劉曉勝 李延祥 王 娟 朱宏林 徐殿國(guó)

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150000 2.蘇州匯川技術(shù)有限公司 蘇州 215104）

1 引言

低壓電力線通信（Low Voltage Power Line Communication，LVPLC）由于利用已有的遍布城鄉(xiāng)的電力傳輸線作為信息傳輸?shù)拿浇?，具有覆蓋面廣、投資少、運(yùn)行及維護(hù)成本低等特點(diǎn)，因此在遠(yuǎn)程智能抄表、路燈控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。然而電力線設(shè)計(jì)的初衷是用來(lái)傳輸電能而非數(shù)據(jù)信息，大量電器啟停、運(yùn)行帶來(lái)的噪聲干擾，以及信號(hào)選擇性衰減，線路阻抗經(jīng)常波動(dòng)等劣勢(shì)，常常導(dǎo)致通信鏈路失效，使得電力線通信的通信范圍過(guò)小，可靠性偏低，限制了大規(guī)模電力通信的應(yīng)用[2]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于提高低壓電力線載波通信可靠性方面的研究主要從增強(qiáng)物理層通信能力和建立網(wǎng)絡(luò)中繼（路由）兩個(gè)方面展開(kāi)。前者主要集中在信道特性[3,4]、噪聲[5,6]、信源和信道編碼[7,8]、信號(hào)調(diào)制解調(diào)方式[9]等方面。后者主要集中在多級(jí)中繼路由算法的設(shè)計(jì)和改進(jìn)上。目前已有多位學(xué)者對(duì)電力線通信動(dòng)態(tài)路由算法進(jìn)行了研究，取得了一定的成果，然而仍有許多不足。

文獻(xiàn)[10,11]借鑒無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）中的分簇思想，提出了基于非交疊分簇的動(dòng)態(tài)路由算法。該算法雖然具有層次清晰，組網(wǎng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，然而由于只具有單一通信鏈路，一旦某一通信鏈路失效，必須進(jìn)行局部甚至全局的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，頻繁的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)將帶來(lái)大量的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，不滿足電力線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和抗毀性要求。

文獻(xiàn)[12,13]利用蟻群算法、變異遺傳算法等智能算法，提出了基于QoS的動(dòng)態(tài)路由組網(wǎng)算法，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是存在收斂速度慢，容易陷入局部最優(yōu)等問(wèn)題。

文獻(xiàn)[14,15]提出了基于單層人工蛛網(wǎng)的分層動(dòng)態(tài)路由算法，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但是存在蛛網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)間通信鏈路通信質(zhì)量依賴的問(wèn)題。

本文根據(jù)電力線組網(wǎng)的一般特點(diǎn)和要求，將非交疊分簇算法和人工蛛網(wǎng)拓?fù)湎嘟Y(jié)合，提出了一種新型的分簇蛛網(wǎng)混合多徑盲路由算法，結(jié)合通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了電力線網(wǎng)絡(luò)初始化、運(yùn)行、維護(hù)與重構(gòu)等過(guò)程算法。最后通過(guò)仿真對(duì)比驗(yàn)證了算法和協(xié)議的有效性和優(yōu)越性。

2 分簇蛛網(wǎng)混合算法的核心思想

2.1 低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)模型

低壓電力線網(wǎng)絡(luò)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹(shù)形拓?fù)洌暾木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。圖1為一種典型低壓電力線通信物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]。變壓器二次側(cè)臺(tái)區(qū)為三相配電網(wǎng)，每相由一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)該相全部節(jié)點(diǎn)信息的收集和管理。由于不能跨相通信，三相之間在邏輯上相互獨(dú)立。因此只需以其中一相為例，研究其通信方法。

電力線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的通信范圍是有限的，雖然網(wǎng)關(guān)與各節(jié)點(diǎn)在物理上是連通的，但是在邏輯上卻可能是斷開(kāi)的。假設(shè)臺(tái)區(qū)內(nèi)某相上子節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n，由于通信距離或噪聲干擾等原因，網(wǎng)關(guān)只能與其中m個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)直接通信，對(duì)于其余子節(jié)點(diǎn)則需要通過(guò)建立中繼路由來(lái)實(shí)現(xiàn)間接通信。因此為了實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通信，必須先建立網(wǎng)關(guān)到部分子節(jié)點(diǎn)的邏輯通信鏈路，再由這些節(jié)點(diǎn)作為中繼路由，擴(kuò)展通信范圍，由此形成電力線通信網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)洹Ｍǔｋ娏€網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和分布情況都是未知的。盲路由算法要解決的就是未知網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)涞慕⒓熬S護(hù)等問(wèn)題。

圖1 典型低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 A typical low voltage power line communication physical topology

2.2 傳統(tǒng)非交疊分簇算法

分簇算法的基本思想是將網(wǎng)絡(luò)分成“簇”，每個(gè)簇由一個(gè)“簇頭”和若干個(gè)“簇員”組成。“簇頭”是按照某種分簇算法或規(guī)則選舉出來(lái)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)除簇頭外其他節(jié)點(diǎn)稱為“簇員”[17]。一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)也可以同時(shí)成為其他簇的簇員節(jié)點(diǎn)。

非交疊分簇算法規(guī)定已經(jīng)加入一個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)不再加入其他簇，因而在各節(jié)點(diǎn)之間確定了唯一的通信鏈路，如圖2所示。例如網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)0要與節(jié)點(diǎn)26通信，則需要依次以節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)4為中繼，形成唯一通信鏈路 0-6-4-26。鏈路的唯一性明確了通信路徑，但同時(shí)帶來(lái)了頻繁網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的麻煩。

圖2 非交疊分簇結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Non-overlapping clustering structure

2.3 人工蛛網(wǎng)拓?fù)?/h3>

人工蛛網(wǎng)算法是受到自然界中蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)抗毀性強(qiáng)的特點(diǎn)啟發(fā)而產(chǎn)生。其核心思想是將星型拓?fù)浜铜h(huán)型拓?fù)湎嘟Y(jié)合，從而形成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。人工蛛網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為通信提供了多條備用鏈路，極大地增強(qiáng)了通信的可靠性。

圖3 人工蛛網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Artificial cobweb topology structure

2.4 分簇蛛網(wǎng)混合算法

分簇蛛網(wǎng)混合算法將非交疊分簇算法通信鏈路明確，及人工蛛網(wǎng)拓?fù)淇煽啃詮?qiáng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。其核心思想是在組網(wǎng)階段，在簇內(nèi)建立鄰居鏈路，為每個(gè)簇內(nèi)成員提供至多兩條同層通信鏈路，作為原通信鏈路失效的備份。如果下行通信鏈路失效，節(jié)點(diǎn)可以以下層目的節(jié)點(diǎn)的某一鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼，實(shí)現(xiàn)與目的節(jié)點(diǎn)間的通信；如果上行通信鏈路失效，節(jié)點(diǎn)可以以自身的某一鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼，實(shí)現(xiàn)與上層節(jié)點(diǎn)間的通信。

如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)0要與節(jié)點(diǎn)26通信時(shí)，正常情況下的通信鏈路為0-6-4-26。若節(jié)點(diǎn) 4和節(jié)點(diǎn)26之間的通信鏈路失效，則節(jié)點(diǎn)4將以節(jié)點(diǎn)26的鄰居節(jié)點(diǎn)33為中繼，完成下行通信，從而形成新的通信鏈路 0-6-4-33-26；反過(guò)來(lái)節(jié)點(diǎn) 26以鄰居節(jié)點(diǎn) 33為中繼，完成上行通信，通信鏈路為26-33-4-6-0。

圖4 分簇蛛網(wǎng)混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.4 Clustering-cobweb hybrid topology structure

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

本文參考DL/T 645-1997[18]及DL/T 645-2007[19]通訊規(guī)約，結(jié)合電力線網(wǎng)絡(luò)需要多級(jí)中繼的特性進(jìn)行路由算法的通信協(xié)議設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)幀主要由幀頭、控制碼、源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、層數(shù)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)碼和幀尾等幾部分構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式Fig.5 Normal data frame

具體格式根據(jù)相應(yīng)功能有所不同，數(shù)據(jù)幀的種類通過(guò)控制碼加以區(qū)別，幀中各部分除數(shù)據(jù)域和中繼節(jié)點(diǎn)域外各占一個(gè)字節(jié)。

幀頭和幀尾分別為68 H和16 H，用以標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始和結(jié)束；控制碼用來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀的種類，其具體含義見(jiàn)表1；源節(jié)點(diǎn)表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)的物理ID；目的節(jié)點(diǎn)表示數(shù)據(jù)幀要送到的節(jié)點(diǎn)的物理ID；中繼節(jié)點(diǎn)域用來(lái)存放源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間需要經(jīng)過(guò)的中繼節(jié)點(diǎn)的物理 ID，具體長(zhǎng)度視網(wǎng)絡(luò)中繼級(jí)數(shù)而定。對(duì)于m級(jí)中繼網(wǎng)絡(luò)，中繼節(jié)點(diǎn)域?yàn)閙?1字節(jié)。若經(jīng)過(guò)的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)不足 m?1，則在空缺的位用FFH補(bǔ)全；層數(shù)表示源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)所在的層數(shù)；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域用來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度；數(shù)據(jù)域用來(lái)存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)；校驗(yàn)碼為從幀起始符開(kāi)始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)的模256的和。

表1 控制碼及其含義對(duì)照表Tab.1 Control codes and corresponding meanings

3.2 路由表格式設(shè)計(jì)

此外還對(duì)各節(jié)點(diǎn)路由表的格式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括子節(jié)點(diǎn)本地路由表和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表。格式如圖6和圖7所示。子節(jié)點(diǎn)本地路由表需要記錄節(jié)點(diǎn)所在層數(shù)，節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)和上一層的中心節(jié)點(diǎn)以及全部子節(jié)點(diǎn)物理ID。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表需要記錄各子節(jié)點(diǎn)的物理ID及其所在層數(shù)和該節(jié)點(diǎn)的上一層中心節(jié)點(diǎn)。

圖6 子節(jié)點(diǎn)本地路由表格式Fig.6 Child node local routing table format

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表格式Fig.7 Gateway node routing table format

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用層層查找的方式，無(wú)需記錄各子節(jié)點(diǎn)的所有中繼節(jié)點(diǎn)。如圖4中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)0要與節(jié)點(diǎn)10進(jìn)行通信，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)0查找網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)10上層中心節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)11，節(jié)點(diǎn)11上層中心節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)1上層節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)0，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)確定了與節(jié)點(diǎn)10的通信路徑0-1-11-10。按照該思路，可以唯一確定網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與任意節(jié)點(diǎn)的通信路徑。

這種路由表格式占用內(nèi)存小，大大節(jié)省了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間，有利于擴(kuò)大網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信范圍。

下面將結(jié)合網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)涞慕⒑途S護(hù)等過(guò)程，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信各過(guò)程中常用到的數(shù)據(jù)幀及兩種路由表的記錄和修改方式作以詳細(xì)介紹。

4 分簇蛛網(wǎng)混合盲路由組網(wǎng)初始化算法

4.1 前提與假設(shè)

電力線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的過(guò)程實(shí)際上就是建立網(wǎng)絡(luò)通信邏輯拓?fù)涞倪^(guò)程，為了便于討論，作如下假設(shè)。

（1）網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都具有唯一的物理地址，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的物理地址為0，其他子節(jié)點(diǎn)的物理地址依次為1,2,…,n（n≤255）。

（2）任意節(jié)點(diǎn)至少可以與1個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信，即網(wǎng)絡(luò)中不存在孤立點(diǎn)。

（3）電力線通信鏈路為對(duì)稱鏈路，即兩節(jié)點(diǎn)間可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。

（4）采用 P-堅(jiān)持的CSMA/CA（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免）協(xié)議，以避免數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生信道沖突。

（5）為了便于比較通信誤碼率，規(guī)定所有組網(wǎng)幀發(fā)送一組固定數(shù)據(jù)。

4.2 路由組網(wǎng)初始化算法

分簇蛛網(wǎng)混合多徑盲路由組網(wǎng)算法的步驟如下。

（1）上電后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)邏輯層數(shù)默認(rèn)為0，所有子節(jié)點(diǎn)邏輯層數(shù)默認(rèn)為6，網(wǎng)關(guān)及各子節(jié)點(diǎn)路由表為空。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)幀，源節(jié)點(diǎn)為0，層數(shù)為0。組網(wǎng)幀格式如圖 8。假設(shè)收到該組網(wǎng)幀的節(jié)點(diǎn)數(shù)為m個(gè)，則該 m個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入邏輯層 1，并按照CSMA協(xié)議依次向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)返回應(yīng)答幀，應(yīng)答幀格式如圖9所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在收到應(yīng)答幀后將節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息寫(xiě)入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表中。

圖8 組網(wǎng)幀F(xiàn)ig.8 Networking frame

圖9 應(yīng)答幀F(xiàn)ig.9 Response frame

（2）節(jié)點(diǎn)在收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的組網(wǎng)幀后，等待一定時(shí)間 T，確保所有節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)完成對(duì)組網(wǎng)幀的響應(yīng)。在定時(shí)T結(jié)束后，已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)（成功發(fā)送應(yīng)答幀）的各節(jié)點(diǎn)將原組網(wǎng)幀中的源節(jié)點(diǎn)改為自身物理ID，層數(shù)加1，形成新的組網(wǎng)幀，同樣按照CSMA協(xié)議依次向周圍發(fā)送，直至邏輯層1內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都發(fā)送完組網(wǎng)幀。

這期間，顯然邏輯層1內(nèi)的節(jié)點(diǎn)一方面向周圍發(fā)送組網(wǎng)幀，一方面也會(huì)收到來(lái)自同層其他節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)幀。收到組網(wǎng)幀的節(jié)點(diǎn)判斷自身層數(shù)與源節(jié)點(diǎn)的層數(shù)關(guān)系。

① 若兩者相等，說(shuō)明發(fā)送方與接收方位于同一邏輯層，則接收方將發(fā)送方 ID及與其通信的誤碼率記錄下來(lái)，至邏輯層1組網(wǎng)結(jié)束時(shí)，將所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)中與其通信的誤碼率最小的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為其鄰居節(jié)點(diǎn)記錄在本地路由表中。

② 若接收方層數(shù)大于發(fā)送方，接收節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入邏輯層 2，并向發(fā)送方回復(fù)應(yīng)答幀，表示加入發(fā)送節(jié)點(diǎn)所在的簇內(nèi)，成為其簇員節(jié)點(diǎn)。此后不再對(duì)其他來(lái)自邏輯層1的組網(wǎng)幀作處理。發(fā)送方在收到應(yīng)答幀后，將簇員節(jié)點(diǎn)物理 ID記錄在本地路由表中，同時(shí)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)幀，報(bào)告新節(jié)點(diǎn)加入信息。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)為6，新節(jié)點(diǎn)為4，位于邏輯層2，則節(jié)點(diǎn)信息加入幀格式如圖10。

圖10 節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)幀F(xiàn)ig.10 Node information reporting frame

③ 若接收方層數(shù)小于發(fā)送方（在這里接收方只能是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)），則不作處理。

節(jié)點(diǎn)在收到組網(wǎng)幀后等待連續(xù)的一段時(shí)間 T，若一直沒(méi)有再收到組網(wǎng)幀，說(shuō)明邏輯層1的所有節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)完成了組網(wǎng)幀的發(fā)送。

（3）重復(fù)步驟（2），直到所有接收節(jié)點(diǎn)中不存在位于發(fā)送節(jié)點(diǎn)下一層（即未加入網(wǎng)絡(luò)）的節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明所有節(jié)點(diǎn)都已加入網(wǎng)絡(luò)，此后不會(huì)再產(chǎn)生新的組網(wǎng)幀。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間Tm，仍未收到新的節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)幀，表示所有節(jié)點(diǎn)都已加入網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)過(guò)程隨即完成。

按照此算法進(jìn)行組網(wǎng)，無(wú)需事先知道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和分布情況，實(shí)現(xiàn)了未知網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)涞慕ⅰ?/p>

5 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、維護(hù)及重構(gòu)算法

5.1 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程主要涉及到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播命令幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)單播命令幀，一般數(shù)據(jù)幀，應(yīng)答幀等。

根據(jù)電力線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集要求的不同，設(shè)計(jì)了命令標(biāo)識(shí)碼作為二級(jí)控制碼，具體含義見(jiàn)表3。這里以讀取本地路由表信息（02H）為例，作以詳細(xì)介紹。

表2 命令標(biāo)識(shí)碼及其含義對(duì)照表Tab.2 Command identifiers and corresponding meanings

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播命令幀用于收集全網(wǎng)信息，幀格式如圖11。收到廣播命令幀的節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)返回相應(yīng)一般數(shù)據(jù)幀，并轉(zhuǎn)發(fā)該廣播幀，直至傳到末端節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)單播命令幀用于收集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)的信息。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)支持6級(jí)中繼，若網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)0要以節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)4為中繼，向節(jié)點(diǎn)26發(fā)送單播命令幀，則單播命令幀格式如圖12。

圖11 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播命令幀F(xiàn)ig.11 Gateway node broadcast command frame

圖12 中心節(jié)點(diǎn)單播命令幀F(xiàn)ig.12 Center node unicast command frame

下層節(jié)點(diǎn)在收到上層節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令幀后，向發(fā)送方回復(fù)應(yīng)答幀（如圖9）表示接收成功。

對(duì)于一般數(shù)據(jù)幀，只需按照中心節(jié)點(diǎn)一層一層的向上轉(zhuǎn)發(fā)，就可以發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，幀格式如圖13所示。上層節(jié)點(diǎn)在收到下層節(jié)點(diǎn)發(fā)送的一般數(shù)據(jù)幀后，向發(fā)送方回復(fù)應(yīng)答幀（如圖 9）表示接收成功。

圖13 一般數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.13 General data fra me

5.2 新節(jié)點(diǎn)加入過(guò)程

新節(jié)點(diǎn)加入過(guò)程主要涉及到節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入幀，組網(wǎng)幀，應(yīng)答幀，節(jié)點(diǎn)信息上報(bào)幀等。

已經(jīng)完成組網(wǎng)過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)有新的節(jié)點(diǎn)加入。該節(jié)點(diǎn)在收到來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀后，如果發(fā)現(xiàn)自身路由表為空，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)尚未加入網(wǎng)絡(luò)。則該節(jié)點(diǎn)此時(shí)應(yīng)主動(dòng)向周圍發(fā)送節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入幀，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，幀格式如圖 14所示。

圖14 節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入幀F(xiàn)ig.14 Node applying for joining frame

收到該幀的節(jié)點(diǎn)再次向周圍發(fā)送組網(wǎng)幀，幀格式如圖 8。新節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的各組網(wǎng)幀的處理過(guò)程同本文4.2節(jié)中步驟（2）。至此完成節(jié)點(diǎn)加入過(guò)程。

5.3 鏈路及節(jié)點(diǎn)失效與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，若發(fā)送命令幀或數(shù)據(jù)幀的一方?jīng)]有及時(shí)收到接收方的應(yīng)答幀，認(rèn)為原通信鏈路失效。此時(shí)需要啟動(dòng)鏈路失效恢復(fù)過(guò)程。鏈路失效恢復(fù)過(guò)程主要涉及到更新路由信息幀。

5.3.1鏈路失效過(guò)程

如果在通信過(guò)程中發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的上行通信鏈路失效，只需將節(jié)點(diǎn)的1個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，即可恢復(fù)通信。

如果是下行鏈路失效（通常都是這種鏈路失效），則重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并在數(shù)據(jù)幀的控制碼中加入鏈路失效標(biāo)識(shí)，幀格式如圖15。收到該幀的節(jié)點(diǎn)判斷自身是否為原目的節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。若是，則將該幀還原為原數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。反過(guò)來(lái)目的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀后，以該鄰居節(jié)點(diǎn)為中繼向上返回相應(yīng)數(shù)據(jù)幀。

圖15 帶有鏈路失效標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)幀格式Fig.15 Data frame with link failure identifier

5.3.2節(jié)點(diǎn)失效及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過(guò)程

如果經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，仍然未能及時(shí)返回目的節(jié)點(diǎn)的信息，則認(rèn)定節(jié)點(diǎn)失效。對(duì)其進(jìn)行快速局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

通過(guò)上一層鄰居節(jié)點(diǎn)向下發(fā)送組網(wǎng)幀，為失效節(jié)點(diǎn)尋找新的中心節(jié)點(diǎn)。若快速局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)完成，則由新的中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)多級(jí)中繼向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新路由信息幀，報(bào)告重構(gòu)后原失效節(jié)點(diǎn)的路由更新信息，更改本地路由表和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表。更新路由信息幀格式如圖16所示。

圖16 更新路由信息幀F(xiàn)ig.16 Updating routing information frame

5.4 節(jié)點(diǎn)退出過(guò)程

5.4.1節(jié)點(diǎn)被動(dòng)退出

如果快速局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)沒(méi)有找到失效節(jié)點(diǎn)，則認(rèn)為失效節(jié)點(diǎn)已經(jīng)脫離網(wǎng)絡(luò)，稱這種情況為節(jié)點(diǎn)被動(dòng)退出。此時(shí)失效節(jié)點(diǎn)的原上層中心節(jié)點(diǎn)向上返回節(jié)點(diǎn)被動(dòng)退出幀，直至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，報(bào)告節(jié)點(diǎn)異常，提醒檢修人員檢修。假設(shè)節(jié)點(diǎn)26被動(dòng)退出，則由其上層中心節(jié)點(diǎn)4向網(wǎng)關(guān)發(fā)送的幀格式如圖17所示。

圖17 節(jié)點(diǎn)被動(dòng)退出幀F(xiàn)ig.17 Node exit passively frame

5.4.2節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出

如果節(jié)點(diǎn)由于某種原因需要退出網(wǎng)絡(luò)（如線路改造、拆除等問(wèn)題），需要事先通知其上層節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要主動(dòng)退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出幀（見(jiàn)圖18）至其下層子節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

其下層子節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行快速局部網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，尋找新的上層中心節(jié)點(diǎn)，具體步驟不再贅述。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到退出幀后刪除路由表中關(guān)于該節(jié)點(diǎn)的全部信息，并發(fā)送節(jié)點(diǎn)退出許可幀（見(jiàn)圖19）至待退出節(jié)點(diǎn)，提示節(jié)點(diǎn)可以完成退出。

圖18 節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出幀F(xiàn)ig.18 Node exit actively frame

圖19 節(jié)點(diǎn)退出許可幀F(xiàn)ig.19 Node exit permit frame

至此完成節(jié)點(diǎn)退出過(guò)程。

通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度一般不超過(guò)10字節(jié)，降低了系統(tǒng)開(kāi)銷，提高了通信的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，具有良好的推廣和實(shí)用價(jià)值。

6 仿真與對(duì)比實(shí)驗(yàn)

6.1 組網(wǎng)初始化算法仿真

為了驗(yàn)證路由算法的有效性，利用Matlab對(duì)算法進(jìn)行了仿真研究。

在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布40個(gè)節(jié)點(diǎn)（滿足假設(shè)條件），網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域中心，物理ID為0，其余節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1,2,3,…,39。為了模擬電力線信道的時(shí)變性和隨機(jī)性，設(shè)置節(jié)點(diǎn)間有效通信距離在20～25 m范圍內(nèi)變化。分別采用傳統(tǒng)分簇算法和本文提出的分簇蛛網(wǎng)混合算法進(jìn)行組網(wǎng)，仿真結(jié)果如圖20和圖21所示。

可以明顯看出，非交疊分簇算法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、邏輯清晰，但是由于只具有單一通信鏈路，抗干擾性能較差；而分簇蛛網(wǎng)混合算法在原有算法的基礎(chǔ)上增加了鄰居鏈路，提供了備用鏈路，減少了頻繁網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的麻煩，在一定程度上保證了通信的可靠性和穩(wěn)定性。

圖20 傳統(tǒng)分簇算法仿真結(jié)果Fig.20 Traditional clustering algorithm simulation

圖21 分簇蛛網(wǎng)混合算法仿真結(jié)果Fig.21 Clustering-cobweb hybrid algorithm simulation

6.2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法仿真

由圖21可知，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一上層中心節(jié)點(diǎn)和至多兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，如對(duì)于18節(jié)點(diǎn)，其與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)通信路徑為0-6-30-18；對(duì)于 26節(jié)點(diǎn)，其與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)通信路徑為0-6-4-26。

當(dāng)30和18節(jié)點(diǎn)間通信鏈路失效時(shí)，30節(jié)點(diǎn)將選擇24節(jié)點(diǎn)作為中繼與18節(jié)點(diǎn)通信，形成通信路徑 0-6-30-24-18。

然而，如果4和26節(jié)點(diǎn)間通信鏈路失效，由于4節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)中不存在 26節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)（33節(jié)點(diǎn)雖然是26節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，但是卻無(wú)法收到4節(jié)點(diǎn)的鏈路失效幀，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信鏈路恢復(fù)），所以 26節(jié)點(diǎn)成為失效節(jié)點(diǎn)。由 4節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)19和38發(fā)起組網(wǎng)幀，結(jié)果19節(jié)點(diǎn)得到26節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答幀，于是通信鏈路變成0-6-19-26。

圖22 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法仿真結(jié)果Fig.22 Network reconstruction algorithm simulation

節(jié)點(diǎn)加入及退出情況較為簡(jiǎn)單，在此不作贅述。

通過(guò)以上仿真結(jié)果可以看出，本文提出的低壓電力線分簇蛛網(wǎng)混合多徑盲路由算法可以快速有效的實(shí)現(xiàn)低壓電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)涞慕M網(wǎng)、運(yùn)行、維護(hù)和重構(gòu)等問(wèn)題。

6.3 路由表開(kāi)銷對(duì)比

隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，路由表的開(kāi)銷也會(huì)隨之增大。傳統(tǒng)路由通信協(xié)議采用 1-0鄰接矩陣的形式記錄本地路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的通信情況都要被記錄，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)所占用的存儲(chǔ)空間為n字節(jié)，組網(wǎng)完成后，路由表中必將存在大量的0值，同時(shí)由于一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能與很多節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)通信，從而造成路由路徑不明確，給自動(dòng)中繼帶來(lái)一定的麻煩。

本文采用層層查找的方式進(jìn)行自動(dòng)路由，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表中只記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理ID、所在層數(shù)以及該節(jié)點(diǎn)的上一層中心節(jié)點(diǎn)ID，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)所占用的存儲(chǔ)空間僅為3字節(jié)，同時(shí)由于唯一確定了節(jié)點(diǎn)的通信路徑，使得自動(dòng)中繼過(guò)程更加簡(jiǎn)便易行，大大提高了效率。

假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址占用1字節(jié)存儲(chǔ)空間，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n，中繼級(jí)數(shù)為6，則1-0矩陣式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表所占用的存儲(chǔ)空間是n2個(gè)字節(jié)；而采用本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由表所占用的存儲(chǔ)空間為3 n個(gè)字節(jié)。從圖23以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，1-0矩陣式路由表的路由開(kāi)銷將遠(yuǎn)大于層層查找式路由表。

圖23 兩種路由表開(kāi)銷對(duì)比Fig.23 Overhead of two types of routing table

顯然，本文提出的層層查找式路由表在節(jié)省路由開(kāi)銷和簡(jiǎn)化中繼過(guò)程方面具有其他路由表設(shè)計(jì)方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

6.4 通信可靠性分析

通信可靠性是衡量路由算法優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

設(shè)各條通信鏈路失效概率用 p來(lái)表示，中繼級(jí)數(shù)用m來(lái)表示，每級(jí)通信的成功率用P0來(lái)表示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)成功將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的概率用P來(lái)表示。

則對(duì)于傳統(tǒng)分簇算法，只有當(dāng)每級(jí)通信都成功時(shí)，才能完成網(wǎng)關(guān)到目的節(jié)點(diǎn)的通信。每級(jí)通信的成功率P0為

因此通信成功率P為

對(duì)于分簇蛛網(wǎng)混合算法，每級(jí)通信的成功率P0為

因此通信成功率P為

表 3為假設(shè)各條通信鏈路失效的概率均為p=0.1，分別采用傳統(tǒng)分簇算法和分簇蛛網(wǎng)混合算法時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)成功將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的概率P隨中繼級(jí)數(shù)m增加的變化情況。表4為假設(shè)中繼級(jí)數(shù)m=6，分別采用兩種算法的通信成功率P隨鏈路失效概率p增加的變化情況。

表3 p=0.1時(shí)，P隨m增加的變化Tab.3 The change of P with the increase of m when p=0.1

表4 m=6時(shí)，P隨p增加的變化Tab.4 The change of P with the increase of p when m=6

從表中可以看出，隨著中繼級(jí)數(shù)的增加，采用傳統(tǒng)分簇算法時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的通信成功率會(huì)下降得非常快，而分簇蛛網(wǎng)混合算法的通信成功率卻幾乎不受中繼級(jí)數(shù)的影響；另一方面，在相同中繼級(jí)數(shù)（6級(jí)中繼深度）的情況下，當(dāng)信道質(zhì)量較差時(shí)，采用傳統(tǒng)分簇算法的通信成功率已經(jīng)很難達(dá)到要求；而分簇蛛網(wǎng)混合算法的通信成功率仍然高于0.6。

以上兩組對(duì)比充分說(shuō)明了在中繼級(jí)數(shù)增加和信道質(zhì)量惡化的情況下，分簇蛛網(wǎng)混合算法比傳統(tǒng)分簇算法具有更高的可靠性和穩(wěn)定性，為電力線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行提供了優(yōu)良的保障，具有良好的應(yīng)用前景。

7 結(jié)論

本文首先分析了低壓電力線通信的特點(diǎn)，提出了多級(jí)中繼路由的必要性。

接著分析了傳統(tǒng)非交疊分簇路由算法、蟻群優(yōu)化算法以及人工蛛網(wǎng)算法等的優(yōu)勢(shì)和不足，進(jìn)而提出了一種基于分簇蛛網(wǎng)混合的新型多徑盲路由算法。并結(jié)合通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，給出了低壓電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)涞慕M網(wǎng)、運(yùn)行、維護(hù)和重構(gòu)等問(wèn)題的解決方案。

最后通過(guò)仿真分析、路由表開(kāi)銷和通信可靠性分析驗(yàn)證了算法和協(xié)議的有效性和優(yōu)越性。結(jié)果表明，本文提出的分簇蛛網(wǎng)混合算法能夠?qū)崿F(xiàn)快速有效的網(wǎng)絡(luò)建立和重構(gòu)；通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、開(kāi)銷小、穩(wěn)定性高，對(duì)于提高通信的可靠性具有積極的意義。

今后的研究方向?qū)⑹峭ㄟ^(guò)吞吐量、延時(shí)等指標(biāo)的具體分析驗(yàn)證協(xié)議的有效性；以及考慮如何保證算法的QoS性能及在不對(duì)稱鏈路情況下算法及通信協(xié)議的改進(jìn)。

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