低壓配電網(wǎng)電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)可靠性研究

低壓配電網(wǎng)電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)可靠性研究

0其他相關(guān)研究在應(yīng)用低壓電氣線載波通信技術(shù)時，可靠性低下的問題經(jīng)常發(fā)生。國內(nèi)外關(guān)于提高低壓電力線載波通信可靠性方面的研究主要有2大方向，即增強物理層通信能力和建立網(wǎng)絡(luò)中繼(路由)。增強物理層通信能力的相關(guān)研究主要集中在信道特性、噪聲、衰減、信源和信道編碼、信號調(diào)制解調(diào)方式等方面[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。例如，文獻(xiàn)采用基于多層感知器的均方準(zhǔn)則實現(xiàn)了一種時變信道的非線性均衡，經(jīng)過試驗驗證該文所用的方法可以改善電力線載波系統(tǒng)的相關(guān)性能。文獻(xiàn)對三相四線配電網(wǎng)的噪聲特性和分布做了深入的測試和研究，為后續(xù)解決電力線通信噪聲問題提供了參考依據(jù)。文獻(xiàn)結(jié)合傳輸線理論和電磁場輻射理論對寬帶電力線信道的頻率衰減特性和負(fù)載分支等方面做了分析和研究。文獻(xiàn)對低壓配電網(wǎng)的傳輸特性做了詳細(xì)分析和測試，同時，該文作者在文獻(xiàn)中提出了利用配電網(wǎng)信道的特性使配電網(wǎng)多用戶通信系統(tǒng)的整體性能達(dá)到最優(yōu)的方法。有部分研究人員關(guān)注網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲欣^相關(guān)的研究[14,15,16,17,18,19,20]。如文獻(xiàn)采用一種2狀態(tài)馬爾可夫模型來決定相鄰中繼節(jié)點，試圖提高遠(yuǎn)程抄表電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的通信可靠性。文獻(xiàn)利用信道狀態(tài)指標(biāo)來決定中繼洪泛數(shù)據(jù)包發(fā)送概率，以減小洪泛時的碰撞概率。由于電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)不同于一般的計算機網(wǎng)絡(luò)，一般的計算機網(wǎng)絡(luò)有著相對穩(wěn)定的鏈路和具有強大硬件計算能力的路由器。基于這方面的考慮，文獻(xiàn)所提出的這類組網(wǎng)方法在一定程度上解決了電力線通信網(wǎng)絡(luò)的“連通性”問題。筆者在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮電力線通信網(wǎng)絡(luò)特有的信道特性和網(wǎng)絡(luò)路由模型，提出一種基于信道狀態(tài)和服務(wù)需求的動態(tài)組網(wǎng)算法，并仿真驗證該算法的有效性。試圖為解決電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的路由問題提供一種參考方法和算法，同時也是作為提高電力線通信質(zhì)量在算法層面上的一點探索。1電力線系統(tǒng)模型為了提煉一個有代表性意義的低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，筆者參考了郭靜波教授在文獻(xiàn)中的系統(tǒng)測試框架，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于電力線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸特性測試，是一個基于星型和樹型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)，具有代表性和普遍意義。低壓配電網(wǎng)三相之間的衰減較大，在沒有相間耦合器的情況下，低壓配電網(wǎng)三相之間可以看作并列且相對獨立的邏輯關(guān)系，可將其中某一相的邏輯拓?fù)渥鳛橹攸c研究對象，所以，可以從文獻(xiàn)的測試系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)中提取出一種典型的單相邏輯拓?fù)渥鳛檠芯繉ο?，如圖1(a)所示。在二次側(cè)電網(wǎng)100m×100m的區(qū)域內(nèi)布置49節(jié)點。在實際的測試情況中，電力線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的連通能力和范圍是很有限的。文獻(xiàn)中的測試表明，使用基于INT51X系列芯片的電力線載波通信設(shè)備在教學(xué)大樓室內(nèi)的低壓配電網(wǎng)上進(jìn)行測試，在不超過30m的傳輸距離內(nèi)能夠成功實現(xiàn)文件傳輸。隨著傳輸距離的增長，分支鏈路的增加，接收信號明顯減弱。當(dāng)傳輸距離到50m左右，分支鏈路為7個時，通信無法正常進(jìn)行。假設(shè)某一時刻，節(jié)點之間的信號可達(dá)距離在35～50m隨機變化時，在圖1(a)的基礎(chǔ)上生成的邏輯鏈路拓?fù)淙鐖D1(b)所示，節(jié)點之間可通信鏈路總數(shù)到達(dá)453條，并且動態(tài)變化。在信道狀況動態(tài)變化的情況下，要建立整個通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點之間的鏈路，必須解決動態(tài)路由問題。在研究中可以把電力線通信網(wǎng)絡(luò)抽象為有權(quán)圖G(V,E)，V(G)稱為圖G的節(jié)點集，元素v∈V稱為圖G的一個頂點或節(jié)點。E(G)稱為圖G的邊集，元素eij∈E記為eij=vivj，稱為圖G的一條從vi到vj的邊。令元素e∈E具有一組有序數(shù)列(wd,w1)作為e的屬性，稱為弧的度量(權(quán)值)。對于對稱網(wǎng)絡(luò)有eij=eji，現(xiàn)實中的網(wǎng)絡(luò)往往是不對稱的，但在研究中為了簡便起見，常常使用對稱網(wǎng)絡(luò)模型以減少弧的數(shù)量，本文亦如此。在圖G中，如果對i=1,2,…,d，有vi,vi+1∈E，則P=(v1,vd)為圖G的一條從v1到vd的路徑。路徑的服務(wù)質(zhì)量(qualityofservice,QoS)要求需要通過可測量的QoS度量來實現(xiàn)。本模型中QoS度量包括端到端延時(wid,j)和數(shù)據(jù)包誤碼率(wil,j)。端到端延時為可加性度量，誤碼率為可乘性度量。對于路徑P=(v1,vd)，即有根據(jù)任務(wù)重要性和實時性要求，暫且把電力線通信數(shù)據(jù)分成2類數(shù)據(jù)包：1）強實時性，對差錯可適度容忍，該類數(shù)據(jù)包一般為系統(tǒng)的信息實時查詢；2）高可靠性，對延時要求不緊迫。該類數(shù)據(jù)一般為經(jīng)過系統(tǒng)節(jié)點處理以后的狀態(tài)信息，具有數(shù)據(jù)量小，傳輸可靠性要求高的特點。文中擬使用延時和誤碼率參數(shù)混合表征2種不同服務(wù)需求，所以，對于某一類的服務(wù)s，路徑P=(v1,vd)上的綜合性能優(yōu)化多目標(biāo)函數(shù)可以表示為式(3)式中γsd、γsl分別為s服務(wù)的延時、誤碼率的權(quán)重因子。該函數(shù)表征了該路徑對于服務(wù)s的QoS值。該函數(shù)值越大，s的QoS值越大，所以，電力線通信網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)路徑優(yōu)化問題可以描述為：在圖G中，找出一個某類服務(wù)的數(shù)據(jù)包路徑P=(v1,vd)，使得該路徑上某類服務(wù)的目標(biāo)函數(shù)值最大。2整體優(yōu)化約束條件由文獻(xiàn)可知，蟻群優(yōu)化思想可以在基于電力線網(wǎng)絡(luò)可連通性的路徑尋優(yōu)中起到良好的效果。本文采用蟻群優(yōu)化的基本思想實現(xiàn)基于信道狀態(tài)和服務(wù)需求的混合多目標(biāo)優(yōu)化路徑尋優(yōu)，以滿足上文所述的2種不同服務(wù)需求。蟻群算法中的人工螞蟻是一些特定的探測包，它們在所經(jīng)路徑上留下人工信息素。通過啟發(fā)因子和統(tǒng)計路徑上的信息素，可以計算人工螞蟻在每個節(jié)點上的轉(zhuǎn)移概率。經(jīng)過多次迭代，信息素最高的路徑就是所求之解。在多目標(biāo)路徑優(yōu)化中，人工螞蟻將針對服務(wù)類型分為2類，分別獨立構(gòu)造2類路徑。在時間t，第s類服務(wù)的某只螞蟻k從節(jié)點vi轉(zhuǎn)移到vj的轉(zhuǎn)移概率函數(shù)如式(4)、(5)所示。把以最小延時作為路徑優(yōu)化的目標(biāo)的服務(wù)類型簡稱為sd服務(wù)類型，把以最小誤碼率作為路徑優(yōu)化的目標(biāo)的服務(wù)類型簡稱為se服務(wù)類型。式中：s∈S;Tkuk(k=1,2,…,m)用以記錄螞蟻k已經(jīng)走過的節(jié)點集合，稱為禁忌表；τsij(t)表示時刻t在路徑(vi,vj)上第s類服務(wù)的信息素；ηsij(t)為第s類服務(wù)的啟發(fā)因子；參數(shù)α、β可反映路由選擇中路徑上殘留信息素和啟發(fā)因子的重要程度。螞蟻從源節(jié)點v1在經(jīng)過Δt時間后，轉(zhuǎn)移到達(dá)目標(biāo)節(jié)點vd，所經(jīng)過的路徑采用全局狀態(tài)信息素更新策略。其迭代最優(yōu)更新表達(dá)式如式(6)所示式中ρ為迭代最優(yōu)更新信息素?fù)]發(fā)系數(shù)，調(diào)節(jié)其大小可以調(diào)整迭代最優(yōu)路徑信息素的增長速度。假設(shè)每一輪迭代中一共有m只螞蟻找到了較優(yōu)路徑，那么在Δt時間內(nèi)，路徑p上通過全局信息素更新策略的信息素增量如式(7)、式(8)所示式中：(Lsgb)k=γsd?wkd(Ps)+γsl?wkl(Ps)；kas為第k較優(yōu)螞蟻在路徑上信息素增加時的權(quán)值，而對于局部信息更新規(guī)則可以定義為構(gòu)造反映局部信息的啟發(fā)因子定義為式中M為一個可調(diào)量。如果路徑P(vi,vj)上優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前值越大，啟發(fā)因子則相對越大。在路徑尋優(yōu)過程中的整體優(yōu)化約束條件可以表達(dá)為式中：m為每次迭代尋優(yōu)中找到目標(biāo)節(jié)點的螞蟻數(shù)；dmax為某路徑上允許的最大延時。3數(shù)值模擬路徑低壓電力線通信特有的信道特征和不同的調(diào)制方式以及編解碼算法共同決定了某具體信道上的誤碼率。一般來講，其誤碼率遠(yuǎn)高于一般計算機網(wǎng)絡(luò)的誤碼率。為了獲取和實際系統(tǒng)較為吻合的誤碼率，須結(jié)合電力線通信信道特性、調(diào)制解調(diào)和編碼方法綜合分析。根據(jù)文獻(xiàn)，可以把電力線信道模型簡化為圖2所示的信道模型。根據(jù)文獻(xiàn)，反映頻率選擇性衰減和多徑效應(yīng)的信道模型頻域傳遞函數(shù)H(f)可以表示為式中：i為路徑號；N為傳輸路徑條數(shù)；gi為路徑i的加權(quán)系數(shù)(包含了傳輸系數(shù)和反射系數(shù)的作用)；di為第i條路徑的距離；α0，α1和k為衰耗參數(shù)，k一般取為0.5至1之間。文獻(xiàn)給出的15徑參數(shù)雖然可以較好地反映電力線信道，但考慮到仿真簡便性，這里采取了相對較為簡單的4徑路徑，其參數(shù)為k=1，α0=0，α1=7.5E-10s/m,N設(shè)定為4。電力線信道噪聲比無線等信道噪聲復(fù)雜很多。為了近似地模擬電力線的背景噪聲，背景噪聲可以簡化為低頻諧波的倍頻噪聲、白噪聲和隨機高頻尖脈沖噪聲等幾類噪聲的疊加。由于寬帶電力線所采用的正交頻分復(fù)用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,OFDM)調(diào)制技術(shù)的調(diào)制頻率為2～30MHz，因此低頻噪聲對通信系統(tǒng)的影響不大，所以仿真中主要使用高斯白噪聲和隨機尖脈沖噪聲相加來模擬信道的背景噪聲。其中，高斯噪聲的功率譜為其自相關(guān)函數(shù)Rn(τ)可表示為式中δ(τ)為單位沖激函數(shù)。當(dāng)τ≠0時，高斯噪聲的自相關(guān)值為零。由于信號經(jīng)過多徑衰落到達(dá)接收端的所有子載波信號幅度可能不同，最壞的情況是某些子信道由于深衰落可能完全被淹沒，因此，即使在大多數(shù)子載波上都能做到無差錯檢測，但整個系統(tǒng)的誤碼率卻會由于幅度很小的個別子信道的影響而很高，甚至高達(dá)0.5。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，仿真試驗將采用由卷積編碼和分組交織器構(gòu)成編碼系統(tǒng)，可以明顯的降低誤碼率。仿真實驗中，某信道誤碼率的獲取和計算過程為：由發(fā)送端發(fā)起10組88字節(jié)數(shù)據(jù)包，經(jīng)過由卷積編碼和分組交織器構(gòu)成編碼系統(tǒng)后進(jìn)入信道，數(shù)據(jù)包經(jīng)過該信道的多徑衰減和加性背景噪聲干擾到達(dá)接收端，在接收端進(jìn)行接收和解碼，獲取數(shù)據(jù)包。然后，在接收端對比獲取數(shù)據(jù)包和原始數(shù)據(jù)包，誤碼率為錯誤比特總數(shù)除以全部數(shù)據(jù)包總比特數(shù)。4節(jié)點度的表征為了表征電力線通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)分組的延時情況，做以下分析。通?？梢杂胻時刻統(tǒng)計復(fù)用器中分組的個數(shù)N(t)來描述復(fù)用器的行為，N(t)的變化由分組到達(dá)時刻和離開時刻決定。假定分組的平均長度為E(L)比特，線路的傳輸速度為Rbit/s，所以分組的平均傳輸時間為E(L)/Rs。因此，線路分組的最大傳輸速率為μ=R/E(L)分組/秒，即最大離開率。用λ表示分組的平均到達(dá)率，如果λ大于μ，緩沖區(qū)就會溢出，并且引起丟包；如果λ小于μ，由于分組可能集體達(dá)到或者在傳輸特別長的分組期間出現(xiàn)堵塞，這也會引起緩沖區(qū)溢出，引起丟包和長延時，所以，可以定義負(fù)荷強度p=λ/μ，并用M/M/1/K排隊模型來描述系統(tǒng)時延問題。假設(shè)分組到達(dá)速率為λk分組/秒，到達(dá)的時間間隔隨機，且相互獨立，其指數(shù)密度函數(shù)的均值為1/λ，也稱為泊松到達(dá)過程。在該模型中，假定分組傳輸時間是隨機的，且滿足指數(shù)分布，其均值為1/μ=E(L)/R。假定統(tǒng)計復(fù)用器具有足夠的緩沖空間可以存放K個分組，那么，分組的延時T為分組在復(fù)用器中的停留時間和在隊列中的等待時間之和，因此，分組的平均延時為若緩沖區(qū)的大小K足夠大，即當(dāng)p<1時，K→∞，這種模型稱為M/M/1模型。該種模型中的平均延時變?yōu)槭街衟值的分布規(guī)律主要取決于λ值的分布規(guī)律。筆者引入節(jié)點度的概念，來進(jìn)行λ值的表征。節(jié)點度是指與節(jié)點相鄰的節(jié)點數(shù)，可以表征某節(jié)點通信繁忙程度。假設(shè)節(jié)點i的節(jié)點度為ki，如果可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況大致估計網(wǎng)內(nèi)平均節(jié)點度kav，那么可以使用式(17)對節(jié)點i的λi進(jìn)行換算。所以，每個節(jié)點產(chǎn)生的延時估算大致可以表達(dá)為5模擬試驗和分析5.1優(yōu)化過程比較低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照本文圖1所示，假設(shè)目標(biāo)節(jié)點為離中心節(jié)點較遠(yuǎn)的21號節(jié)點。算法中采用的參數(shù)設(shè)置如表1所示。仿真試驗過程中節(jié)點物理層和網(wǎng)絡(luò)鏈路層的主要配置參數(shù)如表2所示。為驗證所提出的組網(wǎng)算法的有效性和動態(tài)性，以2種情景方式的試驗作為比較。一種情況為節(jié)點間的信號可達(dá)距離在25～35m之間隨機變化，另外一種情況為節(jié)點間的信號可達(dá)距離在35～45m之間隨機變化。通過這2種情況比較不同信道狀態(tài)下的組網(wǎng)路徑的變化。在以最小延時作為路徑優(yōu)化目標(biāo)的路徑尋優(yōu)過程中，權(quán)重γsd取0.7；反之，在以最小誤碼率作為路徑優(yōu)化目標(biāo)的路徑尋優(yōu)過程中，權(quán)重γsl取0.7。5.2信號可達(dá)距離仿真所有的仿真試驗都是根據(jù)上文所述的信道衰減模型、噪聲模型、OFDM調(diào)制方式和交織碼編解碼以及以圖1的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在仿真試驗過程中，為了使信噪比可以根據(jù)節(jié)點間路徑的距離變化而變化，且把任意節(jié)點間信噪比的估算定義為式中：Rij為節(jié)點i和節(jié)點j之間的信噪比；Lav為節(jié)點之間的平均距離；Lij為節(jié)點之間的距離；R0為估算的電力線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)平均信噪比。在信號可達(dá)距離為25～35m時，某次路由尋優(yōu)過程中生成的各節(jié)點之間的誤碼率分布如圖3所示。在信號可達(dá)距離為35～45m時生成的節(jié)點間誤碼率分布如圖4所示。圖中，n表示節(jié)點號碼，Z軸的e表示有直接通信關(guān)系的節(jié)點之間的誤碼率。對比圖3和圖4可知，當(dāng)節(jié)點間通信距離增加時，節(jié)點之間的誤碼率分布密度也相應(yīng)的增加。并且，其中會產(chǎn)生因隨機脈沖噪聲而引起較高的誤碼率，但是出現(xiàn)次數(shù)不多。圖5為在25～35m和35～45m2種信號可達(dá)距離條件下的各個節(jié)點產(chǎn)生時延的統(tǒng)計對比。圖中，n表示節(jié)點號碼，td表示延時，單位為s。因為采用M/M/1模型來仿真排隊模型，并且在平均分組數(shù)一定的情況下，所以其延時變化并不是很明顯，但能反映趨勢和特性?？梢詮膱D5曲線的對比中發(fā)現(xiàn)，在節(jié)點間的直接可達(dá)距離越大時，其節(jié)點度越大，節(jié)點的延時也相應(yīng)地增大?；谝陨闲诺勒`碼率和延時特性的仿真環(huán)境，運行信道狀態(tài)和服務(wù)需求的多目標(biāo)組網(wǎng)算法。在25～35m和35～45m2種信號可達(dá)距離條件下仿真結(jié)果分別如表3、圖6和圖7所示。圖6、圖7中的橫坐標(biāo)c表示算法的迭代次數(shù)；縱坐標(biāo)v表示在各次迭代過程中，所有找到目標(biāo)節(jié)點的螞蟻所經(jīng)過路徑上的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值的總和。在算