梁捷 蔣雯倩

摘 要：該文針對(duì)低壓抄表系統(tǒng)中微功率無(wú)線通信的傳統(tǒng)洪泛路由算法組網(wǎng)的抗壓性較低的問(wèn)題，提出了一種基于動(dòng)態(tài)路由表的改進(jìn)洪泛路由算法，通過(guò)在組網(wǎng)時(shí)在各節(jié)點(diǎn)建立可偵聽(tīng)頻段范圍內(nèi)其他電表節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)路由表，進(jìn)行路徑優(yōu)化選擇。在鏈路失效時(shí)，已搜索到的節(jié)點(diǎn)能利用路由表快速選擇最優(yōu)路徑組網(wǎng)重構(gòu)。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該文提出的算法比傳統(tǒng)洪泛方法在抗壓性方面有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：組網(wǎng);微功率無(wú)線;動(dòng)態(tài)路由表

中圖分類(lèi)號(hào)：TN915? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著廣西電網(wǎng)對(duì)計(jì)量自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)低壓臺(tái)區(qū)用電數(shù)據(jù)采集方案的可靠性需求也在不斷增長(zhǎng)。近年來(lái)，微功率無(wú)線通信技術(shù)憑借低功率的無(wú)線射頻網(wǎng)絡(luò)媒介具有的功耗較小、建設(shè)成本較低等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但同時(shí)也存在著無(wú)線信道易受臨頻干擾、缺乏對(duì)配電網(wǎng)中各臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的靈活調(diào)整方案等問(wèn)題。

為提高微功率無(wú)線技術(shù)的通信可靠性，除了研究物理層面的抗干擾設(shè)計(jì)和調(diào)制解調(diào)方案外，還需優(yōu)化當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)的網(wǎng)絡(luò)層中繼路由方案?？紤]到電力線信道的時(shí)變特征，網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分鏈路失效的情況，此時(shí)需進(jìn)行局部路由快速重構(gòu)以恢復(fù)通信。近年來(lái)常見(jiàn)的微功率組網(wǎng)重構(gòu)算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，難以兼顧組網(wǎng)的效率和擁堵度。

對(duì)此，該文提出了一種基于路由表的改進(jìn)路由重構(gòu)算法，通過(guò)路由表保證擁堵度的均衡，實(shí)現(xiàn)鏈路失效時(shí)游離節(jié)點(diǎn)的快速搜索。

1 微功率無(wú)線通信組網(wǎng)流程

由于單個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)周?chē)W(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的搜索能力有限，為提高網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋率，微功率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)通常采用分簇的方式。定義表計(jì)為具備微功率通信模塊的計(jì)量用電能表或采集器，則表計(jì)節(jié)點(diǎn)在微功率無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中代表電能表或采集器通信設(shè)備。以集中器為數(shù)據(jù)收集中心（主節(jié)點(diǎn)），一定數(shù)量的表計(jì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簇，其中由能量充足的電表或采集器節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭。傳統(tǒng)洪泛算法組網(wǎng)時(shí)，首先由集中器上的微功率主節(jié)點(diǎn)通信模塊決定本地子網(wǎng)的工作頻段，而電表節(jié)點(diǎn)（從節(jié)點(diǎn)）模塊的初始頻率為該頻段中的隨機(jī)態(tài)。由集中器控制簇頭節(jié)點(diǎn)逐級(jí)向其他電表節(jié)點(diǎn)分組發(fā)送廣播組網(wǎng)命令，經(jīng)過(guò)分簇后的網(wǎng)絡(luò)，由原先的大的整體變成了多個(gè)小的局部，能夠減少無(wú)用數(shù)據(jù)的傳輸。

由于表計(jì)節(jié)點(diǎn)離簇頭的距離遠(yuǎn)近不一，傳統(tǒng)洪泛算法在組網(wǎng)時(shí)可以使節(jié)點(diǎn)都直接與簇頭通信，但是離簇頭遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)能量消耗大于離簇頭近的節(jié)點(diǎn)，這樣會(huì)使各節(jié)點(diǎn)的通信能耗不均勻，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，從而使數(shù)據(jù)傳輸速度延遲。為了均衡每個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信能耗，該文采用多跳模式把數(shù)據(jù)傳輸給簇頭。釆用多跳通信時(shí)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)需要構(gòu)建一個(gè)分層式路由簇樹(shù)，為了降低路由簇樹(shù)構(gòu)建能耗，可每間隔一定的輪次進(jìn)行路由樹(shù)的重建，從而最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

首先定義路由表存在于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自身信息，其內(nèi)容包括電表/采集器的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和MAC地址、節(jié)點(diǎn)i的擁塞度Ci和信號(hào)強(qiáng)度Qi、簇頭節(jié)點(diǎn)鏈表、各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)隊(duì)列和相對(duì)于集中器節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值。路由表可隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘎?dòng)態(tài)更新。Ci定義為：

（1）

其中，i為節(jié)點(diǎn)編號(hào)，n和L分別為節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列中數(shù)據(jù)分組的個(gè)數(shù)和長(zhǎng)度，Buf代表節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列的大小。Ci值越小表明節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)隊(duì)列緩存越小，擁堵度越低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)或者被動(dòng)的向上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)去查詢它上一跳范圍內(nèi)的父節(jié)點(diǎn)的擁塞和緩存隊(duì)列情況，在保證下一跳節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列未滿的前提下，選出盡可能小的Ci值節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)的中繼方向可以沿著最優(yōu)的路徑向集中器傳送。

設(shè)游離節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)i通過(guò)路段eq到達(dá)節(jié)點(diǎn)j的通信路徑有效距離為dij，則

（2）

式中：xij為路徑?jīng)Q策變量，若游離節(jié)點(diǎn)由通信節(jié)點(diǎn)i跳至j時(shí)，則xij=1，否則為0;Sa為當(dāng)前跳數(shù)的無(wú)線搜索范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)i和j之間的網(wǎng)絡(luò)路段集合。

2 路由重構(gòu)算法組網(wǎng)過(guò)程

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)向上多跳組網(wǎng)的過(guò)程如下。

（1）在首次組網(wǎng)過(guò)程中，從節(jié)點(diǎn)在接收到主節(jié)點(diǎn)的廣播重構(gòu)組網(wǎng)命令后，初始化路由表并申請(qǐng)組網(wǎng)，該電表周?chē)渌蓚陕?tīng)頻段范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)將該電表的MAC地址記錄到各自的路由表中。

（2）鏈路失效需要進(jìn)行重構(gòu)時(shí)，從節(jié)點(diǎn)在上電或復(fù)位且偵聽(tīng)到無(wú)線鏈路載波報(bào)文后，部分一跳范圍內(nèi)能掃描到的從節(jié)點(diǎn)處于未掃描到同頻無(wú)線載波信號(hào)，且未分配到網(wǎng)絡(luò)地址的游離狀態(tài)時(shí)，此時(shí)它們將主動(dòng)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的命令并由主節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，并從中設(shè)置簇頭節(jié)點(diǎn)，該電表節(jié)點(diǎn)周?chē)蓚陕?tīng)頻段范圍內(nèi)的電表節(jié)點(diǎn)更新路由表，并等待其他電表加入網(wǎng)絡(luò)。

（3）在某簇頭節(jié)點(diǎn)能掃描到的從節(jié)點(diǎn)范圍即路由的二跳范圍內(nèi)，首先在電表節(jié)點(diǎn)接入方式上采用了時(shí)分多址（TDMA）方式接入。網(wǎng)絡(luò)中所有電表節(jié)點(diǎn)均工作于無(wú)線載波偵聽(tīng)模式下且保持時(shí)隙的同步，采用分級(jí)的準(zhǔn)同步方式，即每個(gè)電表節(jié)點(diǎn)只與能夠直連的簇頭節(jié)點(diǎn)（已分配網(wǎng)絡(luò)地址的一級(jí)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)） 保持嚴(yán)格的時(shí)隙同步。然后在任意二跳網(wǎng)絡(luò)中的游離從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，從節(jié)點(diǎn)將其添加到臨時(shí)路由表中，待累積到一定的數(shù)量或等待時(shí)間超時(shí)后，批量?jī)?yōu)化處理，可減少共享信道的占用次數(shù)，有利于解決傳統(tǒng)洪泛算法通信擁堵的問(wèn)題。確定路由方案時(shí)，首先根據(jù)路由表將電表節(jié)點(diǎn)以擁塞指數(shù)遞增的順序?qū)Υ仡^節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，然后根據(jù)評(píng)價(jià)因子Si選擇擁有最小擁塞指數(shù)、最短通信路徑和信號(hào)最強(qiáng)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為下一跳路由，向其發(fā)起廣播組網(wǎng)呼叫，并等待該簇頭節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)應(yīng)答。Si如下式：

Si=w1+Ci+w2dij-w3Qi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，w1、w2、w3分別為平衡擁塞度、通信路徑距離和當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度的權(quán)重，dij表示取i，j之間距離最小的路徑。以Si較小的路徑為優(yōu)，可確保在游離節(jié)點(diǎn)選擇轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，既要保證下一跳節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度盡可能強(qiáng)，又要有盡可能小的擁堵度和較短的通信路徑。

（4）收到該簇頭節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)應(yīng)答后，該游離節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并更新路由表。如果在等待時(shí)限內(nèi)，沒(méi)有收到來(lái)自對(duì)方的確認(rèn)消息，那么認(rèn)為這次傳輸是不成功的。此時(shí)則按照通信路徑最短、信號(hào)最強(qiáng)、擁塞指數(shù)最低的原則選擇其他的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到接收回復(fù)的確認(rèn)消息，才能宣告此次數(shù)據(jù)傳輸成功。

（5）二跳至多跳范圍的組網(wǎng)過(guò)程類(lèi)似一跳節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)過(guò)程。重復(fù)上述過(guò)程直到傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的主節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

3 仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該路由算法的可行性，該文利用MATLAB軟件將該文算法與傳統(tǒng)洪泛路由算法的數(shù)據(jù)吞吐量進(jìn)行比較。

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的信道鏈路容量為1 900 bps，每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小為1.8 bit。假設(shè)在1 500 s時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)8與節(jié)點(diǎn)13之間的鏈路13-8通信失效，分析節(jié)點(diǎn)8的通信鏈路數(shù)據(jù)吞吐量關(guān)系。壓力測(cè)試是通過(guò)壓力發(fā)生器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)起大量的并發(fā)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。

測(cè)試結(jié)果如圖1所示，圖1（b）中顯示的傳統(tǒng)洪泛算法得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)開(kāi)始后約20 min時(shí)施加的壓力數(shù)據(jù)流，可見(jiàn)，在通信網(wǎng)絡(luò)接收到壓力數(shù)據(jù)后吞吐量的幅度明顯下降，可見(jiàn)該方法重構(gòu)所組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。如圖1（a）所示，該文算法得到的網(wǎng)絡(luò)在重構(gòu)后能在網(wǎng)絡(luò)受壓、數(shù)據(jù)吞吐量短時(shí)下降后，迅速回升至接近原水平，抗壓能力較好。這是由于該組網(wǎng)方法有2個(gè)特點(diǎn)：1）保留了分簇算法的分層特征，跳數(shù)分明，便于上層節(jié)點(diǎn)的管理與快速搜索。2）簇頭節(jié)點(diǎn)隊(duì)列負(fù)載均衡，擁塞較小，可避免某些簇頭節(jié)點(diǎn)頻繁使用，造成這些節(jié)點(diǎn)更易擁堵的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)低壓集抄系統(tǒng)微功率無(wú)線通信的傳統(tǒng)洪泛路由算法在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)網(wǎng)絡(luò)擁堵度較高，穩(wěn)定性的問(wèn)題。提出了一種基于路由表的改進(jìn)路由重構(gòu)算法，通過(guò)臨時(shí)路由表保存簇頭節(jié)點(diǎn)的擁堵度等組網(wǎng)信息，在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過(guò)程中對(duì)組網(wǎng)路徑進(jìn)行優(yōu)化排序。仿真試驗(yàn)表明，該文算法由于在選擇通信路徑時(shí)考慮了簇頭節(jié)點(diǎn)的擁堵和信號(hào)強(qiáng)度等情況，比傳統(tǒng)方法的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，其有效性也得到了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]梁捷.基于MQTT協(xié)議族的AMI通信支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2018（4）：29-32.

[2]肖勇，馮超，郭嘉，等.微功率無(wú)線抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集容錯(cuò)路由算法[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2017（3）：9-14.

[3]鞠晨，薛吉，湯曉棟.用于低壓電力線通信的同步關(guān)聯(lián)分簇路由算法[J].電器與能效管理技術(shù)，2016（13）：23-27.