宽带电力线通信网络最优中继选择算法

任 智，任 冬，刘顺辉，周 舟

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

0 引 言

低压宽带电力线通信(broadband power line carrier communication，BPLC)网络是智能电网[1]和泛在电力物联网[2]的主要通信媒介。然而，电力线信道存在噪声干扰[3]、相移[4]以及信号衰减[5]，使电力线载波网络的信号传输不稳定且有效通信距离[6]仅为数百米。为了提高电力网络的稳定性和可靠性，宽带电力线载波通信[7]网络组网和路由建立过程[8]已成为当下研究的热点。目前，很多学者提出了多种组网算法来优化BPLC网络组网过程。例如，文献[9]提出一种多约束PLC改进Q学习组网算法，该组网方式需周期性轮换代理，会造成不稳定的拓扑结构和较高的网络开销。文献[10,11]提出了类蚁群的PLC组网算法。该类算法存在组网收敛时间长、盲目探索的问题。文献[12]提出了基于人工蛛网的组网算法，该算法对蛛网中心依赖过高，抗毁能力弱，易造成因中心节点损坏而网络重构。文献[13]提出改进的遗传算法存在组网收敛时间和时延较大的问题。文献[14]提出覆盖优先和转发优先策略，可通过泛洪“入簇消息”会大大增加报文碰撞概率和开销。IEEE1901.1技术标准[15]提出基于中继选择的树形组网策略，不仅能有效增大电力线通信传输距离，而且能让电力线节点形成稳定的拓扑结构。所以，本文在IEEE1901.1标准基础上，提出宽带电力线通信网络最优中继选择算法，并对该算法进行网络仿真验证。

1 网络问题描述

1.1 网络拓扑构建

在宽带PCL网络中，定义了中央协调器(central coordinator，CCO)、代理协调器(proxy coordinator，PCO)、普通站点(station，STA)3种节点类型。CCO是BPLC网络的大脑。PCO是由CCO分配，用来连接STA与CCO的桥节点。STA是网络的叶节点，每个STA都具有PCO的功能，如何选择STA的PCO是PLC网络组网和稳定运行的关键。BPLC组网过程如下：

IEEE1901.1组网机制采用CCO周期性广播中央信标(central beacon，C-BEACON消息)发起组网。收到消息的未入网站点把节点信息装在关联请求报文(REQ消息)中，并向CCO单播REQ消息。CCO收到REQ消息后取出节点地址进行白名单认证。认证成功后向该节点单播关联确认报文(ACK消息)。待入网节点收到ACK消息后表明入网成功，ACK消息中有CCO为入网节点分配的终端设备标识(terminal equipment identification，TEI)。把在第一轮中所有收到关联确认消息的终端设为逻辑层1(Layer 1)。一级节点入网成功后会继续广播BEACON消息触发逐层级的PLC站点(STA)发送网络接入请求，STA通过信号“信噪比”大小选择自己的中继站点PCO，来完成整个中继组网过程，重复以上过程节点逐级入网，直至组网完成。组网完成后的PLC网络是一种多层级的树状拓扑，如图1所示。

图1 宽带电力线载波通信网络拓扑图

1.2 组网条件

(1)根据IEEE1901技术标准：BPLC网络信道质量用信噪比数据表示；一个PLC网络最多允许1024个站点入网；根据关联报文帧格式，STA站点最大候选代理为5个。

(2)STA具有解析信标帧从报文源节点到报文接收节点(该STA)单段链路信噪比能力；CCO具备计算相连的多段链路形成的整条路径信噪比的能力；低压电力线通信链路信噪比(signal to noise ratio，SNR)范围是SNR_min～SNR_max，实际低压电力线信噪比范围一般是0 dB～30 dB。信噪比低于SNR_min的发现信标将不会被下一级站点接收到。

1.3 问题描述

研究发现，当前BPLC网络组网时存在以下问题：

(1)选择代理站点仅仅依据单条链路信噪比：当前BPLC组网机制中待入网站点选择代理站点时只考虑中继节点到目的节点单条链路信噪比而未完全考虑中央协调器到目的节点整条路径信噪比。这样易造成多个节点选择单一节点作为代理站点，使网络拓扑不均衡。可能会造成报文发送时因拥堵而碰撞。如图2所示，STA7收到一级站点STA2、STA3、STA4发送的BEACON消息，仅判断了STA2—STA7间链路信噪比最大选STA2作为自己的PCO。STA7没考虑CCO-STA2-STA7整段链路信道质量不一定是STA7-CCO路径间信道质量最好的路径。很可能STA7-STA3-CCO或STA7-STA3-CCO路径信道质量更好。

图2 问题描述

(2)未考虑子站点增加对信道质量的影响：当前组网机制未考虑代理站点此时的网络连接情况而默认组网过程中链路信道质量不变。而实际情况是随着节点逐级入网，节点数量增加，网络的信道质量和节点间的报文投递率都会有一定程度下降。如图2所示，STA2挂载的子节点数增多，一定会影响CCO-STA2之间的信道质量和STA2与子站点的报文投递率。

(3)站点间数据报文传输路径较长：现有机制节点间的报文传输必须通过PCO转发至CCO，然后由CCO寻路找到目的站点的PCO，再转发给目的节点。如图2所示，STA5发送报文到STA6会经过多跳传输，如带箭头虚线所示。在网络规模更大、节点层级更高时，该问题更加凸显。若STA5和STA6间建立以公共代理站点STA2为顶端站点的路由，如图2带箭头实线所示，此路径不需将传输报文上传至CCO，将会大大降低报文的传输时延。

2 最优中继选择算法原理

为解决上节所述的问题，本文提出了宽带电力线通信网络最优中继选择算法,该算法主要包含了BPLC网络路径优化机制、PCO均衡选择机制和公共PCO转发报文机制3种新机制。

2.1 BPLC网络路径优化机制

针对问题(1)，本文提出一种路径优化机制。其核心思想是：STA通过关联请求报文携带上级站点信噪比信息。CCO计算CCO-候选代理-入网申请节点整条通信路径信道质量数据。CCO选择入网申请节点到CCO所有路径中最好链路质量所对应的上级节点为入网申请节点的最优PCO。该机制的操作步骤如下：

步骤1 已入网站点在广播发现信标。发现信标触发一跳通信范围内的未入网邻居节点进行入网请求，执行步骤2。

步骤2 如果在通信范围内，节点会收到信标报文。此时，判断该节点是否已经入网，若未入网，则取出信标帧，读取上级站点TEI和链路信噪比信息，执行步骤3。如果站点已入网，则在收到邻居节点的信标帧，只统计，执行结束。

步骤3 STA站点通过收到的多个上级站点发送的信标帧来获取节点TEI和链路质量信息组成关联请求报文。同时站点按照信噪比从大到小顺序对上级站点进行排序。执行步骤4。

步骤4 改进关联请求报文帧格式，将保留字段整合形成SNR字段，把各上级节点信噪比值信息均匀量化后，转化为12位的二进制数，存入改进后关联请求报文SNR字段，详见2.2节。关联请求报文携带各个上级站点发现信标中的TEI和信噪比信息，向第一候选代理发送此关联请求报文。执行步骤5。

步骤5 上级站点收到关联请求消息后判断自己的节点属性是否为CCO，如果不是，则继续向上级代理发送，直到转发至CCO。如果是，获取关联请求消息中的信息。执行步骤6。

步骤6 CCO收到待入网节点发送的关联请求报文，取出STA MAC Address字段进行白名单验证，如果该节点地址在白名单内，则白名单验证成功，转步骤7。如果CCO白名单地址信息中无申请入网节点的地址，则该申请节点不是该PLC网络的站点，白名单验证失败，执行结束。

步骤7 CCO依次取出关联请求报文中的TEI和对应SNR字段，设终端设备TEI(i)对应的SNR值为SNR(i),检测SNR(i)的值是否随i增大而减小。若是，转步骤8。反之，执行结束。

步骤8 CCO获取本身到TEI(i)通信路径的信噪比值SNR(j)，此值在TEI(i)节点入网时已由CCO计算所得，并保存在信道质量表中。转步骤9。

步骤9 计算CCO经TEI(i)路径到入网申请节点完整路径信噪比SNR(ji)，如式(1)所示，转步骤10

(1)

步骤10 CCO统计经过每个TEI对应站点到达申请入网站点完整路径的SNR(ji)值。转步骤11。

步骤11 将CCO到达各个入网申请节点的SNR(ji)进行排序，选出其中最大路径信噪比。转步骤12。

步骤12 判断最大SNR(ji)对应的TEI和原链路最大信噪比SNR(0)对应的TEI是否一致。若不一致，则CCO将最大SNR(ji)对应TEI字段对应的代理作为入网申请节点的PCO。若一致，则将第一候选代理作为入网申请节点的PCO。转步骤13。

步骤13 CCO生成关联确认报文，报文格式和IEEE1901.1技术标准一致。CCO把关联请求报文STA MAC Address字段的地址存入关联确认报文的STA MAC Address字段。将CCO的MAC地址存进关联确认报文的CCO MAC Address字段。转步骤14。

步骤14 CCO为申请入网站点分配TEI，存放到关联确认报文的TEI字段中。将步骤12中入网申请节点PCO的TEI存入关联确认报文Proxy TEI字段。转步骤15。

步骤15 CCO更新路由表，更新入网申请节点路径信噪比信息。CCO向最大SNR(ji)路径发送关联确认报文。PCO收到关联确认报文后更新自己身份为PCO，然后将关联确认报文转发给入网申请节点，节点入网申请成功。

2.2 改进REQ消息帧格式

根据IEEE1901.1技术标准，关联请求报文帧格式如图3所示。可以看出：关联请求报文帧大小64 Bytes。其中前6字节为STA MAC Address，是用于待入网站点填写该节点的MAC地址。第6字节到第15字节用于待入网站点填写候选代理TEI(不大于5个)。其它字段为保留字段和缺省字段，本文暂不讨论。

图3 关联请求报文帧格式

对REQ消息的改进思路是将TEI0-TEI5字段中12 bit中的后两位分配给SNR字段，然后整合报文中其它保留字段。将原本TEI0-TEI5后的保留字段由4 bit增加到12 bit，形成12 bit的SNR字段。这是为了在不增加REQ消息帧大小时能为各TEI增加的最大SNR字段。目的是为了在该字段装填更加精确的信噪比信息。改进后缺省字段大小保持不变，REQ消息帧的大小不变。改进后的REQ消息帧格式如图4所示。

图4 改进的关联请求报文帧格式

(2)

量化区间的端点如式(3)所示

mi=SNR_min+i*Δv

(3)

若量化输出电平qi取量化间隔的中点，则qi如式(4)所示

(4)

则量化精度n如式(5)所示

n=|SNR-qi|

(5)

链路信噪比量化区间j如式(6)所示

(6)

2.3 PCO均衡选择机制

针对问题(2)，本文提出一种PCO均衡选择机制。其核心思想是：每个节点都要周期性发送的发现信标报文，统计不同上级节点与已入网下级节间的报文通信成功率，如果代理站点的子节点增加，会影响原PCO和子节点之间的信道质量，使站点间发现信标丢包率上升，通信成功率下降。STA选择报文通信成功率更高的代理作为自己的新PCO，这样增加了节点入网成功率，使每个代理下的子站点分布均衡。新机制受用范围：受用于除CCO以外的已入网节点，此时仍有下级节点未入网。新机制的具体操作步骤如下：

步骤1 入网节点周期性发送发现信标，根据IEEE1901.1技术标准，发现信标中携带着路径最低通信成功率字段。

步骤2 下级收到发现信标，节点判断是否入网，如果未入网，进行入网申请处理，如果节点已入网，只统计该站点PCO和其它上级站点发送的发现信标报文信息，不进行处理。

步骤3 统计发现报文传输投递率Pb。如式(7)所示

(7)

式中：Num是节点入网后收到某个上级节点发送的发现信标报文，Tsim为当前时刻，Tnet是统计节点入网成功时刻，T是信标周期。

步骤4 判断站点与PCO报文传输投递率P_Pb和站点与其它上级站点报文传输投递率S_Pb大小关系，如果有其它上级站点与站点间S_Pb大于P_Pb，STA进行代理变更处理，则在转发下级站点关联请求报文时，将代理变更信息加入报文传送给新代理站点转发给CCO，CCO向入网申请节点回复关联确认报文时，关联确认报文同样会通过新代理转发给该站点然后转发给入网申请站点。如果没有，不进行处理。

步骤5 当代理站点和子站点发现报文投递率小于最低通信成功率Pmin，则删除这条路由。PCO均衡选择机制流程如图5所示。

图5 PCO均衡选择机制流程

2.4 公共PCO转发机制

针对问题(3)，本文提出一种公共PCO转发机制。其核心思想是：当STA站点的目的站点是另一个STA站点。在传输数据报文时，如果源节点和目的节点或者二者的上级节点有公共的PCO，可以利用公共PCO转发该数据报文到目的站点。那么报文就不用上传到CCO，再由CCO寻找到目的站点的路由。本机制减轻了CCO的处理负担，降低了网络的控制开销和传输时延。该机制的具体操作步骤如下：

步骤1 叶节点A生成一个源地址是A，目的地址是叶节点B数据报文，并向自己的PCO发送。

步骤2 A的PCO查询自己的路由表，看是否有到达节点B的路由。如果没有，则将数据报文转发给自己的PCO。如此循环，直到传送给CCO，说明A、B节点没有公共的PCO，此时就和原机制一样经过CCO寻路。

步骤3 如果A的PCO或者其上行传输路径中的任何PCO查询到有到节点B的路由，由该PCO获取数据报文，不必继续上行传输到CCO，直接根据路由信息下行寻路，按路由表查询的地址发送给下一节点。

步骤4 公共PCO或者CCO转发数据报文，接收站点获取报文目的地址看是否是自己的地址，如果不是，则根据路由表继续寻路，直到找到B节点。如果是B节点，则数据报文传输成功。公共PCO转发机制流程如图6所示。

图6 公共PCO转发机制流程

3 仿真分析

3.1 仿真参数设置

本文使用OPNET 14.5仿真工具对最优中继选择算法、文献[14]、IEEE1901.1技术标准进行仿真验证。通过改变BPLC网络节点数量比较这3种组网算法平均端对端时延、组网控制开销、数据传输成功率的性能。仿真主要参数见表1。

表1 主要仿真参数

3.2 仿真结果分析

3.2.1 组网平均端对端时延

组网平均端对端时延是反映节点入网效率的重要性能指标。组网平均端对端时延计算如式(8)所示

(8)

式中：Tb(i)、Tr(i)、Ta(i)分别表示第i个节点发送和转发Beacon帧、Req消息帧、Ack消息帧的端对端时延。3种算法的平均端对端时延如图7所示。

图7 组网平均端对端时延

由图7可知，在节点个数较小时，3种算法的平均组网时延基本一致，3种算法组网平均端对端时延随着网络场景中节点数的增多而逐渐增加且差距也逐渐增大，其中最优中继选择算法相对于其它两种算法吞吐量最低。经过计算可知：最优中继选择算法在不同节点的场景中平均组网时延比IEEE1901.1标准平均缩短了11.36%，比文献[14]算法平均缩短了26.79%。

其主要原因是：当节点数量较少时，对一级站点回复都采用单播方式，还未触发BPLC网络路径优化机制，其次，网络拓扑每级节点仅有一个PCO可以选择，PCO均衡选择机制也未触发。同时，信道资源充沛，控制报文不会发生碰撞或重发，故3种算法时延都较小且相差不大。随着节点增加，最优中继选择算法采用BPLC网络路径优化机制改善了信道质量的判断方法，通过选择了最合适的报文通信路径来减少了端对端时延。PCO均衡选择机制选择了更优的代理站点，几乎避免了多个节点挂载在同一PCO下造成的报文重发而导致时延升高。所以，最优中继选择算法使节点分布更均衡，从而减少了组网是平均端对端时延。

3.2.2 组网控制开销

控制开销是指BPLC网络组网过程所有节点发送控制报文的总比特数。在BPLC网络中主要有信标报文、关联请求报文、关联确认报文3种。BPLC控制开销C的计算如式(9)所示

C=M1*n1+M2*n2+M3*n3

(9)

式中：M1、M2、M3分别为组网过程3种报文帧大小，n1、n2、n3为3种报文发送数量。3种算法组网控制开销如图8所示。

图8 组网控制开销

由图8可知，3种算法的控制开销都随节点个数的增加而上升。文献[14]控制开销比其它两种算法大很多，而最优中继选择算法组网控制开销最低。经过计算可知：最优中继选择算法不同节点场景中比IEEE1901.1标准平均降低了9.02%，比文献[14]算法平均减少了21.16%。

其主要原因是：每个入网节点越多，所需组网的控制报文越多，网络控制开销也就越大。因为文献[14]需要大量控制消息遍历每一条路径信道质量，所以此组网方式的网络控制开销很大。最优中继选择算法通过保留字段携带信噪比信息在没有增加控制开销的同时减少了控制报文因碰撞而重发的概率，降低了组网的控制开销。

3.2.3 数据传输成功率

数据传输成功率反映了BPLC网络的稳定性和可靠性，也是判断组网效率的重要性能指标。数据传输成功率计算如式(10)所示

(10)

式中：n代表网络场景节点数，Xi代表第i个节点发送的数据报文个数，Yi代表第i个节点目的节点收到数据报文个数。3种算法的数据传输成功率如图9所示。

图9 数据传输成功率

由图9可知，在节点数较少时，3种算法的数据传输成功率都很高。随着节点个数的增加，数据传输成功率都随节点个数增加而逐渐下降，然而三者下降幅度却大相径庭。文献[14]和IEEE1901.1标准下降幅度较大，而最优中继选择算法即使在节点个数较高的场景下也能保证较高的数据传输成功率。

其主要原因是：文献[14]采用遍历所有路径方式进行入网，在有多个节点申请入网的情况下，加剧了网络的拥堵。IEEE1901.1采用单链路信噪比选择PCO易造成多个入网站点选择同一PCO进行。同时，节点在向其它节点发送数据报文时会逐级发送到CCO寻路，大大增加了上级链路和节点的处理压力，且在节点数多时更明显。最优中继选择算法机制在未增加多余控制开销的情况下通过查找最合适的通信路径和选择最合适PCO加快了组网速度，使站点分布更均衡、网络更稳定。同时，公共PCO转发机制利用源节点和目的节点公共的PCO转发数据报文，不用把所有的数据都交给CCO处理，不仅缩短了数据报文的传输路径，而且减轻了高层级节点的处理压力，所以数据传输效率和成功率更高。

4 结束语

针对现有宽带电力线通信网络节点在入网时只判断单级链路质量选择中继节点，导致网络拓扑不均衡等问题。提出一种适用于多层级树状BPLC网络中最优代理节点选择算法。通过关联请求报文携带候选代理站点与链路信噪比信息，判断从入网申请站点到中央控制器完整链路中的最优链路来选择更合适的代理站点。考虑节点增加对信道质量的影响，利用公共PCO转发数据报文到目的站点。仿真结果表明最优中继选择算法为入网节点选择了最优的中继节点，有效降低了BPLC网络的控制开销和时延。为今后研究多BPLC网络组网问题做了铺垫。