宗 宇 霍梅梅 鄭增威

1(安徽理工大學計算機科學與工程學院 安徽 淮南 232001)2(浙江大學城市學院 杭州市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室 浙江 杭州 310015)

智能電網(wǎng)鄰域網(wǎng)路由算法研究進展

宗 宇1,2霍梅梅2鄭增威2

1(安徽理工大學計算機科學與工程學院 安徽 淮南 232001)2(浙江大學城市學院 杭州市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室 浙江 杭州 310015)

鄰域網(wǎng)是智能電網(wǎng)通信網(wǎng)的最后一英里通信，也是智能電網(wǎng)的重要組成部分。高效的通信是實現(xiàn)智能電網(wǎng)前提，路由算法是其提高網(wǎng)絡(luò)通信能力的關(guān)鍵核心技術(shù)。根據(jù)鄰域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及其通信特點，首先分析適用鄰域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；其次對適用于鄰域網(wǎng)的路由算法研究現(xiàn)狀進行綜述，著重分析適用于鄰域網(wǎng)的RPL(Routing Protocol for LLNs)和HWMP(Hybrid Wireless Mesh Protocol)改進算法性能及在鄰域網(wǎng)中的實用性，并分析改進算法存在的不足；最后總結(jié)鄰域網(wǎng)路由算法后續(xù)研究面臨的問題與挑戰(zhàn)。

智能電網(wǎng) 鄰域網(wǎng) 路由算法 RPL HWMP

0 引 言

智能電網(wǎng)是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過先進的傳感和測量技術(shù)、設(shè)備控制方法以及智能決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。其主要特征包括自愈、激勵、抵御攻擊、提供滿足未來用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行[1]。

為實現(xiàn)智能電網(wǎng)可靠、有效運行，需設(shè)計一個安全、可靠的智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)SGCN(Smart Grid Communication Network)來實現(xiàn)SG中的相關(guān)應(yīng)用正常工作。SGCN一般可以分為三個部分：廣域網(wǎng)WAN(Wide Area Network)、NAN和家庭局域網(wǎng)HAN(Home Area Network)。NAN由成千上萬個智能電表SM(Smart Meter)和一些數(shù)據(jù)傳送裝置組成，負責收集、處理和傳遞用戶數(shù)據(jù)工作，在整個SGCN中，處于中間位置，連接著WAN和HAN，通過數(shù)據(jù)聚合器單元(由NAN網(wǎng)關(guān)組成)與WAN連接，通過智能電表與HAN連接，在SGCN中起著重要的橋梁作用。所以NAN通信質(zhì)量決定了整個SGCN運行效率和可靠性[1-3]。NAN和移動自組網(wǎng)有所不同，具有如下特點：

1) 適應(yīng)力強

NAN覆蓋范圍較大，地理環(huán)境相對復(fù)雜，需具有較強的通信適應(yīng)能力。

2) 自愈性強

當一個節(jié)點或幾個節(jié)點出現(xiàn)通信故障等問題時，NAN將采取相應(yīng)的措施進行修復(fù)或者重建，從而保證整個網(wǎng)絡(luò)正常運行。

3) 可擴展

可擴展性表現(xiàn)在，一是覆蓋面積的可擴展；二是NAN中端節(jié)點數(shù)目的可擴展。

4) 支持多道通信

NAN中節(jié)點分布較多，節(jié)點之間通信需求大，支持多道通信，可以提高通信效率。

在NAN中要實現(xiàn)安全、高效、可靠通信，路由算法設(shè)計是關(guān)鍵問題，路由算法的優(yōu)劣直接影響著數(shù)據(jù)傳輸，影響著整個通信體系性能。本文首先介紹了NAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；然后分析了NAN的路由算法研究現(xiàn)狀，特別對RPL和HWMP協(xié)議進行了詳細分析；接著對NAN路由算法性能參數(shù)和仿真工具進行了研究；最后，對NAN路由算法研究中存在的問題進行了描述，并對后續(xù)路由算法研究中面臨的挑戰(zhàn)進行了簡要總結(jié)。

1 NAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

NAN物理上可以看作是在一個覆蓋面積為1～10 km2范圍內(nèi)，通過有線或無線鏈路進行通信的設(shè)備分布圖，只考慮物理上的網(wǎng)絡(luò)拓撲并不能很好地實現(xiàn)NAN節(jié)點間通信，還要考慮到網(wǎng)絡(luò)拓撲中節(jié)點之間邏輯關(guān)系。

在NAN中，把每一個設(shè)備看作一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點并不都需要和其他節(jié)點通信。其中一些節(jié)點雖然物理上連通，但邏輯上不需要連通，所以就需要設(shè)計NAN邏輯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，來描述節(jié)點之間的連通關(guān)系。邏輯關(guān)系可以通過連接矩陣的方式，也可以通過有向無環(huán)圖的方式表示。例如，簡化一下NAN網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)由A-G組成，它的物理拓撲結(jié)構(gòu)如圖1的下平面所示，實線表示節(jié)點之間連通。而A-G的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)如圖1的上平面所示。

物理拓撲結(jié)構(gòu)中，節(jié)點B與節(jié)點C物理相連，而邏輯上不相連，不產(chǎn)生通信流。而且節(jié)點D不需要與其他節(jié)點通信，不出現(xiàn)在邏輯拓撲結(jié)構(gòu)上。所以，我們更加關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)，邏輯拓撲結(jié)構(gòu)表現(xiàn)節(jié)點之間的通信[1]。

通過邏輯拓撲結(jié)構(gòu)，我們可以清楚地觀察到各節(jié)點之間的通信關(guān)系，在邏輯拓撲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，再要進行優(yōu)化可以采用分簇方法進行。最終，根據(jù)該拓撲設(shè)計合適的路由算法，實現(xiàn)高效、安全、可靠的通信。

圖1 NAN物理拓撲結(jié)構(gòu)與邏輯拓撲結(jié)構(gòu)(上平面圖為NAN邏輯結(jié)構(gòu)圖，下平面圖為其物理拓撲結(jié)構(gòu)圖)

NAN一般都是事先規(guī)劃的，節(jié)點一般是靜態(tài)的，只有當節(jié)點發(fā)生中斷或者有其他節(jié)點加入時才會發(fā)生改變。NAN網(wǎng)絡(luò)拓撲屬于中低度動態(tài)，相比無線傳感網(wǎng)WSN和移動自組網(wǎng)MANET拓撲結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信模式一般是網(wǎng)關(guān)節(jié)點到普通節(jié)點P2MP(Point to Multi-Point)或者普通節(jié)點到網(wǎng)關(guān)MP2P(Multi-Point to Point)的通信[4-5]。

適用于NAN的通信方式可以是無線網(wǎng)狀網(wǎng)WMN(Wireless Mesh Networks)、電力線通信網(wǎng)PLC(Power Line Communication)。PLC在配電線方面有廣泛的應(yīng)用，PLC安裝成本低，考慮到成本問題，在SG中有應(yīng)用價值。而由于安裝的靈活性，無線通信可以有效地替代所有的有線通信基礎(chǔ)設(shè)施，無線通信技術(shù)能在沒有附加纜線開銷的情況下實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)測。所以，無線通信技術(shù)在NAN中也得到了廣泛的使用。WMN是一個多跳無線網(wǎng)絡(luò)，一般適用于社區(qū)網(wǎng)絡(luò)，事先規(guī)劃再部署，拓撲結(jié)構(gòu)屬于中度動態(tài)，節(jié)點準靜態(tài)[6-7]。

WMN與 NAN的結(jié)構(gòu)較為相似，使用WMN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接SM是非常合適的選擇， WMN具有自愈性和可擴展性，而且可以提供很多冗余的通信路徑[2，8-12]。

WMN可以看作是一個低功耗、有損網(wǎng)絡(luò)，WMN的特點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量和存儲空間有限，數(shù)據(jù)傳輸率較低。而在NAN通信中，對于數(shù)據(jù)傳輸率、及數(shù)據(jù)傳送的可靠性及安全性有著一定的要求，特別是由控制中心發(fā)送到終端的數(shù)據(jù)對傳輸?shù)膶崟r性也要求較高。直接將適用于WMN的RPL算法和HWMP算法移植到NAN網(wǎng)絡(luò)中是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笊线€需進一步改進。設(shè)計符合NAN通信特點的路由算法是提高NAN通信能力的關(guān)鍵技術(shù)。

2 NAN路由算法研究現(xiàn)狀

2.1 適用于NAN路由算法

基于上述問題，眾多學者開展了NAN路由算法相關(guān)研究工作。學者們對于適用于NAN的路由算法的研究主要針對于路由的QoS(Quality of Service)，路由的可靠性和安全性。其中對于QoS及可靠性的研究居多，一個面向用戶的應(yīng)用體系，數(shù)據(jù)的高質(zhì)量和可靠的傳輸是有效通信的前提。本文總結(jié)了適用于NAN的路由協(xié)議算法如表1所示，其中包括可靠性路由協(xié)議[13-17]，安全性路由協(xié)議[18-20]，適用于PLC的路由協(xié)議[21]，RPL適用于低功耗、有損網(wǎng)絡(luò)，HWMP為IEEE802.11s的默認協(xié)議。

SG通信中需要滿足QoS、帶寬、延遲、速率、安全性和可用性[7]。NAN通信部件對通信帶寬、延時、QoS和安全性都有著較高要求，一個合適的路由算法是至關(guān)重要的。本文對學者們研究較多的RPL與HWMP的改進算法進行了分析和總結(jié)，并提出了下一步的研究方向。

表1 適用于NAN路由算法性能比較[6]

2.2 基于RPL協(xié)議改進

RPL算法是由ROLL工作組制定，用于低功耗有損網(wǎng)絡(luò)、AMI網(wǎng)絡(luò)(Advanced Metering Infrastructure Network)路由算法，RPL最初設(shè)計是使用最小的存儲開銷、采用簡單路由實現(xiàn)有損網(wǎng)絡(luò)通信。

RPL算法是通過建立樹形的面向目的節(jié)點的有向無環(huán)DODAG(Destination Oriented Directed Acyclic Graph)建立整個網(wǎng)絡(luò)的路由拓撲圖。DODAG的建立由四個消息實現(xiàn)：DIS請求消息、DIO信息對象發(fā)布消息、DAO目的地通告消息以及DAO-ACK目的地通告應(yīng)答消息。首先根節(jié)點(匯集節(jié)點)廣播DIO消息(DIO信息包中包含著節(jié)點編號信息、發(fā)送節(jié)點的路徑深度(Rank)和路由指標)，其他節(jié)點受到DIO消息后，根據(jù)目標函數(shù)、路徑開銷來選擇是否加入該DODAG中。選擇加入父節(jié)點后，向父節(jié)點發(fā)送DAO 消息，告知父節(jié)點已加入DODAG中，父節(jié)點收到DAO消息后會發(fā)送DAO-ACK消息。每個節(jié)點都有一個時鐘周期，如果在到達時鐘周期后還沒有收到廣播的DIO消息，將主動發(fā)出DIS請求消息，離該節(jié)點最近的節(jié)點收到DIS消息后，將廣播DIO消息，讓該節(jié)點加入DODAG中。

RPL支持三種類型的數(shù)據(jù)通信模型：點到點P2P(Point to Point)、MP2P和P2MP。RPL支持存儲式和非存儲式兩種工作模式。兩者最大的區(qū)別在于非存儲模式中，普通節(jié)點不存儲路由數(shù)據(jù)，只有根節(jié)點存儲路由信息；存儲模式中，普通節(jié)點與根節(jié)點都存儲路由信息。在存儲和非存儲模式中，在父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)子孫節(jié)點發(fā)來的DAO消息也有不同。在存儲式中，父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點的DAO消息并維護一個路由表，記錄到達子孫節(jié)點的下一跳。而在非存儲模式中，父節(jié)點直接轉(zhuǎn)發(fā)子孫節(jié)點的DAO消息，根節(jié)點根據(jù)收到的DAO消息，計算出DODAG[18, 22,27, 29-30]。

SG中節(jié)點具有存儲能力有限、能量有限、低帶寬和不穩(wěn)定的特點。在NAN中應(yīng)用RPL協(xié)議是較合適的，但在數(shù)據(jù)傳輸實時性及可靠性方面仍有不足。通過仿真表明RPL有很好的擴展性，但其中部分節(jié)點存在嚴重的不可靠性[22]。RPL不可靠的原因是由于RPL缺乏完整的鏈路質(zhì)量認知，往往選擇的路徑是不可靠的；RPL中的路徑選擇最優(yōu)路徑，在最優(yōu)路徑中斷時不能及時恢復(fù)，數(shù)據(jù)包丟失。[22,31]。

Wang等針對RPL應(yīng)用于SG存在的不足，結(jié)合SG通信需求，進行了兩個方面的改進：一是增加EXT(Expected Transmission Count)路由判據(jù)參數(shù)；二是添加反向路徑記錄機制。RPL中的每個節(jié)點都有一個唯一ID[13]，節(jié)點存儲信息包括該節(jié)點的Rank值、Parent List、default Parent ID和Destination List。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的存儲信息包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點的Rank(一般為常數(shù))和Destination List。在Rank值基礎(chǔ)上增加一個EXT路由判據(jù)參數(shù)，每一個路徑的EXT都會隨著數(shù)據(jù)的傳輸改變，Rank值再結(jié)合EXT進行鏈路的選擇，大大提高了通信鏈路QoS。但隨著通信過程中EXT的改變會引起有向無環(huán)圖結(jié)構(gòu)的改變，給路由維護增加了難度。反向路由記錄機制將數(shù)據(jù)包的最近一跳添加到下一跳ID中，在不增加額外協(xié)議開銷的情況下在數(shù)據(jù)包傳輸率和端到端延時上有很大的改進。

Kulkarni 等針對RPL在鏈路QoS選擇和維護機制上的不足提出了相應(yīng)的解決方案：一是針對鏈路QoS問題，主要是通過下一跳的選擇，利用Channel掃描機制尋找最合適的下一跳節(jié)點。每個節(jié)點都維護一個存放Rank值的數(shù)組，通過掃描數(shù)組得到最大Rank值作為最優(yōu)下一跳。二是對RPL恢復(fù)機制存在的缺陷，通過鏈路連通性檢測發(fā)現(xiàn)鏈路或節(jié)點中斷，及時修復(fù)，減少修復(fù)時間[32]。該方案的下一跳的選擇機制增加了RPL的自組織能力，具有很強的實用性，在一定程度上提高了RPL的鏈路QoS及可靠性，指出下一步的研究工作將是網(wǎng)關(guān)節(jié)點負載平衡的問題。

在SG通信過程中，鏈路的穩(wěn)定性尤為重要。Yang等人針對提高鏈路的穩(wěn)定性，提出了SRPL(Stability RPL)算法。在RPL協(xié)議基礎(chǔ)上增加了一個穩(wěn)定性SI參數(shù)，用于衡量路由穩(wěn)定性[33]。SRPL主要通過控制消息的傳輸率來衡量一個節(jié)點或一個DODAG的穩(wěn)定性，SI通過監(jiān)聽消息(HWc)計算得來，HWc用于記錄鄰居節(jié)點的接收包。SI分為節(jié)點SI和DODAG SI，節(jié)點SI定義為：

(1)

DODAG SI定義為：

(2)

SRPL在控制消息的開銷上減少了90%；數(shù)據(jù)包傳輸率上有了很大的改進，大大提高了通信鏈路的穩(wěn)定性。

RPL支持存儲和非存儲兩種模式，但在同一網(wǎng)絡(luò)分區(qū)中只能使用一種模式。而NAN中節(jié)點之間需要雙向通信。為解決只能使用一種模式的缺點，提高節(jié)點之間的交互性，Ko等提出了DualMOP-RPL協(xié)議[34]。該算法思想是在存儲空間大的節(jié)點采用存儲模式，在低存儲節(jié)點使用非存儲模式，可以在根節(jié)點出錯時，及時修改選擇新的根節(jié)點。由于在混合模式中，一個模式中的節(jié)點加入到另一個模式中，只能充當葉子節(jié)點，沒有路由節(jié)點的功能，無法進行向上和向下的通信，DualMOP-RPL協(xié)議對RPL進行了四個方面的修改：第一，在向上路由通信時，葉子節(jié)點可以作為路由節(jié)點。第二，在向下路由通信時，對DAO的傳輸方式進行了修改，第三，針對非存儲模式的節(jié)點的DAO幀格式修改，在存儲模式和非存儲模式中的DAO幀必須都有TransitOption。第四，非存儲和存儲模式的節(jié)點都需要支持源路由報頭。DualMOP-RPL很好地實現(xiàn)了NAN中節(jié)點相互操作性。

Wang[13]、Kulkarni[32]、Yang[33]和Ko[34]針對RPL應(yīng)用于SG通信體系中存在的問題進行了改進，RPL的性能大大提高，在鏈路QoS、路由的穩(wěn)定性、可靠性更為符合SG應(yīng)用場景的需求。但在四種改進方案中，普通節(jié)點的路由表結(jié)構(gòu)都發(fā)生了改變，在一定程度上增加了普通節(jié)點的存儲開銷。在NAN中，節(jié)點的存儲空間是相對有限的。

針對存儲式普通節(jié)點的存儲開銷大的缺點，楊紅等提出了一個B-RPL算法[35]，該算法通過修改RPL中的轉(zhuǎn)發(fā)方式和路由表結(jié)構(gòu)，在路由表中增加一個布隆過濾器對節(jié)點地址進行過濾，通過k個哈希函數(shù)進行地址的映射，間接存儲子孫節(jié)點的IP地址。在進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，先進行IP地址校驗，再進行選擇性轉(zhuǎn)發(fā)。布隆過濾器的使用避免了盲目的轉(zhuǎn)發(fā)，減少控制消息的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量和路由節(jié)點的存儲空間。仿真結(jié)果表明，在一定程度上有效地節(jié)省了存儲開銷問題。

以上的改進方案針對NAN通信的可靠性和QoS兩個方面， RPL的穩(wěn)定性、可靠性和QoS得到一定的提高，總結(jié)如表2所示。Wang等提出的方案簡單但實用性較高。Kulkarni等提出的SRPL算法鏈路的穩(wěn)定性得到提高但增加了節(jié)點的計算能力，增加了節(jié)點能量開銷，在低功耗的環(huán)境下節(jié)點能量也是至關(guān)重要的。

表2 RPL算法改進小結(jié)

續(xù)表2

DualMOP-RPL協(xié)議很好地實現(xiàn)了節(jié)點之間交互性，符合SG的通信特點。B-RPL協(xié)議解決節(jié)點存儲開銷問題。以上方案在鏈路QoS及可靠性方面得到了一定程度的提高，更為合適SG的通信體系。但針對RPL在SG中的應(yīng)用，仍然存在很多需要研究的方向，如節(jié)點如何選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)，解決避免路由波動的問題，增大數(shù)據(jù)包的吞吐量的方面都是接下來需要進行研究的內(nèi)容。

2.3 HWMP協(xié)議及改進

HWMP是一種混合無線MESH網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是反應(yīng)式和主動式路由有效結(jié)合。反應(yīng)式在無根節(jié)點的情況下使用，它通過廣播PREQ消息，和收到目的節(jié)點發(fā)來的單播PREP消息建立源節(jié)點和目的節(jié)點的通信鏈路，實現(xiàn)P2P通信。主動式是在根節(jié)點存在的情況下使用，根節(jié)點通過兩種方式進行路由的發(fā)現(xiàn)：PREQ機制和RANN機制。PREQ機制首先廣播PREQ消息，當且僅當在收到的RPEQ消息中存在這更大或相等的序列號或更好的Metric時，才更新該點到根節(jié)點的路由。RANN機制中根節(jié)點周期性的廣播RANN消息，每個節(jié)點收到后，通過向根節(jié)點單播發(fā)送PREQ消息建立或更新到根節(jié)點的前向路由，之后根節(jié)點發(fā)送PREP消息作為回應(yīng)[36]。

HWMP中重要的鏈路參數(shù)為Airtime Link Metric，表示一個8192 bits的數(shù)據(jù)幀的傳輸時間，其計算公式為：

(3)

(4)

其中，Ca就是當前鏈路的Airtime Link Metric，O代表頭開銷，包含preamble、plcphead等一起消耗的時長，Bt是固定值8192。r代表傳輸速率，ef代表當前鏈路的誤碼率。Mn為節(jié)點n的MAC層重傳數(shù)目，P代表節(jié)點n重傳包的數(shù)量，Rmax代表允許重傳的最大值。最終的metric value是按照0.01TU單位的整數(shù)倍來衡量。Metric越小，代表當前mesh鏈路數(shù)據(jù)傳輸占用時間越短，效率越高，路徑越優(yōu)。

IEEE 802.11s支持高質(zhì)量、高速的數(shù)據(jù)傳輸，單播、多播和廣播通信都支持。但在HWMP中，先應(yīng)式中即使兩個MP間存在較短路徑，都需要通過根節(jié)點中轉(zhuǎn)，受根節(jié)點控制，根節(jié)點容易出現(xiàn)“瓶頸”問題；在主動式中，在一個RANN消息周期上，鏈路選擇參數(shù)存在著缺陷，鏈路是正進行傳輸數(shù)據(jù)或該鏈路偶然出現(xiàn)中斷，會使鏈路選擇參數(shù)變差，使得在下一周期中選擇最優(yōu)的路徑，但可能并不是最優(yōu)的，會使得每一次的兩個節(jié)點之間的通信都是使用不同的鏈路；HWMP全局節(jié)點的恢復(fù)機制應(yīng)用于對傳輸效率要求較高的NAN中也是不太合適的。還需對HWMP結(jié)合NAN的通信要求進行改進，使之更好地應(yīng)用到到NAN中[38]。

HWMP應(yīng)用于SG存在著路由波動問題、路徑恢復(fù)時間較長、airtime cost 路由判據(jù)不能很好地反應(yīng)SG通信體系中鏈路QoS和SG中不同數(shù)據(jù)包的延遲需求不同。Kim等結(jié)合上述問題提出了HWMP-RE協(xié)議、考慮到不同數(shù)據(jù)包的大小將會影響鏈路錯誤率，將式(4)改為式(5)[14]：

(5)

其中，Bi代表i包的字節(jié)數(shù)，Bmax代表允許的最大字節(jié)數(shù)，在MPDU中默認為1024字節(jié)。所以，ef的值在[0，1]，將更適用于NAN中。

針對路由波動的問題，采用路由波動避免算法，將當前的RANN消息和之前RANN消息的路徑都存儲在路由表中。只有當前最優(yōu)路徑的Metric比保留值大時，進行最優(yōu)路徑修改?；謴?fù)機制中采用 One-hop回溯尋求路徑，大大縮短了恢復(fù)路徑的時間。針對不同數(shù)據(jù)包傳輸?shù)难舆t需求不同，在協(xié)議MAC層上實行延遲容忍機制。

和HWMP相比，該方法數(shù)據(jù)包傳輸率較高、重傳率較低、增加了路徑的穩(wěn)定性、改善了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。但當節(jié)點為49時，端到端的延時遠遠超過原協(xié)議的延時。

Gharaviet等針對網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點的自治愈性、鏈路可靠性及數(shù)據(jù)包的吞吐量進行改進，一是提出Tree-based Multipath Diversity Routing機制，采用多網(wǎng)關(guān)和備用路徑的機制，大大提高了鏈路的可靠性；二是采用了一種基于數(shù)據(jù)包反壓力的網(wǎng)關(guān)選擇機制，用于實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的負載平衡的問題，下一跳的選擇參數(shù)NHS由排隊長度和鄰居節(jié)點最優(yōu)路徑參數(shù)BPM(Best Path Metric)的組合，NHS越小，即為最優(yōu)。三是采用MultiChannel(MC)Routing機制[17]。MC機制為當一個節(jié)點選擇了最優(yōu)的鄰居節(jié)點后，通過查找BPM選擇網(wǎng)關(guān)，一旦網(wǎng)關(guān)選定后，每個網(wǎng)關(guān)對應(yīng)著一個Channel，則從該節(jié)點到選定的網(wǎng)關(guān)通信將在該Channel上傳輸。

Tree-based Multipath Diversity Routing機制通過多網(wǎng)關(guān)路徑和基于定時器的備用路徑方案提高了通信的可靠性，但在備用路徑增加了節(jié)點的存儲空間；網(wǎng)關(guān)選擇機制減少了網(wǎng)關(guān)負載平衡的問題，但增加了普通節(jié)點的計算量；MC機制很大程度上減少了數(shù)據(jù)傳送的排隊等待時間，減少了通信延時，增加了數(shù)據(jù)的吞吐量。

Kim[14]和Gharavi[17]等針對適用于SG的QoS及可靠性需求進行改進，使得改進后的協(xié)議更為合適SG的通信,如表3所示。但仍然存在很多需要研究的方向，例如如何在提高鏈路QoS的基礎(chǔ)上，不增加端到端的延時，以及針對SG不同類型數(shù)據(jù)包的延時及可靠性需求設(shè)計更為合適SG的路由算法。在Gharaviet等的基礎(chǔ)上還需考慮避免同信道干擾等方面的問題[37]。

表3 HWMP改進算法小結(jié)

2.4 路由協(xié)議的性能參數(shù)與仿真工具

2.4.1 路由協(xié)議的性能參數(shù)

NAN數(shù)據(jù)通信對路由協(xié)議的性能參數(shù)也有著一定的要求，主要參數(shù)有吞吐量、數(shù)據(jù)包傳輸率、平均包延時(端到端延時)、包錯誤率和節(jié)點中斷概率等[9,10,38]。平均包延時定義為[38]：

(6)

pe=1-(1-pb)Ld

(7)

(8)

其中Ld為數(shù)據(jù)包大小，Q()為標準正態(tài)分布函數(shù)，γ為信噪干擾比。

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)仿真工具

常用的網(wǎng)絡(luò)仿真工具有Matlab、OPENT和NS-3。Matlab編程效率高，擴充能力較強，還有很好的圖形處理功能，有很多的工具箱，對于通信的仿真減少了繁瑣的步驟[39]。OPENT是高科技網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、仿真及分析工具，在通信、國防以及計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到了廣泛的認可和采用[40]。NS-3是一個開源的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，相對Matlab而言，專業(yè)性更強。它給用戶提供了很多的網(wǎng)絡(luò)仿真模塊。NS-3并不是NS-2的升級版，而是一個全新的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真工具，兩者在功能模塊上也有著不同之處。NS-3較NS-2給研究者提供了更好的平臺[41]。

3 結(jié) 語

NAN中進行的主要是SM和控制中心的雙向數(shù)據(jù)通信，對于通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、實時性和數(shù)據(jù)傳輸率有著嚴格的要求。NAN是SG通信網(wǎng)的最后一英里通信，是SG的重要組成部分。路由算法是其提高網(wǎng)絡(luò)通信能力的關(guān)鍵核心技術(shù)， RPL和HWMP是應(yīng)用于SG通信體系較為合適的路由算法。

RPL適用于低功耗、有損網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于NAN中，存在著可靠性低、傳輸速率低的特點。針對RPL應(yīng)用于SG存在的缺陷，Wangl 等提出增加路由判據(jù)、備用路徑來提高路由的QoS和可靠性，該方案簡單且實用性較高。Kulkarni 等針對路由的穩(wěn)定性，引入了穩(wěn)定性參數(shù)SI，路由判據(jù)參數(shù)SI的引入進一步提高了選擇鏈路的穩(wěn)定性。DualMOP-RPL協(xié)議很好地實現(xiàn)了節(jié)點之間交互性。B-RPL協(xié)議針對解決節(jié)點存儲開銷問題，也起到了一定的作用。文中闡述了多個基于RPL算法的改進算法使之更為適用于SG通信體系，但仍存在著進一步需要研究的內(nèi)容，如節(jié)點如何選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)，解決避免路由波動的問題，增大數(shù)據(jù)包的吞吐量的方面都是需要進行下一步研究的內(nèi)容。

HWMP是基于IEEE802.11s的標準協(xié)議，適用于SG的通信體系，其數(shù)據(jù)傳輸率較高，但穩(wěn)定性和可靠性較差。HWMP-RE協(xié)議針對HWMP的可靠性和鏈路QoS，采用路由波動避免算法、One-hop回溯尋求路徑和延遲容忍機制，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；Gharaviet 等采用多網(wǎng)關(guān)和備用路徑的方式提高了路由的可靠性，增加了網(wǎng)絡(luò)拓撲的自愈性；采用基于數(shù)據(jù)包反向壓力的網(wǎng)關(guān)選擇機制，解決了網(wǎng)關(guān)負載平衡的問題；在增加數(shù)據(jù)吞吐量上采用MC機制，減少了數(shù)據(jù)傳送的排隊等待時間，減少了通信延時，增加了數(shù)據(jù)的吞吐量。但基于HWMP改進算法仍然存在很多需要研究的方向，例如在采用MC機制時還需考慮避免同信道干擾等方面的問題。

NAN中數(shù)據(jù)通信一般是用戶和控制中心的雙向通信，特別在MP2P的通信環(huán)節(jié)更需要考慮通信安全性的問題。其次針對增加數(shù)據(jù)傳輸率及減少網(wǎng)關(guān)“瓶頸”的問題，基于層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)路由算法將是未來多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展趨勢，再結(jié)合多頻道傳輸?shù)姆椒?，將在提高?shù)據(jù)傳輸率，減少端到端延時，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃陨献鞒鲐暙I。

設(shè)計符合NAN通信體系需求的路由算法仍存在很多值得研究和探討的內(nèi)容。

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RESEARCH PROCESS OF THE ROUTING ALGORITHM IN SMART GRID NEIGHBORHOOD AREA NETWORK

Zong Yu1,2Huo Meimei2Zheng Zengwei2

1(SchoolofComputerScienceandEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,Anhui,China)2(HangzhouKeyLaboratoryforIoTTechnologyandApplication,ZhejiangUniversityCityCollege,Hangzhou310015,Zhejiang,China)

Neighborhood Area Network (NAN) is the last one mile communication in Smart Grid (SG) communication network, which is an important part of the smart grid. Efficient communication is important to achieve Smart Grid and routing algorithm is the key technology to improve network performance. According to network topology and communication characteristic of NAN, the network topology which is applicable to NAN is firstly analyzed, then the research status of routing algorithm protocols in NAN are reviewed, especially the improved RPL and HWMP algorithm performance which are suitable for NAN and their practicability, and then the shortcoming of the improved RPL and HWMP algorithms is analyzed. Finally, the confronting problems and challenges of the NAN routing algorithm research are analyzed.

Smart Grid Neighborhood area network Network routing algorithm RPL HWMP

2015-12-07。浙江省自然科學基金項目(LY15F020 023)。宗宇，碩士生，主研領(lǐng)域：WSN，MANET路由協(xié)議。霍梅梅，副教授。鄭增威，教授。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.01.021