文成亮，唐亮，何金星，杜延紅，黃盛剛

(重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

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IPv6的低壓電力線載波通信組網(wǎng)與接入機制*

文成亮，唐亮，何金星，杜延紅，黃盛剛

(重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

針對低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中可靠性較低的問題，研究了電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的組網(wǎng)方法和接入策略，同時引入IPv6地址分配算法和節(jié)點接入策略，設(shè)計了基于層次樹的低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并通過增加冗余節(jié)點的方式提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和通信可靠性。測試結(jié)果表明，提出的組網(wǎng)算法對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的魯棒性和報文傳輸可靠性都有一定的提升。

低壓電力線載波通信; IPv6地址; 組網(wǎng)方法

引　言

電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，主要利用現(xiàn)有廣泛分布的電力線作為通信介質(zhì)，具備其他接入方式不可比擬的優(yōu)勢[1-2]。但隨著電力網(wǎng)絡(luò)中用戶終端設(shè)備的增多，使得載波通信網(wǎng)絡(luò)物理拓撲具有了一定的“時變性”，終端設(shè)備對地址和安全性的需求也隨之增大。同時，電網(wǎng)內(nèi)負載具有時變性，這種變化會導(dǎo)致通信信道質(zhì)量的不穩(wěn)定甚至使通信鏈路發(fā)生中斷，從而導(dǎo)致電網(wǎng)的邏輯拓撲發(fā)生變化、降低電力線通信的可靠性[3-5]。此外，IPv6 (Internet Protocol version 6)作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，具有地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好等優(yōu)點。將IPv6技術(shù)沿用到智能電網(wǎng)中是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，也是市場的強烈需求[6-7]。但由于低壓電力線通信面臨著比其他通信方式更為惡劣的信道環(huán)境，嚴(yán)重制約了載波信號的傳輸距離，使得電力線通信的可靠性大大降低[8]。因此，如何將IPv6技術(shù)與電力載波通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，提出適用的組網(wǎng)與接入機制，實現(xiàn)IPv6報文在電力線通信網(wǎng)中可靠傳輸，是目前亟需解決的問題。

目前，國內(nèi)外關(guān)于IPv6技術(shù)在電力載波通信中的應(yīng)用已有一定的成果。參考文獻[9]中提出了適用于測量及家庭控制和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力線載波通信系統(tǒng)中的使用，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，適用于低功耗有損網(wǎng)絡(luò)，達到有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的互操作性。參考文獻[10]中IETF工作組提出將運用在無線中的6LoWPAN協(xié)議的IPv6技術(shù)應(yīng)用于電力線載波通信中，在IPv6技術(shù)的MAC層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻[11]介紹了在電力線載波通信中，為確保PLC通信可靠的物理層，使載波通信物理層適合IPv6技術(shù)在載波中的應(yīng)用。參考文獻[12]提出了對IPv6報文幀的壓縮，從而更好地適用于IPv6網(wǎng)絡(luò)中。參考文獻[13]論述了電力線載波通信中IPv6有效的傳輸協(xié)議、自動測量、配置和管理、安全機制。

鑒于此，將IPv6技術(shù)應(yīng)用于電力載波通信網(wǎng)絡(luò)，項目組前期提出了基于IPv6技術(shù)的載波信息分片獨立重傳機制，有效降低了載波通信丟包率[7]。通過層次樹的地址分配原則構(gòu)建基于IPv6的電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)，并通過冗余備份路由機制提高節(jié)點傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1　基于IPv6的電力線載波網(wǎng)絡(luò)地址分配策略

在以低壓電力載波通信方式實現(xiàn)的電網(wǎng)信息采集或控制的應(yīng)用場景中，目前主要采用靜態(tài)或動態(tài)方式完成載波終端節(jié)點與集中器的非IP方式的節(jié)點ID分配和組網(wǎng)配置。但針對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時，較難實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)ID自動、高效管控。為此，提出采用IPv6的IP管理機制實現(xiàn)載波終端與集中器統(tǒng)一的IP自動分配與管理機制[14]。

基于IPv6技術(shù)的電力載波通信網(wǎng)絡(luò)中的載波節(jié)點與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一樣，擁有一個全球唯一的64位接口標(biāo)識地址。電力載波IPv6網(wǎng)絡(luò)MAC層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸?shù)淖畲髨笪拈L度為127個字節(jié)，若采用64位的長地址作為源地址和目的地址，則在MAC頭部的地址域就占用了16個字節(jié)，并且在適配層多跳路由時占用6LoWPAN頭部域16個字節(jié)，從而減小了裝載有效負載的長度[6]。因此，在子網(wǎng)內(nèi)采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的16位短地址作為路由通信地址，即可保證載波終端節(jié)點在同一個子網(wǎng)內(nèi)的短地址的唯一性，也可以獨立標(biāo)識一個唯一的IPv6載波節(jié)點，通過16位的短地址和PANID及網(wǎng)絡(luò)前綴就可以實現(xiàn)電力載波IPv6地址的無狀態(tài)自動配置，地址分配方式如圖1所示。

圖1　節(jié)點地址分配示意圖

電力載波IPv6節(jié)點在獲取16位的MAC短地址后，就將由該短地址實現(xiàn)無狀態(tài)IPv6地址的自動配置。首先，將16位短地址轉(zhuǎn)換為48位的偽以太網(wǎng)MAC地址，48位地址由2個字節(jié)的PAN ID、2個字節(jié)的全0值、16位的MAC短地址組成。其次，將48位的偽以太網(wǎng)MAC地址轉(zhuǎn)換為EUI-64地址，將0xFFFE插入到PAN ID與16位短地址之間，從而形成IPv6地址的64位接口ID。最后，將64位接口ID加上64位的網(wǎng)絡(luò)前綴構(gòu)造成128位的IPv6地址。16位短地址生成IPv6地址的轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。

圖2　MAC層16位短地址生成IPv6地址

基于IPv6技術(shù)的電力載波通信網(wǎng)絡(luò)的地址空間Cskip(d)可通過式(1)計算得到[6]：

(1)

式中,Cm為全功能載波父節(jié)點設(shè)備允許擁有載波子節(jié)點數(shù)量的最大值，Rm為全功能載波父節(jié)點設(shè)備允許擁有具備地址分配功能的全功能載波路由器節(jié)點數(shù)量的最大值，Lm為電力線載波網(wǎng)絡(luò)拓撲的最大網(wǎng)絡(luò)深度，為當(dāng)前載波節(jié)點所在的網(wǎng)絡(luò)深度。Cskip(d)含義為第d層全功能載波父節(jié)點為其全功能載波子節(jié)點分配的地址偏移量，即為第(d+1)層具備地址分配功能的全功能載波路由器節(jié)點所擁有的地址空間。若Cskip(d)的值大于零，則表明該全功能載波父節(jié)點還可以接收載波子節(jié)點，并為其分配短地址；否則表示沒有短地址可分配，不能接收載波子節(jié)點。

2　基于IPv6的電力線載波通信組網(wǎng)與接入方案

2.1分層組網(wǎng)方案

為提高通信可靠性和提高組網(wǎng)速度，在組網(wǎng)配置過程中，將各個邏輯子層中的主/從中繼節(jié)點分別置于該邏輯子層的中間位置和相鄰邏輯子層的邊界位置，其中主中繼節(jié)點為IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的路由器(父節(jié)點)，從中繼節(jié)點為冗余路由器。由于載波通信距離有限，為實現(xiàn)終端節(jié)點可靠入網(wǎng)，則需要由協(xié)調(diào)器(集中器)發(fā)送組網(wǎng)命令，各支路節(jié)點(父節(jié)點和子節(jié)點)由近及遠逐層配置，最終載波通信網(wǎng)絡(luò)邏輯分層與中繼節(jié)點分布示意如圖3所示。

圖3　電力線網(wǎng)絡(luò)邏輯分層與中繼節(jié)點分布示意圖

在形成的上述網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖中，當(dāng)主中繼節(jié)點失效后，由從中繼節(jié)點代替主中繼節(jié)點的相關(guān)功能對本層子節(jié)點進行維護，其工作原理如圖4所示。

圖4　從中繼節(jié)點消息轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

2.2分組接入控制策略

目前的電力線載波通信系統(tǒng)在進行信息終端業(yè)務(wù)通信時，主要采用的是輪詢接入控制的方式，在G3-PLC中主要采用CSMA/CA算法來解決節(jié)點接入問題，該算法具有擴展性好、數(shù)據(jù)傳輸時延小、對節(jié)點間的同步要求不高的特點。但當(dāng)競爭發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點比較多時，節(jié)點可能要多次偵聽信道，并且由于該瓦斯檢測網(wǎng)絡(luò)潛在數(shù)據(jù)沖突節(jié)點的數(shù)量較多，在一定程度上影響了節(jié)點的接入效率和信道資源利用率，因此需要根據(jù)電力線信道的特點設(shè)計適合IPv6通信的電力線載波通信接入控制方式，從而使電力載波數(shù)據(jù)傳輸更為可靠，并提高電力線載波網(wǎng)絡(luò)信道利用率。將IPv6應(yīng)用于電力線載波中，新節(jié)點入網(wǎng)過程如圖5所示。

圖5　IPv6電力線載波網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入示意圖

分組接入控制策略即將電力線載波網(wǎng)絡(luò)的成員節(jié)點進行分組，為不同組的節(jié)點分配不同的時隙。屬于不同組的成員節(jié)點在不同的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，可有效避免數(shù)據(jù)沖突，而同組節(jié)點則采用隨機競爭機制發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)計時隙是循環(huán)分配的，即如果網(wǎng)絡(luò)中有n個分組，則任何一個分組在所分配的時隙結(jié)束后，要等待(n-1)個時隙的時間長度才能再次被分配時隙。

實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時隙分配，首先需要設(shè)計節(jié)點的分組規(guī)則，節(jié)點分組的好壞直接影響著時隙分配的管理效果，每個父節(jié)點都會有一個或多個子節(jié)點，這些子節(jié)點是按照一定先后次序與父節(jié)點連接的。將每個父節(jié)點所接收的第一個子節(jié)點看作一組，接收的第二個子節(jié)點看作另一組，以此類推即可完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分組，形成的分組如圖6所示。

圖6　電力線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分組示意圖

該分組控制方法一方面隨著網(wǎng)絡(luò)的形成子節(jié)點可自動分組，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開始工作以后，如果有新的成員節(jié)點加入，則可在不影響其他成員節(jié)點的情況下自動加入現(xiàn)有的某個分組或形成新的分組，無需人工干預(yù)，具有一定的靈活性和擴展性。另一方面，由于同組節(jié)點分布比較分散，且無線傳感器節(jié)點的通信范圍有限，因此同組節(jié)點中距離較遠的節(jié)點可同時互不干擾地發(fā)送信息，進一步減少數(shù)據(jù)沖突。

2.3冗余路由備份策略

在電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中，其物理拓撲結(jié)構(gòu)主要為一種基于樹型的混合拓撲結(jié)構(gòu)，在將IPv6技術(shù)應(yīng)用于載波通信系統(tǒng)中時，其形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要為樹型，即節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)時，選取合適的父節(jié)點進行加入。為了擴大組網(wǎng)的規(guī)模，子節(jié)點一般選取網(wǎng)絡(luò)深度較小的節(jié)點為其直接父節(jié)點，這樣雖然減小了分層的層數(shù)，擴大了組網(wǎng)的規(guī)模，但沒考慮鏈路質(zhì)量等信息。在這種情況下形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)其通信鏈路較單一，網(wǎng)絡(luò)抗毀性較差，為此，提出一種冗余父節(jié)點選取策略，以實現(xiàn)在基于IPv6的電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

新入網(wǎng)節(jié)點通過發(fā)送信標(biāo)請求幀進行入網(wǎng)請求，已入網(wǎng)節(jié)點通過對其回復(fù)信標(biāo)響應(yīng)，將其加為自己的子節(jié)點，新節(jié)點的直接父節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)深度最小的節(jié)點中進行選取，這樣可擴大組網(wǎng)的規(guī)模。冗余父節(jié)點則依據(jù)鏈路質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)深度的綜合權(quán)值進行選取，對不滿足上述要求的節(jié)點回復(fù)的信標(biāo)響應(yīng)直接忽略。新節(jié)點入網(wǎng)過程中對父節(jié)點的選取如圖7所示。

圖7　節(jié)點入網(wǎng)父節(jié)點選取示意圖

3　測試與驗證

3.1測試平臺搭建

為驗證所提出的電力線IPv6通信冗余路由機制的性能，搭建載波通信測試平臺，該測試平臺拓撲結(jié)構(gòu)為常見的配電網(wǎng)樹型拓撲，如圖8所示。在所搭建的測試平臺上，終端節(jié)點在入網(wǎng)成功后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自動完成IPv6地址的配置，形成一個以集中器為根節(jié)點的層次轉(zhuǎn)發(fā)樹網(wǎng)絡(luò)模型。為了測試鏈路中斷下路由恢復(fù)情況，通過在載波通信網(wǎng)絡(luò)某一固定位置接入電力線信道衰減調(diào)試儀，對載波通頻帶范圍內(nèi)的信號進行衰減以模擬鏈路故障，從而使節(jié)點工作在冗余路由模式下。

圖8　電力線載波測試平臺

3.2測試結(jié)果分析

通過上述搭建的測試系統(tǒng)，構(gòu)建相應(yīng)的層次樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)合樹型路由轉(zhuǎn)發(fā)機制，實現(xiàn)基于樹型路由的IPv6報文多跳傳輸功能的測試。測試中利用上位機界面發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)幀，通過集中器下發(fā)到對應(yīng)的載波節(jié)點。對不同載波節(jié)點進行重復(fù)測試，通過上位機對載波節(jié)點成功回復(fù)的報文數(shù)量進行統(tǒng)計，并利用串口調(diào)試助手對載波節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)報文時間信息進行打印。對比了普通帶狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與本文的基于層次樹的冗余路由機制的報文成功率和數(shù)據(jù)傳輸時延。

圖9給出了數(shù)據(jù)報文傳輸時延，從圖中可以看出，普通網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)由于呈現(xiàn)一種帶狀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)在傳輸時只能通過其相鄰節(jié)點或中繼進行數(shù)據(jù)傳輸。而基于層次樹的網(wǎng)絡(luò)拓撲而言，網(wǎng)絡(luò)拓撲呈現(xiàn)的是一種樹狀，數(shù)據(jù)包可以直接傳輸至下一層的節(jié)點或中繼，大大降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延。

圖9　數(shù)據(jù)傳輸時延對比

圖10為普通路由方式與層次樹冗余路由方式在相同發(fā)包數(shù)量情況下，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加數(shù)據(jù)報文投遞率的統(tǒng)計情況。

圖10　數(shù)據(jù)包投遞成功率對比

從圖10中可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，普通路由方式只能選擇其中繼父節(jié)點進行通信，當(dāng)父節(jié)點出現(xiàn)故障或通信鏈路受損時，將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。而相對于具有冗余機制的樹形路由而言，若其主中繼節(jié)點出現(xiàn)故障時，則其可以選擇冗余備份路徑進行傳輸，從而增加了數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)某晒β省?/p>

結(jié)　語

本文以提高電力線IPv6通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性為目的，結(jié)合電力線載波網(wǎng)絡(luò)的特性，針對配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，提出了一種層次化冗余路由機制，通過IPv6地址分配策略將載波網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)造成一顆層次轉(zhuǎn)發(fā)樹，各節(jié)點以入網(wǎng)后獲取的IPv6地址塊進行子節(jié)點的地址管理，并在層次轉(zhuǎn)發(fā)樹模型下實現(xiàn)了對IPv6報文的傳遞，從而減小了報文的傳輸時延。

在網(wǎng)絡(luò)故障時，依據(jù)IPv6協(xié)議設(shè)計的冗余路由尋址方法，能夠在不增加控制報文的前提下，使載波節(jié)點將IPv6報文有效地傳至目的節(jié)點，以較小的開銷實現(xiàn)了路由的快速恢復(fù)。

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文成亮、何金星(碩士研究生)，研究方向為電力通信技術(shù)。

Low-voltage Power Line Carrier Communication Routing Technology and Access Mechanism Based on IPv6

Wen Chengliang,Tang Liang,He Jinxing,Du Yanhong,Huang Shenggang

(Key Laboratory of Industrial Internet of Things&Networked Control,Ministry of Education,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In view of the low-reliability in the data transmission of low-voltage power line carrier communication network,the existing networking methods and access strategy in power line carrier communication network are researched.Meanwhile the IPv6 address allocation algorithm and the node access strategy are introduced,and the low-voltage power line carrier communication network architecture based on the hierarchy tree is designed.The design improves the network stability and reliability of communication through the way of redundant nodes.The test results show that the proposed networking algorithm improves the robustness of the network structure and the reliability of the message transmission.

low-voltage power line carrier communication;IPv6 address;networking method

重慶市研究生科研創(chuàng)新項目(基于IPv6技術(shù)的電力載波通信網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究，項目編號為CYS14148)。

TN913.6

A

(責(zé)任編輯：楊迪娜2016-04-05)