摘 要： 分析了電力線載波通信中集中式路由的瓶頸現(xiàn)象，為緩解這一現(xiàn)象，提出了k-重傳機制。通過構(gòu)建k-重傳機制的模型，分析證實了在集中式路由策略中引入該機制能夠有效提高路徑可靠性和降低主節(jié)點期望等待時間。
關(guān)鍵詞： 低壓電力線通信；集中式路由；k-重傳機制
電力線通信PLC(Power Line Communication)是一種借助已有電力線作為信號傳輸媒介的通信手段。電力線通信網(wǎng)絡(luò)是一種基于PLC技術(shù)、將以220 V供電為電源的電氣設(shè)備、儀器儀表、家用電器互聯(lián)成網(wǎng)的系統(tǒng)[1-2]。PLC與專線通信相比無施工布線之累，與無線通信相比無電磁輻射之憂，所以，它作為“最后一公里”通信方案，尤其是智能家居網(wǎng)絡(luò)的方案，顯得方便又安全。目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)、智能樓宇和遠程自動抄表系統(tǒng)，得到研究人員的高度關(guān)注。但是，電力線設(shè)計是為傳輸能量而非信號，其本身固有的通信時變性和不確定性為PLC路由算法提出了嚴峻挑戰(zhàn)，使得網(wǎng)絡(luò)層在電力線通信網(wǎng)絡(luò)中成為關(guān)鍵的協(xié)議層。
一個電力線通信網(wǎng)絡(luò)通常有唯一主節(jié)點負責整個網(wǎng)絡(luò)的管理控制，其余通信節(jié)點皆稱之為從節(jié)點[3-4]。網(wǎng)絡(luò)層提供兩個節(jié)點之間的邏輯通信，依據(jù)路由策略不同大致可分為集中式路由、分布式路由和并發(fā)式路由機制及其不同程度的組合[4]。
集中式路由策略要求主節(jié)點管理維護全局路由信息、控制報文的傳遞過程。該策略適用于主節(jié)點發(fā)起的對其他從節(jié)點的查詢控制[3]。受電力線通信的距離限制，發(fā)出的報文往往需要經(jīng)過其他節(jié)點中繼轉(zhuǎn)發(fā)才能到達目的節(jié)點。如圖1所示，主節(jié)點 v0在向某個m跳遠的從節(jié)點vm查詢數(shù)據(jù)時，主節(jié)點 v0首先需要確定一條長度為m的通信路徑，并且在發(fā)出查詢報文后計時等待目的節(jié)點應(yīng)答。查詢報文和應(yīng)答報文來回都是沿給定路徑傳送，共需要連續(xù)成功跳轉(zhuǎn)2m次。這期間若有一次跳轉(zhuǎn)不成功，導致主節(jié)點等待超時則判斷為通信失敗。然后主節(jié)點會重新發(fā)送原先的查詢報文，重復(fù)直到某次收到目的從節(jié)點的應(yīng)答為止[2，4]。
由于電力線信道存在隨機干擾，報文在每一次跳轉(zhuǎn)時都有可能失敗。實際中，若路徑長度m>3，整體通信成功率變得難以忍受。目前大量的研究工作致力于提高單次跳轉(zhuǎn)的成功率[4-5]，例如允許每一跳進行k次重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，但這種機制需要主節(jié)點的計時等待時間增大k倍。通常一次通信過程中，所有歷經(jīng)的跳轉(zhuǎn)全部失敗和全部成功的概率都是很小的。大多情況下，僅有少數(shù)幾次跳轉(zhuǎn)失敗。允許每跳都可以重發(fā)多次付出代價過大。為此，本文提出了一種全局k-重傳機制，它允許一次通信過程中，所有節(jié)點重發(fā)次數(shù)的總和不大于k，這樣，主節(jié)點只需要額外增加k跳的等待回應(yīng)時間，從而使一次通信的成功率獲得較大增長, 有效地縮短了完成通信任務(wù)所需要的期望時間。
1 集中式k-重傳路由模型
1.1 基本術(shù)語和參數(shù)
為了構(gòu)建模型，定義以下術(shù)語：
(1)一次查詢過程執(zhí)行(一次查詢)：從主節(jié)點發(fā)出查詢報文開始到預(yù)計等待時間內(nèi)成功收到目的節(jié)點的回應(yīng)報文為止，或者等待超時為止的過程。查詢報文沿主節(jié)點確定的路徑逐跳到達目的節(jié)點，目的節(jié)點的回應(yīng)報文沿原路徑逐跳返回至主節(jié)點。這個過程中有一次跳轉(zhuǎn)不成功，將導致主節(jié)點等待超時，從而判定一次查詢失敗。
(2)一次查詢?nèi)蝿?wù)完成(一次任務(wù))：從主節(jié)點發(fā)出查詢報文開始到成功收到目的節(jié)點的回應(yīng)報文為止的過程。完成一次任務(wù)，至少需要一次查詢過程。當查詢失敗時，主節(jié)點需要再次發(fā)出查詢，重復(fù)這個過程直至成功收到回應(yīng)報文。所以，完成一次查詢?nèi)蝿?wù)可能需要進行多次查詢，這取決于路徑的可靠性。
在以后的討論中，約定用m表示查詢路徑的長度，即主節(jié)點到目的節(jié)點路徑所含的跳數(shù)；用n表示一次查詢過程經(jīng)歷的報文跳轉(zhuǎn)次數(shù)，顯然有n=2m；以t表示報文跳轉(zhuǎn)一次所需時間，忽略節(jié)點解析報文的時間，則主節(jié)點每次查詢的等待時間應(yīng)為2mt=nt；另外，假設(shè)各次跳轉(zhuǎn)的成功概率皆為p。
1.3 k-重傳路由模型
電力線通信本質(zhì)上是一個廣播通信的過程，與無線通信一樣，如果一個節(jié)點vi向另一個節(jié)點vi+1發(fā)送報文，距離節(jié)點vi的可直接通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點都可以收到該報文。這種特性，使得發(fā)送方在發(fā)出報文后，能夠通過監(jiān)聽接收方在確定時間內(nèi)有沒有預(yù)定的通信動作而判斷接收方是否正確接收到了報文[4]。
本文提出的k-重傳機制，需要在報文頭部增加一個數(shù)據(jù)域K，用于表示報文全局允許重發(fā)次數(shù)。在k-重傳機制下，節(jié)點vi收到集中式報文后的處理過程如下：
(1)節(jié)點vi存儲報文并轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點vi+1；
(2)節(jié)點vi監(jiān)聽節(jié)點vi+1轉(zhuǎn)發(fā)報文的信號，若收聽到則表明節(jié)點vi+1已成功收到報文，轉(zhuǎn)到步驟(4)；
(3)節(jié)點vi檢測報文中字段K的值：若K>0，則置K=K-1，重新轉(zhuǎn)發(fā)該報文給節(jié)點vi+1，轉(zhuǎn)到步驟(2)，否則節(jié)點vi丟棄該報文；
(4)處理過程結(jié)束。
主節(jié)點向一個m跳遠的目標節(jié)點發(fā)起查詢?nèi)蝿?wù)，報文來回最多需要跳轉(zhuǎn)n+k次，前n+k-1次中必須有n-1次成功，且第n+k次成功，才能保證一次任務(wù)的成功，否則主節(jié)點在等待(n+k)t時間后重發(fā)該報文。模型允許報文在某一個節(jié)點多次重發(fā)，顯然報文在一次查詢中經(jīng)歷的跳數(shù)服從巴斯卡分布[6]，所以一次任務(wù)成功的概率為：
2.1 模型參數(shù)設(shè)定的初步分析
假定模型中，n=30為定值，一般路徑中主節(jié)點到目的節(jié)點之間的來回最大跳數(shù)不超過30。
圖2(a)為定值k情況下δ(30，k，q)的變化關(guān)系，可以得出如下結(jié)論：
(1)當k確定之后，函數(shù)?啄關(guān)于q嚴格遞減，在通信失敗概率逐漸增大，即通信信道狀況較差的情況下，k-重傳機制對于主節(jié)點完成一次任務(wù)的期望時間有較為明顯的改善；在通信狀況良好的情況下，改善程度較弱。
(2)k值的變化影響函數(shù)的變化率，也即曲線的曲率，且k值越大，δ(30，k，q)變化越尖銳。當k>5時，k的增大對δ(30，k，q)的曲率增大不再明顯，也即繼續(xù)增大k的值意義不大，轉(zhuǎn)而q成為決定因素。
圖2(b)是q為定值情況下?啄(30，k，q)的變化，可以得出如下結(jié)論：
(1)確定q值后，隨著k的增大，δ(30，k，q)減小。但是當k>5時，?啄(30，k，q)不再有明顯減小，說明k>5之后，k的增加對于性能改善率的提高意義不大。
(2)同樣q的變化影響?啄(30，k，q)的變化率，當通信狀況較差時，k的增加對于性能改善率的變化尖銳，與圖2(a)的結(jié)論基本一致。
綜上所述，可以確定k-重傳機制能夠有效改善主節(jié)點完成一次任務(wù)的期望時間，在信道通信狀況較差的情況下效果尤為明顯，且隨著k值的增大對性能的改善越明顯，但是k值增加到一定程度時對性能的提高速度不再明顯。所以合理地選取k值對整個系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。由式（7）可以看出，k值的選取與整個路徑上總跳數(shù)n的大小有關(guān)。
2.2 k值的估計
k值與路徑上總跳數(shù)n的大小有關(guān)。對于單跳可達的報文，k值的增加不具有實際意義，這里只討論多跳可達。如圖3(a)所示，函數(shù)?啄(n，k，0.5)隨k的增大成非遞增函數(shù)，但是k增大到K≈[log2n]時，k繼續(xù)增加對效率改善提高影響不明顯。與圖 3(b)所示結(jié)論相同。
通過以上分析，在低壓電力載波通信遠程自動抄表系統(tǒng)中，發(fā)起查詢報文時，可以將字段K值初始設(shè)定為K≈[log2n]，其中n為報文總跳數(shù)。由此在通信過程中可以有效提高報文一次發(fā)送的成功率，同時可以降低一次任務(wù)完成的期望時間。由于低壓電力線通信信道的時變性和不確定性，精確的K值在實際應(yīng)用中有待進一步調(diào)整。
本文提出的k-重傳路由機制，通過與傳統(tǒng)的基本集中式路由模型的性能進行對比，證明了該機制的有效性，以及參數(shù)K的閾值的確定，后期將搭建仿真平臺，對模型進行進一步的完善。并結(jié)合實際的電力線載波信道，搭建平臺進行試驗測試。
參考文獻
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