低壓電力線載波通信的動態路由算法

陳曉娟，耿雪瑩

(東北電力大學信息工程學院，吉林吉林，132012)

電力線載波通信是電力系統獨有的通信方式，是以電力線為傳輸媒質，通過載波方式傳輸模擬或數字信號的通信技術［1］。由于低壓電力線最初不是為了通信而設計的，因此用它作為通信信道存在著強衰減、高噪聲和強時變等不利信號傳輸的特性［2］，這些因素的影響都會降低電力線通信的可靠性。為提高低壓電力線載波通信的可靠性，本文從網絡層入手，對現有的路由算法進行改進，針對現有方案存在的自適應性低、負載均衡性差及可靠性不高等缺陷，提出負載均衡—蟻群動態路由算法。

1 低壓載波通信網絡模型

低壓電力線載波通信信道具有時變性、頻率選擇性和強干擾性的特點，使得低壓電力線載波通信網絡具有獨特的特性［3］。

低壓配電網的拓撲結構多為樹型—星型的混合拓撲結構［4］。三相低壓電力線通信網絡邏輯拓撲如圖1所示［5］。三相低壓電力線之間在網絡邏輯拓撲結構上是相對獨立的，因此可以任選其一作為研究對象。

圖1中，A、B、C三相的分支出，設有單相電力線通信網關，每一網關各自負責每相電網內節點的組網。選取一相進行研究，集中器(網關)與采集器之間采用總線型結構。一種較為簡單的總線型連接如圖2所示，其中采集器終端用1到10編號代表，設備之間的標注表示距離。

設定采集器之間的最大通信距離為10，同樣假設集中器與采集器之間距離也為10。從網絡結構拓撲圖3中可以看出，網絡拓撲為多條總線型、樹形結構，而非單一總線。集中器只與采集器1、2、6、7直接通信，并通過層級傳遞構成與其他所有通信器連通的網絡［6］。

圖1 三相低壓電力線通信網絡邏輯拓撲

圖2 一種簡單的總線型連接圖

圖3 網絡結構拓撲圖

網絡拓撲結構由于電力線信道的強時變性或通信距離變化而發生變化，同時通信設備間可通信距離的差別性又增加了網絡拓撲結構的復雜度，因此，研究如何更合適地選取動態路由中繼點，給出網絡路由建議及維護方案是十分必要的。

2 負載均衡—蟻群算法

2．1 含有負載均衡因子和信道質量參數的目標函數

現有的基于蟻群的電力線載波路由算法，幾乎是將優化程度標準選定為“跳數”，因為電力線信道特性的評定密切需要依靠電載波通信距離和通信可靠性，所以，路徑的評價必須要應用信道特性。路徑的評價與負載的強弱、噪聲和干擾的大小及時延的長短都密切相關，所以采用時延、丟包率、負載因子作為目標函數，通信距離為約束條件，定義目標函數如下:

式中:節點數用N表示;cost(p)表示p路徑的開銷，p路徑中的i節點用p(i)表示;ψ(p)表示p路徑上負載因子;i，j節點彼此相鄰，它們之間的最小通信距離為p(i)－p(j)。

1)計算路徑開銷主要考慮信道的延時和誤碼率，所以節點的時延為

2)計算負載因子ψ的方法為

式中:i節點作為中繼節點的次數為θi，i節點的負載因子用ψi表示。

2．2 轉移規則的改進

根據電力線通信載波特點，路徑轉移規則為

q∈［0，1］，q0為區間［0，1］內一固定值，當 q≤q0時，利用先驗知識對路徑進行選擇，否則按照下式:

式中:τis代表i節點與 s節點間的信息素;λis表示i節點到S節點的延時;taubk為i節點不能遍歷的節點集合;α和β分別是τis和λis權重，當α較大時，代表信息素較重要，而β較大時代表延時更重要［7］。

啟發因子的計算方法為

其中Sigij(t)表示節點j的信號強度，A為信號強度的權重因子。

2．3 禁忌表更新規則

螞蟻每次轉移后都要重新更新禁忌表，根據電力線載波通信系統的物理拓撲特性，在每次轉移節點后，將上一個可通信的節點集合傳給下一個節點集合，下一節點集合再將這些節點加入禁忌表，這樣就可以避免節點走多余的路，加速收斂。每只螞蟻迭代完成后，將禁忌表清空。

2．4 信息素的更新規則

2．4．1 全局信息素更新

全局信息素更新規則為［8］

式中:ρ為信息素的揮發系數，由于信息可無限的累積，迭代最優路徑信息素的增長速度可通過調節ρ的大小來調整，ρ的取值范圍為 ρ∈［0，1);Δτij(t)是信道質量較優路徑的信息素增加值，下面通過公式說明Δτij(t)的計算方法。

式中:Lgb為全局最優路徑，ωd為延時，ωl為誤碼率大小，γd為延時的相對權值，γl為誤碼率的相對權值。

2．4．2 局部信息素的更新規則

使用ACS的局部信息素更新規則為

在常規的算法中，不改變信息素初值τij(0)，針對不同目標節點進行組網時，改進算法中信息素初值對應節點負載情況做出的負反饋變化，即τijn(0)=Фj* τij(0)，其中，τijn(0)為第 n 個節點組網尋找最優路徑時線路 ij上的信息素初值，τij(0)為第1個通信節點組網前網絡的原始信息素初值，Фj為可變信息素初值的變化系數。仿真參數Фj變化規律如表1所示。

表1 Фj變化規律

2．5 算法流程圖

算法流程見圖4。

3 仿真試驗結果

仿真參數設置如表2所示，仿真結果如圖5所示。可以看出，算法經37次迭代就能達到收斂，由此可見本算法能夠找到有效通信路由線路，并能夠收斂于最優路由線路。

表2 仿真實驗參數設置

沒有改進時的負載情況如圖6所示。從圖6中能夠看到，有的節點轉發次數 (承擔的中繼次數)過大。在這一次組網尋找最優路徑過程中，21號節點被16次選作為路由節點，即轉發次數為16。這個現象可以從路徑優化的角度被理解，因為跳數最少作為優化目標，盡量使直接可通信距離為最遠，于是會造成負載不均衡。

圖4 負載均衡－蟻群算法流程圖

圖5 全局最優解曲線變化

圖6 沒改進時負載情況圖

信息素初始值變參數控制算法負載情況如圖7所示。從圖7中可看出，不再有負載量過大的通信節點，結果表明采用該改進算法，網絡中的負載均衡情況有較大改善。

圖7 信息素初始值變參數控制算法負載情況

4 結束語

在盡可能不影響路由線路優化結果情況下，對現有蟻群算法進行改進，把信道質量和負載均衡因子引入到目標函數中，同時讓信息素初值隨節點負載情況進行負反饋變化，從而改善路由算法中存在的動態路由負載失衡問題，提高了通信的可靠性。

［1］林維明，華曉輝，王東方．低壓電力線通信的現狀與展望［J］．電力系統通信，2007，28(2):45 －48．

［2］董亞波，高鋒．低壓電力線載波通信網絡結構分析［J］．電網技術，2003，27(2):58 －62．

［3］忻龍彪，劉春蕾．電力載波遠程抄表系統綜述［J］．低壓電器，2008(4):1 －4，9．

［4］戚佳金，劉曉勝，徐殿國，等．低壓電力線通信分簇路由算法及網絡重構［J］．中國電機工程學報，2008，28(4):65 －71．

［5］邢明海，胡靜宇，鄧海峰．低壓電力線載波抄表系統中的通信技術應用［J］．化工自動化及儀表，2002，29(1):38 －42，48．

［6］劉曉勝，周巖，戚佳金．電力線載波通信的自動路由方法研究［J］．中國電機工程學報，2006，26(21):76 －81．

［7］李領治，鄭洪源，丁秋林．一種基于改進蟻群算法的選播路由算法［J］．電子與信息學報，2007，29(2):340 －344．