陳曉娟，耿雪瑩

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林，132012)

電力線載波通信是電力系統(tǒng)獨(dú)有的通信方式，是以電力線為傳輸媒質(zhì)，通過載波方式傳輸模擬或數(shù)字信號的通信技術(shù)［1］。由于低壓電力線最初不是為了通信而設(shè)計的，因此用它作為通信信道存在著強(qiáng)衰減、高噪聲和強(qiáng)時變等不利信號傳輸?shù)奶匦裕?］，這些因素的影響都會降低電力線通信的可靠性。為提高低壓電力線載波通信的可靠性，本文從網(wǎng)絡(luò)層入手，對現(xiàn)有的路由算法進(jìn)行改進(jìn)，針對現(xiàn)有方案存在的自適應(yīng)性低、負(fù)載均衡性差及可靠性不高等缺陷，提出負(fù)載均衡—蟻群動態(tài)路由算法。

1 低壓載波通信網(wǎng)絡(luò)模型

低壓電力線載波通信信道具有時變性、頻率選擇性和強(qiáng)干擾性的特點(diǎn)，使得低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)特的特性［3］。

低壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為樹型—星型的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［4］。三相低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)淙鐖D1所示［5］。三相低壓電力線之間在網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上是相對獨(dú)立的，因此可以任選其一作為研究對象。

圖1中，A、B、C三相的分支出，設(shè)有單相電力線通信網(wǎng)關(guān)，每一網(wǎng)關(guān)各自負(fù)責(zé)每相電網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。選取一相進(jìn)行研究，集中器(網(wǎng)關(guān))與采集器之間采用總線型結(jié)構(gòu)。一種較為簡單的總線型連接如圖2所示，其中采集器終端用1到10編號代表，設(shè)備之間的標(biāo)注表示距離。

設(shè)定采集器之間的最大通信距離為10，同樣假設(shè)集中器與采集器之間距離也為10。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D3中可以看出，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槎鄺l總線型、樹形結(jié)構(gòu)，而非單一總線。集中器只與采集器1、2、6、7直接通信，并通過層級傳遞構(gòu)成與其他所有通信器連通的網(wǎng)絡(luò)［6］。

圖1 三相低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)?/p>

圖2 一種簡單的總線型連接圖

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于電力線信道的強(qiáng)時變性或通信距離變化而發(fā)生變化，同時通信設(shè)備間可通信距離的差別性又增加了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，因此，研究如何更合適地選取動態(tài)路由中繼點(diǎn)，給出網(wǎng)絡(luò)路由建議及維護(hù)方案是十分必要的。

2 負(fù)載均衡—蟻群算法

2．1 含有負(fù)載均衡因子和信道質(zhì)量參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)

現(xiàn)有的基于蟻群的電力線載波路由算法，幾乎是將優(yōu)化程度標(biāo)準(zhǔn)選定為“跳數(shù)”，因?yàn)殡娏€信道特性的評定密切需要依靠電載波通信距離和通信可靠性，所以，路徑的評價必須要應(yīng)用信道特性。路徑的評價與負(fù)載的強(qiáng)弱、噪聲和干擾的大小及時延的長短都密切相關(guān)，所以采用時延、丟包率、負(fù)載因子作為目標(biāo)函數(shù)，通信距離為約束條件，定義目標(biāo)函數(shù)如下:

式中:節(jié)點(diǎn)數(shù)用N表示;cost(p)表示p路徑的開銷，p路徑中的i節(jié)點(diǎn)用p(i)表示;ψ(p)表示p路徑上負(fù)載因子;i，j節(jié)點(diǎn)彼此相鄰，它們之間的最小通信距離為p(i)－p(j)。

1)計算路徑開銷主要考慮信道的延時和誤碼率，所以節(jié)點(diǎn)的時延為

2)計算負(fù)載因子ψ的方法為

式中:i節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)的次數(shù)為θi，i節(jié)點(diǎn)的負(fù)載因子用ψi表示。

2．2 轉(zhuǎn)移規(guī)則的改進(jìn)

根據(jù)電力線通信載波特點(diǎn)，路徑轉(zhuǎn)移規(guī)則為

q∈［0，1］，q0為區(qū)間［0，1］內(nèi)一固定值，當(dāng) q≤q0時，利用先驗(yàn)知識對路徑進(jìn)行選擇，否則按照下式:

式中:τis代表i節(jié)點(diǎn)與 s節(jié)點(diǎn)間的信息素;λis表示i節(jié)點(diǎn)到S節(jié)點(diǎn)的延時;taubk為i節(jié)點(diǎn)不能遍歷的節(jié)點(diǎn)集合;α和β分別是τis和λis權(quán)重，當(dāng)α較大時，代表信息素較重要，而β較大時代表延時更重要［7］。

啟發(fā)因子的計算方法為

其中Sigij(t)表示節(jié)點(diǎn)j的信號強(qiáng)度，A為信號強(qiáng)度的權(quán)重因子。

2．3 禁忌表更新規(guī)則

螞蟻每次轉(zhuǎn)移后都要重新更新禁忌表，根據(jù)電力線載波通信系統(tǒng)的物理拓?fù)涮匦?，在每次轉(zhuǎn)移節(jié)點(diǎn)后，將上一個可通信的節(jié)點(diǎn)集合傳給下一個節(jié)點(diǎn)集合，下一節(jié)點(diǎn)集合再將這些節(jié)點(diǎn)加入禁忌表，這樣就可以避免節(jié)點(diǎn)走多余的路，加速收斂。每只螞蟻迭代完成后，將禁忌表清空。

2．4 信息素的更新規(guī)則

2．4．1 全局信息素更新

全局信息素更新規(guī)則為［8］

式中:ρ為信息素的揮發(fā)系數(shù)，由于信息可無限的累積，迭代最優(yōu)路徑信息素的增長速度可通過調(diào)節(jié)ρ的大小來調(diào)整，ρ的取值范圍為 ρ∈［0，1);Δτij(t)是信道質(zhì)量較優(yōu)路徑的信息素增加值，下面通過公式說明Δτij(t)的計算方法。

式中:Lgb為全局最優(yōu)路徑，ωd為延時，ωl為誤碼率大小，γd為延時的相對權(quán)值，γl為誤碼率的相對權(quán)值。

2．4．2 局部信息素的更新規(guī)則

使用ACS的局部信息素更新規(guī)則為

在常規(guī)的算法中，不改變信息素初值τij(0)，針對不同目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)時，改進(jìn)算法中信息素初值對應(yīng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況做出的負(fù)反饋?zhàn)兓?，即τijn(0)=Фj* τij(0)，其中，τijn(0)為第 n 個節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)尋找最優(yōu)路徑時線路 ij上的信息素初值，τij(0)為第1個通信節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)前網(wǎng)絡(luò)的原始信息素初值，Фj為可變信息素初值的變化系數(shù)。仿真參數(shù)Фj變化規(guī)律如表1所示。

表1 Фj變化規(guī)律

2．5 算法流程圖

算法流程見圖4。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示，仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，算法經(jīng)37次迭代就能達(dá)到收斂，由此可見本算法能夠找到有效通信路由線路，并能夠收斂于最優(yōu)路由線路。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

沒有改進(jìn)時的負(fù)載情況如圖6所示。從圖6中能夠看到，有的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù) (承擔(dān)的中繼次數(shù))過大。在這一次組網(wǎng)尋找最優(yōu)路徑過程中，21號節(jié)點(diǎn)被16次選作為路由節(jié)點(diǎn)，即轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為16。這個現(xiàn)象可以從路徑優(yōu)化的角度被理解，因?yàn)樘鴶?shù)最少作為優(yōu)化目標(biāo)，盡量使直接可通信距離為最遠(yuǎn)，于是會造成負(fù)載不均衡。

圖4 負(fù)載均衡－蟻群算法流程圖

圖5 全局最優(yōu)解曲線變化

圖6 沒改進(jìn)時負(fù)載情況圖

信息素初始值變參數(shù)控制算法負(fù)載情況如圖7所示。從圖7中可看出，不再有負(fù)載量過大的通信節(jié)點(diǎn)，結(jié)果表明采用該改進(jìn)算法，網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡情況有較大改善。

圖7 信息素初始值變參數(shù)控制算法負(fù)載情況

4 結(jié)束語

在盡可能不影響路由線路優(yōu)化結(jié)果情況下，對現(xiàn)有蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，把信道質(zhì)量和負(fù)載均衡因子引入到目標(biāo)函數(shù)中，同時讓信息素初值隨節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況進(jìn)行負(fù)反饋?zhàn)兓?，從而改善路由算法中存在的動態(tài)路由負(fù)載失衡問題，提高了通信的可靠性。

［1］林維明，華曉輝，王東方．低壓電力線通信的現(xiàn)狀與展望［J］．電力系統(tǒng)通信，2007，28(2):45 －48．

［2］董亞波，高鋒．低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(2):58 －62．

［3］忻龍彪，劉春蕾．電力載波遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)綜述［J］．低壓電器，2008(4):1 －4，9．

［4］戚佳金，劉曉勝，徐殿國，等．低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28(4):65 －71．

［5］邢明海，胡靜宇，鄧海峰．低壓電力線載波抄表系統(tǒng)中的通信技術(shù)應(yīng)用［J］．化工自動化及儀表，2002，29(1):38 －42，48．

［6］劉曉勝，周巖，戚佳金．電力線載波通信的自動路由方法研究［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26(21):76 －81．

［7］李領(lǐng)治，鄭洪源，丁秋林．一種基于改進(jìn)蟻群算法的選播路由算法［J］．電子與信息學(xué)報，2007，29(2):340 －344．