CN105959038A - 一种融合工频通信的电力线载波路径搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合工频通信的电力线载波路径搜索方法，包括以下步骤：A.将工频通信(TWACS)信号作为电力线载波通信(PLC)的路径搜索信令，选择距离适中的节点作为中继节点；B.确定最优中继节点S；C.建立集中器到达各个通信终端的中心节点路径表，各个分布节点建立子路径表；D.当集中器发送的指令信息无法送达某个节点时，选择次优路径，若无次优路径时，进行步骤E；E.修复路径；F.当集中器按照路由表向多个子节点终端发送命令通信路径都失败时，则对所有子站重新建立路由表。

Description

一种融合工频通信的电力线载波路径搜索方法

技术领域

本发明属于低压电力线工频通信路由算法技术领域，具体涉及一种融合工频通信的电力线载波路径搜索方法。

背景技术

对于配电网低压侧电力线载波通信(PLC)网络而言，电力线信道具有时变性，在实际应用中存在着通信可靠性较低的问题。而电力线TWACS具有抗干扰、抗衰减能力强的优势。为了提高低压配电网的可靠性，可将TWACS作为PLC的路径搜索信令。以电力线为媒介传输智能用电信息具有方便、灵活等优势。在诸多电力线通信方式中，应用最多的是电力线载波通信(power line communication,PLC)，PLC通过高频信号在电力线上传输实现通信，其缺点是抗干扰性能差、随距离衰减严重等，因而在应用中普遍存在可靠性不高的问题。

国内外关于PLC信号传输可靠性的提升主要研究方向是物理层通信能力的增强和路由中继网络的建立。其中PLC物理层方面的提升，国内外的研究主要包括信道特性、噪声抑制、信号衰减、信号调制解调方式、阻抗匹配及耦合电路设计等。上述研究的本质是提高电力线载波通信点对点通信能力，对电力线通信网络来说，点对点通信的高可靠性，并不意味着整个网络的高可靠性，它仅是网络可生存性的前提和基础。因此，PLC系统中路径中继组网算法的研究显得尤为重要，这是保证通信系统可靠性的必要条件。有些文献结合PRIME标准中媒体访问控制(MAC)层的帧结构、类型，深入归纳、分析和总结了PRIME标准中的电力线载波通信组网初始化算法、网络维护与重构算法。目前有文献分析了电力线通信网络的拓扑结构和组网模型，并提出组网的优化目标函数，进而提出一种基于信道状态和服务需求的电力线通信组网算法。还有文献提出了一种基于人工蜘蛛网的PLC组网模型，对新模型的结构特点及低压配电网物理拓扑映射为人工蛛网逻辑拓扑的组网过程进行了详细阐述，并基于此提出新的组网算法及重路由算法。另有文献设计了一种适用于路径寻优的改进遗传算法，这种变异遗传算法融合了图的遍历算法的思想和Dijkstra算法的优点，同时也结合了小生境技术最优保留原则。

发明内容

本发明在阐述低压配电网PLC网络拓扑和特征的基础上，提出了一种融合工频通信(TWACS)的PLC路径搜索算法。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。

一种融合工频通信的电力线载波路径搜索方法，包括以下步骤：

A.将工频通信(TWACS)信号作为电力线载波通信(PLC)的路径搜索信令，选择距离适中的节点作为中继节点；

B.确定最优中继节点S；

C.建立集中器到达各个通信终端的中心节点路径表，各个分布节点建立子路径表；

D.当集中器发送的指令信息无法送达某个节点时，选择次优路径，若无次优路径时，进行步骤E；

E.修复路径；

F.当集中器按照路由表向多个子节点终端发送命令通信路径都失败时，则对所有子站重新建立路由表。

进一步，所述步骤A中，信噪比参数在60H附近时，为距离适中的中继节点。

进一步，所述步骤B中按照如下规则确定最优中继节点S，

$s=\left\{\begin{array}{c}\arg \min |\stackrel{\&OverBar;}{R_{ij}}-60H|\\ b_j<b_i,i\&NotEqual;0\\ \stackrel{\&OverBar;}{R_{j0}}>\stackrel{\&OverBar;}{R_{i0}},i=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，表示使最小时，信噪比参数的选取，其目的是选择与i节点之间通信时信噪比参数最接近60H位置的节点作为中继节点；b_j代表j节点的通信级别，数值越小代表通信级别越高，b_j<b_i代表选择比本节点通信级别高的节点作为中继节点；“0”代表与集中器直接通信；代表中继节点与集中器之间的距离必须小于本节点与集中器的距离。后两个条件共同保证了信号向接近集中器的方向传播。

进一步，所述步骤E中路径修复包括以下步骤：

G.检查故障节点的通信级别，选择高一级别的节点搜寻故障节点，若集中器收到该节点的反馈信息，修复完成；若集中器没有收到该节点的反馈信息，进行步骤H；

H.命令与故障节点同一级别的节点开始二次搜寻，若集中器收到该节点的反馈信息，修复完成；若二次搜寻没有成功，进行步骤J；

J.集中器删除该子节点，对该子节点进行局部重建路由。

进一步，所述步骤J中所述局部重建路由包括按照初始分层的方法，集中器发送TWACS信号重构命令帧，随即开始路径修复。

进一步，所述步骤D中所述次优路径是信噪比参数较接近60H的路径。

本发明提出了基于TWACS可靠传输下行中继指令结合PLC信道状况监测的路径寻优方案，并对此算法进行了优化分析。该方案能够大大提升载波接力传输性能，提高搜索效率，保证PLC路径搜索信令可靠传输，从而大大提升电力线通信性能，能够更好的满足配电网中电力线中继的传输需求。

本发明的优点，电力线通信必须要求信令传输的高可靠性，才能节约搜索时间，提高搜索效率，使PLC系统有效性增强，提高其实用性。但是，PLC信号随距离衰减严重，传输距离有限。TWACS在不跨变压器的情况下几乎不衰减，时延非常小，完全可以忽略，通信成功率接近百分之百。所以，使用工频信号传输PLC路径搜索信令一定可靠，保证传输成功，从理论上深入归纳、分析和总结了此算法的建模理论，并和蚁群算法作比较，利用融合工频通信的电力线载波路径优化算法在提高有效性和可靠性等方面拥有很大的优势，能够更好的满足配电网中电力线中继的传输需求。

附图说明

图1为当P＝2时优化后路由表示意图。

图2为本发明路径修复流程图。

图3为本发明节点位置图。

图4为本发明节点通信等级图。

具体实施方式

一种融合工频通信的电力线载波路径搜索方法，包括以下步骤：

A.将工频通信(TWACS)信号作为电力线载波通信(PLC)的路径搜索信令，选择距离适中的节点作为中继节点；

B.确定最优中继节点S；

C.建立集中器到达各个通信终端的中心节点路径表，各个分布节点建立子路径表；

D.当集中器发送的指令信息无法送达某个节点时，选择次优路径，若无次优路径时，进行步骤E；

E.修复路径；

F.当集中器按照路由表向多个子节点终端发送命令通信路径都失败时，则对所有子站重新建立路由表。

其中，所述步骤A中，信噪比参数在60H附近时，为距离适中的中继节点。

其中，所述步骤B中按照如下规则确定最优中继节点S，

$s=\left\{\begin{array}{c}\arg \min |\stackrel{\&OverBar;}{R_{ij}}-60H|\\ b_j<b_i,i\&NotEqual;0\\ \stackrel{\&OverBar;}{R_{j0}}>\stackrel{\&OverBar;}{R_{i0}},i=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，表示使最小时，信噪比参数的选取，其目的是选择与i节点之间通信时信噪比参数最接近60H位置的节点作为中继节点；b_j代表j节点的通信级别，数值越小代表通信级别越高，b_j<b_i代表选择比本节点通信级别高的节点作为中继节点；“0”代表与集中器直接通信；代表中继节点与集中器之间的距离必须小于本节点与集中器的距离。后两个条件共同保证了信号向接近集中器的方向传播。

其中，所述步骤E中路径修复包括以下步骤：

G.检查故障节点的通信级别，选择高一级别的节点搜寻故障节点，若集中器收到该节点的反馈信息，修复完成；若集中器没有收到该节点的反馈信息，进行步骤H；

H.命令与故障节点同一级别的节点开始二次搜寻，若集中器收到该节点的反馈信息，修复完成；若二次搜寻没有成功，进行步骤J；

J.集中器删除该子节点，对该子节点进行局部重建路由。

其中，所述步骤J中所述局部重建路由包括按照初始分层的方法，集中器发送TWACS信号重构命令帧，随即开始路径修复。

其中，所述步骤D中所述次优路径是信噪比参数较接近60H的路径。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

(1)TWACS在不跨变压器的情况下几乎不衰减，时延非常小，完全可以忽略，通信成功率接近百分之百。所以，使用工频信号传输PLC路径搜索信令一定可靠，保证传输成功；

(2)融合工频通信的载波通信优化路径算法与蚁群算法相比，在提高有效性和可靠性等方面拥有很大的优势，能够更好的满足配电网中电力线中继的传输需求。

低压配电网设计之初是为电能而非数据的传输，故低压电力线并不很适合数据的传输。由于电力线信道环境恶劣，而载波信号的发送功率受限，所以随着载波信号传输距离的增加，信号的信噪比快速将下降，使得电力线载波通信网络覆盖范围很小，没有实用价值。若要实现大规模电力线通信，必须采用组网/中继技术。电力线通信必须要求信令传输的高可靠性，才能节约搜索时间，提高搜索效率，使PLC系统有效性增强，提高其实用性。但是，PLC信号随距离衰减严重，传输距离有限。而TWACS在不跨变压器的情况下几乎不衰减，时延非常小，完全可以忽略，通信成功率接近百分之百。所以，使用工频信号传输PLC路径搜索信令一定可靠，保证传输成功。

通信终端能够实时监听电网中传输的载波信号，并能够将监听到的信号解调获得信号的发送地址、目的地址、中继地址以及发送信号的节点的通信级别，然后，利用软件计算出信噪比参数

集中器能够与其距离较近的节点直接建立通信，这些通信良好的节点规定为一级节点。对于不能直接与集中器通信的节点(即二到四级节点)，必须通过中继节点间接地与集中器建立通信路径。中继节点的选择需要考虑两个条件：(1)通信级别比本节点高，这样的中继节点才能更好的与集中器通信；(2)中继节点与本节点的距离要适中，距离太远则通信不稳定，距离太近则可能需要更多级的中继。

中继节点的通信级别可以从监听到的PLC信号的数据帧中获得。对于节点i，在搜索中继节点前，可能已经监听到多个节点向集中器发送的确认信号，假设这些节点为j₁，j₂，……，j_m，……，那么j_m的通信级别应满足式(1)：

b_jm<b_i (1)

当节点i监听到多个通信级别较高的中继节点时，则需要考虑通信的可靠性，并选择适当的通信距离。如果两个节点可以通信，但是距离较远，那么这两个节点的通信并不稳定，可能时断时续，因此不适宜做中继节点。相反，如果选择距离较近的节点作为中继节点，虽然可以保证通信的稳定性，但是必然会经过更多的中继节点。中继次数增多会大大降低通信的有效性。所以，选择距离适中的节点作为中继非常重要。本发明通过计算似然比参数，可以估计通信的可靠性与稳定性，经过现场实测，获得了大量数据，数据表明信噪比参数在60H附近时，不仅能保证良好的通信质量，通信距离也较大。

当i节点监听到其它节点发送的载波信号后，根据接收的数据帧结构可以获取发送节点的地址、通信级别以及该节点与集中器之间的信噪比参数。同时，i节点在信号解调时能够获得发送节点与i节点之间的信噪比参数。这样，i节点能够判断出周围节点中，最适合作为中继节点的位置。

作为i节点的中继节点，一方面与集中器之间的通信能力要强于i节点，同时与i节点之间的通信距离要合适。按照如下规则确定最优中继节点S：

$s=\left\{\begin{array}{c}\arg \min |\stackrel{\&OverBar;}{R_{ij}}-60H|\\ b_j<b_i,i\&NotEqual;0\\ \stackrel{\&OverBar;}{R_{j0}}>\stackrel{\&OverBar;}{R_{i0}},i=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，表示使最小时，信噪比参数的选取，其目的是选择与i节点之间通信时信噪比参数最接近60H位置的节点作为中继节点；b_j代表j节点的通信级别，数值越小代表通信级别越高，b_j<b_i代表选择比本节点通信级别高的节点作为中继节点；“0”代表与集中器直接通信；代表中继节点与集中器之间的距离必须小于本节点与集中器的距离。后两个条件共同保证了信号向接近集中器的方向传播。

系统初始化时，首先要建立路径表。本算法中，中心节点(集中器)要建立到达各个分布节点(通信终端)的中心节点路径表，各个节点要建立子路径表。

初始分层的路由表结构较为复杂，通信质量不高，子节点终端有多条路径，需要对其进行优化来提高通信质量，完成通信质量的最优化。设定优化后的子节点终端与上层终端的通信路径最多为P条。初始分层的路由表优化具体步骤如下：

设定组网过程中通信信道不变，因此对已建立的初始的路由表进行优化，首先对2级的所有子站终端进行优化路径，若终端只有一条路径则不改变，若终端有多条路径，则分析每条路径的信噪比参数，依次记录最接近60H不超过P条的通信路径。

同理优化3级所有节点，在2级节点的基础上对3级的所有终端进行优化，记录信噪比参数最接近60H不超过P条的通信路径。继续相同的步骤，直到所有的路由都进行优化。图1为当P＝2时优化后路由表示意图。

设定对各终端子节点进行逻辑分级时，集中器与一个子节点之间的通信时间为T_m，这里只计算载波信号传输时间。组网的总时间为T_total，为各逻辑层分层时间之和。每一逻辑层需要的时间则是上层每一个站点与未分层的子站通信时间之和。计算公式如下：

$T_{total}=\{n+\underset{i=1}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}\&lsqb;n_i(n-\underset{j=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}{n}_j)\&rsqb;\}{T}_m---\left(3\right)$

式中：n为总子站数，T_total为组网总时间，k为逻辑层数，n_i为第i层子节点数。通过计算逻辑分层和优化的消耗时间可以得出此算法优化后的效果以便与其它算法的消耗时间进行比较。

当网络中某段线路受到干扰时，通信距离会发生变化，并引起网络拓扑的变化。当电网局部出现较强烈的干扰时，导致集中器发送的指令信息无法送达某个节点时，为了提高系统的可靠性，本算法包含了路径修复功能。首先，考虑优化后的路由表中受阻的节点是否有次优路径，即信噪比参数较接近60H的路径，如果有次优路径选择次优路径。算法中优化后的分层结构使得本算法具有一定的抗毁性。但是当受阻节点的所有路径都通信失败时，则集中器确认该子节点路径不适合当前信道，删除其通信路径，对该子节点进行局部重建路由。局部重构时，按照初始分层的方法，集中器发送TWACS信号重构命令帧，随即开始路径修复。

修复流程图如图2所示，首先，检查故障节点的通信级别，然后尝试让高一级别的节点搜寻故障节点。等待一段时间后如果集中器收到该节点的反馈信息，则记录该路径信息，修复完成。若集中器没有收到该节点的反馈信息，则说明故障节点处干扰较大，高级别节点无法搜寻到故障节点。那么需要命令与故障节点同一级别的节点开始二次搜寻。如果二次搜寻也没有成功，则说明故障节点附近出现严重干扰。则认为其已损坏或移出网络，集中器删除该子节点。

当集中器按照路由表向多个子节点终端发送命令通信路径都失败时，则对所有子站重新建立路由表。

假设共有36个节点，分为4路，毎个节点的编号与节点所在位置没有明显关系。利用matlab建立一个包含1-36的自然数和四个0的多维数组，然后将数组元素随机排列，排列结果如公式4所示。

$random=\left[\begin{array}{cccccccccc}11& 1& 25& 23& 9& 0& 5& 15& 14& 2\\ 30& 22& 13& 31& 6& 21& 17& 33& 0& 16\\ 8& 18& 20& 36& 29& 10& 19& 24& 26& 12\\ 35& 32& 7& 0& 7& 4& 34& 0& 28& 32\end{array}\right]---\left(4\right)$

1-36表示节点编号，0表示该位置没有节点。根据随机数组，节点如图3所示。

以一号线路为例，首先，用PLC广播，其中，1号和11号节点收到了信号，然后向集中器发送请求信号，其中，满足的节点只有11号节点，那么11号节点可作为一级节点。

二、三、四级节点建立路径过程类似，仅以三级节点的建立过程为例。第二次搜索后，搜寻到的二级节点是1、23、25号节点。然后开始用TWACS信号第三次广播路径捜索信令。所有节点都能收到信令，但是根据实时监听的情况，9号与1号之间及5号和23号之间的似然比参数满足式公式2，因此，5、9号可最终被确定为三级节点。5、9号节点的路径表如表1所示。

表1一号线路径表

经过一次PLC广播和兰次TWACS广播后,集中器与所有节点都建立李下通信路径,所有节点被分为四级,如图4所示。

采用本算法，在搜索一个三级节点的过程中，因为工频信号可以实现远距离的高可靠性传输，所以，集中器发送工频信号一次。每个节点都能监听到周围节点发出的确认信号，所以，当某个节点接到工频信令后，根据之前的监听记录，按照中继节点选择的规则，可以直接选择出最佳的中继节点。因此，各节点共发送载波信号三次。所有三级节点捜索完成后，集中器共发送工频信令1次，各个节点共发送载波信号次数：

λ₂＝3a (5)

利用蚁群算法捜索完所有三级节点总共要发送PLC信号次数：

λ₁＝(6a+3b)mN_max (6)

新型算法比蚁群算法少发送载波信号的次数为:

λ₁-λ₂＝3a[2mN_max-1]+3bmN_max (7)

发送(λ₁-λ₂)次的载波信号所消耗的时间远比发送一次工频信号所消耗的时间长。在捜索二级节点和四级节点时情况类似。所以，总体而言，融合下行工频通信的路径捜索算法的效率远高于蚁群算法。

应当说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种融合工频通信的电力线载波路径搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将工频通信(TWACS)信号作为电力线载波通信(PLC)的路径搜索信令，选择距离适中的节点作为中继节点；

B.确定最优中继节点S；

C.建立集中器到达各个通信终端的中心节点路径表，各个分布节点建立子路径表；

D.当集中器发送的指令信息无法送达某个节点时，选择次优路径，若无次优路径时，进行步骤E；

E.修复路径；

F.当集中器按照路由表向多个子节点终端发送命令通信路径都失败时，则对所有子站重新建立路由表。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤A中，信噪比参数在60H附近时，为距离适中的中继节点。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤B中按照如下规则确定最优中继节点S，

$s=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{argmin}|\stackrel{\&OverBar;}{R_{ij}}-60H|\\ b_j<b_i,i\&NotEqual;0\\ \stackrel{\&OverBar;}{R_{j0}}>\stackrel{\&OverBar;}{R_{i0}},i=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，表示使最小时，信噪比参数的选取，其目的是选择与i节点之间通信时信噪比参数最接近60H位置的节点作为中继节点；b_j代表j节点的通信级别，数值越小代表通信级别越高，b_j<b_i代表选择比本节点通信级别高的节点作为中继节点；“0”代表与集中器直接通信；代表中继节点与集中器之间的距离必须小于本节点与集中器的距离。后两个条件共同保证了信号向接近集中器的方向传播。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤E中路径修复包括以下步骤：

G.检查故障节点的通信级别，选择高一级别的节点搜寻故障节点，若集中器收到该节点的反馈信息，修复完成；若集中器没有收到该节点的反馈信息，进行步骤H；

H.命令与故障节点同一级别的节点开始二次搜寻，若集中器收到该节点的反馈信息，修复完成；若二次搜寻没有成功，进行步骤J；

J.集中器删除该子节点，对该子节点进行局部重建路由。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述步骤J中所述局部重建路由包括按照初始分层的方法，集中器发送TWACS信号重构命令帧，随即开始路径修复。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤D中所述次优路径是信噪比参数较接近60H的路径。