0 引言

    智能電網是指近年來結合能源技術及信息通信技術更新后的電網。通過先進的信息、控制和通信技術，智能電網可以實現電網的電子監控、監測、自愈、診斷以及基礎設施（Advanced Metering Infrastructure，AMI）自動計量等智能功能，部分還具有實時性^[1-2]。為保障快速和可靠的數據傳輸，智能電網使用多種通信技術。因為電力線的普遍存在，電力線通信技術(Power Line Communication，PLC)比其他的通信技術更有優勢。

    PLC作為接入網(Access Network，AN)中的一種可選的網絡技術，由于一個MV/LV配送網絡覆蓋面積大，并且一個包的傳送過程中會有多個中間結點的參與，電力線通信接入網(PLC-AN)需要具有路由功能。另外，電力線信道的特性不同于無線，簡單地采用傳統的路由方案不能最大限度地提高電力線網絡的性能^[3]，因此必須根據電力線特性為PLC設計一種特定的路由協議。在PLC信道中信號的衰落是由于分支網絡拓撲結構中的信號反射^[4]和在每一個電容組及MV/LV變壓器中的信號衰減^[5]。此外，無線通道和PLC的噪聲特性也有許多不同，在PLC信道的噪聲可以被建模為有色背景噪聲、窄帶干擾、同步和異步脈沖噪聲^[6]。電力網中的HV、MV、LV如圖1所示。

    最近，許多學者^[7]致力于PLC-AN中路由功能的研究。BUMILLER G、LAMPE L及HRASNICA H三位學者提出：當所有節點需要從網絡接收相同信息時，洪泛法被證實是一種有效的PLC-AN路由方案。然而實際情況是，所有自動化網絡及智能電網設備都不會有相同的需求，如AMI、電力系統故障檢測以及要求點對點通信的電力交通工具充電系統。另外，BIAGI M、LAMPE L和GRECOL S在研究中提出了收集每個電力設備位置信息的地理路由，應用無線路由方案并將其擴展，卻沒有考慮到多個接收者的情況。而機會路由（Opportunistic routing，OR）充分利用點對點和傳感器網絡中無線媒介的廣播特性進行數據傳輸，已經成為一種很有前景的提高網絡性能的方法。PLC信號在電力線的穿透特性使得OR成為PLC-AN一個很好的選擇。

1 機會路由概述

    OR可以利用無線媒介的廣播特性使幾個臨近節點都監聽到數據，只要有一個用戶正確地接收到幀數據并向前轉發，傳輸就可以繼續，因此OR提高了網絡的可靠性。此外，一個傳輸任務在同一時間有一個多跳的機會，OR有助于減少傳輸的總量。

    一個傳輸任務分別通過傳統連續路由和OR傳輸的理想過程和平均到達目的地的傳輸任務量的計算，如圖2所示。在這個例子中，假設一個傳輸任務被第一跳節點正確接收的概率是0.5，被第二跳節點正確接收的概率是0.2。連續路由時，由于每個傳輸任務跨一跳距離的成功概率為0.5，因此期望的進展是0.5，一個數據包為了到達目的地需要交叉四跳，因此在連續路由中平均需要傳輸8次，而OR時，一個傳輸任務交叉兩跳的概率為0.2，并且如果交叉雙跳失敗，通過一跳的概率為0.5，因此在OR中對于一次傳輸的期望進展是0.8，這就使每次傳輸所需的平均次數減少。

    實現這些目標的關鍵問題是：轉發集的選擇、優先級設定、重復傳輸的避免及抑制。圖3顯示了連續路由和OR的傳輸過程。在這個例子中OR需要3次傳輸，而傳統路徑需要5次傳輸。

2 系統模型

2.1 窄帶信道模型

    在低壓線路中的平均信道衰減由式(1)給出：

2.2 網絡模型

    一個電氣網絡可以使用一個通信網絡圖來代表：g={ν，ε}其中ν和ε分別為頂點和邊的集合。邊的集合被定義為：

3 PLC-OR的設計

3.1 默認路徑選擇

    圖4顯示了在一個由37個節點構造的拓撲結構中如何選擇一個從源到目的地的特定路徑。這個拓撲機構是來自某省的實際配電試驗饋線，它使用Dijkstra算法計算最小距離，按機會路由選擇轉發器節點。在這個例子中，沿著S和d之間的路徑中放置了5個中間繼電器節點。

3.2 基于ACK的協調方案

    圖5給出了一個PLC-OR的協調的具體例子。在這個例子中，第一優先級的節點沒有成功接收數據幀，而第二和第三優先級的節點成功接收。在第j個中繼節點成功傳輸需要T_j=T_tx+T_co+T_po，其中T_tx、T_co、T_po分別為實際時間、PLC-OR的協調時延和CSMA/CD協議的額外開銷。協調時延由以下公式給出：

其中T_RIFS和T_s分別為RIFS時間和感知時間。相似地CSMA/CD協議的額外開銷是：T_po=T_CIFS+pσ，其中T_CIFS和σ分別為CIFS時間和空閑時隙，p為在傳輸之前用于描述大量空閑時隙的隨機變量。

    傳統方案中每個傳輸任務需要的時間是T_tx+T_RIFS+T_ACK+T_po，而在PLC-OR中還需要一個(n-1)Ts。根據G3-PLC的實際參數，假設K_max=3時，傳統方案和PLC-OR方案分別平均為97.82 ms和100.6 ms，因此對于每個傳輸任務PLC-OR方案會多花費3%的時間。

3.3 速率、色調映射模型和傳輸集選擇算法

    通過Dijkstra算法構建了默認路徑后，每個節點i應選擇各自的傳輸速率R_i、色調映射模式M_i和傳輸節點集合F_i。設計一個bit.m/s的最大化問題，即每個節點i都要試圖達到的最大值：

    其中L為以bit計的幀長度，T_out、T_j分別表示為當所有轉發節點沒有成功解碼幀時的媒介保持時間以及第j優先級的節點成功接收到幀時的媒介保持時間。p中的控制變量為R_i和M_i，并且當p和T隨著R_i和M_i的變化而變化時，F_i也會變化。

    由于三個變量是離散變量，因此該問題為一個離散組合優化問題。在P中可能組合的總數為J·2^M·P_NK，其中J和M分別為MCS電平數和子信道數，N和K分別為N_i和F_i的大小。由于F_i是一個有序集，因此可能組合模式的數量為P_NK而不是C_NK。為減少搜索空間，使用一個分支定界算法。

    公式中的分子是期望包步進(EPA)，EPA給出了優先規則和包含屬性兩個引理。

    引理1：轉發優先權規則：給出元素Fi、Mi及Ri，只有到達目的地更近的一個節點取得更高的優先權時，傳輸集才完成。

4 仿真實驗

4.1 實驗場景

    在G3-PLC規范中，一次傳輸的最大數據量為252，并且信道感知時間為兩個最大量。由于VCS有一個時間限制，所以定義轉發集最大為K_max，當K_max=3時，對于三個轉發節點的排序需要四個最大量，因此總的最大數據量為248⁶。在三種模型中兩個相鄰節點之間的距離分別遵循（1 km，0.5 km）、（1.5 km，0.75 km）和（2 km，1 km）的均值和正態分布的標準差，在三種密度模型中兩個相鄰節點之間的最大距離分別為2 km、3 km和4 km。假設有一個窄帶干擾，相應子信道的SNR就降低10 dB。

    鏈路的平均長度為1-22，目的節點則是在其他122個節點中隨機選擇，使用Dijkstra算法選擇到達每個目的地的默認路徑。在低壓電力線之間有10個連續的建筑物，兩個相鄰建筑物之間的距離遵循均值為90 m、標準差為10 m的標準正態分布。

4.2 性能結果

    圖6展示了存在及不存在窄帶干擾時，三種密度模型中到達目的地的傳輸時間(秒)，在這個模型中使用中壓信道模型，沒有窄帶干擾時的性能結果如圖6(a)所示；在低密度模型中SPR花費8.86 s到達目的地。當節點密度低時，大多數節點只有一個接收者，這種情況下OR性能并不是很好， SPR-ETX和PLC-OR的功能相似。然而在網絡變密時，OR顯示出了更好的性能，即在低、中和高密度模型中PLC-OR性能的提高比SPR-ETX分別高出4.4%、10%和17%。

    圖6(b)顯示了不存在窄帶干擾時SPR及OR的性能。沒有窄帶干擾時，PLC-OR和SPR-ETX的性能增量幾乎是一樣的，而SPR的性能則是所有方案中最差的。其他路由方案的性能增量比SPR高大約50%， PLC-OR和SPR在達到相同可靠性水平時整個傳輸時間降低了。

    為了得到在EEE123節點測試饋線網中的結果，本文進行了10 000次模擬實驗，平均結果如圖7所示。假設在IEEE-123-NBD情況下，智能電網存在窄帶干擾的概率為0.2。如果沒有干擾消除方案，在存在窄帶干擾時OR的性能會較差，而PLC-OR的性能很好，比SPR和SPR-ETX分別高出60%和8%。與鏈路拓撲結構相比，在MV/LV分配網絡中本文提出的PLC-OR性能有所提高。

5 未來工作

    下一步要實現的是將OR和協同傳輸技術進行結合。在協同傳輸中，為保證吞吐量和可靠性，幾個節點可以同時傳輸一個包，如果適當控制轉發節點集中的傳輸，會使OR和協同傳輸的結合達到更好的性能。關于PLN-AN的另一個延伸是可以使用網絡編碼很好的解決網絡互聯的情況。

參考文獻

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