低压电力线分簇蛛网混合多径盲路由算法及通信协议设计

刘晓胜 李延祥 王 娟 朱宏林 徐殿国

（1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150000 2.苏州汇川技术有限公司 苏州 215104）

1 引言

低压电力线通信（Low Voltage Power Line Communication，LVPLC）由于利用已有的遍布城乡的电力传输线作为信息传输的媒介，具有覆盖面广、投资少、运行及维护成本低等特点，因此在远程智能抄表、路灯控制等领域得到广泛应用[1]。然而电力线设计的初衷是用来传输电能而非数据信息，大量电器启停、运行带来的噪声干扰，以及信号选择性衰减，线路阻抗经常波动等劣势，常常导致通信链路失效，使得电力线通信的通信范围过小，可靠性偏低，限制了大规模电力通信的应用[2]。

国内外关于提高低压电力线载波通信可靠性方面的研究主要从增强物理层通信能力和建立网络中继（路由）两个方面展开。前者主要集中在信道特性[3,4]、噪声[5,6]、信源和信道编码[7,8]、信号调制解调方式[9]等方面。后者主要集中在多级中继路由算法的设计和改进上。目前已有多位学者对电力线通信动态路由算法进行了研究，取得了一定的成果，然而仍有许多不足。

文献[10,11]借鉴无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）中的分簇思想，提出了基于非交叠分簇的动态路由算法。该算法虽然具有层次清晰，组网迅速等优点，然而由于只具有单一通信链路，一旦某一通信链路失效，必须进行局部甚至全局的网络重构，频繁的网络重构将带来大量的网络延时，不满足电力线通信网络的实时性和抗毁性要求。

文献[12,13]利用蚁群算法、变异遗传算法等智能算法，提出了基于QoS的动态路由组网算法，优化了网络结构，但是存在收敛速度慢，容易陷入局部最优等问题。

文献[14,15]提出了基于单层人工蛛网的分层动态路由算法，在一定程度上提高了网络的可靠性，但是存在蛛网中心节点间通信链路通信质量依赖的问题。

本文根据电力线组网的一般特点和要求，将非交叠分簇算法和人工蛛网拓扑相结合，提出了一种新型的分簇蛛网混合多径盲路由算法，结合通信协议的设计，详细阐述了电力线网络初始化、运行、维护与重构等过程算法。最后通过仿真对比验证了算法和协议的有效性和优越性。

2 分簇蛛网混合算法的核心思想

2.1 低压电力线通信网络模型

低压电力线网络的典型拓扑结构为树形拓扑，完整的网络系统由网关节点和子节点构成。图1为一种典型低压电力线通信物理拓扑结构[16]。变压器二次侧台区为三相配电网，每相由一个网关节点负责该相全部节点信息的收集和管理。由于不能跨相通信，三相之间在逻辑上相互独立。因此只需以其中一相为例，研究其通信方法。

电力线网络数据链路的通信范围是有限的，虽然网关与各节点在物理上是连通的，但是在逻辑上却可能是断开的。假设台区内某相上子节点总数为n，由于通信距离或噪声干扰等原因，网关只能与其中m个节点实现直接通信，对于其余子节点则需要通过建立中继路由来实现间接通信。因此为了实现全网通信，必须先建立网关到部分子节点的逻辑通信链路，再由这些节点作为中继路由，扩展通信范围，由此形成电力线通信网络的逻辑拓扑。通常电力线网络的节点数量和分布情况都是未知的。盲路由算法要解决的就是未知网络逻辑拓扑的建立及维护等问题。

图1 典型低压电力线通信网络物理拓扑结构Fig.1 A typical low voltage power line communication physical topology

2.2 传统非交叠分簇算法

分簇算法的基本思想是将网络分成“簇”，每个簇由一个“簇头”和若干个“簇员”组成。“簇头”是按照某种分簇算法或规则选举出来负责协调和管理簇内其他节点的节点，簇内除簇头外其他节点称为“簇员”[17]。一个簇头节点也可以同时成为其他簇的簇员节点。

非交叠分簇算法规定已经加入一个簇的节点不再加入其他簇，因而在各节点之间确定了唯一的通信链路，如图2所示。例如网关节点0要与节点26通信，则需要依次以节点6和节点4为中继，形成唯一通信链路 0-6-4-26。链路的唯一性明确了通信路径，但同时带来了频繁网络重构的麻烦。

图2 非交叠分簇结构图Fig.2 Non-overlapping clustering structure

2.3 人工蛛网拓扑

人工蛛网算法是受到自然界中蜘蛛网结构抗毁性强的特点启发而产生。其核心思想是将星型拓扑和环型拓扑相结合，从而形成网状拓扑结构，如图3所示。人工蛛网拓扑结构为通信提供了多条备用链路，极大地增强了通信的可靠性。

图3 人工蛛网拓扑结构图Fig.3 Artificial cobweb topology structure

2.4 分簇蛛网混合算法

分簇蛛网混合算法将非交叠分簇算法通信链路明确，及人工蛛网拓扑可靠性强的优点相结合。其核心思想是在组网阶段，在簇内建立邻居链路，为每个簇内成员提供至多两条同层通信链路，作为原通信链路失效的备份。如果下行通信链路失效，节点可以以下层目的节点的某一邻居节点作为中继，实现与目的节点间的通信；如果上行通信链路失效，节点可以以自身的某一邻居节点作为中继，实现与上层节点间的通信。

如图4所示，当网关节点0要与节点26通信时，正常情况下的通信链路为0-6-4-26。若节点 4和节点26之间的通信链路失效，则节点4将以节点26的邻居节点33为中继，完成下行通信，从而形成新的通信链路 0-6-4-33-26；反过来节点 26以邻居节点 33为中继，完成上行通信，通信链路为26-33-4-6-0。

图4 分簇蛛网混合拓扑结构图Fig.4 Clustering-cobweb hybrid topology structure

3 通信协议设计

3.1 数据帧格式设计

本文参考DL/T 645-1997[18]及DL/T 645-2007[19]通讯规约，结合电力线网络需要多级中继的特性进行路由算法的通信协议设计。

数据帧主要由帧头、控制码、源节点、目的节点、中继节点、层数、数据长度域、数据域、校验码和帧尾等几部分构成。标准数据帧格式如图5所示。

图5 标准数据帧格式Fig.5 Normal data frame

具体格式根据相应功能有所不同，数据帧的种类通过控制码加以区别，帧中各部分除数据域和中继节点域外各占一个字节。

帧头和帧尾分别为68 H和16 H，用以标识数据帧的开始和结束；控制码用来区分数据帧的种类，其具体含义见表1；源节点表示发送节点的物理ID；目的节点表示数据帧要送到的节点的物理ID；中继节点域用来存放源节点到目的节点之间需要经过的中继节点的物理 ID，具体长度视网络中继级数而定。对于m级中继网络，中继节点域为m−1字节。若经过的中继节点数不足 m−1，则在空缺的位用FFH补全；层数表示源节点或目的节点所在的层数；数据长度域用来标识数据域的长度；数据域用来存放待发送的数据；校验码为从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模256的和。

表1 控制码及其含义对照表Tab.1 Control codes and corresponding meanings

3.2 路由表格式设计

此外还对各节点路由表的格式进行了设计，包括子节点本地路由表和网关节点路由表。格式如图6和图7所示。子节点本地路由表需要记录节点所在层数，节点的两个邻居节点和上一层的中心节点以及全部子节点物理ID。网关节点路由表需要记录各子节点的物理ID及其所在层数和该节点的上一层中心节点。

图6 子节点本地路由表格式Fig.6 Child node local routing table format

图7 网关节点路由表格式Fig.7 Gateway node routing table format

网关节点在发送数据时采用层层查找的方式，无需记录各子节点的所有中继节点。如图4中，网关节点0要与节点10进行通信，则网关节点0查找网关节点路由表，发现节点10上层中心节点为节点11，节点11上层中心节点为节点1，节点1上层节点为节点0，则网关节点确定了与节点10的通信路径0-1-11-10。按照该思路，可以唯一确定网关节点与任意节点的通信路径。

这种路由表格式占用内存小，大大节省了网关节点的存储空间，有利于扩大网关节点的通信范围。

下面将结合网络逻辑拓扑的建立和维护等过程，对网络通信各过程中常用到的数据帧及两种路由表的记录和修改方式作以详细介绍。

4 分簇蛛网混合盲路由组网初始化算法

4.1 前提与假设

电力线通信网络组网的过程实际上就是建立网络通信逻辑拓扑的过程，为了便于讨论，作如下假设。

（1）网络中所有节点都具有唯一的物理地址，网关节点的物理地址为0，其他子节点的物理地址依次为1,2,…,n（n≤255）。

（2）任意节点至少可以与1个其他节点通信，即网络中不存在孤立点。

（3）电力线通信链路为对称链路，即两节点间可以实现双向通信。

（4）采用 P-坚持的CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突避免）协议，以避免数据传输时发生信道冲突。

（5）为了便于比较通信误码率，规定所有组网帧发送一组固定数据。

4.2 路由组网初始化算法

分簇蛛网混合多径盲路由组网算法的步骤如下。

（1）上电后网关节点逻辑层数默认为0，所有子节点逻辑层数默认为6，网关及各子节点路由表为空。

网关节点发送组网帧，源节点为0，层数为0。组网帧格式如图 8。假设收到该组网帧的节点数为m个，则该 m个节点自动加入逻辑层 1，并按照CSMA协议依次向网关节点返回应答帧，应答帧格式如图9所示。网关节点在收到应答帧后将节点相关信息写入网关节点路由表中。

图8 组网帧Fig.8 Networking frame

图9 应答帧Fig.9 Response frame

（2）节点在收到网关节点发送的组网帧后，等待一定时间 T，确保所有节点都已经完成对组网帧的响应。在定时T结束后，已经加入网络（成功发送应答帧）的各节点将原组网帧中的源节点改为自身物理ID，层数加1，形成新的组网帧，同样按照CSMA协议依次向周围发送，直至逻辑层1内的所有节点都发送完组网帧。

这期间，显然逻辑层1内的节点一方面向周围发送组网帧，一方面也会收到来自同层其他节点的组网帧。收到组网帧的节点判断自身层数与源节点的层数关系。

① 若两者相等，说明发送方与接收方位于同一逻辑层，则接收方将发送方 ID及与其通信的误码率记录下来，至逻辑层1组网结束时，将所有发送节点中与其通信的误码率最小的两个节点作为其邻居节点记录在本地路由表中。

② 若接收方层数大于发送方，接收节点自动加入逻辑层 2，并向发送方回复应答帧，表示加入发送节点所在的簇内，成为其簇员节点。此后不再对其他来自逻辑层1的组网帧作处理。发送方在收到应答帧后，将簇员节点物理 ID记录在本地路由表中，同时向网关节点发送节点信息上报帧，报告新节点加入信息。假设源节点为6，新节点为4，位于逻辑层2，则节点信息加入帧格式如图10。

图10 节点信息上报帧Fig.10 Node information reporting frame

③ 若接收方层数小于发送方（在这里接收方只能是网关节点），则不作处理。

节点在收到组网帧后等待连续的一段时间 T，若一直没有再收到组网帧，说明逻辑层1的所有节点都已经完成了组网帧的发送。

（3）重复步骤（2），直到所有接收节点中不存在位于发送节点下一层（即未加入网络）的节点，说明所有节点都已加入网络，此后不会再产生新的组网帧。网关节点经过一定时间Tm，仍未收到新的节点信息上报帧，表示所有节点都已加入网络。组网过程随即完成。

按照此算法进行组网，无需事先知道网络节点的数量和分布情况，实现了未知网络逻辑拓扑的建立。

5 网络运行、维护及重构算法

5.1 网络运行过程

网络运行过程主要涉及到网关节点广播命令帧，网关节点单播命令帧，一般数据帧，应答帧等。

根据电力线通信网络数据采集要求的不同，设计了命令标识码作为二级控制码，具体含义见表3。这里以读取本地路由表信息（02H）为例，作以详细介绍。

表2 命令标识码及其含义对照表Tab.2 Command identifiers and corresponding meanings

网关节点广播命令帧用于收集全网信息，帧格式如图11。收到广播命令帧的节点向网关节点返回相应一般数据帧，并转发该广播帧，直至传到末端节点。

网关节点单播命令帧用于收集网络内某一节点的信息。假设网络支持6级中继，若网关节点0要以节点6和节点4为中继，向节点26发送单播命令帧，则单播命令帧格式如图12。

图11 网关节点广播命令帧Fig.11 Gateway node broadcast command frame

图12 中心节点单播命令帧Fig.12 Center node unicast command frame

下层节点在收到上层节点发送的命令帧后，向发送方回复应答帧（如图9）表示接收成功。

对于一般数据帧，只需按照中心节点一层一层的向上转发，就可以发送到目的节点，帧格式如图13所示。上层节点在收到下层节点发送的一般数据帧后，向发送方回复应答帧（如图 9）表示接收成功。

图13 一般数据帧Fig.13 General data fra me

5.2 新节点加入过程

新节点加入过程主要涉及到节点申请加入帧，组网帧，应答帧，节点信息上报帧等。

已经完成组网过程的网络，在网络运行过程中，可能会有新的节点加入。该节点在收到来自其他节点的数据帧后，如果发现自身路由表为空，说明节点尚未加入网络。则该节点此时应主动向周围发送节点申请加入帧，申请加入网络，帧格式如图 14所示。

图14 节点申请加入帧Fig.14 Node applying for joining frame

收到该帧的节点再次向周围发送组网帧，帧格式如图 8。新节点对收到的各组网帧的处理过程同本文4.2节中步骤（2）。至此完成节点加入过程。

5.3 链路及节点失效与网络重构

在网络运行过程中，若发送命令帧或数据帧的一方没有及时收到接收方的应答帧，认为原通信链路失效。此时需要启动链路失效恢复过程。链路失效恢复过程主要涉及到更新路由信息帧。

5.3.1链路失效过程

如果在通信过程中发现节点的上行通信链路失效，只需将节点的1个邻居节点作为中继节点，即可恢复通信。

如果是下行链路失效（通常都是这种链路失效），则重新发送数据帧，并在数据帧的控制码中加入链路失效标识，帧格式如图15。收到该帧的节点判断自身是否为原目的节点的邻居节点。若是，则将该帧还原为原数据帧发送给目的节点。反过来目的节点收到数据帧后，以该邻居节点为中继向上返回相应数据帧。

图15 带有链路失效标识的数据帧格式Fig.15 Data frame with link failure identifier

5.3.2节点失效及网络重构过程

如果经过一定延时，仍然未能及时返回目的节点的信息，则认定节点失效。对其进行快速局部网络重构。

通过上一层邻居节点向下发送组网帧，为失效节点寻找新的中心节点。若快速局部网络重构完成，则由新的中心节点通过多级中继向网关节点发送更新路由信息帧，报告重构后原失效节点的路由更新信息，更改本地路由表和网关节点路由表。更新路由信息帧格式如图16所示。

图16 更新路由信息帧Fig.16 Updating routing information frame

5.4 节点退出过程

5.4.1节点被动退出

如果快速局部网络重构没有找到失效节点，则认为失效节点已经脱离网络，称这种情况为节点被动退出。此时失效节点的原上层中心节点向上返回节点被动退出帧，直至网关节点，报告节点异常，提醒检修人员检修。假设节点26被动退出，则由其上层中心节点4向网关发送的帧格式如图17所示。

图17 节点被动退出帧Fig.17 Node exit passively frame

5.4.2节点主动退出

如果节点由于某种原因需要退出网络（如线路改造、拆除等问题），需要事先通知其上层节点及网关节点。

当节点需要主动退出网络时，需要发送节点主动退出帧（见图18）至其下层子节点及网关节点。

其下层子节点需要进行快速局部网络重构，寻找新的上层中心节点，具体步骤不再赘述。网关节点收到退出帧后删除路由表中关于该节点的全部信息，并发送节点退出许可帧（见图19）至待退出节点，提示节点可以完成退出。

图18 节点主动退出帧Fig.18 Node exit actively frame

图19 节点退出许可帧Fig.19 Node exit permit frame

至此完成节点退出过程。

通信协议的数据帧长度一般不超过10字节，降低了系统开销，提高了通信的准确性和稳定性，具有良好的推广和实用价值。

6 仿真与对比实验

6.1 组网初始化算法仿真

为了验证路由算法的有效性，利用Matlab对算法进行了仿真研究。

在100 m×100 m的区域内随机分布40个节点（满足假设条件），网关节点位于区域中心，物理ID为0，其余节点编号为1,2,3,…,39。为了模拟电力线信道的时变性和随机性，设置节点间有效通信距离在20～25 m范围内变化。分别采用传统分簇算法和本文提出的分簇蛛网混合算法进行组网，仿真结果如图20和图21所示。

可以明显看出，非交叠分簇算法虽然结构简单、逻辑清晰，但是由于只具有单一通信链路，抗干扰性能较差；而分簇蛛网混合算法在原有算法的基础上增加了邻居链路，提供了备用链路，减少了频繁网络重构的麻烦，在一定程度上保证了通信的可靠性和稳定性。

图20 传统分簇算法仿真结果Fig.20 Traditional clustering algorithm simulation

图21 分簇蛛网混合算法仿真结果Fig.21 Clustering-cobweb hybrid algorithm simulation

6.2 网络重构算法仿真

由图21可知，每个节点有唯一上层中心节点和至多两个邻居节点，如对于18节点，其与网关节点的默认通信路径为0-6-30-18；对于 26节点，其与网关节点的默认通信路径为0-6-4-26。

当30和18节点间通信链路失效时，30节点将选择24节点作为中继与18节点通信，形成通信路径 0-6-30-24-18。

然而，如果4和26节点间通信链路失效，由于4节点的子节点中不存在 26节点的邻居节点（33节点虽然是26节点的邻居节点，但是却无法收到4节点的链路失效帧，所以无法实现通信链路恢复），所以 26节点成为失效节点。由 4节点的邻居节点19和38发起组网帧，结果19节点得到26节点的应答帧，于是通信链路变成0-6-19-26。

图22 网络重构算法仿真结果Fig.22 Network reconstruction algorithm simulation

节点加入及退出情况较为简单，在此不作赘述。

通过以上仿真结果可以看出，本文提出的低压电力线分簇蛛网混合多径盲路由算法可以快速有效的实现低压电力线网络逻辑拓扑的组网、运行、维护和重构等问题。

6.3 路由表开销对比

随着网络中节点数的增加，路由表的开销也会随之增大。传统路由通信协议采用 1-0邻接矩阵的形式记录本地路由信息，每个节点与网络中其他节点的通信情况都要被记录，即每个节点所占用的存储空间为n字节，组网完成后，路由表中必将存在大量的0值，同时由于一个节点可能与很多节点可以实现通信，从而造成路由路径不明确，给自动中继带来一定的麻烦。

本文采用层层查找的方式进行自动路由，网关节点路由表中只记录每个节点的物理ID、所在层数以及该节点的上一层中心节点ID，即每个节点所占用的存储空间仅为3字节，同时由于唯一确定了节点的通信路径，使得自动中继过程更加简便易行，大大提高了效率。

假设一个节点的地址占用1字节存储空间，网络中节点总数为n，中继级数为6，则1-0矩阵式网关节点路由表所占用的存储空间是n2个字节；而采用本文所设计的网关节点路由表所占用的存储空间为3 n个字节。从图23以看出，随着网络节点数的增加，1-0矩阵式路由表的路由开销将远大于层层查找式路由表。

图23 两种路由表开销对比Fig.23 Overhead of two types of routing table

显然，本文提出的层层查找式路由表在节省路由开销和简化中继过程方面具有其他路由表设计方法不可比拟的优势。

6.4 通信可靠性分析

通信可靠性是衡量路由算法优劣的重要指标。

设各条通信链路失效概率用 p来表示，中继级数用m来表示，每级通信的成功率用P0来表示，网关节点成功将数据帧传输到目的节点的概率用P来表示。

则对于传统分簇算法，只有当每级通信都成功时，才能完成网关到目的节点的通信。每级通信的成功率P0为

因此通信成功率P为

对于分簇蛛网混合算法，每级通信的成功率P0为

因此通信成功率P为

表 3为假设各条通信链路失效的概率均为p=0.1，分别采用传统分簇算法和分簇蛛网混合算法时，网关节点成功将数据帧传输到目的节点的概率P随中继级数m增加的变化情况。表4为假设中继级数m=6，分别采用两种算法的通信成功率P随链路失效概率p增加的变化情况。

表3 p=0.1时，P随m增加的变化Tab.3 The change of P with the increase of m when p=0.1

表4 m=6时，P随p增加的变化Tab.4 The change of P with the increase of p when m=6

从表中可以看出，随着中继级数的增加，采用传统分簇算法时，网关节点与目的节点的通信成功率会下降得非常快，而分簇蛛网混合算法的通信成功率却几乎不受中继级数的影响；另一方面，在相同中继级数（6级中继深度）的情况下，当信道质量较差时，采用传统分簇算法的通信成功率已经很难达到要求；而分簇蛛网混合算法的通信成功率仍然高于0.6。

以上两组对比充分说明了在中继级数增加和信道质量恶化的情况下，分簇蛛网混合算法比传统分簇算法具有更高的可靠性和稳定性，为电力线通信网络的可靠运行提供了优良的保障，具有良好的应用前景。

7 结论

本文首先分析了低压电力线通信的特点，提出了多级中继路由的必要性。

接着分析了传统非交叠分簇路由算法、蚁群优化算法以及人工蛛网算法等的优势和不足，进而提出了一种基于分簇蛛网混合的新型多径盲路由算法。并结合通信协议的设计，给出了低压电力线网络逻辑拓扑的组网、运行、维护和重构等问题的解决方案。

最后通过仿真分析、路由表开销和通信可靠性分析验证了算法和协议的有效性和优越性。结果表明，本文提出的分簇蛛网混合算法能够实现快速有效的网络建立和重构；通信协议实现简单、开销小、稳定性高，对于提高通信的可靠性具有积极的意义。

今后的研究方向将是通过吞吐量、延时等指标的具体分析验证协议的有效性；以及考虑如何保证算法的QoS性能及在不对称链路情况下算法及通信协议的改进。

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