本發明屬于低壓電力線工頻通信路由算法技術領域，具體涉及一種融合工頻通信的電力線載波通信路徑搜索方法。

背景技術：

在諸多電力線通信方式中，應用最多的是電力線載波通信(power line communication,PLC)，PLC通過高頻信號在電力線上傳輸實現通信，其缺點是抗干擾性能差、隨距離衰減嚴重等，因而在應用中普遍存在可靠性不高的問題。

國內外目前關于PLC信號傳輸可靠性的提升主要研究方向是物理層通信能力的增強和路由中繼網絡的建立。其中PLC物理層方面的提升，國內外的研究主要包括信道特性、噪聲抑制、信號衰減、信號調制解調方式、阻抗匹配及耦合電路設計等。上述研究的本質是提高電力線載波通信點對點通信能力，對電力線通信網絡來說，點對點通信的高可靠性，并不意味著整個網絡的高可靠性，它僅是網絡可生存性的前提和基礎，上述研究并不能實質上提高PLC信號傳輸的可靠性。因此，PLC系統中路徑中繼組網算法的研究顯得尤為重要，這是保證通信系統可靠性的必要條件。目前，有文獻結合PRIME標準中媒體訪問控制(MAC)層的幀結構、類型，深入歸納、分析和總結了PRIME標準中的電力線載波通信組網初始化算法、網絡維護與重構算法；有文獻分析了電力線通信網絡的拓撲結構和組網模型，并提出組網的優化目標函數，進而提出一種基于信道狀態和服務需求的電力線通信組網算法；還有文獻提出了一種基于人工蜘蛛網的PLC組網模型，對新模型的結構特點及低壓配電網物理拓撲映射為人工蛛網邏輯拓撲的組網過程進行了詳細闡述，并基于此提出新的組網算法及重路由算法；另有文獻設計了一種適用于路徑尋優的改進遺傳算法，這種變異遺傳算法融合了圖的遍歷算法的思想和Dijkstra算法的優點，同時也結合了小生境技術最優保留原則。

然而，基于上述方法不能有效地提高PLC信號傳輸的可靠性，現有技術中載波接力傳輸性能較低，搜索效率低下，不能滿足配電網中電力線中繼的傳輸需求，亟需一種可有效提高PLC信號傳輸可靠性的方法。

技術實現要素：

電力線載波通信必須要求信令傳輸的高可靠性，才能節約搜索時間，提高搜索效率，使PLC系統有效性增強，提高其實用性。但是，PLC信號隨距離衰減嚴重，傳輸距離有限。工頻通信(TWACS)在不跨變壓器的情況下幾乎不衰減，時延非常小，完全可以忽略，通信成功率接近百分之百。所以，使用工頻信號傳輸PLC路徑搜索信令可靠性大大增強，能保證成功傳輸。

基于此，本發明在闡述低壓配電網PLC網絡拓撲和特征的基礎上，提出了一種融合工頻通信的電力線載波通信路徑搜索方法，所述方法包括以下步驟：

A.將工頻通信信號作為電力線載波通信的路徑搜索信令，選擇與當前節點通信時信噪比參數在一定范圍內的節點作為中繼節點；

B.根據中繼節點的通信級別或與集中器的距離來確定最優中繼節點；

C.建立集中器到達各個通信終端的中心節點路徑表，各個分布節點建立子路徑表；

D.當集中器發送的指令信息無法送達某個節點時，選擇次優路徑，若無次優路徑時，進行步驟E；

E.修復路徑；

F.當集中器按照路由表向多個子節點終端發送命令通信路徑都失敗時，則對所有子站重新建立路由表。

所述步驟A中節點信噪比參數范圍為60±5H。

所述步驟B中確定最優中繼節點的方法為：若當前節點不與集中器直接通信則選擇高于當前節點的中繼節點作為最優中繼節點；若當前節點與集中器直接通信則選擇與集中器的通信距離小于當前節點與集中器的通信距離的中繼節點作為最優中繼節點。

所述步驟E中所述修復路徑包括以下子步驟：

E1.檢查故障節點的通信級別，選擇高一級別的節點搜尋故障節點，若集中器收到該節點的反饋信息，修復完成；若集中器沒有收到該節點的反饋信息，進行步驟E2；

E2.命令與故障節點同一級別的節點開始二次搜尋，若集中器收到該節點的反饋信息，修復完成；若二次搜尋沒有成功，進行步驟E3；

E3.集中器刪除該子節點，對該子節點進行局部重建路由。

所述步驟E3中的所述局部重建路由包括按照初始分層的方法，集中器發送工頻通信信號重構命令幀，隨即開始路徑修復。

所述步驟D中的所述次優路徑是指信噪比參數范圍為60±5H的路徑。

本發明提出了基于TWACS可靠傳輸下行中繼指令結合PLC信道狀況監測的路徑尋優方案，并對此算法進行了優化分析。該方案能夠大大提升載波接力傳輸性能，提高搜索效率，保證PLC路徑搜索信令可靠傳輸，從而大大提升電力線通信性能，能夠更好的滿足配電網中電力線中繼的傳輸需求。

附圖說明

圖1為當P＝2時優化后路由表示意圖

圖2為本發明路徑修復流程圖

圖3為本發明節點位置圖

圖4為本發明節點通信等級圖

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明。

低壓配電網設計之初是為電能而非數據的傳輸，故低壓電力線并不很適合數據的傳輸。由于電力線信道環境惡劣，而載波信號的發送功率受限，所以隨著載波信號傳輸距離的增加，信號的信噪比快速將下降，使得電力線載波通信網絡覆蓋范圍很小，沒有實用價值。若要實現大規模電力線通信，必須采用組網/中繼技術。電力線通信必須要求信令傳輸的高可靠性，才能節約搜索時間，提高搜索效率，使PLC系統有效性增強，提高其實用性。但是，PLC信號隨距離衰減嚴重，傳輸距離有限。而TWACS在不跨變壓器的情況下幾乎不衰減，時延非常小，完全可以忽略，通信成功率接近百分之百。所以，使用工頻信號傳輸PLC路徑搜索信令一定可靠，保證傳輸成功。

通信終端能夠實時監聽電網中傳輸的載波信號，并能夠將監聽到的信號解調獲得信號的發送地址、目的地址、中繼地址以及發送信號的節點的通信級別，然后，利用軟件計算出信噪比參數

集中器能夠與其距離較近的節點直接建立通信，這些通信良好的節點規定為一級節點。對于不能直接與集中器通信的節點(即二到四級節點)，必須通過中繼節點間接地與集中器建立通信路徑。中繼節點的選擇需要考慮兩個條件：(1)通信級別比本節點高，這樣的中繼節點才能更好的與集中器通信；(2)中繼節點與本節點的距離要適中，距離太遠則通信不穩定，距離太近則可能需要更多級的中繼。

中繼節點的通信級別可以從監聽到的PLC信號的數據幀中獲得。對于節點i，在搜索中繼節點前，可能已經監聽到多個節點向集中器發送的確認信號，假設這些節點為j1，j2，……，jm，……，那么jm的通信級別應滿足式(1)：

當節點i監聽到多個通信級別較高的中繼節點時，則需要考慮通信的可靠性，并選擇適當的通信距離。如果兩個節點可以通信，但是距離較遠，那么這兩個節點的通信并不穩定，可能時斷時續，因此不適宜做中繼節點。相反，如果選擇距離較近的節點作為中繼節點，雖然可以保證通信的穩定性，但是必然會經過更多的中繼節點。中繼次數增多會大大降低通信的有效性。所以，選擇距離適中的節點作為中繼非常重要。本發明通過計算似然比參數，可以估計通信的可靠性與穩定性，經過現場實測，獲得了大量數據，數據表明信噪比參數在60H附近時，不僅能保證良好的通信質量，通信距離也較大。

當i節點監聽到其它節點發送的載波信號后，根據接收的數據幀結構可以獲取發送節點的地址、通信級別以及該節點與集中器之間的信噪比參數。同時，i節點在信號解調時能夠獲得發送節點與i節點之間的信噪比參數。這樣，i節點能夠判斷出周圍節點中，最適合作為中繼節點的位置。

作為i節點的中繼節點，一方面與集中器之間的通信能力要強于i節點，同時與i節點之間的通信距離要合適。按照如下規則確定最優中繼節點S：

式中，表示使最小時，信噪比參數的選取，其目的是選擇與i節點之間通信時信噪比參數最接近60H位置的節點作為中繼節點；b_j代表j節點的通信級別，數值越小代表通信級別越高，b_j<b_i代表選擇比本節點通信級別高的節點作為中繼節點；“0”代表與集中器直接通信；代表中繼節點與集中器之間的距離必須小于本節點與集中器的距離。后兩個條件共同保證了信號向接近集中器的方向傳播。

系統初始化時，首先要建立路徑表。本算法中，中心節點(集中器)要建立到達各個分布節點(通信終端)的中心節點路徑表，各個節點要建立子路徑表。

初始分層的路由表結構較為復雜，通信質量不高，子節點終端有多條路徑，需要對其進行優化來提高通信質量，完成通信質量的最優化。設定優化后的子節點終端與上層終端的通信路徑最多為P條。初始分層的路由表優化具體步驟如下：

設定組網過程中通信信道不變，因此對已建立的初始的路由表進行優化，首先對2級的所有子站終端進行優化路徑，若終端只有一條路徑則不改變，若終端有多條路徑，則分析每條路徑的信噪比參數，依次記錄最接近60H不超過P條的通信路徑。

同理優化3級所有節點，在2級節點的基礎上對3級的所有終端進行優化，記錄信噪比參數最接近60H不超過P條的通信路徑。繼續相同的步驟，直到所有的路由都進行優化。圖1為當P＝2時優化后路由表示意圖。

設定對各終端子節點進行邏輯分級時，集中器與一個子節點之間的通信時間為T_m，這里只計算載波信號傳輸時間。組網的總時間為T_total，為各邏輯層分層時間之和。每一邏輯層需要的時間則是上層每一個站點與未分層的子站通信時間之和。計算公式如下：

式中：n為總子站數，T_total為組網總時間，k為邏輯層數，n_i為第i層子節點數。通過計算邏輯分層和優化的消耗時間可以得出此算法優化后的效果以便與其它算法的消耗時間進行比較。

當網絡中某段線路受到干擾時，通信距離會發生變化，并引起網絡拓撲的變化。當電網局部出現較強烈的干擾時，導致集中器發送的指令信息無法送達某個節點時，為了提高系統的可靠性，本算法包含了路徑修復功能。首先，考慮優化后的路由表中受阻的節點是否有次優路徑，即信噪比參數較接近60H的路徑，如果有次優路徑選擇次優路徑。算法中優化后的分層結構使得本算法具有一定的抗毀性。但是當受阻節點的所有路徑都通信失敗時，則集中器確認該子節點路徑不適合當前信道，刪除其通信路徑，對該子節點進行局部重建路由。局部重構時，按照初始分層的方法，集中器發送TWACS信號重構命令幀，隨即開始路徑修復。

修復流程圖如圖2所示，首先，檢查故障節點的通信級別，然后嘗試讓高一級別的節點搜尋故障節點。等待一段時間后如果集中器收到該節點的反饋信息，則記錄該路徑信息，修復完成。若集中器沒有收到該節點的反饋信息，則說明故障節點處干擾較大，高級別節點無法搜尋到故障節點。那么需要命令與故障節點同一級別的節點開始二次搜尋。如果二次搜尋也沒有成功，則說明故障節點附近出現嚴重干擾。則認為其已損壞或移出網絡，集中器刪除該子節點。

當集中器按照路由表向多個子節點終端發送命令通信路徑都失敗時，則對所有子站重新建立路由表。

假設共有36個節點，分為4路，毎個節點的編號與節點所在位置沒有明顯關系。利用matlab建立一個包含1-36的自然數和四個0的多維數組，然后將數組元素隨機排列，排列結果如公式4所示。

1-36表示節點編號，0表示該位置沒有節點。根據隨機數組，節點如圖3所示。

以一號線路為例，首先，用PLC廣播，其中，1號和11號節點收到了信號，然后向集中器發送請求信號，其中，滿足的節點只有11號節點，那么11號節點可作為一級節點。

二、三、四級節點建立路徑過程類似，僅以三級節點的建立過程為例。第二次搜索后，搜尋到的二級節點是1、23、25號節點。然后開始用TWACS信號第三次廣播路徑捜索信令。所有節點都能收到信令，但是根據實時監聽的情況，9號與1號之間及5號和23號之間的似然比參數滿足式公式2，因此，5、9號可最終被確定為三級節點。5、9號節點的路徑表如表1所示。

表1 一號線路徑表

經過一次PLC廣播和蘭次TWACS廣播后,集中器與所有節點都建立李下通信路徑,所有節點被分為四級,如圖4所示。

采用本算法，在搜索一個三級節點的過程中，因為工頻信號可以實現遠距離的高可靠性傳輸，所以，集中器發送工頻信號一次。每個節點都能監聽到周圍節點發出的確認信號，所以，當某個節點接到工頻信令后，根據之前的監聽記錄，按照中繼節點選擇的規則，可以直接選擇出最佳的中繼節點。因此，各節點共發送載波信號三次。所有三級節點捜索完成后，集中器共發送工頻信令1次，各個節點共發送載波信號次數：

λ₂＝3a ——(5)

利用蟻群算法捜索完所有三級節點總共要發送PLC信號次數：

λ₁＝(6a+3b)mN_max ——(6)

新型算法比蟻群算法少發送載波信號的次數為:

λ₁-λ₂＝3a[2mN_max-1]+3bmN_max ——(7)

發送(λ₁-λ₂)次的載波信號所消耗的時間遠比發送一次工頻信號所消耗的時間長。在捜索二級節點和四級節點時情況類似。融合工頻通信的載波通信優化路徑算法與蟻群算法相比，在提高有效性和可靠性等方面擁有很大的優勢，能夠更好的滿足配電網中電力線中繼的傳輸需求。總體而言，融合下行工頻通信的路徑捜索算法的效率遠高于蟻群算法。

上述實施例僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。