范 杰

基于低壓電力線載波技術(shù)的抄表系統(tǒng)組網(wǎng)及路由研究

范 杰

光一科技股份有限公司，江蘇 南京 211103

受到低壓電力通信線路特殊信道特性的影響，電力線傳輸期間信號(hào)發(fā)生沖突的可能性較大。抄表系統(tǒng)組網(wǎng)中必須著重考慮解決沖突對(duì)通信質(zhì)量的影響。在低壓電力載波網(wǎng)絡(luò)中，部分節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接與中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)建通信關(guān)系，需要依托其他載波節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的方式支持?jǐn)?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。因此，在抄表系統(tǒng)組網(wǎng)中必須著重考慮有關(guān)電力線信道介入以及路由算法方面的問(wèn)題，以確保抄表系統(tǒng)中低壓電力線載波網(wǎng)絡(luò)的高效性與穩(wěn)定性。

低壓電力線載波技術(shù)；抄表系統(tǒng)；組網(wǎng)；路由

1 電力信道接入分析

基于低壓電力線載波技術(shù)的抄表系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式為樹(shù)狀式，主要由采集器載波節(jié)點(diǎn)、電能表、以及集中器載波節(jié)點(diǎn)這幾個(gè)部分構(gòu)成，低壓電力線物理介質(zhì)在所有節(jié)點(diǎn)中全面共享。受這一特點(diǎn)的影響，在數(shù)據(jù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，需要提前評(píng)估信道狀態(tài)，以確保抄表系統(tǒng)運(yùn)行功能的正常性。一般情況下，可檢測(cè)到的載波節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)包括空閑、發(fā)送忙、以及接受忙這三大類(lèi)。僅空閑狀態(tài)下允許載波節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)物理層數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)，以免在其他狀態(tài)下受載波信號(hào)沖突因素影響而對(duì)信號(hào)接收情況產(chǎn)生影響。

為解決數(shù)據(jù)幀傳輸中信道接入存在的沖突問(wèn)題，可以嘗試引入基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突機(jī)制[1]。該機(jī)制以ACK信號(hào)為依據(jù)解決沖突。其基本原理時(shí)，當(dāng)載波節(jié)點(diǎn)發(fā)出通信指令且接收到信道ACK信號(hào)的情況下，方可確認(rèn)數(shù)據(jù)已被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)正確接受。整套工作機(jī)制的基本流程如圖1所示。結(jié)合圖1，以電力線電壓過(guò)零信號(hào)周期設(shè)置為退避周期，算法中涵蓋兩個(gè)主要變量：變量1是信道接入載波節(jié)點(diǎn)過(guò)程中，執(zhí)行算法進(jìn)行沖突避讓的次數(shù)。該變量初始值為0，若信道檢測(cè)狀態(tài)為忙，則執(zhí)行退避指令，變量值＋1，當(dāng)變量值超過(guò)預(yù)設(shè)最大限制后直接退出算法，返回失敗指令；變量2是沖突退避指數(shù)，該變量可直接反應(yīng)電力信道載波節(jié)點(diǎn)在發(fā)送載波數(shù)據(jù)前需要延時(shí)等待的時(shí)間。

2 路由算法分析

以下所研究路由算法需要建立在低壓電力線抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上運(yùn)行。考慮到窄帶電力線通信傳輸速率首先，因此在路徑搜索與優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用集中式的路由算法，以更好的尋找載波中繼節(jié)點(diǎn)，滿足抄表系統(tǒng)運(yùn)行要求[2]。以下即針對(duì)低壓電力線載波技術(shù)支持下抄表系統(tǒng)可選用的常見(jiàn)路由算法進(jìn)行分析：

圖1 載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突機(jī)制基本流程示意圖

2.1 泛洪算法

該路由算法在電力線載波網(wǎng)絡(luò)路由中應(yīng)用最為頻繁，尤其適用于低壓電力線載波情況，且操作過(guò)程簡(jiǎn)單有效，算法的核心是：當(dāng)某個(gè)通信節(jié)點(diǎn)接收到非重復(fù)性廣播數(shù)據(jù)幀后，該數(shù)據(jù)幀會(huì)被通過(guò)廣播的方式傳輸出去。下圖（如圖2）所示為泛洪算法中載波節(jié)點(diǎn)在接受數(shù)據(jù)后的處理方式。結(jié)合圖1，為針對(duì)數(shù)據(jù)幀展開(kāi)重復(fù)性檢測(cè)，每一載波節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)一個(gè)由數(shù)據(jù)幀路由地址信息以及數(shù)據(jù)幀序號(hào)信息所構(gòu)成的重復(fù)信息表。載波節(jié)點(diǎn)可通過(guò)對(duì)比重復(fù)信息表與自接受消息中所提供關(guān)鍵信息的方式，判定兩者是否涵蓋相同內(nèi)容。僅在數(shù)據(jù)生命周期＞0并且兩者對(duì)比無(wú)相同內(nèi)容的情況下，程序方可進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)流程，將數(shù)據(jù)幀中關(guān)鍵信息加入重復(fù)信息表內(nèi)進(jìn)行傳輸。若兩者對(duì)比存在相同內(nèi)容則直接丟棄數(shù)據(jù)幀即可[2]。

圖2 載波節(jié)點(diǎn)泛洪算法數(shù)據(jù)處理流程示意圖

本算法實(shí)際應(yīng)用中最大的局限性在于重復(fù)性數(shù)據(jù)幀的大量產(chǎn)生，會(huì)在一定程度上占用載波網(wǎng)絡(luò)資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率受到影響。但其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理要求不高，僅需完成數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)與應(yīng)答等基礎(chǔ)操作，無(wú)需涉及路由信息管理的問(wèn)題，因此具有可靠且基礎(chǔ)的特點(diǎn)。

2.2 蟻群算法

該路由算法是一種基于群智能優(yōu)化的基礎(chǔ)算法，剔除了對(duì)數(shù)學(xué)描述問(wèn)題的分析，在并行以及優(yōu)化方面具有突出優(yōu)勢(shì)。整個(gè)算法依托于對(duì)螞蟻行為的模擬，計(jì)算路徑解，且根據(jù)路徑上所行走螞蟻數(shù)量的增加而導(dǎo)致信息素濃度的升高，提高該路徑在螞蟻后續(xù)選擇中的命中率。在這一行為反復(fù)作用的過(guò)程下，最終僅會(huì)存在一條路徑達(dá)到目的地，即最優(yōu)路徑。圖3所示為蟻群算法數(shù)據(jù)處理流程的示意圖。

圖3 蟻群算法數(shù)據(jù)處理流程示意圖

結(jié)合圖3來(lái)看，當(dāng)抄表系統(tǒng)路由表經(jīng)過(guò)初始化處理后開(kāi)始進(jìn)行螞蟻搜索路徑，并根據(jù)決策規(guī)則以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則合理選擇下一節(jié)點(diǎn)，黨搜索到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后對(duì)局部信息素進(jìn)行更新處理，并判斷路徑是否處于收斂狀態(tài)。若路徑處于收斂狀態(tài)，則根據(jù)模擬螞蟻行為的方式搜索最短路徑，然后分別對(duì)全局信息素以及路由表信息進(jìn)行更新處理即可。作為典型的分布式路由算法，當(dāng)?shù)蛪弘娏€載波系統(tǒng)中落于信息完成搜索后，各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)均會(huì)對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行記錄，并將前進(jìn)至某一特定節(jié)點(diǎn)路徑的下一節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存于路由表信息中。若需要將數(shù)據(jù)傳輸至某載波節(jié)點(diǎn)，僅需指定節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)通信地址，然后由中繼節(jié)點(diǎn)自動(dòng)對(duì)下一中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搜索，以此種方式逐步將數(shù)據(jù)傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中。

本算法實(shí)際應(yīng)用中最大優(yōu)勢(shì)是具有分布式并行性的特點(diǎn)，因此對(duì)低壓電力線載波網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的特性有良好的適應(yīng)能力，但部分節(jié)點(diǎn)過(guò)度負(fù)載也是本算法實(shí)際應(yīng)用中存在的一點(diǎn)問(wèn)題。在具體操作中，需要工作人員根據(jù)低壓電力線載波下抄表系統(tǒng)的功能要求，對(duì)路由算法進(jìn)行合理選擇與優(yōu)化。

3 結(jié)束語(yǔ)

受到低壓電力通信線路特殊信道特性的影響，電力線傳輸期間信號(hào)發(fā)生沖突的可能性較大。為解決信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸中的沖突問(wèn)題，就必須圍繞抄表系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程中的信道接入問(wèn)題以及路由算法問(wèn)題展開(kāi)深入分析，以盡可能確保數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，從而保障低壓電力線載波下抄表系統(tǒng)相關(guān)功能運(yùn)行的正常與穩(wěn)定。

[1]戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2010（5）.

[2]蔣昭婷.電力線載波通信中的動(dòng)態(tài)路由算法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[3]王伊瑾.低壓電力線載波抄表系統(tǒng)路由算法研究及實(shí)現(xiàn)[D]. 保定：河北大學(xué)，2010.

[4]曾江黎.低壓電力線載波通信質(zhì)量及組網(wǎng)方式的研究[D]. 銀川：寧夏大學(xué)，2015.

Research on Networking and Routing of Meter Reading System Based on Low-Voltage Power Line Carrier Technology

Fan Jie

ELight Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211103

Due to the special channel characteristics of low-voltage power communication lines, it is more likely that the signals will collide during power line transmission. In the meter reading system network, the impact of conflict resolution on the communication quality must be considered. In a low-voltage power carrier network, some nodes cannot directly establish a communication relationship with a central node, and it is necessary to support the data transmission in the network by relying on the forwarding of other carrier nodes. Therefore, in the metering system networking, we must consider the power line channel intervention and routing algorithm issues to ensure the efficiency and stability of low-voltage power line carrier networks in the meter reading system.

low-voltage power line carrier technology; meter reading system; networking; routing

TM764

A

1009-6434（2017）12-0054-03