智能電網中電力線通信網絡負載均衡的機會路由協議

李祝紅 趙燦明 閆龍 張信明

摘 要：針對智能電網（SG）中電力線通信（PLC）網絡中負載均衡的問題，提出了一個自適應機會路由協議——負載均衡的機會路由協議（LBORP）。在LBORP中，所有收到數據包的候選轉發節點都有機會參與到數據包的轉發中，不再局限于一條路由路徑，避免了流量僅從一條鏈路經過導致的負載不均衡現象;而且候選轉發節點的轉發優先級不僅考慮到轉發節點到目的節點的距離，還考慮到了PLC鏈路的不穩定性以及流量的變化。除此之外，在LBORP中采用一種隱式確認方案，進一步減少協議的端到端時延。在仿真實驗中，與基于有序樹的PLC路由協議（PLC-TR）和PLC機會路由協議（PLC-OR）相比，LBORP在時延上分別降低了19.7%和45.8%，在丟包率上分別降低了23.4%和32.5%。實驗結果表明，LBORP能夠實現網絡的負載均衡，提升網絡的可靠性并減小端到端時延。

關鍵詞：智能電網;電力線通信;負載均衡;路由算法;機會路由

中圖分類號： TP393.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9081（2019）03-0812-05

Abstract： To solve load balancing problem of Power Line Communication （PLC） network in Smart Grid （SG）， an adaptive opportunistic routing protocol named LBORP （Load Balancing Opportunistic Routing Protocol） was proposed. All the candidate forwarding nodes receiving a packet in LBORP had the opportunity to participate in packet forwarding. As a result， packet forwarding was no longer limited to one routing path， which avoided load imbalance caused by traffic with only one link for traffic to pass. And forwarding priority of the candidate forwarding nodes considered not only the distance from forwarding nodes to destination node， but also instability of PLC links and change of traffic. Besides， an implicit acknowledgment scheme was adopted in LBORP， further reducing the end-to-end delay of the proposed protocol. In simulation experiment， compared to PLC-TR （Power Line Communication-Tree Routing） and PLC-OR （Power Line Communication-Opportunistic Routing）， LBORP reduced delay by 19.7% and 45.8% respectively and reduced packet loss rate by 23.4% and 32.5% respectively. Experimental results show that LBORP can achieve network load balancing， improve network reliability and reduce end-to-end delay.

Key words： Smart Grid （SG）; Power Line Communication （PLC）; load balancing; routing algorithm; opportunistic routing

0 引言

智能電網（Smart Grid， SG）[1-3]是一種多種通信技術相結合的智能化的電力通信網絡。通過智能電網，用戶設備的用電信息可以從用戶經過多種異構網絡傳送到電力控制中心，同時，電力控制中心可以實時監測用電設備的狀態變化，并及時為用戶提供所需的電力，實現電力系統的穩定運行。電力線通信（Power Line Communication， PLC）技術[4-6]是智能電網中的通信技術之一，是一種利用配電網中的配電線實現信息交互的數據通信方式。PLC能夠實現電力和信息的同時傳輸，并且由于其部署成本低、安全性高，具有其他通信方式不具備的優勢，因此被廣泛地應用于智能家居系統、遠程抄表系統等。

在現有的研究中，一般使用兩種方法實現PLC[7]：第一種基于窄帶信號，頻率在500kHz以下，最大傳輸速率為幾百kbps;第二種方法則基于寬帶信號，頻率在2～30MHz，最大傳輸速率可超過幾百Mbps[8]。盡管寬帶傳輸能夠支持較高的數據傳輸速率，但是在PLC中，窄帶傳輸更受青睞?，F有的一些PLC標準，比如G3-PLC和IEEE 1901.2，都是基于窄帶信號的，這主要是因為窄帶信號能夠穿過電力設備，比如常用到的變壓器等，而寬帶信號無法穿過這些設備，這大大限制了寬帶傳輸的適用范圍。此外，智能電網中的應用大都并不需要很高的數據傳輸速率[9]，窄帶信號已經能夠支持常見的智能電網應用對數據傳輸速率的需求。而在基于窄帶信號傳輸的PLC網絡中，由于具有多跳特性，如何進行高效路由是PLC網絡中一個十分重要的問題。

針對PLC網絡中的路由問題，目前蕪湖市供電公司PLC網絡中實際采用固定性路由的方式，發送節點發送一個數據包后，通過中繼節點進行轉發，通過一跳一跳的方式逐步轉發到目的節點，中繼節點的序列是在源節點發送數據包前通過Dijkstra算法計算得到。文獻[10]根據電力線網絡拓撲相對固定的特性，提出基于有序樹的路由協議（Power Line Communication-Tree Routing， PLC-TR），將PLC網絡抽象為一棵有序樹，根據節點間的地址信息選擇合適的路由，以降低數據的平均傳輸時延，提高數據包的投遞率。文獻[11]則基于地理路由思想，利用電力設備的地理位置信息進行路由，以應對電力鏈路的時變特性，并針對單播、多播和廣播場景分別設計了地理位置信息的PLC網絡路由協議。但是，文獻[11]也是只選取一個中繼節點，并沒有利用PLC通信中多個接收方都會收到數據包的特性。文獻[8]根據低頻PLC信號能夠穿過電力設備的特性，設計了一個PLC機會路由協議（Power Line Communication-Opportunistic Routing， PLC-OR），利用每次傳輸都會有多個節點收到數據包的特性，構建候選轉發節點集合，由候選轉發節點集合中成功收到數據包的距離目的節點最近的節點轉發數據包。

機會路由[12]與傳統的路由協議相比，只要候選轉發節點集合中有一個節點成功收到數據包，就能進行轉發，相比于傳統路由中只選取一個轉發節點大大提高了可靠性，而且減少了傳統路由中當選取的轉發節點沒有成功收到信息時發送節點不得不進行重發的時延。除此之外，在機會路由中，允許一次發送跨越多跳，減少了總的發送次數[13]。

但是，現有的PLC網絡中的機會路由協議仍存在一些問題。在現有的機會路由協議中，所有的候選中繼節點都在由Dijkstra算法確定的同一個最短路由路徑上[8]，比如，在圖1所示的網絡拓撲中，路徑1-2-3-7-10-13-14-15。但是，這種固定的路由路徑的方式存在一些問題，首先，PLC鏈路是不穩定的，這種不穩定性既包括由于負載阻抗的瞬時變化導致的PLC信道的突變性，也包括PLC信道跟隨工頻周期而周期性平緩變化的時變性，固定的路由路徑無法適應PLC鏈路的信道變化。而且，收到數據包的最短路由路徑外的節點可能會比收到數據包的最短路由路徑上的節點距目的節點更近，比如，當節點2轉發數據包時，除節點3和7外，節點4和8也可能收得數據包，此時，由節點8轉發數據包是比節點7更好的選擇。此外，固定地選取同一個路由路徑會使得數據流量集中在同一個路由路徑上，而PLC窄帶信號的通信能力是有限的，這樣會導致在同一路徑上負載過重，嚴重時會導致網絡擁塞甚至崩潰。最后，現有的機會路由協議中，候選轉發節點的協調是基于確認（ACKnowledgement， ACK）進行顯式確認的，而發送ACK會增加端到端時延。

針對現有電力通信網絡的路由協議中存在的問題，本文提出一種考慮負載均衡的機會路由協議（Load Balancing Opportunistic Routing Protocol， LBORP），利用機會路由實現網絡的負載均衡和可靠傳輸。不同于已有的PLC網絡中的機會路由協議，在LBORP中，所有收到數據包的候選轉發節點都有機會參與到數據包的轉發中，不再局限于一條路由路徑，避免了流量僅從一條路由路徑經過導致的負載不均衡，而且候選轉發節點的轉發優先級不僅考慮到轉發節點到目的節點的距離，還考慮到了PLC鏈路的不穩定性以及流量的變化。除此之外，在LBORP中不使用確認（ACK）報文進行顯式確認，而是采用一種隱式確認方案，以降低協議的復雜度以及端到端時延。仿真實驗結果表明，本文提出的機會路由協議LBORP能夠實現網絡的負載均衡，提升網絡的可靠性并減小端到端時延。

1 負載均衡分析模型和機會路由算法

1.1 網絡模型

PLC網絡被抽象為如圖1所示的拓撲結構，節點集合包括n-1個PLC節點{1，2，…，n-1}和1個目的節點n;邊集合是具有鄰接關系節點構成的PLC鏈路集合。圖中每個PLC節點均連接了多個用戶負載，并經過多跳傳輸將用戶信息傳遞到目的節點。PLC節點之間存在一條PLC鏈路則稱該兩個節點具有鄰接關系，這條鏈路屬于PLC鏈路集合。節點i能夠覆蓋到的節點為i的鄰居節點集合為Ni={j|（i， j）∈E}。節點i的候選節點集合為Si，是Ni的子集。

1.2 分析模型和路由算法

考慮到鏈路的不可靠性對整個通信網絡以及流量的負載均衡的影響，本文提出了一個實現負載均衡的機會路由協議（LBORP）。機會路由的三要素[10]分別為：設計符合應用需求的數據傳輸相關度量;根據該度量確定每個節點的候選集合;源節點發送數據包，多個候選節點協作實現單次數據包的轉發。與每次選擇確定的轉發節點的確定性路由相比，機會路由提高了負載均衡特性與穩定性。LBORP首先設計了基于鏈路不穩定性和流量預分配的路由度量，該路由度量綜合考慮了源節點到轉發節點的局部精確代價和轉發節點到目的節點的遠端的估計代價;其次，依此從候選集合中增加或刪除某些節點，重新調整流量分配結果，篩選出穩定的候選集合，并計算這些穩定集合的端到端的估計代價，最終確定代價最小的集合為最優的候選集合;最后，在確定候選集合后，根據端到端的估計代價對候選集合中的候選節點進行排序，候選節點按照順序依次轉發數據包，提高路由協議的負載均衡特性及可靠性。為了避免重復轉發，當一個轉發節點轉發成功后，其他轉發節點不再轉發。LBORP的主要內容可以分為三部分。

1.2.1 路由度量的計算

路由度量是反映當前節點對路由過程影響的重要程度的關鍵性指標。路由度量的設計往往需要綜合考慮多個因素。本文采用端到端的估計代價作為路由的度量。其中，端到端的估計代價綜合考慮了源節點到轉發節點的單跳代價、轉發節點到目的節點的遠端估計代價以及節點之間的流量分配等因素。LBORP首先對流量進行預分配;其次，結合流量的預分配結果以及單跳代價和遠端估計代價對路由度量進行設計。

步驟1 流量的預分配及單跳代價計算。

節點i的流量包括流入節點i的流量、節點i自身產生的流量以及經由節點i流出的流量。假設流入節點i的流量為Fin（i）、自身的流量為Fown（i），流出的流量為Fout（i），則節點i處的流量分配首先需要滿足流量守恒條件：

在PLC網絡中，傳統的簡單網絡管理協議（Simple Network Management Protocol， SNMP）簡單且易于實現，因此被廣泛使用?；赟NMP的PLC網絡中節點自身產生的流量[14]可以建模為：

在對節點自身產生的流量進行建模后，結合鏈路特性對節點的流出的流量進行預分配。假設節點i的初始候選節點集合為S0i，則為候選節點k，k∈S0i，預分配的流量Falloc（k）可表示如下：

其中，為了適當地調節候選節點分配的流量，本文引入調節因子α（k），調節因子可以根據網絡業務的不同需求來適當地調節。假設節點間的鏈路失敗率是已知的，由于電力信息對電網綜合運行和管理起到至關重要的作用，因此，本文盡可能地確保流量在中間環節傳輸時不發生丟失。那么就需要多個候選節點的預分配的流量滿足以下條件：

步驟2 端到端代價計算。

1.2.2 候選集合的確定

由于節點i具有多個相鄰接的節點，因此，初始的候選集合可以看作是節點能夠覆蓋到的節點組成的集合S0i。首先，鄰居節點中可能存在某些節點無法承擔節點i預分配的流量轉發任務，尤其是當鄰居節點自身的流量已經很大的情況下，如果再為節點i轉發相應的流量，則可能會造成該鄰居節點的負載過重而崩潰，影響信息的轉發和全網的穩定性。其次，由于實際的電力通信網絡的鏈路是不可靠的，考慮綜合數據傳輸代價時，初始候選集的代價不一定是最小的。因此本文考慮在剔除負載過重的節點之后選擇代價最小的候選集，使得在單位時間內傳輸更多的數據，增大網絡的吞吐率。因此，本文考慮如何從初始候選集合中確定一個合適的候選集合，提高網絡的可靠性和穩定性。選擇候選集合的步驟如下：

1.2.3 機會路由策略

在S*s確定之后，為了避免不同候選節點間同時轉發會造成沖突的問題，根據端到端的估計代價對候選集合中的候選節點進行排序，候選節點按照順序依次轉發數據包，提高路由協議的負載均衡特性及可靠性。當一個轉發節點轉發成功后，當其他轉發節點收到這個轉發節點轉發的數據包，就會知道已經有節點成功轉發了數據包，而不再需要這個轉發節點發送ACK進行確認，達到隱式確認的目的。其他轉發節點收到這個轉發節點轉發到的數據包后不再進行轉發。下一跳節點繼續重復該過程，直到數據包被傳遞到目的節點為止。由于每個候選節點均有一定的轉發的概率，而不是采用固定的下一跳節點去轉發，可以避免某些節點承擔過重的負載，在一定程度上實現全網的負載均衡。

2 實驗

2.1 實驗設置

本文基于Matlab仿真平臺進行協議的仿真和實現。本文的實驗對象分別為本文提出的負載均衡的機會路由協議（LBORP）、基于有序樹的路由協議PLC-TR（Power Line Communication-Tree Routing）[10]以及已有的機會路由協議PLC-OR（Power Line Communication-Opportunistic Routing）[8]。網絡拓撲結構采用蕪湖市電力通信網的真實拓撲結構，在100km×100km范圍內布置40個節點，并部署PLC電力線實現節點間的信息通信。本文通過不斷地增加源節點的流量，記錄LBORP、PLC-TR和PLC-OR協議的吞吐量、端到端的平均時延和丟包率。

2.2 實驗結果與分析

圖2描述了隨時間的變化，吞吐量的變化情況。從圖2可以看出，LBORP相比于PLC-OR協議和PLC-TR協議吞吐量的變化趨勢較為緩和，在負載均衡性能方面優于PLC-OR和PLC-TR協議。原因在于PLC-TR協議無法避免某些節點負載過重造成的負載不均衡，使得吞吐量會有突增或突減現象。而機會路由本身具有負載均衡優勢，因此，與PLC-TR協議相比，LBORP和PLC-OR協議在負載均衡性能方面優于PLC-TR協議。而在PLC-OR中，所有的候選中繼節點都在由Dijkstra算法確定的同一個最短路由路徑上，固定地選取同一個路由路徑會使得數據流量集中在同一個路由路徑上，這樣會導致在同一路徑上負載過重。而LBORP中，所有收到數據包的候選轉發節點都有機會參與到數據包的轉發中，不再局限于一條路由路徑，避免了流量僅從一條鏈路經過導致的負載不均衡現象，而且機會路由本身就有負載均衡優勢，所以具有較好的負載均衡性能。

圖3反映了在源節點流量增加的情況下，端到端的平均時延的變化。機會路由與傳統的路由協議相比，只要候選轉發節點集合中有一個節點成功收到數據包，就能進行轉發，相比于傳統路由中只選取一個轉發節點大大提高了每一跳轉發成功的概率，減小了傳統路由中當選取的轉發節點沒有成功收到信息時發送節點不得不進行重發的時延。除此之外，在機會路由中，允許一次發送跨越多跳，減少了總的發送次數。因此，與PLC-TR協議相比，LBORP和PLC-OR協議在時延性能方面優于PLC-TR協議。而在PLC-OR協議中，所有的候選中繼節點都在由Dijkstra算法確定的同一個最短路由路徑上，沒有考慮到收到數據包的最短路由路徑外的節點可能會比收到數據包的最短路由路徑上的節點距目的節點更近的情況。LBORP不僅考慮到這種情況，而且使用隱式確認機制，避免了使用ACK進行確認引起的時延增加。因此，LBORP在端到端時延上優于PLC-OR協議。與PLC-TR和PLC-OR相比，LBORP在時延上分別降低了19.7%和45.8%。

圖4為丟包率隨節點流量的變化趨勢圖。機會路由與傳統的路由協議相比，只要候選轉發節點集合中有一個節點成功收到數據包，就能進行轉發，相比于傳統路由中只選取一個轉發節點大大提高了每一跳轉發成功的概率，增加了可靠性。因此，與PLC-TR協議相比，LBORP和PLC-OR協議在丟包率上低于PLC-TR協議。而在PLC-OR協議中，所有的候選中繼節點都在由Dijkstra算法確定的同一個最短路由路徑上，固定地選取同一個路由路徑不僅無法適應PLC信道的變化，而且會使得數據流量集中在同一個路由路徑上，而PLC窄帶信號的通信能力是有限的，這樣會導致在同一路徑上負載過重，嚴重時會導致網絡擁塞甚至崩潰。因此，LBORP在丟包率上低于PLC-OR協議。與PLC-TR和PLC-OR相比，LBORP在丟包率上分別降低了23.4%和32.5%。

3 結語

針對電力網絡中的負載均衡路由問題，本文提出一個自適應的機會路由協議LBORP。在該路由協議中，本文對流量進行預分配，避免候選節點因為負載過重而造成傳輸性能的下降，然后利用機會路由協議在負載均衡方面的優勢，本文設計了結合電力網絡特性的路由度量，為每個轉發者選擇一個端到端代價最小的候選集合，并為每個候選節點設置了不同的優先級，進行機會性的轉發。實驗結果表明，本文提出的機會路由協議能夠實現網絡的負載均衡，并且提升網絡的可靠性，減小端到端時延。機會路由算法也可用于其他多跳網絡，比如：移動自組織網絡、車載自組織網絡、無線傳感器網絡等。LTE（Long Term Evolution）、5G中的D2D（Device to Device）通信當需要進行多跳轉發時，也可使用機會路由算法，相關研究會在以后的工作中開展。

參考文獻 （References）

[1] FANG X， MISRA S， XUE G， et al. Smart grid—the new and improved power grid： a survey[J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials， 2012， 14（4）： 944-980.

[2] YAN Y， QIAN Y， SHARIF H， et al. A survey on smart grid communication infrastructures： motivations， requirements and challenges [J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials， 2013， 15（1）： 5-20.

[3] GUNGOR V C， SAHIN D， KOCAK T， et al. A survey on smart grid potential applications and communication requirements [J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2013， 9（1）： 28-42.

[4] GUNGOR V C， LAMBERT F C. A survey on communication networks for electric system automation [J]. Computer Networks， 2006， 50（7）： 877-897.

[5] 趙磊，單淵達，張根度.電力線通信技術的發展[J].電網技術，2001，25（11）：70-73.（ZHAO L， SHAN Y D， ZHANG G D. Development of power line communication technology [J]. Power System Technology， 2001， 25（11）： 70-73.）

[6] 趙燦明，李祝紅，閆凡，等.電力通信網絡中負載均衡的路由協議[J].計算機應用，2016，36（11）：3028-3032.（ZHAO C M， LI Z H， YAN F， et al. Load balanced routing protocol in electric power communication networks [J]. Journal of Computer Applications， 2016， 36（11）： 3028-3032.）

[7] 曹惠彬.電力線通信（PLC）技術綜述[J].電力系統通信，2004， 25（1）： 1-6. （CAO H B. Survey of PowerLine Communication （PLC） technology [J]. Telecommunications for Electric Power System， 2004， 25（1）： 1-6.）

[8] YOON S G， JANG S， KIM Y H， et al. Opportunistic routing for smart grid with power line communication access networks [J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2014， 5（1）： 303-311.

[9] GALLI S， SCAGLIONE A， WANG Z. For the grid and through the grid： the role of power line communications in the smart grid [J]. Proceedings of the IEEE， 2011， 99（6）： 998-1027.

[10] 何華冰，姚婷婷，李云飛，等.基于有序樹的電力線網絡路由算法[J].計算機應用與軟件，2016，33（5）：115-119.（HE H B， YAO T T， LI Y F， et al， Ordered tree-based routing algorithm for power line communication network [J]. Computer Applications and Software， 2016， 33（5）： 115-119.）

[11] BIAGI M， GRECO S， LAMPE L. Geo-routing algorithms and protocols for power line communications in smart grids [J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2018， 9（2）： 1472-1481.

[12] ZHANG X M， CAO X L， YAN L. et al. A street-centric opportunistic routing protocol based on link correlation for urban VANETs [J]. IEEE Transactions on Mobile Computing， 2016， 15（7）： 1586-1599.

[13] LIU H， ZHANG B， MOUFTAH H T， et al. Opportunistic routing for wireless Ad Hoc and sensor networks： present and future directions [J]. IEEE Communications Magazine， 2009， 47（12）： 103-109.

[14] 程曉榮.寬帶電力線通信信道特性及網管技術研究[D].保定：華北電力大學， 2006： 64-65.（CHENG X R， Research on broadband power line communication channel characteristics and network mnagement technology[D]. Baoding： North China Electric Power University， 2006： 64-65.）