（信息与通信工程专业论文）基于dsr的电力载波传感器网络路由协议研究.pdf

l ， g - - j v a s t u d yo fr o u t i n ga l g o r i t h mi np o w e rl i n ec a r r i e r s e n s o rn e t w o r kb a s e do nd s r at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f m a s t e r c a n d i d a t e ：l if e n s u p e r v i s o r ：h o n gl ip r o f e s s o r c o l l e g eo fc o m p u t e r & c o m m u n i c a t i o n e n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 的 | 、， 油 士 j 【! 一 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印j 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盔丛 指导教师签名：正茎尘匕3 日期：羽f7 年歹月万日 日期： j | 年，月才日 摘要 电力载波传感器网络是将电力线网络和传感器网络融合形成的一种新型网络。该网 络采用连接有各种复杂负载的电力线作为传输介质，负载的随机接入或断开( 即插即用) 会引起其通信链路的阻抗随机变化，进而导致网络拓扑的动态变化，所以如何在变化复 杂的电力线上实现稳定可靠的数据传输是电力载波传感器网络研究中的焦点问题。 路由算法设计是解决这一问题的关键，目前尚缺乏针对电力载波传感器网络的高效 实用路由协议。因此，本文基于电力载波传感器网络与a dh o e 网络在节点数量、节点 组织、拓扑结构和网络带宽等方面的相似性，考虑将a dh o e 网络中发展较为成熟且简 单高效的动态源路由协议( d s r ) 引入到电力载波传感器网络中，同时根据电力载波传 感器网络自身的网络结构对d s r 进行改进，提出了改进的动态源路由协议( i d s r ) 。 i d s r 较d s r 的改进之处主要体现在以下两方面：1 ) 路由发现阶段采用动态概率 泛洪机制，中间节点根据邻居节点的数目动态决定转发路由请求数据包的概率，该机制 与全概率泛洪相比减少了网络开销并且提高了信道的有效带宽；2 ) 提出了一种基于虚 拟簇的路由维护算法，其基本思路是：在路由发现过程中将转发路由请求数据包的节点 动态地组成多个虚拟簇；如果路由链路断开，断开处的节点首先向邻居簇中的节点发送 路由维护数据包以寻找到所有可能到达目的节点的备份路由并利用该路由修复断开的 链路；若未寻找到备份路由则向源节点发送重新寻找路由的路由错误数据包。该维护算 法能够减少因链路断开引起的路由发现过程。 利用m a t l a b 对改进的动态源路由算法进行了实验仿真，仿真结果证实，针对电 力载波传感器网络，i d s r 算法比d s r 算法具有更高的数据包投递率，提高了网络性能。 关键词：电力载波通信，传感器网络，动态源路由，路由修复 a s t u d yo fr o u t i n ga l g o r i t h mi np o w e rl i n ec a r r i e rs e n s o rn e t w o r k b a s e do nd s r l if e n ( i n f o r m a t i o na n dt e l c o m m u n i c a t i o ne n g i n e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rh o n gl i a b s t r a c t p o w e rl i n ec a r r i e rs e n s o rn e t w o r k s ( p l c s n ) i san e wn e t w o r ki n t e g r a t e dw i t hp o w e r l i n en e t w o r ka n ds e n s o rn e t w o r k i np l c s n ，p o w e rl i n ei su s e da sd a t at r a n s m i s s i o nm e d i u m b e c a u s eav a r i e t yo fc o m p l e xp o w e rl o a d sc o n n e c tt ot h ep o w e rl i n e ，i r r e g u l a ri m p e d a n c e c h a n g e so c c u rw h e nt h e s el o a d sr a n d o m l ya c c e s so rd i s c o n n e c tt o ( p l u ga n dp l a y ) t h ep o w e r l i n e w o r s e ，t h e s ec h a n g e sw i l lt r i g g e rd y n a m i ct u r b u l e n c e so ft h en e t w o r kt o p o l o g y t h e r e f o r e ，h o wt ot r a n s m i td a t as t a b l ya n dr e l i a b l yo nt i m e v a r i a n ta n dc o m p l e xp o w e rl i n e h a sb e c o m ea s p o t l i g h ti nt h ea c a d e m i ao fp l c s n r o u t i n ga l g o r i t h md e v e l o p m e n ti sac r i t i c a lp a r tf o ra d d r e s s i n gt h i si s s u e ；h o w e v e r , n o r a t i o n a la n de f f e c t i v er o u t m ga l g o r i t h mc a nb eo b t a i n e df r o mp r e v i o u sw o r ko np l c s n f o r t h i sr e a s o n ，an o v e lp r o t o c o l - - i m p r o v e dd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ( i d s r ) i sp r o p o s e d ， a l l o w i n gf o rt h es i m i l a r i t i e ss u c ha st h en u m b e ro fn o d e s ，n o d eo r g a n i z a t i o n s ，t o p o l o g i c a l s t r u c t u r ea n dn e t w o r kb a n d w i d t hb e t w e e na dh o en e t w o r ka n dp l c s n i d s ri ss u p e r i o rt od s r ( 1 ) ad y n a m i cp r o b a b i l i t yo ff l o o d i n gm e c h a n i s m sb a s e do n t h en u m b e ro fn e i g h b o rn o d e si sa d o p t e di ns e a r c h i n gf o rar o u t i n g ，w h i c hw i l lr e d u c et h e o v e r h e a do ft h en e t w o r kc o m p a r e dt ot h ef u l lf l o o d i n g ；( 2 ) t h er o u t em a i n t e n a n c es c h e m ei s r a i s e d i n t h er o u t ed i s c o v e rs t a g e ，t h en o d e sw h i c hh a v ef o r w a r d e dt h er o u t er e q u e s tw o u l db e c l a s s i f i e di n t om a n yv i r t u ec l u s t e r s 、析t hu n i q u ei db yt h es e q u e n c eo ft h ef o r w a r d i n g o n c e t h er o u t ei sb r o k e n ，t h en o d ei nt h ed i s c o n n e c t i o nw i l lb r o a d c a s tar o u t em a i n t e n a n c ep a c k e t 、析t l li t sc l u s t e ri di ni t a l lt h en o d e si nt h es a m ec l u s t e ra n dt h ep r eo ra f t e rc l u s t e r , w h i c h r e c e i v e st h ep a c k e t ，w i l ls e a r c ht h e i rr o u t ec a c h ea b o u tt h eb r o k e nl i n k i fa b a c k u pr o u t ei s f o u n d ，i tw i l lb es e n tt ot h en o d ei nt h ed i s c o n n e c t i o n t h u s ，t h eb r o k e nr o u t ei sr e p a i r e d t h i s r o u t em a i n t e n a n c em e c h a n i s mt r ya l lt h eb e s tt or e p a i rt h eb r o k e nr o u t eb yt a k i n ga d v a n t a g e o ft h er o u t ec a c h ei ni t sn e i g h b o r s ，w h i c hr e d u c et h et i m e so fr o u t ed i s c o v e ra f t e rr o u t eb r o k e n i i 一 1 1 l 目录 第一章前言1 1 1 课题背景及意义1 1 2国内外研究现状2 1 3 研究内容与方法4 1 4 论文组织结构4 1 5 本章小结5 第二章p l c s n 及典型路由协议：6 2 1 p l c s n 概述6 2 1 1 应用场合6 2 1 2 网络特点7 2 1 3 信道特点。9 2 1 4 路由分析。1 2 2 2 典型自组织路由协议14 2 2 1 路由分类。1 4 2 2 2 表驱动路由1 5 2 2 3 按需路由1 6 2 2 4 混合路由。1 8 2 2 5 路由比较_ l8 2 3 本章小结1 9 第三章o s r 路由协议2 0 3 1 命名机制2 0 3 2 算法实现2 0 3 2 1 路由发现2 0 3 2 2 路由维护厶2 3 3 3 算法改进2 5 3 3 1 概率泛洪机制：2 5 3 3 2 路由维护策略。2 7 3 4 算法优势2 9 3 5本章小结2 9 第四章基于d s r 改进的路由算法3 1 4 1 算法提出31 j v 定义3 3 模型3 4 描述3 4 动态概率泛洪。3 4 虚拟成簇3 5 代价计算。3 5 实现过程3 6 预测4 0 小结4 1 实验与结果一4 2 善4 2 参数4 3 实现4 3 节点布置。4 3 概率泛洪。4 4 路由示例_ 4 5 包投递率。4 6 5 4 结果分析4 7 5 5 注意事项5 0 5 6 本章小结5 0 第6 章结论5 2 6 1 主要工作5 2 6 2 创新点分析。5 2 6 3 进一步的工作5 2 参考文献5 4 攻读硕士学位期间取得的研究成果5 8 致 谢5 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 i 课题背景及意义 第一章前言 在现代社会中，居民对日常生活中的智能化要求越来越高，因此与家居智能化密切 相关的电力载波传感器网络技术的开发和应用受到国内外学者的普遍重视【。电力载 波传感器网络( p o w e rl i n ec a r r i e rs e n s o rn e t w o r k ，p l c s n ) 是将低压电力线网络和传 感器网络融合形成的一种新型网络【7 9 】，它集成了传感器技术、信息处理技术和电力线 载波通信技术【1 0 。12 1 。在该网络中，传感器节点被部署在电力线上，节点之间通过电力线 以单跳或多跳的通信方式发送和接收特定区域内的数据；控制中心对数据进行处理并将 结果信息返回给用户【 】。由于电力载波传感器网络既继承了低压电力线网络中无需重 新布线、覆盖范围广和组网成本低等优点【1 2 。1 3 1 ，又克服了无线传感器网络中能量不足的 缺点【1 1 】，所以它在目前受到广泛关注，在将来可能发展为大规模应用的智能网络【1 4 - 1 5 。 虽然电力载波传感器网络的应用前景非常广阔，但是目前在信道和网络方面的研究 还存在不少问题。首先，因为电力线是电能传输通道而非专用的通信媒介，所以当它作 为数据传输介质时表现出干扰噪声强、阻抗变化大、信号电平衰减剧烈等缺点【3 卅，非 常不利于信号的稳定传播；其次，电力线网络上连接着各种复杂的负载，这些负载的随 机接入或断开( 即插即用) 会引起网络通信线路阻抗随机变化，甚至造成链路断开并导 致网络拓扑结构的动态变化【9 1 9 1 ，无法实现稳定通信。因此研究电力载波传感器网络中 信道的稳定性和网络的可靠性问题具有重要的意义【2 0 2 4 1 。 从网络路由协议出发，设计合理高效的网络路由算法是实现信道稳定和网络可靠的 较好研究思路。虽然目前p l c s n 缺乏成熟高效的路由协议，但是它作为一种传感器网 络与无线自组织网络( a dh o e 网络) 具有很多相似点。因此可以考虑将a dh o e 网络中 的动态源路由( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ，d s r ) 协议应用到电力载波传感器网络中。 。d s r 是a dh o c 网络中的一种按需路由协议，它只有在需要路由时才发动路由请求并且 同时适合对称性和非对称性链路，与表驱动路由协议相比减少了对能量和带宽的浪费。 基于a dh o e 网络与p l c s n 的相似性将d s r 引入电力载波传感器网络中有可能实现在 带宽有限的网络环境中稳定而高效通信的目的，但是这两个网络之间也存在一定的差异 性，d s r 协议并非完全适用于电力载波传感器网络。因此必须对动态源路由协议进行改 进以提高p l c s n 的网络性能和效率。 1 第一章前言 1 2 国内外研究现状 最近几年，国内外不少学者开展了电力载波通信方面的基础理论研究，主要思路及 成果体现在：( 1 ) 将有线的电力线抽象成无线模型进行处理；( 2 ) 针对p l c s n 和a dh o c 网络拓扑易变的相似点，将电力载波传感器网络中因为信道阻抗比不匹配引起信道通信 质量下降最后导致通信链路断开的现象抽象成a dh o c 网络中的因为节点移动造成的链 路中断；( 3 ) 在通信m a c 层采用c s m a c a 协议，而在网络层借鉴a dh o c 中的路由协议 提出了基于d s r 改进的分层路由协议、目的序列距离矢量路由协议( d e s t i n a t i o n s e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r ，d s d v ) 等改进的动态路由协议。 首先，从国内的研究情况来看，刘晓胜等( 2 0 0 6 ) 提出了适用于低压配电网电力载 波通信的类蚁群算法，给出了自动路由协议框架，并建立了自动路由模型【2 5 1 。通过该模 型可以自动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，保证通信的稳定性【2 引。赵杰卫等( 2 0 0 7 ) 从提高通信可靠性的角度出发，研 究电力线载波中继路由技术，并结合蚁群优化算法原理，提出了一种新的动态路由方法 【2 6 】。该方法按照节点间的电器距离，根据电力线信道状态动态地建立和维护载波中继路 由，其中自动中继方式的基本思想是在逻辑上建立一个以集中器为根的树状查询结构来 实现自动路由【2 6 1 。这两项研究都只提出了一种工程上使用类蚁群算法的应用系统，并没 有深入的理论分析和详细的实现步骤。戚佳金等( 2 0 0 8 ) 提出了一种基于非交叠分簇算 法的电力线通信系统组网及路由重构方法 2 7 1 。该算法可以根据信道质量的变化动态地建 立、维护、优化电力线通信网路由：在非交叠簇结构中，每一个节点只属于一个簇结构； 在交叠簇中一个节点可以同时属于多个相邻簇：网络的拓扑结构为连通图；在非交叠簇 中网关到任何一个节点的路由将是唯一的 2 7 1 。但是，该项研究中基于分簇的路由协议存 在组网耗时问题。 其次，从国外的研究情况来看，j o g m a n 等( 2 0 0 7 ) 提出了一种基于电力线信道状态 的自适用路由算法( a c s r ) ，该算法使用信道指示参数( c s i ) 和通信距离作为检测电 力线信道动态变化的度量，同时为了减轻网络负载采用基于概率泛洪算法【2 】；b r i t o 等人 提出了基于单频载波的m a s t e r - s l a v e 电力载波通信系统，该系统采用分布式结构来实时监 控点电表等其他用电器的能量消耗；p a c h e c o 等( 2 0 0 5 ) 提出了基于电力载波拓扑动态 变化的分层路由协议，该分层结构通过加入网桥节点实现，节点与节点之间不能相互通 信，发送数据时数据从节点由网桥( 并且必须经过网桥) 经过两跳转发到达控制中心【1 】； 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 m a r k u s 等( 2 0 0 8 ) 提出了基于星型结构的多跳路由协议p j 。以上这些研究虽然从某一方 面解决了电力载波传感器网络中的通信问题，但是它们具有各自明显的缺点。j o g m a n 在研究中采用星型网络结构，节点之间是m a s t e r - s l a v e 关系，s l a v e s 之间的通信都要通过 m a s t e r ，这种网络结构限制了网络规模的扩张性；b r i t o 的系统在m a c 层采用t d m a 协议， 网络结构也为星型结构，当网络中节点增多时，网络性能急剧下降，不适合大规模网络。 p a c h e c o 等的协议因为电力线上节点之间的直接通信距离有限，所以这种网桥结构在远 距离环境中并不适用；同时该系统底层采用轮询的方式工作，在节点多的情况下，系统 效率很低。m a r k u s 等的系统基于树型拓扑结构，虽然每个节点都可以充当路由器转发别 的节点发来的数据包，但是该系统底层仍然是t d m a 协议，同样限制了网络规模，不适 合在大规模网络中应用。 上述分析表明星型网络结构和轮询方式只适合于节点数量较少的家庭智能网络，而 本文所研究的电力载波传感器网络中节点较多，以上路由算法并不适用，所以很有必要 研究新的路由算法。鉴于电力载波传感器网络与a dh o c 网络具有节点众多、拓扑易变、 带宽较窄等共同特点【2 0 1 ，可考虑将a dh o c 中的动态源路由协议改进后应用于p l c s n 中。 d s r 协议特别适用于多跳无线的移动节点，该协议只有当需要发送消息时才进行路由计 算，从而避免了主动式协议周期地发送路由控制报文带来的开销。国内外很多学者对 d s r 路由协议从不同方面进行了改进，提高了该协议的性能。m e n g 等( 2 0 0 8 ) 提出了在 d s r 中将链路状态作为m e t r i c 选择下一跳的改进算法，该算法从一定程度上保证了路由 的稳定性，增加了路由的q o s 2 8 1 。t a r i q u e 等( 2 0 0 5 ) 提出了一种分层的d s r 路由算法，该 算法中节点分为m o b i l en o d e 和f o r w a r dn o d e ，在d s r 路由的广播找路阶段中只有 f o r w a r dn o d e 转发广播节点【2 9 】。该改进协议在保证能找到路由的前提下，大大减少了网 络中的数据量，从而减轻网络负载。p e n z 等( 2 0 0 8 ) 提出了基于带宽计算的d s r 路由算法， 该算法中节点根据检测信道的使用情况计算出每个节点的可用带宽，在选择下一跳节点 时选择可用带宽较多的那一个节点，这样在一定程度上能提高q o s 【3 0 】。a s h i s h 等( 2 0 0 6 ) 在d s r 的路由维护阶段利用路由缓存进行了优化p 1 。d s r 原协议规定在路由链路断开 时，断开处的节点向源节点发送r e r r 数据包，然后从源节点重新开始寻找路由；而 a s h i s h 等的方法在链路断开时判断链路断开的位置距离目的节点的距离，如果距离近则 利用断开节点的邻居节点的路由缓存主动修复路由，如果距离远则重新发起路由请求 1 3 1 1 。这种机制减少了重新找寻路由时泛洪的数据包，减轻了网络负载和端到端的时延。 综合上述，前人对电力载波传感器网络路由算法的研究存在一定的问题，不少地方 3 第一章前言 有待进一步完善。因此，需要采用按需驱动机制，针对网络拓扑快速变化等特点对d s r 协议进行改进使其适用于电力载波传感器网络。 1 3 研究内容与方法 基于电力载波传感器网络和a dh o e 网络相似而可将d s r 协议改进后用于p l c s n 这一整体研究思路，本论文主要展开以下四个方面的具体工作： ( 1 ) 分析p l c s n 的结构及特点，阐述其拓扑结构及路由发现的意义，鉴于p l c s n 自组织的特点，同时分析典型的自组网路由协议并比较其优缺点； ( 2 ) 结合a dh o e 的网络模型，从命名机制、算法实现、泛洪机制和路由维护等方 面对d s r 按需路由算法进行深入剖析，为提出适用于p l c s n 的基于d s r 的改进路由 提供理论基础； ( 3 ) 给出一种基于d s r 改进的适用于p l c s n 的路由算法，详述算法的基本思想、 假设条件及具体实现步骤； ( 4 ) 对基于d s r 改进的路由算法进行仿真验证，通过设定环境参数运用m a t l a b 进行通信仿真并分析结果，评价算法的性能，同时分析此算法在电力载波控制系统网络 中的应用前景。 1 4 论文组织结构 全文共分六章，各章节具体内容安排如下。 第一章前言 主要介绍问题提出的背景及其研究意义，调研课题的国内外研究现状，交代课题的 主要研究内容和论文的逻辑结构。 第二章p l c s n 及典型路由协议 分析电力载波传感器网络的组成和特点，对网络拓扑结构进行解析，阐明进行路由 的意义；同时分析几种典型的路由协议，比较其优缺点。 第三章d s r 路由协议 解析d s r 路由算法以及前人对其改进后提出的算法，分析评价d s r 协议在电力载 波传感器网络中的适用性。 第四章基于d s r 改进的路由算法 给出本文基于d s r 改进的路由算法( i d s r ) 的具体实现过程。首先介绍i d s r 算 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 法涉及到的基本概念和算法的基本思想；然后根据所给的前提条件，详细描述具体的实 现步骤。 第五章仿真实验与结果 根据i d s r 算法的实现步骤，在m a t l a b 平台上设定参数进行仿真实验，验证算法的 可行性，并从组网时间、可靠性等方面评价i d s r 算法的优越性，最后总结算法的特点 并指出其理论应用。 第六章结论 梳理全文主要研究内容，分析论文创新点，指出进一步的研究方向。 1 5 本章小结 ( 1 ) 电力载波传感器网络在智能化方面具有广阔应用前景，研究意义较大，但是 由于其自身的信道和网络特点难以实现稳定可靠的通信，而以往对于p l c s n 的路由协 议研究均未能较好地解决这一问题，因此本文将a dh o c 网络中的d s r 协议改进后应用 于电力载波传感器网络，以期提高网络性能。 ( 2 ) 本论文的组织结构为：交代问题的研究意义与国内外研究现状；分析 p l c s n 的结构特点并比较典型自组织协议的优缺点；解析d s r 协议并分析其在 p l c s n 中的适用性；改进d s r 协议及其实现；d s r 协议改进效果的实验仿真。 5 p l c s n 及典型路由协议 第二章p l c s n 及典型路由协议 电力载波传感器网络因具有电力线网络和传感器网路的双重特点，电力线阻抗的动 荡造成网络信道极不稳定1 3 2 。5 1 ，所以与传统无线传感器网络相比它在应用场合、信道特 征、网络结构和路由协议等方面均具有较大差异。因此本章首先将详细分析电力载波传 感器网络的体系结构、网络拓扑及路由特点；然后鉴于电力载波传感器网络自组织的特 点，对几种典型的自组网路由协议进行分析比较。 2 1p l c s n 概述 2 1 1应用场合 电力载波传感器网络用途十分广泛，包括楼字或家庭的智能控制以及与智能电网相 关的能源服务领域。网络的体系结构因应用环境不同而在多方面存在差异，主要体现为 网络规模、系统结构和实现功能等方面。 首先，在楼宇或家庭智能控制方面，电力载波传感器网络因无需额外建设任何通信 网络而具有得天独厚的优势，利用该网络能极大地减少因在现有楼房内建设新的通信网 络所需投入的高额费用f 3 6 ，3 7 1 。图2 1 是一个典型的基于p l c s n 的楼宇智能控制系统结 构图。据图分析可知该系统能够实现以下功能： ( 1 ) 对所有连接到电力线上的电力设备进行控制，比如电灯、电梯、取暖设备和 家用电器等； ( 2 ) 对楼宇内各种系统进行统一控制，包括窗户的遮挡系统、烟雾传感系统以及 其它安全设备； ( 3 ) 对楼宇内整体安全的控制，主要包括安全监控。 目前这种控制系统广泛应用于家庭和楼宇中，虽然在具体的建筑中其规划有所差 别，但结构原理与图2 1 大同小异。 其次，电力载波传感器网络在与智能电网相关的能源服务领域的应用也十分广泛。 图2 2 是其在能源相关领域的一个综合应用示意图。 据图可知，在电力网络内部，通过p l c s n 不仅可以轻松地完成控制中心对远程设 备的操作和管理，而且也节省了建设新的通信网络或购买供应商网络资源的开销。与此 同时，在自动抄表的环节中还省去了人工抄表的费用。该图基本包括了p l c s n 在能源 系统中的所有应用场合，具体划分为以下3 个方面： 6 图2 - 1p l c s n 自动化控制系统结构示意图 f i 9 2 1 s k e t c hm a p s h o w i n gs t r u c t u r e so f a na u t o m a t i o ns y s t e mu s i n gp l c s n ( 1 ) 远程自动电能抄表，它取代了传统的耗时、费力的人工读取电表数据的工作 方式，提高了电力部门的工作效率； ( 2 ) 电力部门的浮动费率计价( 用电价格随着用电时间和用电量的不同而变化) ， 这有利于减少电力生产部门的电力浪费； ( 3 ) 电力消耗和生产管理，能有效地协调数量不断增加的新能源，包括水力，风 力和太阳能等小型发电厂与大规模发电厂之间的协调合作。因为小型发电厂的发电量并 不稳定，与各种环境因素关联性比较大，比如太阳能发电厂在阴雨天的产电量不是十分 可观。因此，这些小发电厂与稳定的大规模发电厂之间需要通过特殊的网络来协调电量 的生产和输送。 2 1 2网络特点 尽管p l c s n 的应用场合各不相同，实现的功能也是千差万别，但是它们作为同一 种网络具有一些共同的特点。同时由于p l c s n 是电力线网络和传感器网络相互融合的 一种新型网络，兼具有这两种网络的部分特点。具体分述如下。 ( 1 ) 采用电力线作为通信媒介。传统的自组织网络包括a dh o c 自组织网络和无线 传感器网络，他们都是采用无线的方式进行信号的接收和发送。但是p l c s n 基于电力 7 第二章p l c s n 及典型路由协议 图2 - 2p l c s n 能源服务系统结构示意图 f i 9 2 - 2 s k e t c hm a p s h o w i n gs t r u c t u r e so fap l c s ns y s t e mu s e df o re n e r g y - r e l a t e ds e r v i c e s 线布置，节点之间使用电力线作为传输媒介进行通信，这是与传统的自组织网络最大的 不同点之一。无线传输方式与有线的电力线传输方式之间差别很大。电力线作为能量的 供给线路，并不适合信号的传输，因为电力线上负载多且复杂，有大量随着时间的变化 而变化的各种类型的干扰噪声，信道具有很大的频率选择性。这些干扰都会导致信号的 严重衰减和畸变，使通信的稳定性、吞吐量和效率大大降低。如何在干扰严重，信道时 变的电力线上稳定准确地传输数据是低压p l c s n 中需要解决的问题。 ( 2 ) 网络适用范围广且实现成本低。电线网络是世界上最普及的网络，其分布范 围及长度远远超过电话线、有线电视线和因特网等网络，而且还可以有效地利用已有的 配电网作为传输线路，不用铺设额外的线路就可以轻松地渗透到每个家庭，大大减少线 路投资，节约施工成本，避免因铺设网络线路带来众多问题( 如住宅打孔等) 。同时中 国电网输电线总长度已经超越美国，居世界第一，这意味着p l c s n 的适用范围很广， 可以为现代家庭智能化和互联网的发展提供广阔的发展空间。 ( 3 ) 网路中节点数目多。在p l c s n 的应用实例中不管是在楼宇监管还是在智能电 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 网等“能源相关 应用中节点的数目都多。比如在楼宇监管中，每个房间的空调、取暖 器、报警器、电灯、电视等都分布有相应的传感器节点，如此累加会发现所有传感器节 点的数目很庞大。在智能电网的应用中节点的数目更多，仅仅考虑自动抄表功能所需要 的传感器节点就会发现节点的数目很庞大。 ( 4 ) 网路节点不受能量的限制。在传统的传感器网络中，例如在无线传感器网络 中由于无线传感器节点体积较小，单节点很难与有线电源相连接，只能依靠本身携带的 电池供电，并且由于体积的限制，节点所携带的电量有限。因此在传感器网络的应用中， 节点的能量有限且无法补给成为网络的一个瓶颈，能量效率成为衡量传感器网络效率的 重要指标，即通常要求网络的生命期越长越好。但是在p l c s n 中，由于载波节点与电 力线相连，具有恒定的能量供应电源，节点不受能量的限制，因此在设计其网络协议时 考虑的重点不是能量的高效利用问题，而是网络的稳定性和可靠性问题。 ( 5 ) 信息以多跳的方式进行传输。由于低压电力网上的负载不断切除、投入，电 器的开、关等随机事件的影响，使表现出来的信道特性具有很强的时变性，而且电力线 上并联的多种多样的负载对信号造成的衰耗影响很大使得节点间通信距离非常有限，因 此在绝大多数远距离情况下，单个的电力载波传感器节点并不能以单跳的方式直接到达 控制中心。研究表明，信号在电力线上传输时，通信距离越远信号的衰减越厉害，这就 决定了数据包在传输的过程中需要多跳中继才能到达控制中心。 ( 6 ) 自组织的网络形式。为了提高网络的自愈性和健壮性，p l c s n 与传统的无线 传感器网络和a dh o c 网路一样也具有自组织的特性。一方面电力线上负载运作状态的 改变会导致原有网络的拓扑结构发生变化，另一方面传感器节点可能会随时加入和离开 网络。传统的静态路由不能解决以上两种情况带来的问题，因此为了使任何节点的故障 都不会影响整个网络的运行，网路采用自组织的形式保证了网络的自愈性和健壮性。同 时网络中节点兼具终端节点和路由的功能，不仅能监测数据还能充当路由器或中继器转 发数据包。 2 1 3 信道特点 电力载波传感器网络使用低压电力线网络作为信号的传输媒介，虽然利用电力线载 波通信可以大量减少投资和线路维护成本，但须提高载波通信的信息传输速率，降低误 码率，实现信息传输网络化等，因此要在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据通信 并非易事【3 8 抛】。与双绞线、同轴电缆等传统的传输介质相比，电力线网络的信道具有如 9 第二章p l c s n 及典型路由协议 下特点。 ( 1 ) 时变性强。电力线直接连接家庭或者单位用户，线路上负载繁多而且随机切 除和接入。这些随机变化十分复杂毫无规律可言，使电力线网络表现出很强的时变性。 此外，因为外在环境中各种不可抗拒的自然因素( 如雷电等) 的影响，使得电力线上的 干扰更加不可预测。统计结果表明p l c s n 中1 秒内某一频率的信号衰耗变化可达到 2 0 d b ，信噪比的变化也可达到1 0 d b 左右。这些随机性和时变性是低压电力线载波通信 发展的主要瓶颈之一。 ( 2 ) 信号衰减大。电力线由本身阻抗很小的良导体( 主要是铜) 加工而成，这些 导体本身的阻抗对不同频率的信号略有变化但是十分稳定，并不是造成信号衰减的直接 原因。但是电力线是一根非均匀分布的传输线，不同性质的负载在电力线上任意连接或 断开会导致各节点阻抗不匹配，使信号产生反射、谐振等现象，最后导致信号的严重衰 减【4 3 1 。同时信号的衰减与信号传输的距离、信号的频率和工频电源的相位有关系。一般 来说，信号随距离的衰减在1 0 d b k m 至1 0 0d b k m 范围内，而随着频率的增加，信号的 衰减也增加，当频率大于1 0 0 k h z 时，频率每增加1 k h z ，衰减相应的增加0 2 5 d b 。当然 这只是一般情况下的统计结果，特殊情况下信号的衰减更严重。 ( 3 ) 干扰噪声严重。电力线信道中的噪声种类繁多，它们是电力线通信中最大的 干扰源【4 4 1 。如图2 3 所示，从所处的环境来看，电力线网络所受的噪声可以分为两类： 一类是来之电力线网络周围环境的噪声；另一类是来之自身网络内部的噪声。据图可知 环境外部的噪声主要来源于工作于同一频率范围内的( 小于3 0 m h z ) 的其它业务，如短 波无线电；电力线网络内部的噪声主要包括与低压配电网络相连或位于电力线网络附近 的如电器，比如电视机、计算机显示器、通过开关或相位角度进行控制的设备、以及与 之邻近的其它电力线网络的干扰。 1 ) 有色背景噪声( 如图2 4 中所示) 。背景噪声与脉冲噪声差别很大，它由很多 小功率的噪声源叠加产生，相对来说是一个静态的过程，不会在短时间内发生很大的改 变。同时它并不是传统无线信道中的高斯白噪声。该噪声的功率谱密度( p s d ) 随频率的 增加而降低，而且随时间变化很慢，主要由电冰箱、个人电脑、空调和电视机等产生。 2 ) 窄带噪声( 如图2 4 中所示) 。该噪声的来源多为调幅的正弦信号，主要因中 短波广播信号进入介质而产生。它们的频谱大多连续而且幅度相对较小。由于大气反射 在白天和晚上有很大差异，晚上大气反射会加强，所以在一般情况下窄带噪声在晚上比 白天要稍高。同时它的幅值在白天时通常也随着时间的变化而不同。 】0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 ) 同频电网不同步的周期性脉冲噪声( 如图2 - 4 中所示) 。这种噪声主要由开关 电源产生，大部分按5 0 k - 2 0 0 k h z 频率重复，在频域表现出离散谱。这种现象是由于开 关的特性决定的。因为开关是一种缓冲电路，使互不兼容的源和负载兼容。由于该噪声 的高重复率，它们的频率彼此接近，在频域上表现出很窄的频带。 4 ) 同频电网同步的脉冲噪声( 如图2 - 4 中所示) 。这类噪声主要由普遍存在于电 灯等电器中的晶闸管，即可控硅整流器产生。噪声的频谱包含一系列的1 0 0 h z 并与供电 网络主频率同步的脉冲。此外复印机等会制造5 0 h z 的脉冲噪声。这些噪声持续的时间 很短，大概在毫秒级别。 5 ) 非同步脉冲噪声( 如图2 - 4 中所示) 。脉冲噪声主要在电源开关闭合的瞬间产 生。该噪声的特点是持续时间特别短，一般是毫秒级别，但是频谱密度很高，一般比背 景噪声要高出5 0 d b 。所以脉冲噪声对信号的破坏作用十分显著。 图2 - 3p l c s n 干扰源种类示意图 f i 9 2 - 3 k i n d so fd i s t u r b a n c es o u l c e si nap l c s n 图2 - 4p l c s n 中加性噪声类型 f i 9 2 - 4 t h ea d d i t i v en o i s et y p e si np l c s ne n v i r o n m e n t s 2 1 4 路由分析 路由是把信息从源穿过网络传递到目的地的行为，在信息的传输过程中至少遇到 一个中间节点【8 】。一般来说，路由包含两个基本的动作，即确定最佳路径和通过网络传 输信息；在路由的过程中，后者也称为( 数据) 交换。交换相对来说比较简单，而选择 路径则比较复杂9 。1 1 1 。在电力载波传感器网络中由于负载随机的切入与断开会导致网络 拓扑动