(jié)合路由發(fā)現(xiàn)和保持策略進(jìn)行路徑搜索，最終決定下游節(jié)點(diǎn)的選擇。具體算法為：

1) 計算節(jié)點(diǎn)需求時間

對每個傳感節(jié)點(diǎn)S，計算傳感節(jié)點(diǎn)S的需求時隙時間：

2) 對每個傳輸時隙計算可用和非可用通道序列

對每個通道C，在上述傳輸時間片段內(nèi)也就是每個傳輸時隙內(nèi)，循環(huán)計算其第個傳感信息傳輸需要的時隙：

在此基礎(chǔ)上，考察其是否大于實(shí)際工作信道平均時隙，從而得到可用通道序列，并將不可用通道排除。

3) 選擇最佳通道序列

3 模型仿真

仿真參數(shù)如表1所示，仿真區(qū)域1 000′1 000 m，分別仿真了路徑時間延遲和系統(tǒng)吞吐量等系統(tǒng)指標(biāo)，如圖3和圖4所示，將仿真結(jié)果同文獻(xiàn)[10]中的SOP算法對比，發(fā)現(xiàn)本文算法均優(yōu)于SOP算法。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖3 路徑時延vs距離

圖4 吞吐量vs距離

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于認(rèn)知無線電的Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)路由方法，此分布式的集群認(rèn)知無線電Ad hoc 路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：1) 具有穩(wěn)態(tài)的路由選擇和修復(fù)策略；2) 選取適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)作為簇首和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)提供最大路徑的穩(wěn)定性，與其他集群成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，從而確定下游節(jié)點(diǎn)；3) 路由算法會利用特殊定義的時間片的方式進(jìn)行評估，從而保證用戶功耗最低，延遲最小。

[1] AMIN S M, WOLLENBERG B F. Toward a smart grid: Power delivery for the 21st century[J]. Power and Energy Magazine, IEEE, 2005, 3(5): 34-41.

[2] KUHDRAGH V, TARCHI D, CORALLI A V. Cogntive radio based smart grid networks[C]//2013 24th Tyrrhenian International Workshop on Digital Communication Green ICT(TIWDC). Genoa, Italy: [s.n], 2013.

[3] CHENG G, LIU W, LI Y Z, et al. Spectrum aware on-demand routing in cognitive radio networks[C]//Proc 2007 IEEE Int Symp New Frontiers Dynamic Spectrum Access Netw. Dublin, Ireland: IEEE, 2007.

[4] 陸陽. 基于接收方信道質(zhì)量的ad hoc網(wǎng)絡(luò)多信道工程與應(yīng)用[J]. 計算機(jī)工程與應(yīng)用, 2009, 45(20): 129-132.

LU Yang. Multi channel engineering and application of ad hoc networks based on receiver channel quality[J]. Computer Engineering and Application, 2009, 45(20): 129-132.

[5] 宋志群. 認(rèn)知無線電技術(shù)及應(yīng)用[J]. 無線電通信技術(shù), 2012, 38(5): 1-5.

SONG Zhi-qun. Cognitive radio technology and its application[J]. Radio Communications Technology, 2012, 38(5): 1-5.

[6] YU Rong, ZHANG Yan, GJESSING S, et al. Congnitive radio based hierarchical communications inftrastructure for smart grid[J]. IEEE Network, 2011, 25(5): 6-14.

[7] 劉順. 認(rèn)知無線電ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由算法研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2011.

LIU Shun. Research on routing algorithm of cognitive radio ad hoc network[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2011.

[8] 鄧守峰. 認(rèn)知無線電中的路由算法和協(xié)議設(shè)計[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2008.

DENG Shou-feng. Routing algorithm and protocol design in cognitive radio[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2008.

[9] 胡一楠. 認(rèn)知無線電ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2014.

HU Yi-nan. Research on routing mechanism of cognitive radio ad hoc network[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2014

[10] ZHOU X, LIN L, WANG J, et al. Cross-layer routing design in cognitive radio networks by colored multigraph model[J]. Wireless Personal Communications, 2008, 31: 1254-1260.

編 輯 葉 芳

Research on a Cognitive Wireless Routing Algorithm for Smart Grid

LU Chuan

(School of Automation, Guangdong University of Technology Guangzhou 510006)

For expanding communication network available bandwidth and optimizing the distribution of the intelligent network resources, a cognitive radio network routing method for smart grid-oriented ad hoc communication protocol is proposed. Based on the principle of minimum energy consumption and the smallest time delay, the spectrum allocation scheme and transmission rate are studied according to the requirement of the number of nodes and transmission rate. The aim is to provide a new design idea for building a highly efficient and stable ad hoc smart grid communication network. The numerical simulation shows that the performance achieved is superior to the traditional algorithms, and the method is suitable for smart grid applications.

Ad-hoc network; cognitive radio; communication network protocols; smart grid

TN92

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.06.008

2017-03-12；

2017-09-28

陸川(1983-)，男，博士生，副研究員，主要從事信息安全、互聯(lián)網(wǎng)+等方面的研究.