謝志遠(yuǎn)，王夢(mèng)雨，曹旺斌,2

(1.華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué) 河北省電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；3.河北省互感器技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071003)

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)電網(wǎng)逐漸不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求，建立統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)成為未來(lái)電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向[1-2]。可靠的通信方式是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),其中低壓電力線通信技術(shù)利用隨處可見(jiàn)的電力傳輸線作為傳輸數(shù)據(jù)的通信介質(zhì)，無(wú)需費(fèi)時(shí)費(fèi)力地重新布線，在廣泛性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性上具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用在智能配電網(wǎng)用電信息采集、智能路燈控制、智能樓宇自動(dòng)化、智能家居和光伏能源接入以及環(huán)保用電監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域[3-4]。然而,電力線與光纖、同軸電纜等專門(mén)的通信介質(zhì)不同，其線路上的噪聲干擾、關(guān)聯(lián)電氣設(shè)備的通斷以及線路阻抗的變化等因素，導(dǎo)致信道具有明顯的時(shí)變特征，從而對(duì)電力線通信的通信效果產(chǎn)生了不良影響。

為了更好地利用低壓電力線的天然優(yōu)勢(shì)，研究人員一直致力于改善該通信方式的不足之處。從針對(duì)物理層的信道建模[5]、信道估計(jì)[6]和信道編碼[7]，到網(wǎng)絡(luò)層各種優(yōu)化組網(wǎng)方法[8]的提出，都是為了提高其通信可靠性。物理層與硬件結(jié)構(gòu)有關(guān)，相對(duì)來(lái)說(shuō)不易實(shí)現(xiàn)，因此研究網(wǎng)絡(luò)層更具有實(shí)際意義。網(wǎng)絡(luò)層主要利用中繼思想，通過(guò)某種算法選取中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)路由。組網(wǎng)路由算法主要分為3類:以分簇算法及其改進(jìn)算法為代表的分級(jí)分層式算法[9-11]、以蟻群算法為代表的智能仿生類算法[12-14]以及一些其他算法，如文獻(xiàn)[15]提出一種以鄰節(jié)點(diǎn)覆蓋為核心的改進(jìn)分簇算法，算法過(guò)程中加入動(dòng)態(tài)延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證了算法的有效性；文獻(xiàn)[16]結(jié)合萊維飛行機(jī)制和蟻群算法，提出基于迭代激勵(lì)機(jī)制的電力線通信組網(wǎng)算法；文獻(xiàn)[17]提出了基于圖論生成樹(shù)的路由算法等。

由上述分析可知，目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的研究已經(jīng)取得了顯著的效果。分簇算法因思想簡(jiǎn)單和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在低壓電力線通信中的應(yīng)用最為廣泛，但還是存在一些問(wèn)題。比如在選擇簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，現(xiàn)有算法往往采用單一的選擇標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)很容易被選為簇頭，無(wú)法保障節(jié)點(diǎn)公平性和負(fù)載平衡。因此，本文在選擇簇頭時(shí)考慮多種因素，包括節(jié)點(diǎn)連通度、負(fù)載以及節(jié)點(diǎn)的有效通信距離和，并在組網(wǎng)過(guò)程中借鑒人工蛛網(wǎng)的思想，為通信節(jié)點(diǎn)選擇同層鄰居節(jié)點(diǎn)，增加可選路徑。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法形成的簇結(jié)構(gòu)更加均勻，有利于保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和負(fù)載平衡，簇頭個(gè)數(shù)相比傳統(tǒng)算法有所減少，一定程度上改善了網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)，備份路徑的引入避免了頻繁的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，提高了通信可靠性。

1 低壓電力線通信組網(wǎng)算法基礎(chǔ)分析

1.1 低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)模型

了解網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是分析整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。圖1給出了一種常見(jiàn)的低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)樹(shù)型物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中變壓器的二次側(cè)為A,B,C三相配電網(wǎng)，每一相的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理和收集該相位管轄下的普通子節(jié)點(diǎn)的信息。一般，在不考慮相間耦合器的情況下，三相之間不能相互通信，因此研究低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)的單相物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即具有代表性[18]。為便于表述，下文統(tǒng)稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為中心節(jié)點(diǎn)，普通子節(jié)點(diǎn)為通信節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)。

圖1 低壓電力線通信物理拓?fù)銯ig.1 Physical topology of low-voltage power line communication

低壓電力線通信通過(guò)電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信道時(shí)變性強(qiáng)，電力線上的信號(hào)衰減和噪聲干擾等問(wèn)題雖然不會(huì)改變節(jié)點(diǎn)之間的電氣連接關(guān)系，但會(huì)降低某些鏈路的通信質(zhì)量，從而導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)失去和中心節(jié)點(diǎn)直接通信的能力。因此，即使2個(gè)節(jié)點(diǎn)在物理上是連接的，在邏輯上也可能是斷開(kāi)的。圖2給出了低壓電力線通信邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)中包含1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和b個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，由于低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)傳輸范圍有限，只有位于中心節(jié)點(diǎn)可直接通信范圍內(nèi)的a個(gè)通信節(jié)點(diǎn)能夠與中心節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，除此之外的(b-a)個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，由于處在中心節(jié)點(diǎn)的可直接通信范圍之外，距離中心節(jié)點(diǎn)太遠(yuǎn)，只能借助可直接通信范圍內(nèi)的a個(gè)通信節(jié)點(diǎn)作為與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溝通的“橋梁”，最終全部節(jié)點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)與中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。這a個(gè)通信節(jié)點(diǎn)被稱為“中繼節(jié)點(diǎn)”，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。對(duì)于低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。

圖2 低壓電力線通信邏輯拓?fù)銯ig.2 Logic topology of low-voltage power line communication

1.2 傳統(tǒng)分簇算法

分簇算法啟蒙于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Senor Network,WSN)，后來(lái)也被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)自組網(wǎng)(Ad-Hoc Network)中。低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)與WSN和移動(dòng)自組網(wǎng)具有相似的網(wǎng)絡(luò)特征，如邏輯拓?fù)涠紕?dòng)態(tài)變化和節(jié)點(diǎn)傳輸距離都有限等，因此在組網(wǎng)時(shí)可以借鑒分簇的思想。

分簇算法具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和延伸性，能夠滿足日益擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的快速、有效、可靠的通信。分簇算法的核心思想是用特定的算法在網(wǎng)絡(luò)中選擇合適的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)“領(lǐng)導(dǎo)者”的角色，即簇頭；簇頭再根據(jù)需要選擇自己的成員，即簇員。一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)簇員節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)完整的簇結(jié)構(gòu)，分簇算法就是將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)簇結(jié)構(gòu)。一個(gè)簇員是否可以同屬于不同的簇，決定了該簇結(jié)構(gòu)是非交疊[9]的還是交疊[19]的。

以往的文獻(xiàn)對(duì)非交疊分簇算法和交疊分簇算法已經(jīng)介紹的非常清楚，圖3和圖4給出了這2類算法的結(jié)構(gòu)?？偟膩?lái)說(shuō)，非交疊分簇算法形成的是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的樹(shù)形拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)連通性和可靠性較差，從中心節(jié)點(diǎn)到每個(gè)目的通信節(jié)點(diǎn)只有單一的通信鏈路。交疊分簇算法形成的是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)之間存在多條通信路徑，與非交疊相比，可靠性雖得到了提高，但增加了路由開(kāi)銷?？紤]到實(shí)際因素，目前應(yīng)用較多的還是非交疊分簇算法。

圖3 非交疊分簇算法結(jié)構(gòu)Fig.3 Non-overlapping clustering algorithm structure

圖4 交疊分簇算法結(jié)構(gòu)Fig.4 Overlapping clustering algorithm structure

1.3 人工蛛網(wǎng)思想

蛛網(wǎng)組網(wǎng)算法是研究人員受到蜘蛛捕食行為和自然蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)啟發(fā)后提出的一種組網(wǎng)方法，屬于智能仿生類算法。文獻(xiàn)[20]提出了基于人工蛛網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，將蛛網(wǎng)組網(wǎng)算法應(yīng)用到低壓電力線通信組網(wǎng)上，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性，同時(shí)結(jié)果表明，基于蛛網(wǎng)的組網(wǎng)算法具有很強(qiáng)的可靠性和抗毀性。

圖5給出了人工蛛網(wǎng)邏輯拓?fù)?。從圖中可以看出，對(duì)于每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，都存在2個(gè)可以直接通信的鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)不能與目的通信節(jié)點(diǎn)直接通信時(shí)，可以將其鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼，進(jìn)而與目的節(jié)點(diǎn)通信。鄰居鏈路的存在，等同于為通信節(jié)點(diǎn)增加備份路徑，能夠保障通信的可靠性。

圖5 人工蛛網(wǎng)邏輯拓?fù)銯ig.5 Logical topology of artificial cobweb

1.4 組網(wǎng)特點(diǎn)及要求

① 通信節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。電力線信道干擾大，噪聲環(huán)境惡劣，節(jié)點(diǎn)的傳輸距離受到影響，因此節(jié)點(diǎn)需要具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

② 算法自適應(yīng)能力強(qiáng)，擴(kuò)展性好。電力線上的負(fù)載類型多種多樣，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，并且信道的衰減特性、噪聲特性等會(huì)導(dǎo)致電力線通信網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性和時(shí)變性，所以組網(wǎng)算法需要具有一定的愈合能力和自適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)改變。

③ 算法簡(jiǎn)潔，路由開(kāi)銷小。電力線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的處理能力和計(jì)算能力較弱，所以設(shè)計(jì)的算法不宜復(fù)雜，應(yīng)追求路由和通信開(kāi)銷小的目標(biāo)。

④ 考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)載平衡問(wèn)題。由于某些通信節(jié)點(diǎn)性能較好，可能會(huì)承載過(guò)多的傳輸任務(wù)，如果節(jié)點(diǎn)之間的通信負(fù)載差異太大，反而會(huì)降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率和可靠性。因此，在設(shè)計(jì)算法時(shí)要考慮節(jié)點(diǎn)的負(fù)載平衡問(wèn)題。

2 改進(jìn)的組網(wǎng)算法

2.1 組網(wǎng)前提

① 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在物理鏈路上是連通的，且都具有唯一的物理地址(ID)。假設(shè)算法中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n，則中心節(jié)點(diǎn)物理ID為1，其余節(jié)點(diǎn)物理ID依次為2，3，…，n。

② 不考慮網(wǎng)絡(luò)中的孤島效應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)分簇后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的遍歷，即不存在孤立節(jié)點(diǎn)。

③ 為了仿真的便利性，在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)通信鏈路是對(duì)稱的。

④ 網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)可以經(jīng)交互控制消息得到鄰居節(jié)點(diǎn)的物理ID和權(quán)值等信息[21]。

2.2 算法概述

目前，應(yīng)用在電力線通信組網(wǎng)中的分簇算法大多是以節(jié)點(diǎn)的某一度量作為選擇簇頭的規(guī)則，如最高節(jié)點(diǎn)度分簇算法選擇簇頭時(shí)只考慮通信節(jié)點(diǎn)的連通度，連通度大的節(jié)點(diǎn)能夠優(yōu)先被選為簇頭；最小ID分簇算法在選舉簇頭時(shí)只考慮通信節(jié)點(diǎn)的邏輯ID值等。這種只考慮某一方面的選擇標(biāo)準(zhǔn)會(huì)使某些節(jié)點(diǎn)頻繁地被選為簇頭，無(wú)法保證節(jié)點(diǎn)的公平性，一旦這些節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

針對(duì)上述問(wèn)題，在對(duì)傳統(tǒng)非交疊分簇算法進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多因素加權(quán)的電力線通信組網(wǎng)算法，選擇簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)綜合考慮3方面因素：節(jié)點(diǎn)連通度、節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況以及有效通信距離和，為這3種因素分配相應(yīng)的權(quán)重并給出相應(yīng)公式計(jì)算節(jié)點(diǎn)權(quán)值，權(quán)值越大，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)越適合當(dāng)簇頭。組網(wǎng)時(shí)優(yōu)先選擇權(quán)值最大的通信節(jié)點(diǎn)成為簇頭，若權(quán)值最大的節(jié)點(diǎn)不止一個(gè)，則選擇其中邏輯ID值最小的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。該算法借鑒人工蛛網(wǎng)的思想，在組網(wǎng)階段，為通信節(jié)點(diǎn)尋找2個(gè)(至多)同層鄰居節(jié)點(diǎn)作為備份路徑，一旦原本的通信鏈路失效，則可以選擇備份路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，作為中繼實(shí)現(xiàn)與目的節(jié)點(diǎn)的通信。這樣可以減少頻繁的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，以免造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。組網(wǎng)算法的主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示，主要包括組網(wǎng)初始化和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)2個(gè)階段。

圖6 組網(wǎng)算法的主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程Fig.6 Main implementation process of networking algorithm

2.3 組網(wǎng)初始化算法

2.3.1 算法描述

在實(shí)際的低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)中，為了最大程度發(fā)揮分簇算法的優(yōu)勢(shì)，提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，需要在選擇簇頭時(shí)考慮多種因素，使產(chǎn)生的簇頭更符合實(shí)際組網(wǎng)情況。本算法中定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭的適合程度為一個(gè)組合權(quán)值，用weight表示該權(quán)值。weight值越大，說(shuō)明該通信節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系越緊密，節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性越強(qiáng)，越適合當(dāng)簇頭。在給出權(quán)值的計(jì)算公式之前，介紹所用到的變量的定義：

定義1 節(jié)點(diǎn)連通度：用來(lái)衡量一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)建立通信連接的能力，定義為該通信節(jié)點(diǎn)在可直接通信范圍內(nèi)能連接的下一層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，用f(ni)表示。f(ni)越大，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)的連通性越好。

定義2 節(jié)點(diǎn)負(fù)載：將某個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)連通度與同一邏輯層中的所有通信節(jié)點(diǎn)的平均節(jié)點(diǎn)連通度之差定義為節(jié)點(diǎn)負(fù)載，用N(ni)表示。若s表示同層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，則：

(1)

定義3 節(jié)點(diǎn)有效通信距離和：節(jié)點(diǎn)有效通信距離和是通信節(jié)點(diǎn)到其一跳范圍內(nèi)的可通信節(jié)點(diǎn)的通信距離之和，該值越大，在一定程度上表示節(jié)點(diǎn)的通信范圍越廣，用D(ni)表示。

綜合考慮以上3方面因素，改進(jìn)算法中簇頭的選擇標(biāo)準(zhǔn)用這3個(gè)變量的一個(gè)加權(quán)組合值weight表示，具體計(jì)算公式如下：

weight(ni)=ω1×D(ni)+ω2×f(ni)×exp(-|N(ni)|)，

(2)

式中，w1，w2為加權(quán)系數(shù)因子，且滿足w1+w2=1。w1，w2取值不固定，可以根據(jù)具體的要求和應(yīng)用環(huán)境設(shè)定不同的值，從而適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。

2.3.2 算法流程

組網(wǎng)初始化的過(guò)程即簇生成的過(guò)程，共分為以下4個(gè)步驟：

① 網(wǎng)絡(luò)初始化。上電后中心節(jié)點(diǎn)向周圍發(fā)送廣播信息，啟動(dòng)組網(wǎng)過(guò)程，其余節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算自己的weight值，中心節(jié)點(diǎn)依據(jù)可通信范圍建立節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系。

② 第1層組網(wǎng)。中心節(jié)點(diǎn)默認(rèn)為是第1個(gè)簇頭，發(fā)出分簇廣播信息，假設(shè)有m(0

③ 第2層組網(wǎng)。layer1的m個(gè)通信節(jié)點(diǎn)按照weight值由高到低的次序依次獲得組網(wǎng)權(quán)限，若出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)weight值相同的情況，則優(yōu)先選擇其中邏輯ID值最小的節(jié)點(diǎn)。權(quán)值最高的節(jié)點(diǎn)首先向未入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信息，接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)入網(wǎng)，加入該簇。然后借鑒蛛網(wǎng)思想，向同層通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信息，選擇至多2個(gè)通信質(zhì)量最好的節(jié)點(diǎn)作為其鄰居節(jié)點(diǎn)，充當(dāng)備份鏈路。

④ 更高層的組網(wǎng)。重復(fù)步驟③，直到低壓電力線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)全部成功接入網(wǎng)絡(luò)，即都建立了相應(yīng)的通信鏈路，則組網(wǎng)過(guò)程結(jié)束。初始化算法的流程如圖7所示。

圖7 組網(wǎng)初始化算法流程Fig.7 Flow chart of networking initialization algorithm

2.4 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)

低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過(guò)程中，傳輸質(zhì)量易受到信道時(shí)變性的影響，因此會(huì)出現(xiàn)通信鏈路失效的問(wèn)題。在傳統(tǒng)非交疊算法中，中心節(jié)點(diǎn)到每個(gè)目的通信節(jié)點(diǎn)只有單一的通信路徑，很大程度上不能保障網(wǎng)絡(luò)的可靠性。如果頻繁地進(jìn)行組網(wǎng)，會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。因此，有必要為節(jié)點(diǎn)引入備份路徑。

本文算法中蛛網(wǎng)思想的引入為節(jié)點(diǎn)增加了備份鏈路，在組網(wǎng)過(guò)程中為通信節(jié)點(diǎn)尋找至多2個(gè)同層鄰居節(jié)點(diǎn)，一旦原本的通信鏈路出現(xiàn)了故障，則選擇鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼，實(shí)現(xiàn)與目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)。如果節(jié)點(diǎn)沒(méi)有找到同層鄰居節(jié)點(diǎn)，或者網(wǎng)絡(luò)情況差到備用鏈路也無(wú)法通信，此時(shí)將重新啟動(dòng)組網(wǎng)算法，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

3.1 組網(wǎng)初始化仿真

為了充分證明所提組網(wǎng)算法的有效性和優(yōu)越性，本文在Matlab R2018b的環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究。設(shè)定在一個(gè)100 m×100 m的方形區(qū)域內(nèi)，分布著多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，其中中心節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是(50，50)，位于區(qū)域的正中心，編號(hào)為1，其余通信節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，編號(hào)依次為2～40。為了體現(xiàn)出電力線通信信道的時(shí)變性，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效通信距離在20～25 m隨機(jī)變化，實(shí)驗(yàn)中加權(quán)系數(shù)因子設(shè)定為w1=w2=0.5。

依次對(duì)傳統(tǒng)分簇算法(本實(shí)驗(yàn)采用最小ID分簇算法)、未引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法以及引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法進(jìn)行仿真，圖8～圖10給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 傳統(tǒng)最小ID分簇算法仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of traditional minimum ID clustering algorithm

圖9 未引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of improved clustering algorithm without cobweb idea

圖10 引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of improved clustering algorithm with cobweb idea

由圖8可以看出，傳統(tǒng)的最小ID分簇算法選舉簇頭時(shí)僅根據(jù)單一因素，選擇出的簇頭較為分散和不均勻。與圖8相比，圖9中本文提出的考慮多因素加權(quán)的簇頭選舉方法，使得分簇效果更加均勻，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)簇的簇成員個(gè)數(shù)基本相等，簇的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

為了更直觀地比較圖8和圖9的分簇效果，定義η為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡因子，用來(lái)衡量整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡性。η的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中，nc為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)簇的總數(shù)；xi為每個(gè)簇的簇員個(gè)數(shù)；μ為網(wǎng)絡(luò)的平均簇員數(shù)；η為每個(gè)簇簇員個(gè)數(shù)與平均簇員數(shù)方差之和的倒數(shù)。η越大，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)越均勻，負(fù)載均衡性越好。經(jīng)計(jì)算，傳統(tǒng)最小ID算法的負(fù)載平衡因子η1=0.021 5，改進(jìn)后算法的負(fù)載平衡因子η2=0.025。由此可見(jiàn)，本文提出的算法在負(fù)載平衡方面具有優(yōu)越性。

圖10為引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法組網(wǎng)結(jié)果圖，在圖9的基礎(chǔ)上，增加了同層鄰居節(jié)點(diǎn)作為備份鏈路(圖中虛線)。以中心節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)40進(jìn)行通信為例，對(duì)3種仿真結(jié)果進(jìn)行分析。由于距離較遠(yuǎn)，中心節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接與節(jié)點(diǎn)40通信，因此需要尋找合適的中繼節(jié)點(diǎn)。在傳統(tǒng)分簇算法和未引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法中均只有一條路徑：1-25-30-40，而在引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法中，可以明顯看到，除通信鏈路1-25-30-40外，還有多條備份路徑能夠完成中心節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)40的通信。

由上述分析可知，傳統(tǒng)分簇算法和未引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法路徑單一，網(wǎng)絡(luò)連通性和抗干擾性能差；而本文提出的引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法，一方面能夠更加合理地選擇簇頭，保障節(jié)點(diǎn)公平和負(fù)載均衡性，另一方面增加了鄰居節(jié)點(diǎn)作為備份路徑，為節(jié)點(diǎn)之間的通信提供了更多選擇，當(dāng)通信鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，備份路徑的存在能夠及時(shí)保障通信可靠性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)仿真

在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的仿真研究中，本實(shí)驗(yàn)研究了通信鏈路失效時(shí)的情況。假設(shè)節(jié)點(diǎn)32與37之間的通信鏈路失效，那么節(jié)點(diǎn)32將無(wú)法與節(jié)點(diǎn)37直接通信，此時(shí)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)策略。對(duì)于節(jié)點(diǎn)37，存在2個(gè)同層鄰居節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)29和節(jié)點(diǎn)38，這2個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)都可以作為節(jié)點(diǎn)37的備份路徑。此時(shí)節(jié)點(diǎn)32將自動(dòng)選擇節(jié)點(diǎn)29或節(jié)點(diǎn)38作為中繼進(jìn)而與節(jié)點(diǎn)37進(jìn)行通信，于是維護(hù)后的通信鏈路變成1-28-32-29-37或1-28-32-38-37。具體仿真結(jié)果如圖11所示。

(a) 1-28-32-29-37

3.3 簇頭數(shù)目的變化

網(wǎng)絡(luò)中的簇頭數(shù)目在一定程度上能夠用來(lái)衡量分簇算法的性能，簇頭數(shù)目過(guò)多會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，如網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、開(kāi)銷過(guò)大等，因此有必要對(duì)簇頭數(shù)目的變化情況進(jìn)行分析。

由于算法中是否引入蛛網(wǎng)思想并不改變簇頭的個(gè)數(shù)，所以下文將未引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法和引入蛛網(wǎng)思想的改進(jìn)分簇算法統(tǒng)稱為改進(jìn)分簇算法。圖12給出了傳統(tǒng)分簇算法和改進(jìn)分簇算法的簇頭數(shù)目隨節(jié)點(diǎn)有效通信距離的變化曲線。結(jié)果表明，2種算法的簇頭個(gè)數(shù)都會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)有效通信距離的增加而減少，相比之下,改進(jìn)后的分簇算法簇頭個(gè)數(shù)更少，性能更優(yōu)。

圖12 簇頭數(shù)目隨節(jié)點(diǎn)有效通信距離的變化Fig.12 Number of cluster heads varing with the effective communication distance of nodes

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，介紹了傳統(tǒng)分簇算法的分類、特點(diǎn)以及電力線通信組網(wǎng)的特點(diǎn)和要求，針對(duì)目前組網(wǎng)算法存在的問(wèn)題，提出了一種基于多因素加權(quán)的改進(jìn)組網(wǎng)算法。不同于以往的算法在選擇簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)只考慮單一因素，改進(jìn)的算法在選取簇頭時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)連通度、節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況以及有效通信距離和3種因素。另一方面，為提高通信可靠性，該算法借鑒蛛網(wǎng)的思想，為通信節(jié)點(diǎn)引入鄰居節(jié)點(diǎn)作為備份路徑，避免頻繁的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該算法的可行性和優(yōu)越性。仿真結(jié)果表明，該算法的提出使簇頭的選擇更加合理，有利于保障節(jié)點(diǎn)公平性和負(fù)載平衡，改進(jìn)后的算法減少了簇頭個(gè)數(shù)，并且能夠在通信鏈路出現(xiàn)故障時(shí)利用備份路徑實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，有效地提高了低壓電力線通信的可靠性。未來(lái)的研究方向?qū)⒖紤]分析算法的QoS參數(shù)，使得算法更具有實(shí)際工程上的指導(dǎo)意義。