本文關(guān)鍵詞：低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第28卷 第4期 中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報 Vol.28 No.4 Feb.5, 2008 2008年2月5日 Proceedings of the CSEE ?2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 65

77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 學(xué)科分類號：470?40 文章編號：0258-8013 (2008) 04-0065-07 中圖分類號：TM

低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

戚佳金，劉曉勝，徐殿國，李 琰，牟英峰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江省 哈爾濱市 150001)

Simulation Study on Cluster-based Routing Algorithm and Reconstruction Method of Power

Line Communication Over Lower-voltage Distribution

QI Jia-jin, LIU Xiao-sheng, XU Dian-guo, LI Yan, MOU Ying-feng

(School of Electrical Engineering & Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China)ABSTRACT: Physical topology of low-voltage networks is unpredictable, and its Power Line Communication(PLC) channel is changeable. To enhance the reliability of narrow band PLC over low-voltage networks, a Power Line Communi- cation routering reconstruction method on basis of irreciprocal clustering algorithm is proposed and thoroughly discussed in the paper. This algorithm can not only construct but also maintain and optimize PLC networks’ dynamic routes in accord with variation of channel’s quality. In addition, two kinds of time series algorithms are presented for the purpose of comparison. The time series algorithms make routing algorithm more mature. The emulation experiment has proven this routering algorithm has the characteristics of agility, practice- ability and reliability.

KEY WORDS: power line communication; clustering algorithm; net recostruction; dynamic route; channel time series control

摘要：低壓配電網(wǎng)具有物理拓?fù)湮粗碗娏�信道時變性特征。為提高低壓配電網(wǎng)窄帶電力線載波通信系統(tǒng)可靠性，提出并討論一種基于非交疊分簇算法的電力線通信組網(wǎng)及路由重構(gòu)方法。該算法可以根據(jù)信道質(zhì)量的變化動態(tài)地建立、維護(hù)、優(yōu)化電力線通信網(wǎng)絡(luò)路由，保證通信網(wǎng)絡(luò)的有效性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出并比較兩種組網(wǎng)時間序列分配算法，完善了該路由算法。仿真試驗表明，該路由算法具有很大的靈活性、實用性和有效性。

關(guān)鍵詞：電力線通信；分簇算法；網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；動態(tài)路由；信道時序控制

將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)，是電力系統(tǒng)特有的通信方式。低壓配電網(wǎng)是一個用戶最多、分布最廣、用戶最必不可少的動力能源傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時也是一個日益被看好的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。由于用戶經(jīng)常會改變供電范圍和供電對象，使低壓配電網(wǎng)物理拓?fù)渚哂辛艘欢ǖ摹皶r變性”。同時，低壓配電網(wǎng)內(nèi)負(fù)載是經(jīng)常變化的，這種變化會導(dǎo)致通信信道的變化甚至使通信鏈路發(fā)生中斷，從而導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)的邏輯拓?fù)浒l(fā)生變化。這都會降低電力線通信的可靠性。

提高電力線通信可靠性可以從多個角度考慮，例如，可以從物理層的信道估計與選擇、信道編碼、濾波設(shè)計、功率分配、調(diào)制/解調(diào)方式等方面來考慮[1-10],還可以從高速電力線通信的組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)模型等但國內(nèi)外學(xué)者很少開展有關(guān)窄帶角度來考慮 [11-17]。

電力線通信組網(wǎng)問題的研究。本文從網(wǎng)絡(luò)抗毀性的角度，對低壓配電網(wǎng)窄帶電力線通信數(shù)據(jù)邏輯鏈路的選擇、建立、自動路由等方面做研究探討，提出一種基于非交疊分簇的動態(tài)路由算法和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法，并進(jìn)一步分析兩種分簇組網(wǎng)時間序列算法。最后，給出仿真試驗結(jié)果并做分析。

1 非交疊分簇路由算法

1.1 低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡(luò)模型

一般而言，臺區(qū)或樓宇內(nèi)低壓配電網(wǎng)的典型拓?fù)錇榛跇湫偷幕旌贤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。低壓配電網(wǎng)的電力線通信系統(tǒng)由設(shè)在監(jiān)控室的主機(jī)和分布在電網(wǎng)內(nèi)的一定數(shù)量終端組成。每個終端包含一個電力線載波通信節(jié)點模塊和相關(guān)功能設(shè)備[15]。

值得注意的一個問題是，變壓器二次側(cè)臺區(qū)內(nèi)

0 引言

電力線通信，是指利用電力線，通過載波方式

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金項目(F200508)；黑龍江省科技攻關(guān)項目(GC06A130)。

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為三相配電網(wǎng)，對于電力線載波通信而言是不能跨相通信的(除非有特殊的信號耦合裝置)。從邏輯拓?fù)渖蟻碚f，三相之間為并列且相對獨立的關(guān)系，對于并列且獨立關(guān)系的拓?fù)淇梢杂闷渲幸幌嗟倪壿嬐負(fù)渥鳛橹攸c研究對象，便具有代表性和普遍性。為了便于表述，本文統(tǒng)一將某相電網(wǎng)上的主機(jī)和電力線載波通信模塊簡稱為網(wǎng)關(guān)和節(jié)點。

圖1給出了一種典型的低壓配電網(wǎng)三相電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可以由此等效研究的一種單相電力線通信網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)�。單相電力線通信網(wǎng)關(guān)放置在各相的起始處，如圖1中A、B、C三相的2、3、4位置處，每一個網(wǎng)關(guān)各負(fù)責(zé)每相電網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的組網(wǎng)。配電柜處放置三相總網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、收集3個單相網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，并與外界交互信息。

(a) 三相電力線通信網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)?/p>

圖1 一種典型的電力線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Fig. 1 A typical topology of PLC distribution

電力線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的連通能力和范圍是有限的。假設(shè)在臺區(qū)內(nèi)某相上用戶節(jié)點總數(shù)為n，因通信距離或噪聲干擾的原因，網(wǎng)關(guān)可以直接可靠通信的節(jié)點數(shù)為m，剩余(n?m)個節(jié)點雖然在物理上是連通的，但是在數(shù)據(jù)鏈路層上卻是斷開的。為了建立整個通信網(wǎng)絡(luò)，必須先建立起網(wǎng)關(guān)到部分節(jié)點間的通信鏈路，再由這些節(jié)點作為路由節(jié)點進(jìn)行通信距離的擴(kuò)展，才可能將所有的節(jié)點連入電力線通信網(wǎng)絡(luò)。所以，必須解決動態(tài)路由中繼點的選取、

網(wǎng)絡(luò)路由的建立、維護(hù)以及重構(gòu)等一系列問題[17]。 1.2 非交疊分簇結(jié)構(gòu)

采用不同的分簇策略，可以得到不同的分簇結(jié)構(gòu)。如果規(guī)定已經(jīng)屬于某個簇的成員不再屬于其他簇，那么得到的是互不交疊的簇結(jié)構(gòu)，其邏輯拓?fù)錇闃�。否則，如果允許一個節(jié)點可以同時屬于多個相鄰簇，那么得到的將是交疊的簇結(jié)構(gòu)，其邏輯拓?fù)錇檫B通圖[18]。在分簇結(jié)構(gòu)中，簇頭是按照某種分簇算法或規(guī)則選舉出來負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理其所在簇內(nèi)所有節(jié)點的節(jié)點，簇內(nèi)除簇頭外的其他節(jié)點稱為簇成員。對于這種非交疊分簇方法形成的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)到任何一個節(jié)點的路由將是唯一的。 1.3 非交疊分簇路由初始化算法 1.3.1 條件與限制

假設(shè)某相電網(wǎng)內(nèi)有n個(n≥1)節(jié)點，電力線物理鏈路是連通的，并約定：

（1）網(wǎng)關(guān)物理地址編號為0，其他節(jié)點物理地址編號依次為1,2,3,…,n。

（2）任意節(jié)點至少可以與1個其它節(jié)點通信，即不存在通信孤立點。

（3）最大可能建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點鏈接，即在信號能夠到達(dá)的最大物理范圍內(nèi)，尋找到盡可能多的通信節(jié)點，縮短分簇時間，減少分簇個數(shù)和分簇層次。

（4）已獲得邏輯編碼(即邏輯ID)的節(jié)點不再參與邏輯ID的分配。

（5）網(wǎng)絡(luò)通信最長響應(yīng)周期為T, 則T/n定義為時隙，即時間片。每一個節(jié)點可以在時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送的具體時間與節(jié)點編號(ID)相對應(yīng)。

（6）短時間內(nèi)，電力線通信網(wǎng)為對等網(wǎng)。 （7）忽略電信號在銅介質(zhì)中的傳輸時間。 1.3.2 分簇組網(wǎng)初始化算法

步驟（1）：由網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送分簇命令(廣播)，設(shè)收到該廣播報的節(jié)點數(shù)為m個(1<m≤n)。網(wǎng)關(guān)定義該m個節(jié)點位于相同的邏輯層(Layer1)，該m個節(jié)點根據(jù)自身的物理地址確定時間片序列發(fā)送應(yīng)答，網(wǎng)關(guān)收到某節(jié)點應(yīng)答后便給該節(jié)點分配邏輯

ID，

分配邏輯ID后的節(jié)點不再參與本次邏輯ID分配。剩下的m?1個節(jié)點繼續(xù)參加邏輯ID的分配過程，直到m個節(jié)點都獲得邏輯ID號為止。并且，在分配邏輯地址的同時也規(guī)定了該m個節(jié)點的邏輯層次數(shù)為1。

步驟（2）：對于第2層(Layer2)節(jié)點的初始化。規(guī)定邏輯地址小的ID具有高的組網(wǎng)優(yōu)先權(quán)，其余位于Layer1層相同信道的節(jié)點都處于等待狀態(tài)。在

第4期 戚佳金等： 低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) 67

相同信道下一層的k個節(jié)點中，設(shè)有g(shù)1個節(jié)點響應(yīng)

(0≤g1≤k≤n?m)。

按照Layer1層中邏輯ID分配方法，由優(yōu)先級為1的節(jié)點給響應(yīng)的g1個節(jié)點分配ID號。同理，已獲得ID的g1個節(jié)點退出分簇過程，成為以邏輯地址為1的簇頭的簇成員。

然后，由邏輯地址為2的節(jié)點對剩下的k?g1個節(jié)點進(jìn)行分簇。設(shè)有g(shù)2個節(jié)點響應(yīng)，2號節(jié)點給g2個節(jié)點分配ID號并成為該g2個節(jié)點的簇頭。依次進(jìn)行，一直到優(yōu)先級最低的節(jié)點完成對下一層節(jié)點的分簇為止。當(dāng)gi=0時，認(rèn)為第i號得到了空響應(yīng)。那么該節(jié)點及其后續(xù)同層節(jié)點成為獨立簇，降級為該層網(wǎng)絡(luò)的簇成員。

步驟（3）：假設(shè)在第2層已經(jīng)將剩下的n?m個節(jié)點全部連通，也就是當(dāng)?shù)?層的節(jié)點再進(jìn)行分簇時，會得到空響應(yīng)。此時，初始化完成。形成的簇(包括簇中成員為空)的最大數(shù)目是m，且一定有

∑m

g

i

=n?m。其中，簇頭分別是第1層中的1號

i=1

節(jié)點，2號節(jié)點,…,m號節(jié)點；對應(yīng)簇成員的個數(shù)分別是g1，g2,…,gm。并且，在分配邏輯地址的同時也給每一個簇員節(jié)點規(guī)定了該節(jié)點的層次數(shù)為2。如果在第2層次分簇還未將剩余的n?m個節(jié)點全部連通，第2層節(jié)點將作為簇頭重復(fù)節(jié)點分簇的分配過

程，直到邏輯地址為n的節(jié)點進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)為止。

至此，成功建立了電力線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的通信路由。 1.4 組網(wǎng)算法算例

單相系統(tǒng)內(nèi)由1個網(wǎng)關(guān)和11個節(jié)點組成。經(jīng)過非交疊分簇初始化算法后，構(gòu)成如圖2所示的分簇結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)關(guān)廣播被物理地址為3、5、9的3個節(jié)點監(jiān)聽到，3個節(jié)點分別向網(wǎng)關(guān)發(fā)送應(yīng)答獲得邏輯地址為1、2、3，建立第1層網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)邏輯地址優(yōu)先級進(jìn)行第2層次網(wǎng)絡(luò)分簇。邏輯地址為1的節(jié)點獲得了物理地址為1、6和11的簇員，分配邏輯地址

圖2 電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯鏈路分簇結(jié)構(gòu)圖

Fig. 2 PLC net structure of logical data link in cluster

分別為4、5、6。邏輯地址為2的節(jié)點未找到節(jié)點，相當(dāng)于只是第1層網(wǎng)絡(luò)的簇成員。邏輯地址為9的節(jié)點獲得了物理地址為8、10的簇員，分配邏輯地址分別為7和8。以同樣的分簇算法進(jìn)行搜尋，直到把邏輯地址11分配完畢。

完成分簇算法初始化的同時，每一節(jié)點的E2ROM中生成路由鏈表，記錄該節(jié)點所管轄簇員的物理ID和邏輯ID及層次。如果該節(jié)點為簇員節(jié)點，只需要記錄本節(jié)點的物理ID和邏輯ID以及本節(jié)點所屬的網(wǎng)絡(luò)層次即可。路由表的長度和復(fù)雜度由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)和分簇層次數(shù)目決定。

2 網(wǎng)絡(luò)路由維護(hù)與重構(gòu)算法

2.1 組網(wǎng)維護(hù)原則

在完成電力線網(wǎng)絡(luò)分簇組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，考慮到電力線網(wǎng)絡(luò)信道的時變性和未知性，作者提出3條網(wǎng)絡(luò)維護(hù)原則，即：

（1）在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，對于局部范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)路由中斷采用局部路由重構(gòu)策略。

（2）當(dāng)節(jié)點加入或退出網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)啟動局部路由重構(gòu)過程。

（3）在網(wǎng)絡(luò)空閑期間，網(wǎng)關(guān)發(fā)起路由檢測指令，若發(fā)現(xiàn)有節(jié)點未能正常連通，則執(zhí)行原則（1），構(gòu)筑新的通信路由。 2.2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法

設(shè)系統(tǒng)內(nèi)共有n個節(jié)點，簇頭h發(fā)現(xiàn)邏輯地址為k的節(jié)點暫時脫離了其通信范圍。則，h逐層向上級簇頭發(fā)送該異常情況，直至網(wǎng)關(guān)。由網(wǎng)關(guān)判決并發(fā)起局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過程：

步驟（1）：網(wǎng)關(guān)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)組網(wǎng)廣播。 步驟（2）：第1邏輯層的節(jié)點接收到指令，在屬于本身的時間片內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)重構(gòu)廣播，避免信道沖突，并在數(shù)據(jù)分組中添加本身的邏輯地址和邏輯層號。

步驟（3）：第2邏輯層的節(jié)點再次執(zhí)行步驟（2），直到所有層次的節(jié)點都已轉(zhuǎn)發(fā)完重構(gòu)廣播，在這一過程中所有的節(jié)點都記錄接收到廣播信息的物理信號強(qiáng)度。

步驟（4）：節(jié)點k對接收到的所有重構(gòu)廣播中的信號強(qiáng)度記錄作判決，計算并取信號強(qiáng)度綜合指數(shù)β值為最大值的信息源點m作為自己的新簇頭，并向m發(fā)送應(yīng)答信號，表示加入。其中，β=s×(η)j，s為物理信號強(qiáng)度，j為信息源點所屬的層次，η為層次間點對點通信成功率指數(shù)，η值可以根據(jù)實際測試結(jié)果統(tǒng)計取值。η值取的越大，表示層次間通

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第28卷

信可靠性越高，是一種基于信號強(qiáng)度為主要判決因素的重構(gòu)策略；η值取的越小，表示層次間通信可靠性越低，表示應(yīng)該盡量減少網(wǎng)絡(luò)分層，是一種基于減少網(wǎng)絡(luò)分層為主要判決因素的重構(gòu)策略。 步驟（5）：如果m本身為現(xiàn)存的簇頭，其上層路由沿該簇頭原路由返回；如果m是其他簇的成員，m將升級為簇頭。

步驟（6）：如果m為節(jié)點k的子節(jié)點，m將根據(jù)其檢測、計算的β值判別新簇頭，但是節(jié)點k和k的其他子節(jié)點不在其判決范圍內(nèi)。

步驟（7）：應(yīng)答信息逐層上報，直至網(wǎng)關(guān)，同時更新路由中所涉及到各節(jié)點中的路由表。

步驟（8）：網(wǎng)關(guān)逐層通知節(jié)點k原路由上的各原簇頭，從表中去除k節(jié)點的原有相關(guān)路由信息。

由于電力線信道并不穩(wěn)定，在一定時間內(nèi)系統(tǒng)節(jié)點會隨機(jī)發(fā)生路由失效而導(dǎo)致路由重構(gòu)。經(jīng)過路由重構(gòu)算法后的路由都是節(jié)點間信號強(qiáng)度綜合指數(shù)為最大值的路由。理論上，隨著節(jié)點路由重構(gòu)算法的逐步進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的路由將得到優(yōu)化。

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 仿真環(huán)境與參數(shù)

在典型的樓宇配電系統(tǒng)中，設(shè)其配電半徑為70 m。在該配電范圍內(nèi)布置50個用戶節(jié)點，以PC機(jī)為仿真硬件平臺，以Delphi7.0為編譯和仿真環(huán)境。設(shè)定：①50個節(jié)點在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，但是，剔除“孤島”問題；②經(jīng)過基于分簇算法的初始化組網(wǎng)后，分配給節(jié)點的邏輯ID為1~50；③電力線信道是時變信道，所以，在仿真中每個節(jié)點的有效通信距離可變。

3.2 仿真結(jié)果與分析

仿真1：有效通信距離變化下的初始化組網(wǎng)仿真。①電力線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的有效通信距離在30~40 m之間取值時，分簇算法初始化組網(wǎng)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3(a)所示；②電力線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的有效通信距離在40~50 m之間取值時，分簇算法初始化組網(wǎng)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。圖中節(jié)點的兩個標(biāo)號分別表示其物理ID和邏輯ID(括號內(nèi))。

從仿真1的結(jié)果中可以得出以下結(jié)論：①利用非交疊分簇算法可以實現(xiàn)電力線網(wǎng)絡(luò)通信的中繼功能，建立了網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意節(jié)點的通信路由。②根據(jù)電力線信道的變化(有效通信距離的變化)實現(xiàn)了動態(tài)路由。路由節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信距離變化而改變。③節(jié)點的有效通信距離越大，分簇層次越少，

(a) 直接通信距離30~40 m時的網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)構(gòu)

(b) 直接通信距離40~50 m時的網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)構(gòu)

圖3 電力線網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)構(gòu)圖

Fig. 3 Structures of PLC clustering distribution

路由關(guān)系變得簡單。如，圖3(a)物理地址為33的節(jié)點路徑為：0(0)→22(6)→6(25)→33(49)，共4層網(wǎng)絡(luò)；圖3(b)中的路徑為：0(0)→15(4)→33(36)，共3層網(wǎng)絡(luò)。④節(jié)點的有效通信距離越大，簇頭個數(shù)和組網(wǎng)次數(shù)也越少。圖3(a)中的簇頭數(shù)目為13個，組網(wǎng)次數(shù)為47次；圖3(b)中的簇頭數(shù)目為9個，組網(wǎng)次數(shù)為26次。所以，也大大減少了分簇組網(wǎng)的時間。因此，仿真1的結(jié)果證明了本文所提出的非交疊分簇算法在解決低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)動態(tài)中繼的可行性。

仿真2：兩種重構(gòu)策略下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真。完成網(wǎng)絡(luò)初始化分簇后，部分節(jié)點由于脫離原路由而啟動網(wǎng)絡(luò)路由的重構(gòu)過程。圖4(a)為當(dāng)η取0.9時，即基于信號強(qiáng)度的重構(gòu)方法，進(jìn)行40次隨機(jī)的節(jié)點脫離原路由而進(jìn)行重構(gòu)運(yùn)算后生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖4(b)為當(dāng)η取0.3時，即基于分層最少方法的重構(gòu)方法，進(jìn)行40次隨機(jī)的節(jié)點脫離原路由而進(jìn)行重構(gòu)運(yùn)算后生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

從仿真2中可以得出以下結(jié)論：①當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層次間通信可靠性較高時，η值取的較大，信號強(qiáng)度成了主要判決因素。此時，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分層數(shù)目和

第4期

戚佳金等： 低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) 69

(a) 基于信號強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略結(jié)構(gòu)圖

(b) 基于分層最少的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略結(jié)構(gòu)圖

圖4 兩種不同的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略結(jié)構(gòu)圖

Fig. 4 Structures of PLC reconfiguration networks

based on two strategies

簇頭個數(shù)增加，以較多的網(wǎng)絡(luò)層次和高強(qiáng)度的通信信號來保證網(wǎng)絡(luò)的可靠通信。但是，其代價是路由表變得相對復(fù)雜，需要更多的硬件資源來支持；②當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層次間節(jié)點的通信可靠性低時，η值取的較小，η值在重構(gòu)決策時的影響力變大，物理信號強(qiáng)度指數(shù)成了次要考慮因素。此時，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分層數(shù)目和簇頭個數(shù)減少，以盡量少的網(wǎng)絡(luò)層次來保證通信可靠性。③在實際工程中，可以根據(jù)具體的信道狀況來選者合適的η值，綜合考慮硬件資源以及節(jié)點有效通信距離。所以，仿真2的結(jié)果證明了網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法的可行性，為實際工程應(yīng)用提供一種可借鑒的方法。

4 信道時序分配方法

4.1 時間間隔

在單信道條件下的電力線通信系統(tǒng)中，任一時刻只允許1個節(jié)點發(fā)送信號。所以，必須有合理的信道使用時序策略，否則，通信時引起的信道沖突將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能。在本算法中規(guī)定：每兩個節(jié)點發(fā)送信號的時間間隔應(yīng)該滿足

TI>TT+TM+TR

(1)

式中：TT為載波信號發(fā)送時間；TM為節(jié)點信息處理

時間；TR為通信冗余時間。

為了簡化算法將TI按其最長時間取值，根據(jù)協(xié)議和實驗結(jié)果將TI取為150 ms較為合理。 4.2 信道時序分配方法

分簇算法中關(guān)于信道時序分配問題可以采用兩種算法：

算法1：如圖2所示。當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)起分簇廣播，，節(jié)點3將在3×150 ms時刻開始發(fā)送應(yīng)答，并等待接收網(wǎng)關(guān)分配的邏輯ID信息。同理，節(jié)點5、9分別會在5×150 ms、9×150 ms時刻開始發(fā)送應(yīng)答，并且獲得邏輯ID。而網(wǎng)關(guān)節(jié)點在等待11×150 ms后認(rèn)為不會再有節(jié)點應(yīng)答，第1層的分簇結(jié)束。同理，在后續(xù)幾層分簇中也采用同樣的規(guī)則以避免信號沖突。該種方法是用消耗較長時間的代價保證信道不受沖突，并且，時序協(xié)議較為簡單。

算法2：采用分簇時間遞減算法，每次分簇時，簇頭等待應(yīng)答的時間為系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點總數(shù)減去已經(jīng)組網(wǎng)節(jié)點個數(shù)乘以每次通信的最大單位時間TI。計算方法如下

mj

Ttotal=∑[(n?∑gh)×TI], j=i?1 (2)

i=1

h=0

式中：Ttotal為初始化組網(wǎng)總時間；m為分簇次數(shù)；n為總節(jié)點數(shù)；gh為某次分簇的成員節(jié)點數(shù)。

該種方法消耗較短時間，但是，信道時序控制協(xié)議較為復(fù)雜。

4.3 兩種信道時序分配算法仿真測試

基于圖4所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總共50個節(jié)點，對上文所提的兩種時序分配策略組網(wǎng)的耗時進(jìn)行仿真計算，并分別命名為基本分簇時序分配算法和改進(jìn)分簇時序分配算法。

圖5為在30~50 m間不同的有效通信距離條件下的仿真結(jié)果。橫坐標(biāo)為有效通信距離，縱坐標(biāo)為

單位時間ΔT的個數(shù)，

圖中數(shù)據(jù)為各個有效通信距離處采樣10次取平均值所得。

圖6為50個節(jié)點在兩種時序分配策略下在21次組網(wǎng)仿真計算中各次組網(wǎng)的耗時對比表。

從仿真結(jié)果中看出：①改進(jìn)的分簇時間序列分配算法所耗費的時間大大低于基本分簇算法的耗時。②節(jié)點有效通信距離在一定范圍內(nèi)隨機(jī)取值，基本上每次仿真計算所得的時間消耗都不同。另外，改進(jìn)的分簇時序分配算法雖然在組網(wǎng)時間上有了很大的改善，但是，在路由協(xié)議中增加數(shù)據(jù)分組

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