本發(fā)明屬于低壓電力線工頻通信路由算法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種融合工頻通信的電力線載波通信路徑搜索方法。

背景技術(shù)：

在諸多電力線通信方式中，應(yīng)用最多的是電力線載波通信(power line communication,PLC)，PLC通過高頻信號在電力線上傳輸實現(xiàn)通信，其缺點是抗干擾性能差、隨距離衰減嚴(yán)重等，因而在應(yīng)用中普遍存在可靠性不高的問題。

國內(nèi)外目前關(guān)于PLC信號傳輸可靠性的提升主要研究方向是物理層通信能力的增強和路由中繼網(wǎng)絡(luò)的建立。其中PLC物理層方面的提升，國內(nèi)外的研究主要包括信道特性、噪聲抑制、信號衰減、信號調(diào)制解調(diào)方式、阻抗匹配及耦合電路設(shè)計等。上述研究的本質(zhì)是提高電力線載波通信點對點通信能力，對電力線通信網(wǎng)絡(luò)來說，點對點通信的高可靠性，并不意味著整個網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，它僅是網(wǎng)絡(luò)可生存性的前提和基礎(chǔ)，上述研究并不能實質(zhì)上提高PLC信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ虼?，PLC系統(tǒng)中路徑中繼組網(wǎng)算法的研究顯得尤為重要，這是保證通信系統(tǒng)可靠性的必要條件。目前，有文獻(xiàn)結(jié)合PRIME標(biāo)準(zhǔn)中媒體訪問控制(MAC)層的幀結(jié)構(gòu)、類型，深入歸納、分析和總結(jié)了PRIME標(biāo)準(zhǔn)中的電力線載波通信組網(wǎng)初始化算法、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與重構(gòu)算法；有文獻(xiàn)分析了電力線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模型，并提出組網(wǎng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而提出一種基于信道狀態(tài)和服務(wù)需求的電力線通信組網(wǎng)算法；還有文獻(xiàn)提出了一種基于人工蜘蛛網(wǎng)的PLC組網(wǎng)模型，對新模型的結(jié)構(gòu)特點及低壓配電網(wǎng)物理拓?fù)溆成錇槿斯ぶ刖W(wǎng)邏輯拓?fù)涞慕M網(wǎng)過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并基于此提出新的組網(wǎng)算法及重路由算法；另有文獻(xiàn)設(shè)計了一種適用于路徑尋優(yōu)的改進(jìn)遺傳算法，這種變異遺傳算法融合了圖的遍歷算法的思想和Dijkstra算法的優(yōu)點，同時也結(jié)合了小生境技術(shù)最優(yōu)保留原則。

然而，基于上述方法不能有效地提高PLC信號傳輸?shù)目煽啃?，現(xiàn)有技術(shù)中載波接力傳輸性能較低，搜索效率低下，不能滿足配電網(wǎng)中電力線中繼的傳輸需求，亟需一種可有效提高PLC信號傳輸可靠性的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

電力線載波通信必須要求信令傳輸?shù)母呖煽啃裕拍芄?jié)約搜索時間，提高搜索效率，使PLC系統(tǒng)有效性增強，提高其實用性。但是，PLC信號隨距離衰減嚴(yán)重，傳輸距離有限。工頻通信(TWACS)在不跨變壓器的情況下幾乎不衰減，時延非常小，完全可以忽略，通信成功率接近百分之百。所以，使用工頻信號傳輸PLC路徑搜索信令可靠性大大增強，能保證成功傳輸。

基于此，本發(fā)明在闡述低壓配電網(wǎng)PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吞卣鞯幕A(chǔ)上，提出了一種融合工頻通信的電力線載波通信路徑搜索方法，所述方法包括以下步驟：

A.將工頻通信信號作為電力線載波通信的路徑搜索信令，選擇與當(dāng)前節(jié)點通信時信噪比參數(shù)在一定范圍內(nèi)的節(jié)點作為中繼節(jié)點；

B.根據(jù)中繼節(jié)點的通信級別或與集中器的距離來確定最優(yōu)中繼節(jié)點；

C.建立集中器到達(dá)各個通信終端的中心節(jié)點路徑表，各個分布節(jié)點建立子路徑表；

D.當(dāng)集中器發(fā)送的指令信息無法送達(dá)某個節(jié)點時，選擇次優(yōu)路徑，若無次優(yōu)路徑時，進(jìn)行步驟E；

E.修復(fù)路徑；

F.當(dāng)集中器按照路由表向多個子節(jié)點終端發(fā)送命令通信路徑都失敗時，則對所有子站重新建立路由表。

所述步驟A中節(jié)點信噪比參數(shù)范圍為60±5H。

所述步驟B中確定最優(yōu)中繼節(jié)點的方法為：若當(dāng)前節(jié)點不與集中器直接通信則選擇高于當(dāng)前節(jié)點的中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼節(jié)點；若當(dāng)前節(jié)點與集中器直接通信則選擇與集中器的通信距離小于當(dāng)前節(jié)點與集中器的通信距離的中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼節(jié)點。

所述步驟E中所述修復(fù)路徑包括以下子步驟：

E1.檢查故障節(jié)點的通信級別，選擇高一級別的節(jié)點搜尋故障節(jié)點，若集中器收到該節(jié)點的反饋信息，修復(fù)完成；若集中器沒有收到該節(jié)點的反饋信息，進(jìn)行步驟E2；

E2.命令與故障節(jié)點同一級別的節(jié)點開始二次搜尋，若集中器收到該節(jié)點的反饋信息，修復(fù)完成；若二次搜尋沒有成功，進(jìn)行步驟E3；

E3.集中器刪除該子節(jié)點，對該子節(jié)點進(jìn)行局部重建路由。

所述步驟E3中的所述局部重建路由包括按照初始分層的方法，集中器發(fā)送工頻通信信號重構(gòu)命令幀，隨即開始路徑修復(fù)。

所述步驟D中的所述次優(yōu)路徑是指信噪比參數(shù)范圍為60±5H的路徑。

本發(fā)明提出了基于TWACS可靠傳輸下行中繼指令結(jié)合PLC信道狀況監(jiān)測的路徑尋優(yōu)方案，并對此算法進(jìn)行了優(yōu)化分析。該方案能夠大大提升載波接力傳輸性能，提高搜索效率，保證PLC路徑搜索信令可靠傳輸，從而大大提升電力線通信性能，能夠更好的滿足配電網(wǎng)中電力線中繼的傳輸需求。

附圖說明

圖1為當(dāng)P＝2時優(yōu)化后路由表示意圖

圖2為本發(fā)明路徑修復(fù)流程圖

圖3為本發(fā)明節(jié)點位置圖

圖4為本發(fā)明節(jié)點通信等級圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

低壓配電網(wǎng)設(shè)計之初是為電能而非數(shù)據(jù)的傳輸，故低壓電力線并不很適合數(shù)據(jù)的傳輸。由于電力線信道環(huán)境惡劣，而載波信號的發(fā)送功率受限，所以隨著載波信號傳輸距離的增加，信號的信噪比快速將下降，使得電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍很小，沒有實用價值。若要實現(xiàn)大規(guī)模電力線通信，必須采用組網(wǎng)/中繼技術(shù)。電力線通信必須要求信令傳輸?shù)母呖煽啃裕拍芄?jié)約搜索時間，提高搜索效率，使PLC系統(tǒng)有效性增強，提高其實用性。但是，PLC信號隨距離衰減嚴(yán)重，傳輸距離有限。而TWACS在不跨變壓器的情況下幾乎不衰減，時延非常小，完全可以忽略，通信成功率接近百分之百。所以，使用工頻信號傳輸PLC路徑搜索信令一定可靠，保證傳輸成功。

通信終端能夠?qū)崟r監(jiān)聽電網(wǎng)中傳輸?shù)妮d波信號，并能夠?qū)⒈O(jiān)聽到的信號解調(diào)獲得信號的發(fā)送地址、目的地址、中繼地址以及發(fā)送信號的節(jié)點的通信級別，然后，利用軟件計算出信噪比參數(shù)

集中器能夠與其距離較近的節(jié)點直接建立通信，這些通信良好的節(jié)點規(guī)定為一級節(jié)點。對于不能直接與集中器通信的節(jié)點(即二到四級節(jié)點)，必須通過中繼節(jié)點間接地與集中器建立通信路徑。中繼節(jié)點的選擇需要考慮兩個條件：(1)通信級別比本節(jié)點高，這樣的中繼節(jié)點才能更好的與集中器通信；(2)中繼節(jié)點與本節(jié)點的距離要適中，距離太遠(yuǎn)則通信不穩(wěn)定，距離太近則可能需要更多級的中繼。

中繼節(jié)點的通信級別可以從監(jiān)聽到的PLC信號的數(shù)據(jù)幀中獲得。對于節(jié)點i，在搜索中繼節(jié)點前，可能已經(jīng)監(jiān)聽到多個節(jié)點向集中器發(fā)送的確認(rèn)信號，假設(shè)這些節(jié)點為j1，j2，……，jm，……，那么jm的通信級別應(yīng)滿足式(1)：

當(dāng)節(jié)點i監(jiān)聽到多個通信級別較高的中繼節(jié)點時，則需要考慮通信的可靠性，并選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪嚯x。如果兩個節(jié)點可以通信，但是距離較遠(yuǎn)，那么這兩個節(jié)點的通信并不穩(wěn)定，可能時斷時續(xù)，因此不適宜做中繼節(jié)點。相反，如果選擇距離較近的節(jié)點作為中繼節(jié)點，雖然可以保證通信的穩(wěn)定性，但是必然會經(jīng)過更多的中繼節(jié)點。中繼次數(shù)增多會大大降低通信的有效性。所以，選擇距離適中的節(jié)點作為中繼非常重要。本發(fā)明通過計算似然比參數(shù)，可以估計通信的可靠性與穩(wěn)定性，經(jīng)過現(xiàn)場實測，獲得了大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明信噪比參數(shù)在60H附近時，不僅能保證良好的通信質(zhì)量，通信距離也較大。

當(dāng)i節(jié)點監(jiān)聽到其它節(jié)點發(fā)送的載波信號后，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)可以獲取發(fā)送節(jié)點的地址、通信級別以及該節(jié)點與集中器之間的信噪比參數(shù)。同時，i節(jié)點在信號解調(diào)時能夠獲得發(fā)送節(jié)點與i節(jié)點之間的信噪比參數(shù)。這樣，i節(jié)點能夠判斷出周圍節(jié)點中，最適合作為中繼節(jié)點的位置。

作為i節(jié)點的中繼節(jié)點，一方面與集中器之間的通信能力要強于i節(jié)點，同時與i節(jié)點之間的通信距離要合適。按照如下規(guī)則確定最優(yōu)中繼節(jié)點S：

式中，表示使最小時，信噪比參數(shù)的選取，其目的是選擇與i節(jié)點之間通信時信噪比參數(shù)最接近60H位置的節(jié)點作為中繼節(jié)點；b_j代表j節(jié)點的通信級別，數(shù)值越小代表通信級別越高，b_j<b_i代表選擇比本節(jié)點通信級別高的節(jié)點作為中繼節(jié)點；“0”代表與集中器直接通信；代表中繼節(jié)點與集中器之間的距離必須小于本節(jié)點與集中器的距離。后兩個條件共同保證了信號向接近集中器的方向傳播。

系統(tǒng)初始化時，首先要建立路徑表。本算法中，中心節(jié)點(集中器)要建立到達(dá)各個分布節(jié)點(通信終端)的中心節(jié)點路徑表，各個節(jié)點要建立子路徑表。

初始分層的路由表結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通信質(zhì)量不高，子節(jié)點終端有多條路徑，需要對其進(jìn)行優(yōu)化來提高通信質(zhì)量，完成通信質(zhì)量的最優(yōu)化。設(shè)定優(yōu)化后的子節(jié)點終端與上層終端的通信路徑最多為P條。初始分層的路由表優(yōu)化具體步驟如下：

設(shè)定組網(wǎng)過程中通信信道不變，因此對已建立的初始的路由表進(jìn)行優(yōu)化，首先對2級的所有子站終端進(jìn)行優(yōu)化路徑，若終端只有一條路徑則不改變，若終端有多條路徑，則分析每條路徑的信噪比參數(shù)，依次記錄最接近60H不超過P條的通信路徑。

同理優(yōu)化3級所有節(jié)點，在2級節(jié)點的基礎(chǔ)上對3級的所有終端進(jìn)行優(yōu)化，記錄信噪比參數(shù)最接近60H不超過P條的通信路徑。繼續(xù)相同的步驟，直到所有的路由都進(jìn)行優(yōu)化。圖1為當(dāng)P＝2時優(yōu)化后路由表示意圖。

設(shè)定對各終端子節(jié)點進(jìn)行邏輯分級時，集中器與一個子節(jié)點之間的通信時間為T_m，這里只計算載波信號傳輸時間。組網(wǎng)的總時間為T_total，為各邏輯層分層時間之和。每一邏輯層需要的時間則是上層每一個站點與未分層的子站通信時間之和。計算公式如下：

式中：n為總子站數(shù)，T_total為組網(wǎng)總時間，k為邏輯層數(shù)，n_i為第i層子節(jié)點數(shù)。通過計算邏輯分層和優(yōu)化的消耗時間可以得出此算法優(yōu)化后的效果以便與其它算法的消耗時間進(jìn)行比較。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某段線路受到干擾時，通信距離會發(fā)生變化，并引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?。?dāng)電網(wǎng)局部出現(xiàn)較強烈的干擾時，導(dǎo)致集中器發(fā)送的指令信息無法送達(dá)某個節(jié)點時，為了提高系統(tǒng)的可靠性，本算法包含了路徑修復(fù)功能。首先，考慮優(yōu)化后的路由表中受阻的節(jié)點是否有次優(yōu)路徑，即信噪比參數(shù)較接近60H的路徑，如果有次優(yōu)路徑選擇次優(yōu)路徑。算法中優(yōu)化后的分層結(jié)構(gòu)使得本算法具有一定的抗毀性。但是當(dāng)受阻節(jié)點的所有路徑都通信失敗時，則集中器確認(rèn)該子節(jié)點路徑不適合當(dāng)前信道，刪除其通信路徑，對該子節(jié)點進(jìn)行局部重建路由。局部重構(gòu)時，按照初始分層的方法，集中器發(fā)送TWACS信號重構(gòu)命令幀，隨即開始路徑修復(fù)。

修復(fù)流程圖如圖2所示，首先，檢查故障節(jié)點的通信級別，然后嘗試讓高一級別的節(jié)點搜尋故障節(jié)點。等待一段時間后如果集中器收到該節(jié)點的反饋信息，則記錄該路徑信息，修復(fù)完成。若集中器沒有收到該節(jié)點的反饋信息，則說明故障節(jié)點處干擾較大，高級別節(jié)點無法搜尋到故障節(jié)點。那么需要命令與故障節(jié)點同一級別的節(jié)點開始二次搜尋。如果二次搜尋也沒有成功，則說明故障節(jié)點附近出現(xiàn)嚴(yán)重干擾。則認(rèn)為其已損壞或移出網(wǎng)絡(luò)，集中器刪除該子節(jié)點。

當(dāng)集中器按照路由表向多個子節(jié)點終端發(fā)送命令通信路徑都失敗時，則對所有子站重新建立路由表。

假設(shè)共有36個節(jié)點，分為4路，毎個節(jié)點的編號與節(jié)點所在位置沒有明顯關(guān)系。利用matlab建立一個包含1-36的自然數(shù)和四個0的多維數(shù)組，然后將數(shù)組元素隨機排列，排列結(jié)果如公式4所示。

1-36表示節(jié)點編號，0表示該位置沒有節(jié)點。根據(jù)隨機數(shù)組，節(jié)點如圖3所示。

以一號線路為例，首先，用PLC廣播，其中，1號和11號節(jié)點收到了信號，然后向集中器發(fā)送請求信號，其中，滿足的節(jié)點只有11號節(jié)點，那么11號節(jié)點可作為一級節(jié)點。

二、三、四級節(jié)點建立路徑過程類似，僅以三級節(jié)點的建立過程為例。第二次搜索后，搜尋到的二級節(jié)點是1、23、25號節(jié)點。然后開始用TWACS信號第三次廣播路徑捜索信令。所有節(jié)點都能收到信令，但是根據(jù)實時監(jiān)聽的情況，9號與1號之間及5號和23號之間的似然比參數(shù)滿足式公式2，因此，5、9號可最終被確定為三級節(jié)點。5、9號節(jié)點的路徑表如表1所示。

表1 一號線路徑表

經(jīng)過一次PLC廣播和蘭次TWACS廣播后,集中器與所有節(jié)點都建立李下通信路徑,所有節(jié)點被分為四級,如圖4所示。

采用本算法，在搜索一個三級節(jié)點的過程中，因為工頻信號可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的高可靠性傳輸，所以，集中器發(fā)送工頻信號一次。每個節(jié)點都能監(jiān)聽到周圍節(jié)點發(fā)出的確認(rèn)信號，所以，當(dāng)某個節(jié)點接到工頻信令后，根據(jù)之前的監(jiān)聽記錄，按照中繼節(jié)點選擇的規(guī)則，可以直接選擇出最佳的中繼節(jié)點。因此，各節(jié)點共發(fā)送載波信號三次。所有三級節(jié)點捜索完成后，集中器共發(fā)送工頻信令1次，各個節(jié)點共發(fā)送載波信號次數(shù)：

λ₂＝3a ——(5)

利用蟻群算法捜索完所有三級節(jié)點總共要發(fā)送PLC信號次數(shù)：

λ₁＝(6a+3b)mN_max ——(6)

新型算法比蟻群算法少發(fā)送載波信號的次數(shù)為:

λ₁-λ₂＝3a[2mN_max-1]+3bmN_max ——(7)

發(fā)送(λ₁-λ₂)次的載波信號所消耗的時間遠(yuǎn)比發(fā)送一次工頻信號所消耗的時間長。在捜索二級節(jié)點和四級節(jié)點時情況類似。融合工頻通信的載波通信優(yōu)化路徑算法與蟻群算法相比，在提高有效性和可靠性等方面擁有很大的優(yōu)勢，能夠更好的滿足配電網(wǎng)中電力線中繼的傳輸需求。總體而言，融合下行工頻通信的路徑捜索算法的效率遠(yuǎn)高于蟻群算法。

上述實施例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。