彭東，孫永亮，王民川

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川成都 610000；2.中州大學(xué)開(kāi)放教育學(xué)院，河南鄭州 450000）

電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法的研究

彭東1，孫永亮1，王民川2

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川成都 610000；2.中州大學(xué)開(kāi)放教育學(xué)院，河南鄭州 450000）

當(dāng)前電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法容易受到外界環(huán)境的干擾，影響組網(wǎng)結(jié)果，且效率較低。為此，提出一種新的電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法，給出電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模型。將快速隨跳技術(shù)應(yīng)用于電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，隨機(jī)選擇一組組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為初始動(dòng)態(tài)組網(wǎng)任務(wù)分布的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)終端，利用迭代獲取最優(yōu)解。在進(jìn)行迭代時(shí)，組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)測(cè)2個(gè)變量對(duì)其迭代過(guò)程進(jìn)行更新。為了增強(qiáng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的抗干擾能力，引入動(dòng)量慣性系數(shù)，為了對(duì)電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)過(guò)程中優(yōu)化方法的迭代速度進(jìn)行調(diào)控，引入調(diào)控速度的約束因子。依據(jù)信譽(yù)度保證組網(wǎng)安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法不僅抗干擾能力強(qiáng)，且效率較高。

電力；無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)；動(dòng)態(tài)組網(wǎng)

電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)可充分利用電力網(wǎng)絡(luò)資源，不僅可傳輸電力，還能傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音與視頻等多項(xiàng)業(yè)務(wù)，被廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，人們對(duì)電力無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性和實(shí)時(shí)性的要求越來(lái)越高[3-4]。因此，研究電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法具有重要意義，受到廣泛關(guān)注[5-6]。

文獻(xiàn)[7]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼的最短路徑算法構(gòu)建冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。該方法資源復(fù)用率較強(qiáng)，但實(shí)時(shí)性能較差；文獻(xiàn)[8]提出一種基于啟發(fā)式算法的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法，依據(jù)貪婪集合配置啟發(fā)式算法，以最大程度地挖掘網(wǎng)絡(luò)編碼，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。該方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，但具有一定的發(fā)散特性，無(wú)法保證系統(tǒng)收斂；文獻(xiàn)[9]提出一種基于無(wú)線wifi的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法，依據(jù)熱點(diǎn)距離權(quán)值重心構(gòu)造方法，通過(guò)無(wú)線wifi最優(yōu)熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，該方法效率較高，但適應(yīng)能力較低；文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信串路進(jìn)行調(diào)控，對(duì)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍進(jìn)行控制，以增強(qiáng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期與效率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，該方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性較低。

針對(duì)上述方法的弊端，提出一種新的電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法，給出電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模型。將快速隨跳技術(shù)應(yīng)用于電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，引入調(diào)控速度的約束因子。依據(jù)信譽(yù)度保證組網(wǎng)安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法不僅抗干擾能力強(qiáng)，且效率較高。

1 電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法

1.1 問(wèn)題描述

通常情況下，電力無(wú)線應(yīng)急通信是不能跨相通信的[11-12]，從邏輯拓?fù)涞慕嵌确治?，三相之間是并列且互不影響的，針對(duì)并列且獨(dú)立關(guān)系的拓?fù)洌梢詫⑵渲幸幌嗟倪壿嬐負(fù)淇醋鞣治鰧?duì)象。

如圖1所示，在對(duì)電力無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)進(jìn)行分析時(shí)，可用有權(quán)圖G（V，E）對(duì)其進(jìn)行描述，記作G（V（G），E（G））。

圖1 電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模型Fig.1 Networkingmodel of power w ireless emergency communication network

圖1中，V（G）用于描述圖G的節(jié)點(diǎn)集；元素v∈V用于描述圖G的一個(gè)頂點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)；E（G）用于描述圖G的變集，元素eij∈E，eij=vivj用于描述V中元素的有序?qū)?，被稱作圖G的一條從vi到vj的邊。在電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)樾诺赖淖兓?jié)點(diǎn)之間的有效通信距離也一直處于變化中，因此，集合E是動(dòng)態(tài)的。1.2 電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)

本節(jié)電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)通過(guò)快速隨跳動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，快速隨跳動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)依據(jù)多個(gè)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的隨機(jī)跳動(dòng)、快速組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化搜尋。

將快速隨跳技術(shù)應(yīng)用于電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的基本思想如下：首先隨機(jī)選擇一組組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為初始動(dòng)態(tài)組網(wǎng)任務(wù)分布的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)終端，再利用迭代獲取最優(yōu)解。在進(jìn)行迭代時(shí)，組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)測(cè)2個(gè)變量對(duì)其迭代過(guò)程進(jìn)行更新。

假設(shè)初始端組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)用m進(jìn)行描述，第i個(gè)終端組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在第d維的位置用xid進(jìn)行描述，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)查詢速度用vid進(jìn)行描述，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)此刻搜索到的最優(yōu)任務(wù)用pid進(jìn)行描述，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)終端任務(wù)分配的最優(yōu)結(jié)果用pgd進(jìn)行描述。則電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)系統(tǒng)可描述成：

式中：t為迭代次數(shù)；r1、r2為[0，1]范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)；c1、c2用于描述學(xué)習(xí)因子，為常數(shù)。

為了增強(qiáng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的抗干擾能力，引入動(dòng)量慣性系數(shù)w，以增強(qiáng)快速隨跳方法在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)局部極值的調(diào)控能力，修正后的方程可描述成：

除此之外，為了對(duì)電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)過(guò)程中優(yōu)化方法的迭代速度進(jìn)行調(diào)控，引入調(diào)控速度的約束因子a，則動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的優(yōu)化方法可轉(zhuǎn)換如下：

相互組網(wǎng)的2個(gè)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)如下：

式中：φ1為其中一個(gè)組網(wǎng)的加權(quán)系數(shù)；φ2為另一個(gè)組網(wǎng)的加權(quán)系數(shù)；φ為總加權(quán)系數(shù)；p為最優(yōu)解。

為了便于分析，將電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成以下形式：

采用簡(jiǎn)化后的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法對(duì)任務(wù)分布進(jìn)行控制，不僅計(jì)算量少，且效率大大提高。

則電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的信息共享和動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方式可描述成：

轉(zhuǎn)換后的快速隨跳動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的解可描述如下：

通過(guò)上述分析即可實(shí)現(xiàn)電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中的任務(wù)調(diào)度。

在出現(xiàn)局部極值的情況下，通過(guò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)對(duì)任務(wù)分配時(shí)可能具有收斂性，原因如下：

因?yàn)閞1、r2服從均勻分布，所以電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中完成任務(wù)調(diào)度和分配的平均行為可利用對(duì)其期望值的分析完成：

通過(guò)快速隨跳技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的流程用圖2進(jìn)行描述。

圖2 電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的流程圖Fig.2 Flow chart of the dynam ic networking of the power w ireless emergency communication network

在組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，隨機(jī)選擇一個(gè)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)該節(jié)點(diǎn)此刻的任務(wù)量狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，若該節(jié)點(diǎn)未組網(wǎng)，則傳輸對(duì)應(yīng)的組網(wǎng)請(qǐng)求；否則，跳過(guò)該組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)或等待。組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收到請(qǐng)求信息后，依據(jù)其自身狀態(tài)對(duì)組網(wǎng)模式進(jìn)行調(diào)控，完成組網(wǎng)后，即可實(shí)現(xiàn)電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。

1.3 組網(wǎng)安全保障機(jī)制

在電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)中，最關(guān)鍵的問(wèn)題就是保證組網(wǎng)的安全性。本節(jié)依據(jù)信譽(yù)度保證組網(wǎng)安全性。

組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)利用入侵檢測(cè)等方式對(duì)組網(wǎng)中其他節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)進(jìn)行評(píng)估，儲(chǔ)存至信譽(yù)表中，將節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度用[-1，1]范圍內(nèi)的實(shí)數(shù)進(jìn)行描述，“-1”代表完全不可信，低于“0”代表不可信，超過(guò)“0”代表可信，“+1”代表完全可信。

電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總體信譽(yù)度是每個(gè)信譽(yù)子類信譽(yù)度的加權(quán)和，則有：

式中：R為電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)層信譽(yù)度；Rf為轉(zhuǎn)發(fā)子類信譽(yù)；Rr為路由子類信譽(yù)度；Rm為惡意行為子類信譽(yù)度；wf為轉(zhuǎn)發(fā)信譽(yù)子類的權(quán)重；wr為路由信譽(yù)子類的權(quán)重；wm為惡意行為信譽(yù)子類的權(quán)重。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將啟發(fā)式方法和網(wǎng)絡(luò)編碼方法作為對(duì)比進(jìn)行測(cè)試。

在Matlab軟件中用坐標(biāo)平面（-10，10）內(nèi)隨機(jī)分布的點(diǎn)代表實(shí)際電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)分布的終端，中點(diǎn)為集中器，仿真點(diǎn)是80個(gè)，各節(jié)點(diǎn)均可與其余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無(wú)“孤島”現(xiàn)象。

2.2 抗干擾性能測(cè)試

圖3描述的是3種方法下電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真示意圖。其中圖3（a）為本文方法的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖3（b）為網(wǎng)絡(luò)編碼方法的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖3（c）為啟發(fā)式方法的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

分析圖3可以看出，采用本文方法得到的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大大增加了集中器和終端之間的通信區(qū)域，能夠使集中器和所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。不僅如此，采用本文方法使得組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抗干擾能力得到提高，針對(duì)一個(gè)終端，可通過(guò)不斷優(yōu)化使電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性提高，抗干擾能力增強(qiáng)。且針對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，本文方法的通信路徑大大降低。

為了更加直觀地評(píng)價(jià)組網(wǎng)方法抗干擾能力，定義一個(gè)參數(shù)r：

式中：l為組網(wǎng)的最大有效通信距離；L為實(shí)際路由的平均通信距離。分析上式可知，隨著r的逐漸增大，整個(gè)電力無(wú)線通信應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力越來(lái)越強(qiáng)。

圖4描述的是本文方法、網(wǎng)絡(luò)編碼方法和啟發(fā)式方法的r值比較結(jié)果。

分析圖4可知，隨著最大有效通信距離的逐漸增加，本文方法、網(wǎng)絡(luò)編碼方法和啟發(fā)式方法的r值均逐漸降低，但和網(wǎng)絡(luò)編碼方法及啟發(fā)式方法相比，本文方法的r值曲線一直最高，且最為穩(wěn)定。說(shuō)明本文方法的抗干擾能力最強(qiáng)。

圖3 3種方法下電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真示意圖Fig.3 Simulation of the dynam ic networking topology of the power w ireless emergency communication network under the threemethods

圖4 3種方法的r值比較結(jié)果Fig.4 Results of the threemethods com pared

2.3 效率測(cè)試

電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)時(shí)間大部分是對(duì)終端進(jìn)行邏輯分層所需的時(shí)間，因此，本節(jié)將邏輯分層時(shí)間看作組網(wǎng)時(shí)間。集中器和各終端之間的信息交換都是在時(shí)間片Tm內(nèi)完成的，分層的總時(shí)間是各邏輯層所需時(shí)間之和，公式描述如下：

圖5描述的是最大有效通信距離不同的情況下，3種方法的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)時(shí)間比較結(jié)果。

圖5 3種方法組網(wǎng)時(shí)間比較結(jié)果Fig.5 Networking time comparison of threemethods

分析圖5可以看出，隨著最大有效通信距離的逐漸增加，本文方法、網(wǎng)絡(luò)編碼方法和啟發(fā)式方法的組網(wǎng)時(shí)間均逐漸增加，但本文方法的增加幅度最小，總體看來(lái)，本文方法所需的組網(wǎng)時(shí)間最少，說(shuō)明本文方法的效率較高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種新的電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法，給出電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模型。將快速隨跳技術(shù)應(yīng)用于電力無(wú)線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)中，引入動(dòng)量慣性系數(shù)增強(qiáng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的抗干擾能力，引入約束因子提高調(diào)控速度。依據(jù)信譽(yù)度保證組網(wǎng)安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法不僅抗干擾能力強(qiáng)，且效率較高。

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（編輯 徐花榮）

Research on the Dynam ic Networking M ethod for Power W ireless Emergency Communications Network

PENG Dong1，SUN Yongliang1，Wang Minchuan2
（1.State Grid Sichuan electric power companymaintenance company，Chengdu 610000，China；2.Zhongzhou university，Zhengzhou 450000，Henan，China）

The current dynamic networking method of power wireless emergency communications network is usually vulnerable to interference of the external environment，negatively affecting the networking result and with low efficiency.To this end，this paper proposes a new dynamic networking method and gives the networkingmodel for power wireless emergency communication network.With fast random jump technology applied in the dynamic networking，a group of networking nodes are selected random ly as the terminal networking distributed by the initial dynamic networking task，and iteration is used to obtain the optimal solution.The networking node updates the iteration process by monitoring two variables.To enhance the anti-interference ability of the dynamic network，the momentum inertia coefficient is introduced；to regulate the iteration speed of the optimization method，the constraint factor of regulation speed is introduced.The security of the networking is guaranteed with credit degree.The experimental results show that the proposed method is not only strong in anti-jamming capability，butalso high in efficiency.

electric power；wireless emergency communications network；dynamic networking

2016-06-20。

彭 東（1979—），男，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娤到y(tǒng)運(yùn)維檢修管理；

孫永亮（1983—），男，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娤到y(tǒng)直流控制保護(hù)研究；

王民川（1974—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)檐浖こ?、網(wǎng)絡(luò)工程。

2015河南省基礎(chǔ)與前研技術(shù)研究項(xiàng)目（152300410006）。

Henan foundation and pre research technology research project of 2015（152300410006）.

1674-3814（2017）02-0083-05

TM76

A