任 智，任 冬，劉順輝，周 舟

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

低壓寬帶電力線通信(broadband power line carrier communication，BPLC)網(wǎng)絡(luò)是智能電網(wǎng)[1]和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)[2]的主要通信媒介。然而，電力線信道存在噪聲干擾[3]、相移[4]以及信號(hào)衰減[5]，使電力線載波網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸不穩(wěn)定且有效通信距離[6]僅為數(shù)百米。為了提高電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，寬帶電力線載波通信[7]網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和路由建立過程[8]已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。目前，很多學(xué)者提出了多種組網(wǎng)算法來優(yōu)化BPLC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程。例如，文獻(xiàn)[9]提出一種多約束PLC改進(jìn)Q學(xué)習(xí)組網(wǎng)算法，該組網(wǎng)方式需周期性輪換代理，會(huì)造成不穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和較高的網(wǎng)絡(luò)開銷。文獻(xiàn)[10,11]提出了類蟻群的PLC組網(wǎng)算法。該類算法存在組網(wǎng)收斂時(shí)間長、盲目探索的問題。文獻(xiàn)[12]提出了基于人工蛛網(wǎng)的組網(wǎng)算法，該算法對蛛網(wǎng)中心依賴過高，抗毀能力弱，易造成因中心節(jié)點(diǎn)損壞而網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。文獻(xiàn)[13]提出改進(jìn)的遺傳算法存在組網(wǎng)收斂時(shí)間和時(shí)延較大的問題。文獻(xiàn)[14]提出覆蓋優(yōu)先和轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先策略，可通過泛洪“入簇消息”會(huì)大大增加報(bào)文碰撞概率和開銷。IEEE1901.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[15]提出基于中繼選擇的樹形組網(wǎng)策略，不僅能有效增大電力線通信傳輸距離，而且能讓電力線節(jié)點(diǎn)形成穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所以，本文在IEEE1901.1標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)中繼選擇算法，并對該算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證。

1 網(wǎng)絡(luò)問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建

在寬帶PCL網(wǎng)絡(luò)中，定義了中央?yún)f(xié)調(diào)器(central coordinator，CCO)、代理協(xié)調(diào)器(proxy coordinator，PCO)、普通站點(diǎn)(station，STA)3種節(jié)點(diǎn)類型。CCO是BPLC網(wǎng)絡(luò)的大腦。PCO是由CCO分配，用來連接STA與CCO的橋節(jié)點(diǎn)。STA是網(wǎng)絡(luò)的葉節(jié)點(diǎn)，每個(gè)STA都具有PCO的功能，如何選擇STA的PCO是PLC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。BPLC組網(wǎng)過程如下：

IEEE1901.1組網(wǎng)機(jī)制采用CCO周期性廣播中央信標(biāo)(central beacon，C-BEACON消息)發(fā)起組網(wǎng)。收到消息的未入網(wǎng)站點(diǎn)把節(jié)點(diǎn)信息裝在關(guān)聯(lián)請求報(bào)文(REQ消息)中，并向CCO單播REQ消息。CCO收到REQ消息后取出節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行白名單認(rèn)證。認(rèn)證成功后向該節(jié)點(diǎn)單播關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文(ACK消息)。待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到ACK消息后表明入網(wǎng)成功，ACK消息中有CCO為入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配的終端設(shè)備標(biāo)識(shí)(terminal equipment identification，TEI)。把在第一輪中所有收到關(guān)聯(lián)確認(rèn)消息的終端設(shè)為邏輯層1(Layer 1)。一級(jí)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后會(huì)繼續(xù)廣播BEACON消息觸發(fā)逐層級(jí)的PLC站點(diǎn)(STA)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)接入請求，STA通過信號(hào)“信噪比”大小選擇自己的中繼站點(diǎn)PCO，來完成整個(gè)中繼組網(wǎng)過程，重復(fù)以上過程節(jié)點(diǎn)逐級(jí)入網(wǎng)，直至組網(wǎng)完成。組網(wǎng)完成后的PLC網(wǎng)絡(luò)是一種多層級(jí)的樹狀拓?fù)?，如圖1所示。

圖1 寬帶電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 組網(wǎng)條件

(1)根據(jù)IEEE1901技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：BPLC網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量用信噪比數(shù)據(jù)表示；一個(gè)PLC網(wǎng)絡(luò)最多允許1024個(gè)站點(diǎn)入網(wǎng)；根據(jù)關(guān)聯(lián)報(bào)文幀格式，STA站點(diǎn)最大候選代理為5個(gè)。

(2)STA具有解析信標(biāo)幀從報(bào)文源節(jié)點(diǎn)到報(bào)文接收節(jié)點(diǎn)(該STA)單段鏈路信噪比能力；CCO具備計(jì)算相連的多段鏈路形成的整條路徑信噪比的能力；低壓電力線通信鏈路信噪比(signal to noise ratio，SNR)范圍是SNR_min～SNR_max，實(shí)際低壓電力線信噪比范圍一般是0 dB～30 dB。信噪比低于SNR_min的發(fā)現(xiàn)信標(biāo)將不會(huì)被下一級(jí)站點(diǎn)接收到。

1.3 問題描述

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前BPLC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時(shí)存在以下問題：

(1)選擇代理站點(diǎn)僅僅依據(jù)單條鏈路信噪比：當(dāng)前BPLC組網(wǎng)機(jī)制中待入網(wǎng)站點(diǎn)選擇代理站點(diǎn)時(shí)只考慮中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)單條鏈路信噪比而未完全考慮中央?yún)f(xié)調(diào)器到目的節(jié)點(diǎn)整條路徑信噪比。這樣易造成多個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇單一節(jié)點(diǎn)作為代理站點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳痪??？赡軙?huì)造成報(bào)文發(fā)送時(shí)因擁堵而碰撞。如圖2所示，STA7收到一級(jí)站點(diǎn)STA2、STA3、STA4發(fā)送的BEACON消息，僅判斷了STA2—STA7間鏈路信噪比最大選STA2作為自己的PCO。STA7沒考慮CCO-STA2-STA7整段鏈路信道質(zhì)量不一定是STA7-CCO路徑間信道質(zhì)量最好的路徑。很可能STA7-STA3-CCO或STA7-STA3-CCO路徑信道質(zhì)量更好。

圖2 問題描述

(2)未考慮子站點(diǎn)增加對信道質(zhì)量的影響：當(dāng)前組網(wǎng)機(jī)制未考慮代理站點(diǎn)此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)連接情況而默認(rèn)組網(wǎng)過程中鏈路信道質(zhì)量不變。而實(shí)際情況是隨著節(jié)點(diǎn)逐級(jí)入網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)間的報(bào)文投遞率都會(huì)有一定程度下降。如圖2所示，STA2掛載的子節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，一定會(huì)影響CCO-STA2之間的信道質(zhì)量和STA2與子站點(diǎn)的報(bào)文投遞率。

(3)站點(diǎn)間數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸路徑較長：現(xiàn)有機(jī)制節(jié)點(diǎn)間的報(bào)文傳輸必須通過PCO轉(zhuǎn)發(fā)至CCO，然后由CCO尋路找到目的站點(diǎn)的PCO，再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。如圖2所示，STA5發(fā)送報(bào)文到STA6會(huì)經(jīng)過多跳傳輸，如帶箭頭虛線所示。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大、節(jié)點(diǎn)層級(jí)更高時(shí)，該問題更加凸顯。若STA5和STA6間建立以公共代理站點(diǎn)STA2為頂端站點(diǎn)的路由，如圖2帶箭頭實(shí)線所示，此路徑不需將傳輸報(bào)文上傳至CCO，將會(huì)大大降低報(bào)文的傳輸時(shí)延。

2 最優(yōu)中繼選擇算法原理

為解決上節(jié)所述的問題，本文提出了寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)中繼選擇算法,該算法主要包含了BPLC網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化機(jī)制、PCO均衡選擇機(jī)制和公共PCO轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文機(jī)制3種新機(jī)制。

2.1 BPLC網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化機(jī)制

針對問題(1)，本文提出一種路徑優(yōu)化機(jī)制。其核心思想是：STA通過關(guān)聯(lián)請求報(bào)文攜帶上級(jí)站點(diǎn)信噪比信息。CCO計(jì)算CCO-候選代理-入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)整條通信路徑信道質(zhì)量數(shù)據(jù)。CCO選擇入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)到CCO所有路徑中最好鏈路質(zhì)量所對應(yīng)的上級(jí)節(jié)點(diǎn)為入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)PCO。該機(jī)制的操作步驟如下：

步驟1 已入網(wǎng)站點(diǎn)在廣播發(fā)現(xiàn)信標(biāo)。發(fā)現(xiàn)信標(biāo)觸發(fā)一跳通信范圍內(nèi)的未入網(wǎng)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行入網(wǎng)請求，執(zhí)行步驟2。

步驟2 如果在通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)會(huì)收到信標(biāo)報(bào)文。此時(shí)，判斷該節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)入網(wǎng)，若未入網(wǎng)，則取出信標(biāo)幀，讀取上級(jí)站點(diǎn)TEI和鏈路信噪比信息，執(zhí)行步驟3。如果站點(diǎn)已入網(wǎng)，則在收到鄰居節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀，只統(tǒng)計(jì)，執(zhí)行結(jié)束。

步驟3 STA站點(diǎn)通過收到的多個(gè)上級(jí)站點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)幀來獲取節(jié)點(diǎn)TEI和鏈路質(zhì)量信息組成關(guān)聯(lián)請求報(bào)文。同時(shí)站點(diǎn)按照信噪比從大到小順序?qū)ι霞?jí)站點(diǎn)進(jìn)行排序。執(zhí)行步驟4。

步驟4 改進(jìn)關(guān)聯(lián)請求報(bào)文幀格式，將保留字段整合形成SNR字段，把各上級(jí)節(jié)點(diǎn)信噪比值信息均勻量化后，轉(zhuǎn)化為12位的二進(jìn)制數(shù)，存入改進(jìn)后關(guān)聯(lián)請求報(bào)文SNR字段，詳見2.2節(jié)。關(guān)聯(lián)請求報(bào)文攜帶各個(gè)上級(jí)站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信標(biāo)中的TEI和信噪比信息，向第一候選代理發(fā)送此關(guān)聯(lián)請求報(bào)文。執(zhí)行步驟5。

步驟5 上級(jí)站點(diǎn)收到關(guān)聯(lián)請求消息后判斷自己的節(jié)點(diǎn)屬性是否為CCO，如果不是，則繼續(xù)向上級(jí)代理發(fā)送，直到轉(zhuǎn)發(fā)至CCO。如果是，獲取關(guān)聯(lián)請求消息中的信息。執(zhí)行步驟6。

步驟6 CCO收到待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的關(guān)聯(lián)請求報(bào)文，取出STA MAC Address字段進(jìn)行白名單驗(yàn)證，如果該節(jié)點(diǎn)地址在白名單內(nèi)，則白名單驗(yàn)證成功，轉(zhuǎn)步驟7。如果CCO白名單地址信息中無申請入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的地址，則該申請節(jié)點(diǎn)不是該P(yáng)LC網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)，白名單驗(yàn)證失敗，執(zhí)行結(jié)束。

步驟7 CCO依次取出關(guān)聯(lián)請求報(bào)文中的TEI和對應(yīng)SNR字段，設(shè)終端設(shè)備TEI(i)對應(yīng)的SNR值為SNR(i),檢測SNR(i)的值是否隨i增大而減小。若是，轉(zhuǎn)步驟8。反之，執(zhí)行結(jié)束。

步驟8 CCO獲取本身到TEI(i)通信路徑的信噪比值SNR(j)，此值在TEI(i)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)已由CCO計(jì)算所得，并保存在信道質(zhì)量表中。轉(zhuǎn)步驟9。

步驟9 計(jì)算CCO經(jīng)TEI(i)路徑到入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)完整路徑信噪比SNR(ji)，如式(1)所示，轉(zhuǎn)步驟10

(1)

步驟10 CCO統(tǒng)計(jì)經(jīng)過每個(gè)TEI對應(yīng)站點(diǎn)到達(dá)申請入網(wǎng)站點(diǎn)完整路徑的SNR(ji)值。轉(zhuǎn)步驟11。

步驟11 將CCO到達(dá)各個(gè)入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)的SNR(ji)進(jìn)行排序，選出其中最大路徑信噪比。轉(zhuǎn)步驟12。

步驟12 判斷最大SNR(ji)對應(yīng)的TEI和原鏈路最大信噪比SNR(0)對應(yīng)的TEI是否一致。若不一致，則CCO將最大SNR(ji)對應(yīng)TEI字段對應(yīng)的代理作為入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)的PCO。若一致，則將第一候選代理作為入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)的PCO。轉(zhuǎn)步驟13。

步驟13 CCO生成關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文，報(bào)文格式和IEEE1901.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一致。CCO把關(guān)聯(lián)請求報(bào)文STA MAC Address字段的地址存入關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文的STA MAC Address字段。將CCO的MAC地址存進(jìn)關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文的CCO MAC Address字段。轉(zhuǎn)步驟14。

步驟14 CCO為申請入網(wǎng)站點(diǎn)分配TEI，存放到關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文的TEI字段中。將步驟12中入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)PCO的TEI存入關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文Proxy TEI字段。轉(zhuǎn)步驟15。

步驟15 CCO更新路由表，更新入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)路徑信噪比信息。CCO向最大SNR(ji)路徑發(fā)送關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文。PCO收到關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文后更新自己身份為PCO，然后將關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)申請成功。

2.2 改進(jìn)REQ消息幀格式

根據(jù)IEEE1901.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)聯(lián)請求報(bào)文幀格式如圖3所示?？梢钥闯觯宏P(guān)聯(lián)請求報(bào)文幀大小64 Bytes。其中前6字節(jié)為STA MAC Address，是用于待入網(wǎng)站點(diǎn)填寫該節(jié)點(diǎn)的MAC地址。第6字節(jié)到第15字節(jié)用于待入網(wǎng)站點(diǎn)填寫候選代理TEI(不大于5個(gè))。其它字段為保留字段和缺省字段，本文暫不討論。

圖3 關(guān)聯(lián)請求報(bào)文幀格式

對REQ消息的改進(jìn)思路是將TEI0-TEI5字段中12 bit中的后兩位分配給SNR字段，然后整合報(bào)文中其它保留字段。將原本TEI0-TEI5后的保留字段由4 bit增加到12 bit，形成12 bit的SNR字段。這是為了在不增加REQ消息幀大小時(shí)能為各TEI增加的最大SNR字段。目的是為了在該字段裝填更加精確的信噪比信息。改進(jìn)后缺省字段大小保持不變，REQ消息幀的大小不變。改進(jìn)后的REQ消息幀格式如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的關(guān)聯(lián)請求報(bào)文幀格式

(2)

量化區(qū)間的端點(diǎn)如式(3)所示

mi=SNR_min+i*Δv

(3)

若量化輸出電平qi取量化間隔的中點(diǎn)，則qi如式(4)所示

(4)

則量化精度n如式(5)所示

n=|SNR-qi|

(5)

鏈路信噪比量化區(qū)間j如式(6)所示

(6)

2.3 PCO均衡選擇機(jī)制

針對問題(2)，本文提出一種PCO均衡選擇機(jī)制。其核心思想是：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要周期性發(fā)送的發(fā)現(xiàn)信標(biāo)報(bào)文，統(tǒng)計(jì)不同上級(jí)節(jié)點(diǎn)與已入網(wǎng)下級(jí)節(jié)間的報(bào)文通信成功率，如果代理站點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)增加，會(huì)影響原PCO和子節(jié)點(diǎn)之間的信道質(zhì)量，使站點(diǎn)間發(fā)現(xiàn)信標(biāo)丟包率上升，通信成功率下降。STA選擇報(bào)文通信成功率更高的代理作為自己的新PCO，這樣增加了節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功率，使每個(gè)代理下的子站點(diǎn)分布均衡。新機(jī)制受用范圍：受用于除CCO以外的已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)仍有下級(jí)節(jié)點(diǎn)未入網(wǎng)。新機(jī)制的具體操作步驟如下：

步驟1 入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送發(fā)現(xiàn)信標(biāo)，根據(jù)IEEE1901.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)信標(biāo)中攜帶著路徑最低通信成功率字段。

步驟2 下級(jí)收到發(fā)現(xiàn)信標(biāo)，節(jié)點(diǎn)判斷是否入網(wǎng)，如果未入網(wǎng)，進(jìn)行入網(wǎng)申請?zhí)幚?，如果?jié)點(diǎn)已入網(wǎng)，只統(tǒng)計(jì)該站點(diǎn)PCO和其它上級(jí)站點(diǎn)發(fā)送的發(fā)現(xiàn)信標(biāo)報(bào)文信息，不進(jìn)行處理。

步驟3 統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)報(bào)文傳輸投遞率Pb。如式(7)所示

(7)

式中：Num是節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后收到某個(gè)上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的發(fā)現(xiàn)信標(biāo)報(bào)文，Tsim為當(dāng)前時(shí)刻，Tnet是統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功時(shí)刻，T是信標(biāo)周期。

步驟4 判斷站點(diǎn)與PCO報(bào)文傳輸投遞率P_Pb和站點(diǎn)與其它上級(jí)站點(diǎn)報(bào)文傳輸投遞率S_Pb大小關(guān)系，如果有其它上級(jí)站點(diǎn)與站點(diǎn)間S_Pb大于P_Pb，STA進(jìn)行代理變更處理，則在轉(zhuǎn)發(fā)下級(jí)站點(diǎn)關(guān)聯(lián)請求報(bào)文時(shí)，將代理變更信息加入報(bào)文傳送給新代理站點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給CCO，CCO向入網(wǎng)申請節(jié)點(diǎn)回復(fù)關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文時(shí)，關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文同樣會(huì)通過新代理轉(zhuǎn)發(fā)給該站點(diǎn)然后轉(zhuǎn)發(fā)給入網(wǎng)申請站點(diǎn)。如果沒有，不進(jìn)行處理。

步驟5 當(dāng)代理站點(diǎn)和子站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)報(bào)文投遞率小于最低通信成功率Pmin，則刪除這條路由。PCO均衡選擇機(jī)制流程如圖5所示。

圖5 PCO均衡選擇機(jī)制流程

2.4 公共PCO轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

針對問題(3)，本文提出一種公共PCO轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。其核心思想是：當(dāng)STA站點(diǎn)的目的站點(diǎn)是另一個(gè)STA站點(diǎn)。在傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，如果源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)或者二者的上級(jí)節(jié)點(diǎn)有公共的PCO，可以利用公共PCO轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)報(bào)文到目的站點(diǎn)。那么報(bào)文就不用上傳到CCO，再由CCO尋找到目的站點(diǎn)的路由。本機(jī)制減輕了CCO的處理負(fù)擔(dān)，降低了網(wǎng)絡(luò)的控制開銷和傳輸時(shí)延。該機(jī)制的具體操作步驟如下：

步驟1 葉節(jié)點(diǎn)A生成一個(gè)源地址是A，目的地址是葉節(jié)點(diǎn)B數(shù)據(jù)報(bào)文，并向自己的PCO發(fā)送。

步驟2 A的PCO查詢自己的路由表，看是否有到達(dá)節(jié)點(diǎn)B的路由。如果沒有，則將數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給自己的PCO。如此循環(huán)，直到傳送給CCO，說明A、B節(jié)點(diǎn)沒有公共的PCO，此時(shí)就和原機(jī)制一樣經(jīng)過CCO尋路。

步驟3 如果A的PCO或者其上行傳輸路徑中的任何PCO查詢到有到節(jié)點(diǎn)B的路由，由該P(yáng)CO獲取數(shù)據(jù)報(bào)文，不必繼續(xù)上行傳輸?shù)紺CO，直接根據(jù)路由信息下行尋路，按路由表查詢的地址發(fā)送給下一節(jié)點(diǎn)。

步驟4 公共PCO或者CCO轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，接收站點(diǎn)獲取報(bào)文目的地址看是否是自己的地址，如果不是，則根據(jù)路由表繼續(xù)尋路，直到找到B節(jié)點(diǎn)。如果是B節(jié)點(diǎn)，則數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸成功。公共PCO轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制流程如圖6所示。

圖6 公共PCO轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制流程

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文使用OPNET 14.5仿真工具對最優(yōu)中繼選擇算法、文獻(xiàn)[14]、IEEE1901.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過改變BPLC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較這3種組網(wǎng)算法平均端對端時(shí)延、組網(wǎng)控制開銷、數(shù)據(jù)傳輸成功率的性能。仿真主要參數(shù)見表1。

表1 主要仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 組網(wǎng)平均端對端時(shí)延

組網(wǎng)平均端對端時(shí)延是反映節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)效率的重要性能指標(biāo)。組網(wǎng)平均端對端時(shí)延計(jì)算如式(8)所示

(8)

式中：Tb(i)、Tr(i)、Ta(i)分別表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)Beacon幀、Req消息幀、Ack消息幀的端對端時(shí)延。3種算法的平均端對端時(shí)延如圖7所示。

圖7 組網(wǎng)平均端對端時(shí)延

由圖7可知，在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較小時(shí)，3種算法的平均組網(wǎng)時(shí)延基本一致，3種算法組網(wǎng)平均端對端時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)場景中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而逐漸增加且差距也逐漸增大，其中最優(yōu)中繼選擇算法相對于其它兩種算法吞吐量最低。經(jīng)過計(jì)算可知：最優(yōu)中繼選擇算法在不同節(jié)點(diǎn)的場景中平均組網(wǎng)時(shí)延比IEEE1901.1標(biāo)準(zhǔn)平均縮短了11.36%，比文獻(xiàn)[14]算法平均縮短了26.79%。

其主要原因是：當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，對一級(jí)站點(diǎn)回復(fù)都采用單播方式，還未觸發(fā)BPLC網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化機(jī)制，其次，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿考?jí)節(jié)點(diǎn)僅有一個(gè)PCO可以選擇，PCO均衡選擇機(jī)制也未觸發(fā)。同時(shí)，信道資源充沛，控制報(bào)文不會(huì)發(fā)生碰撞或重發(fā)，故3種算法時(shí)延都較小且相差不大。隨著節(jié)點(diǎn)增加，最優(yōu)中繼選擇算法采用BPLC網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化機(jī)制改善了信道質(zhì)量的判斷方法，通過選擇了最合適的報(bào)文通信路徑來減少了端對端時(shí)延。PCO均衡選擇機(jī)制選擇了更優(yōu)的代理站點(diǎn)，幾乎避免了多個(gè)節(jié)點(diǎn)掛載在同一PCO下造成的報(bào)文重發(fā)而導(dǎo)致時(shí)延升高。所以，最優(yōu)中繼選擇算法使節(jié)點(diǎn)分布更均衡，從而減少了組網(wǎng)是平均端對端時(shí)延。

3.2.2 組網(wǎng)控制開銷

控制開銷是指BPLC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制報(bào)文的總比特?cái)?shù)。在BPLC網(wǎng)絡(luò)中主要有信標(biāo)報(bào)文、關(guān)聯(lián)請求報(bào)文、關(guān)聯(lián)確認(rèn)報(bào)文3種。BPLC控制開銷C的計(jì)算如式(9)所示

C=M1*n1+M2*n2+M3*n3

(9)

式中：M1、M2、M3分別為組網(wǎng)過程3種報(bào)文幀大小，n1、n2、n3為3種報(bào)文發(fā)送數(shù)量。3種算法組網(wǎng)控制開銷如圖8所示。

圖8 組網(wǎng)控制開銷

由圖8可知，3種算法的控制開銷都隨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而上升。文獻(xiàn)[14]控制開銷比其它兩種算法大很多，而最優(yōu)中繼選擇算法組網(wǎng)控制開銷最低。經(jīng)過計(jì)算可知：最優(yōu)中繼選擇算法不同節(jié)點(diǎn)場景中比IEEE1901.1標(biāo)準(zhǔn)平均降低了9.02%，比文獻(xiàn)[14]算法平均減少了21.16%。

其主要原因是：每個(gè)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)越多，所需組網(wǎng)的控制報(bào)文越多，網(wǎng)絡(luò)控制開銷也就越大。因?yàn)槲墨I(xiàn)[14]需要大量控制消息遍歷每一條路徑信道質(zhì)量，所以此組網(wǎng)方式的網(wǎng)絡(luò)控制開銷很大。最優(yōu)中繼選擇算法通過保留字段攜帶信噪比信息在沒有增加控制開銷的同時(shí)減少了控制報(bào)文因碰撞而重發(fā)的概率，降低了組網(wǎng)的控制開銷。

3.2.3 數(shù)據(jù)傳輸成功率

數(shù)據(jù)傳輸成功率反映了BPLC網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，也是判斷組網(wǎng)效率的重要性能指標(biāo)。數(shù)據(jù)傳輸成功率計(jì)算如式(10)所示

(10)

式中：n代表網(wǎng)絡(luò)場景節(jié)點(diǎn)數(shù)，Xi代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文個(gè)數(shù)，Yi代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)報(bào)文個(gè)數(shù)。3種算法的數(shù)據(jù)傳輸成功率如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)傳輸成功率

由圖9可知，在節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，3種算法的數(shù)據(jù)傳輸成功率都很高。隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，數(shù)據(jù)傳輸成功率都隨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加而逐漸下降，然而三者下降幅度卻大相徑庭。文獻(xiàn)[14]和IEEE1901.1標(biāo)準(zhǔn)下降幅度較大，而最優(yōu)中繼選擇算法即使在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較高的場景下也能保證較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。

其主要原因是：文獻(xiàn)[14]采用遍歷所有路徑方式進(jìn)行入網(wǎng)，在有多個(gè)節(jié)點(diǎn)申請入網(wǎng)的情況下，加劇了網(wǎng)絡(luò)的擁堵。IEEE1901.1采用單鏈路信噪比選擇PCO易造成多個(gè)入網(wǎng)站點(diǎn)選擇同一PCO進(jìn)行。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)在向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)會(huì)逐級(jí)發(fā)送到CCO尋路，大大增加了上級(jí)鏈路和節(jié)點(diǎn)的處理壓力，且在節(jié)點(diǎn)數(shù)多時(shí)更明顯。最優(yōu)中繼選擇算法機(jī)制在未增加多余控制開銷的情況下通過查找最合適的通信路徑和選擇最合適PCO加快了組網(wǎng)速度，使站點(diǎn)分布更均衡、網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定。同時(shí)，公共PCO轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制利用源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)公共的PCO轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，不用把所有的數(shù)據(jù)都交給CCO處理，不僅縮短了數(shù)據(jù)報(bào)文的傳輸路徑，而且減輕了高層級(jí)節(jié)點(diǎn)的處理壓力，所以數(shù)據(jù)傳輸效率和成功率更高。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有寬帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)時(shí)只判斷單級(jí)鏈路質(zhì)量選擇中繼節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳痪獾葐栴}。提出一種適用于多層級(jí)樹狀BPLC網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)代理節(jié)點(diǎn)選擇算法。通過關(guān)聯(lián)請求報(bào)文攜帶候選代理站點(diǎn)與鏈路信噪比信息，判斷從入網(wǎng)申請站點(diǎn)到中央控制器完整鏈路中的最優(yōu)鏈路來選擇更合適的代理站點(diǎn)。考慮節(jié)點(diǎn)增加對信道質(zhì)量的影響，利用公共PCO轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文到目的站點(diǎn)。仿真結(jié)果表明最優(yōu)中繼選擇算法為入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇了最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)，有效降低了BPLC網(wǎng)絡(luò)的控制開銷和時(shí)延。為今后研究多BPLC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)問題做了鋪墊。