电力线载波通信的自动路由方法研究
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基金项目：黑龙江省自然科学基金项目(F200508)。
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引言
低压配电网 (low-voltage network) 是一个用 户 最多、分布最广、用户最必不可少的动力能源传输 网络，同时也是一个日益被看好的、将来可以随时 使用的高速数字通信网络。电力线通信(power line communication, PLC)，又称电力线载波通信，是指 利用电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行 传输的技术， 是电力系统特有的通信方式。 近年来， 电力线通信技术，尤其是宽带电力线通信 (broadband over power line, BPL)技术，已经成为通 信领域新的研究热点，被认为是一种未来重要的现 场设备总线技术。 电力线宽带(BPL) 通信技术就是指带宽限定在 2~30MHz 之间、通信速率通常在 1Mbit/s 以上的电 力线载波通信技术。 它多采用以 OFDM 为核心的多 种扩频通信技术，目前主要用于宽带接入和家庭上 网 [1] 。其路由和中 继问题 由 专用 交换机 / 路由 器解 决 。通 常所说 的电力线载波通信 多指 窄 带 电力线 (narrow over power line, NPL)通信技术， 即指带宽限 定在 3~500kHz、通信速率小于 1Mbit/s 的电力线载 波通信技术，多采用普通的 PSK 技术、DSSS 技术 和线性调频 Chirp 等技术，主要用于控制与数据采 集网络(以下简称控制网)的通信，没有交换机/路由 器等专用网络通信设备。 目 前 电力载波通信 研究多 集 中 在 信道特性分 析、 估测、 编/解码、 功率控制和频谱管理等领域[1-8]， 很少开展用于控制网的有关窄带电力线通信组网问 题的研究。本文结合电力线通信的具体特点，将改 进的蚁群算法应用到窄带电力载波通信网络之中， 提出了适用于电力线载波通信的自动路由类蚁群算
第 26 卷 第 21 期 2006 年 11 月 文章编号：0258-8013 (2006) 21-0076-06
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM77 文献标识码：A
Vol.26 No.21 Nov. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470⋅40
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
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中 国 电 机 工 程 学 报
第 26 卷
路为例，节点 26 可以与节点 46 通信，并且最远可 与节点 50 通信，而无法与节点 58 通信；对于节点 22 来说，可以与节点 46 通信，但最远点不能与节 点 50 通信。 而节点 50 可以直接与节点 62 通信。 这 里节点 26 和 50 分别充当了一级路由和二级路由。 当然，节点 22 和 46 也可以分别充当一级路由和二 级路由。不难看出，路灯供电系统尽管共享配电网 介质，属于同一个物理网络，但是，从通信角度来 看，同一段配电网被划分成多个不同的逻辑子网， 由路由器将不同的逻辑子网连接起来，并且需要根 据信道质量变化而动态改变这种划分。这些路由器 形式上只有一个端口， 仅仅起着信号重新放大作用， 但实质上将不同逻辑子网连接起来。每一个节点都 有其自己的逻辑子网，每个子网覆盖的节点范围可 能相同，也可能相互交叉，还可能完全不同。因此， 如何 动态确定 路由 /中继器 的位置以 及级数将 是影 响电力线通信系统可靠性的一个关键因素。
电力线载波通信的自动路由方法研究
刘晓胜ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ周 岩，戚佳金
(哈尔滨工业大学，黑龙江省 哈尔滨市 150001)
Method Study of Automatic Routing for Power Line Communication
LIU Xiao-sheng, ZHOU Yan, QI Jia-jin
电机的启/停/调速)的改变，均可导致原有电力线通 信逻辑拓扑结构的变化；另一方面，原有的中继节 点失效也会导致部分电力线通信的中断。传统的固 定路由方法很难解决这两种情况带来的问题。自动 路由算法可以实现网络的动态重组，能有效地克服 这类问题。 它通过自动寻找新的、 合适的路由节点， 使网络具有自愈性。 （2）扩大电力线通信组网规模。电力线通信 的距离正比与发送功率，而发送功率受到相关法规 的制约。因此，适当增加路由/中继数量是扩大电力 线通信规模的又一重要手段。 1.3 组网过程 载波系统每次上电后即开始自动组网。每一个 节点发送广播数据包(即广播蚂蚁) 。同时，每一个 节点接收其它节点发送的广播数据包，并根据这些 数据包的地址信息建立、 更新本节点的可通信路由表。 当中心节点发现有某个节点多次通信失败时， 中 心 节 点 便 发 起 一 次对 该 节 点的最 优 路由 寻优过 程，并根据寻优结果更新中心节点路由表，标明该 节点正常，或已退出网络，或已经失效。 首次组网比较耗时，正常维护实时性比较好。
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第 21 期
刘晓胜等： 电力线载波通信的自动路由方法研究
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法。该方法简单易行，为动态寻找最优路由、延长 通信距离和提高通信可靠性， 提供了一种有效的方法。
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电力线载波通信组网
1.1 组网特点 电力线载波通信信道的时变性、频率选择性和 强干扰性等特点，使得用电力载波通信方式组网必 须具有自己的特点： （1）网络物理拓扑和逻辑拓扑会经常发生变 化。这些变化使得电力线通信组网具有了很多 Ad hoc 网络特征。因此，传统的电力线载波通信方法 既无法保证通信距离，也无法保证电力线通信系统 长期运行的可靠性。 （2）没有专用的交换机或中继器。作为控制 网用的窄带电力线通信，一般不采用 Internet 网中 的专用交换机和中继器等设备，无法实现信号的转 发和放大。因此，通信距离会随着电网信道质量的 变化而动态变化。 （3）通信媒质共享信道。在一个供电变压器 下，电力线载波信道完全共享，信息以广播的方式 发布，所有电力线载波节点( 以下简称节点)共享同 一个信道。在此环境下，低压配电网信道特性的固 有特点不能保证每一个载波节点能够正确地收到相 关信息。因此，电力线通信组网需要通过路由/中继 器将同一个物理子网划分成多个逻辑子网。 （4）弱数据处理能力。控制网一般由一个中 心(核心)节点、多个主节点和若干个终端设备节点 组成。中心节点和主节点一般为控制器，所包含的 CPU 数据处理能力相对比较强； 而终端设备多为执 行器或数据采集器，或不包含 CPU，或所包含的 CPU 数据处理能力较弱。 电力线通信模块一般采用 弱数据处理能力的 CPU。因此，电力线组网很难实 现一般计算机网络中的网络路由算法。 （5）一对多通信。在控制网中，通信方式经 常是“一对多” ，即一个控制器(中心节点)与它所负 责控制的若干个终端设备(终端节点)之间通信，各 终端设备之间不需要直接的命令发布(通信)。因此， 只需要维护一个全局路由表，即只需要保证中心节 点与所有终端节点可靠通信，这大大简化了电力线 通信路由表的维护工作。 1.2 自动组网必要性 这是保证通信系统有效性与可靠性的需要。 （1）提高电力线通信自愈性/强壮性。 一方面， 低压配电网负载的投入、 切出或工作状态(例如直流
(Harbin Institute University, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China) ABSTRACT: The reliability of Power Line Communication (PLC) is the most important one of the factors that limit the application of PLC in practice seriously. The specialties and the methods of building up the PLC networks are discussed in the view of communication reliability, and the necessity of routing automatically is analyzed simply. A kind of ant colony algorithms named Like-Ant Colony Algorithm (LACA) is put forward, which is applicable for communicating in low-voltage networks, and the frame of automatic routing protocol and the relative automatic route model are given. With this model, the quality of channels can be identified real-time, and the dynamic route tables of PLC nodes can be modified to keep the available state of communication as following the change of channel quality, and an effective method of searching the optimum route for PLC is presented for building up general controlling networks. The emulation and the experimentation indicate that the LACA is a simple and effective method of extending the distance and improving the reliability of PLC. KEY WORDS: power line communication; like-ant colony algorithm; automatic route; low-voltage network 摘要： 电力线载波通信可靠性是制约其广泛应用最重要的一 个因素。该文从通信可靠性的角度，论述了电力线载波通信 组网的特点和方法，分析了自动组网的必要性，提出适用于 低压配电网电力线载波通信的类蚁群算法 (like-ant colony algorithm)，给出自动路由协议框架，并建立了自动路由模 型。通过该模型，可以动态识别低压配电网信道质量，并根 据信道质量变化，动态维护电力线载波通信网络路由，保证 通信网络的有效性， 为建立控制类网络提供一种简单有效的 组网方法。仿真和试验研究表明，该方法可以有效延长电力 载波通信距离和提供系统通信的可靠性。 关键词：电力线通信；类蚁群算法；自动路由；低压配电网
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基于类蚁群算法路由模型
2.1 电力载波通信的模型分析 低压配电网的物理拓扑多为星形/树形结构。 为 简化问题，这里以路灯专用配电线路为例，分析电 力线载波通信的物理模型和逻辑模型， 并假设： ①4 条路灯配电网支路物理连通；②任意相邻的两个节 点都能够保证电力线通信正确和可靠；③通信逻辑 拓扑图为无向图；④每个普通节点在一个中心节点 控制范围内都有一个唯一的地址编码(ID 号)，且节 点编码按一定规律分布。 图 1 是一典型的路灯供电系统物理拓扑结构 [9] 图 。一般电力变压器位于路段中间附近，变压器 二次侧引出四条独立支路为街道两侧路灯供电，是 一种典型的星形结构。作为一个典型的控制网，电 力变压器二次侧安装有主控 制器 1( 以下简称 节点 1)，它通过电力线载波方式与各路灯节点的终端控 制器(节点 2，3，…)组成电力线通信网络，并监控 各路灯节点的工作状态。 对于电网的某一时刻来说，假设节点 1 需要与 节点 62、63、64、65 通信。然而，节点 1 通过广播 方式最远只能与节点 26、27、24 和 25 可靠通信， 与节点 46、47、48、49 无法可靠通信。以第一条支
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引言
低压配电网 (low-voltage network) 是一个用 户 最多、分布最广、用户最必不可少的动力能源传输 网络，同时也是一个日益被看好的、将来可以随时 使用的高速数字通信网络。电力线通信(power line communication, PLC)，又称电力线载波通信，是指 利用电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行 传输的技术， 是电力系统特有的通信方式。 近年来， 电力线通信技术，尤其是宽带电力线通信 (broadband over power line, BPL)技术，已经成为通 信领域新的研究热点，被认为是一种未来重要的现 场设备总线技术。 电力线宽带(BPL) 通信技术就是指带宽限定在 2~30MHz 之间、通信速率通常在 1Mbit/s 以上的电 力线载波通信技术。 它多采用以 OFDM 为核心的多 种扩频通信技术，目前主要用于宽带接入和家庭上 网 [1] 。其路由和中 继问题 由 专用 交换机 / 路由 器解 决 。通 常所说 的电力线载波通信 多指 窄 带 电力线 (narrow over power line, NPL)通信技术， 即指带宽限 定在 3~500kHz、通信速率小于 1Mbit/s 的电力线载 波通信技术，多采用普通的 PSK 技术、DSSS 技术 和线性调频 Chirp 等技术，主要用于控制与数据采 集网络(以下简称控制网)的通信，没有交换机/路由 器等专用网络通信设备。 目 前 电力载波通信 研究多 集 中 在 信道特性分 析、 估测、 编/解码、 功率控制和频谱管理等领域[1-8]， 很少开展用于控制网的有关窄带电力线通信组网问 题的研究。本文结合电力线通信的具体特点，将改 进的蚁群算法应用到窄带电力载波通信网络之中， 提出了适用于电力线载波通信的自动路由类蚁群算
第 26 卷 第 21 期 2006 年 11 月 文章编号：0258-8013 (2006) 21-0076-06
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM77 文献标识码：A
Vol.26 No.21 Nov. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470⋅40
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第 26 卷
路为例，节点 26 可以与节点 46 通信，并且最远可 与节点 50 通信，而无法与节点 58 通信；对于节点 22 来说，可以与节点 46 通信，但最远点不能与节 点 50 通信。 而节点 50 可以直接与节点 62 通信。 这 里节点 26 和 50 分别充当了一级路由和二级路由。 当然，节点 22 和 46 也可以分别充当一级路由和二 级路由。不难看出，路灯供电系统尽管共享配电网 介质，属于同一个物理网络，但是，从通信角度来 看，同一段配电网被划分成多个不同的逻辑子网， 由路由器将不同的逻辑子网连接起来，并且需要根 据信道质量变化而动态改变这种划分。这些路由器 形式上只有一个端口， 仅仅起着信号重新放大作用， 但实质上将不同逻辑子网连接起来。每一个节点都 有其自己的逻辑子网，每个子网覆盖的节点范围可 能相同，也可能相互交叉，还可能完全不同。因此， 如何 动态确定 路由 /中继器 的位置以 及级数将 是影 响电力线通信系统可靠性的一个关键因素。
电力线载波通信的自动路由方法研究
刘晓胜ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ周 岩，戚佳金
(哈尔滨工业大学，黑龙江省 哈尔滨市 150001)
Method Study of Automatic Routing for Power Line Communication
LIU Xiao-sheng, ZHOU Yan, QI Jia-jin
电机的启/停/调速)的改变，均可导致原有电力线通 信逻辑拓扑结构的变化；另一方面，原有的中继节 点失效也会导致部分电力线通信的中断。传统的固 定路由方法很难解决这两种情况带来的问题。自动 路由算法可以实现网络的动态重组，能有效地克服 这类问题。 它通过自动寻找新的、 合适的路由节点， 使网络具有自愈性。 （2）扩大电力线通信组网规模。电力线通信 的距离正比与发送功率，而发送功率受到相关法规 的制约。因此，适当增加路由/中继数量是扩大电力 线通信规模的又一重要手段。 1.3 组网过程 载波系统每次上电后即开始自动组网。每一个 节点发送广播数据包(即广播蚂蚁) 。同时，每一个 节点接收其它节点发送的广播数据包，并根据这些 数据包的地址信息建立、 更新本节点的可通信路由表。 当中心节点发现有某个节点多次通信失败时， 中 心 节 点 便 发 起 一 次对 该 节 点的最 优 路由 寻优过 程，并根据寻优结果更新中心节点路由表，标明该 节点正常，或已退出网络，或已经失效。 首次组网比较耗时，正常维护实时性比较好。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
第 21 期
刘晓胜等： 电力线载波通信的自动路由方法研究
77
法。该方法简单易行，为动态寻找最优路由、延长 通信距离和提高通信可靠性， 提供了一种有效的方法。
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电力线载波通信组网
1.1 组网特点 电力线载波通信信道的时变性、频率选择性和 强干扰性等特点，使得用电力载波通信方式组网必 须具有自己的特点： （1）网络物理拓扑和逻辑拓扑会经常发生变 化。这些变化使得电力线通信组网具有了很多 Ad hoc 网络特征。因此，传统的电力线载波通信方法 既无法保证通信距离，也无法保证电力线通信系统 长期运行的可靠性。 （2）没有专用的交换机或中继器。作为控制 网用的窄带电力线通信，一般不采用 Internet 网中 的专用交换机和中继器等设备，无法实现信号的转 发和放大。因此，通信距离会随着电网信道质量的 变化而动态变化。 （3）通信媒质共享信道。在一个供电变压器 下，电力线载波信道完全共享，信息以广播的方式 发布，所有电力线载波节点( 以下简称节点)共享同 一个信道。在此环境下，低压配电网信道特性的固 有特点不能保证每一个载波节点能够正确地收到相 关信息。因此，电力线通信组网需要通过路由/中继 器将同一个物理子网划分成多个逻辑子网。 （4）弱数据处理能力。控制网一般由一个中 心(核心)节点、多个主节点和若干个终端设备节点 组成。中心节点和主节点一般为控制器，所包含的 CPU 数据处理能力相对比较强； 而终端设备多为执 行器或数据采集器，或不包含 CPU，或所包含的 CPU 数据处理能力较弱。 电力线通信模块一般采用 弱数据处理能力的 CPU。因此，电力线组网很难实 现一般计算机网络中的网络路由算法。 （5）一对多通信。在控制网中，通信方式经 常是“一对多” ，即一个控制器(中心节点)与它所负 责控制的若干个终端设备(终端节点)之间通信，各 终端设备之间不需要直接的命令发布(通信)。因此， 只需要维护一个全局路由表，即只需要保证中心节 点与所有终端节点可靠通信，这大大简化了电力线 通信路由表的维护工作。 1.2 自动组网必要性 这是保证通信系统有效性与可靠性的需要。 （1）提高电力线通信自愈性/强壮性。 一方面， 低压配电网负载的投入、 切出或工作状态(例如直流
(Harbin Institute University, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China) ABSTRACT: The reliability of Power Line Communication (PLC) is the most important one of the factors that limit the application of PLC in practice seriously. The specialties and the methods of building up the PLC networks are discussed in the view of communication reliability, and the necessity of routing automatically is analyzed simply. A kind of ant colony algorithms named Like-Ant Colony Algorithm (LACA) is put forward, which is applicable for communicating in low-voltage networks, and the frame of automatic routing protocol and the relative automatic route model are given. With this model, the quality of channels can be identified real-time, and the dynamic route tables of PLC nodes can be modified to keep the available state of communication as following the change of channel quality, and an effective method of searching the optimum route for PLC is presented for building up general controlling networks. The emulation and the experimentation indicate that the LACA is a simple and effective method of extending the distance and improving the reliability of PLC. KEY WORDS: power line communication; like-ant colony algorithm; automatic route; low-voltage network 摘要： 电力线载波通信可靠性是制约其广泛应用最重要的一 个因素。该文从通信可靠性的角度，论述了电力线载波通信 组网的特点和方法，分析了自动组网的必要性，提出适用于 低压配电网电力线载波通信的类蚁群算法 (like-ant colony algorithm)，给出自动路由协议框架，并建立了自动路由模 型。通过该模型，可以动态识别低压配电网信道质量，并根 据信道质量变化，动态维护电力线载波通信网络路由，保证 通信网络的有效性， 为建立控制类网络提供一种简单有效的 组网方法。仿真和试验研究表明，该方法可以有效延长电力 载波通信距离和提供系统通信的可靠性。 关键词：电力线通信；类蚁群算法；自动路由；低压配电网
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基于类蚁群算法路由模型
2.1 电力载波通信的模型分析 低压配电网的物理拓扑多为星形/树形结构。 为 简化问题，这里以路灯专用配电线路为例，分析电 力线载波通信的物理模型和逻辑模型， 并假设： ①4 条路灯配电网支路物理连通；②任意相邻的两个节 点都能够保证电力线通信正确和可靠；③通信逻辑 拓扑图为无向图；④每个普通节点在一个中心节点 控制范围内都有一个唯一的地址编码(ID 号)，且节 点编码按一定规律分布。 图 1 是一典型的路灯供电系统物理拓扑结构 [9] 图 。一般电力变压器位于路段中间附近，变压器 二次侧引出四条独立支路为街道两侧路灯供电，是 一种典型的星形结构。作为一个典型的控制网，电 力变压器二次侧安装有主控 制器 1( 以下简称 节点 1)，它通过电力线载波方式与各路灯节点的终端控 制器(节点 2，3，…)组成电力线通信网络，并监控 各路灯节点的工作状态。 对于电网的某一时刻来说，假设节点 1 需要与 节点 62、63、64、65 通信。然而，节点 1 通过广播 方式最远只能与节点 26、27、24 和 25 可靠通信， 与节点 46、47、48、49 无法可靠通信。以第一条支