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摘要：本文分析了目前智能电表采集系统结构及通信拓扑模型然后在非交叠分簇算法基础上，提出通过检测通信信道的“信噪比”来提高自组网的可靠性和抗毁能力。最后给出了本文算法的仿真，验证了自组网的初始化和路由优化过程。仿真结果表明，该自组网算法具有很高的可靠性和很强的抗毁能力，能快速地实现动态自组网，并为低压电力线载波通信系统自组网提供一种有效的解决方案。
关键词：电力载波通信（PLC）；低压；智能电表;信噪比;组网;算法
前言
智能电表采用低压电力线载波通信主要有以下优点：电力线分布广、易施工、投资小、不易被破坏和后期维护量小。同时信号传输也有缺点，主要包括：高噪声、高衰减、强干扰、时变性、多径效应和反射等，这些因素导致集中器节点和智能电表终端节点直接通信成功率低，这不仅限制了信号的传输距离，同时也严重降低了低压电力线载波通信的可靠性，最终制约智能电表的有效使用范围。针对以上的因素，在实际应用中需要通过智能电表自组网技术来弥补以上缺憾。
1.智能电表自组网系统
1.1 低压电力载波通信自组网拓扑结构
通常情况下，智能电表安装在居民区或楼宇内，其低压配电网是典型的树型混合拓扑结构。基于低压配电网的电力线通信系统主要由总网关、网关（集中器）和采集器（智能电表）组成。采集器负责采集每一个终端数据，集中器将同相下的采集器数据收集起来，并且将其发送给上一级的总网关，从而与外界实现信息的实时交互。
实际低压电力线载波通信网络在数据连通能力和作用范围是有限的。（如图1所示）为了实现整个居民小区范围内所有智能电表可靠进行通信，就必须采用自组网方法，即先建立M个节点与网关的可靠通信链路，再通过这些节点建立路由节点，扩展实际低压电力载波通信的通信距离，最终实现N个节点与网关进行可靠通信。
1.2 低压电力载波通信拓扑结构特点
易变性。已经建立的低压电力通信网络拓扑结构非固定的，由于传输的信号可能受到高衰减、强干扰等影响，以及新节点的接入，从而使已建立的物理拓扑和逻辑拓扑发生变化，所以采用传统的低压电力载波通信算法是满足不了可靠通信的要求。
实时性。目前智能电表主要用于抄表系统，即周期性的读取用户的用电信息，通过网关发出控制信息，将用电信息上报给控制中心，因此要求整个通信网络系统具备实时性。
共享性。本文研究的低压电力载波通信是在同一变压器下，整个通信信道是完全共享的，即所有智能电表节点共享一个信道，并将信息采用广播的形式发布。由于低压电力载波通信信道固有特性不能保证每个节点准确可靠的收到信息，所以需要通过路由和集中器来将物理网络和逻辑网络进行有效的划分。
简易性。由于智能电表的用户量很大，应该尽可能的降低成本；同时要求通信网络组网和重组的速度更快，效率更高，为了能够实现上面的需求，因此尽可能的降低硬件成本和算法复杂度，从而实现整个系统的简易性。
2.基于改进的非交叠分簇路由自组网算法
2.1 自组网的约束条件
假设实际应用中，在某一小区的单相电压下有n个节点，各个节点的电力载波通信物理链路是互通。
（1）网关的物理地址编号为0，其他节点的物理地址分别为1,2,3....n，具体在应用时位置可不按照物理地址摆放。
（2）任意两个节点间可以通信，不存在所谓的通信“孤岛”现象。
（3）网关具备检测信号信噪比大小的能力以及一定计算能力，并且负责记录各个终端的物理编码和逻辑编码。
（4）已获得逻辑编码的节点将不再参与后续逻辑ID的分配，同时要具备网络节点加入或丢失检测，特别是发生在路由节点上。
（5）假设网关与终端完成一次通信的最长时间为T/n，每个节点在规定的时间内进行数据的接收、处理和发送，同时规定网关与所有节点的通信时间不能够超过T，否则硬件需要复位，具体每个节点与网关通信的顺序可以依据算法来规定。
（6）由于整个应用范围不大，可以假设整个系统在组网过程中信道质量不变，即使有变化网关也可以检测出来。
（7）考虑到线路传输的延时问题，在算法设计上要充分考虑或者规避，使其不能够影响整个系统的通信，确保通信的可靠。
2.2 自组网的数据传输格式
考虑到智能电表应用的广泛性，因此在自组网算法上也要具备较强的通用性，具体的通信协议必须符合我国DL/T645-2007多功能电表通信协议，本文采用的自组网数据传输格式。
2.3 自组网算法的初始化与网络重构
2.3.1 逻辑分层和初始路由表的建立
逻辑分层是对已经建立物理地址ID号的终端节点进行逻辑分层以及分配相应的逻辑ID号，同时设置相应的最低“信噪比”值为SNR(min)。即各个通信节点的信号质量必须满足最低“信噪比”标准，才能视为可靠的通信路径。
具体自组网的步骤如下：
首先网关节点发送分簇命令，收到广播信号的节点先提取地址信息，判断节点自身地址信息是否匹配，匹配的节点需要向网关节点发送应答信号，网关需要统计节点数，假设为m个,定义该 m 个节点位于逻辑一层，即Layer1，该 m 个节点根据自身的物理地址ID号由小到大发送应答信号，同时每个节点发送的时间必须满足T/n(T表示总的时间，n表示节点数量),当网关收到某个节点时分配相应逻辑ID，具体依据接收时间的先后顺序来确定逻辑ID号的大小，已经分配的逻辑ID号的节点不再参与后续的逻辑ID号的分配，如果Layer1已经包含所有的节点则逻辑分配完成，否则继续对剩下的n-m逻辑节点进行分配。
第二轮逻辑节点的分配。此时的路由节点依次是1到m，即按照Layer1的逻辑节点由小到大的顺序进行相应逻辑节点分配，从逻辑节点1作为路由节点开始对余下的节点进行寻呼，对满足条件的节点分配逻辑ID号，依次类推，直到Layer1层中的第m个节点作为路由节点寻呼完成，此时网关对其中满足信噪比最低条件的节点设为Layer2，假设节点数量为k个。如果所有物理节点的逻辑分配完成（即m+k=n），则整个初始化过程结束，否则继续进行下一轮的逻辑节点ID号的分配。
第三轮逻辑节点的分配。具体分配过程与步骤（2）相似。通过对Layer2中的k个节点从小到大作为路由进行逻辑节点分配，并定义为Layer3层，节点数量为g,然后再比较m+k+g是否为n，如果满足则停止初始化，不满足则继续分层和逻辑节点分配。
如上图2所示，所有物理节点（圆圈外）都被分配唯一的逻辑ID号，路由节点也建立了初始的路由表，同时网关对所有逻辑节点进行了分层，整个低压电力载波通信网络初始化完成。但是上述初始化网络在信号通信方面的抗毁能力和自愈能力不强，还需要进行优化，从而达到可靠通信。
2.3.2 网络重构
本节的网络重构包括两部分内容：一是路由节点初始化后的优化，达到一定的抗毁能力和自愈能力；另一个是在节点加入或是退出时如何网络重建（节点动态更新）。
路由优化：由于路由的优化是紧接着初始化后进行的，假设此时的信道质量没有发生变化。路由的优化实际上是从Layer2层开始进行的，从逻辑节点5开始统计所有满足最低信噪比的通信路径，例如0-1-5，0-2-5,0-3-5,0-4-5，然后比较出最大“信噪比”的通信路径，依次类推逻辑节点6、7、8和9，相应的更新Layer2层路由节点信息。利用相似的方法更新剩下逻辑层的路由节点信息，最终完成所有路由节点的优化。
节点动态更新：节点的动态更新是网络重构的一部分，考虑到实际通信网络环境的复杂性，在设计时需要网关定时对原有路径进行“信噪比”环境分析，从而确定网络节点环境是否发生变化。具体步骤如下：
网关对所有节点的逻辑ID号和通信路径进行标记，某一路由节点在规定的T/n时间内发现逻辑节点数量和通信路径变化（节点加入或退出）时，发送信息给网关，由网关做出判断发出网络重构广播。
网关发出网络重构广播，利用前述的自组网初始化和路由优化算法进行网络重构。
对于退出节点需要删除原有路径信息和标记，同样新增节点需要在网关上添加相应路径信息和标记。
网络重构目的是动态适应网络环境变化，利用“信噪比”信息来充分规避信道噪声，从而提高通信的可靠性。同时算法上动态的检测可以有效的降低硬件成本，不需要添加专用的路由器，便于后期广泛推广。
3.自组网算法仿真与验证
3.1 仿真参数的设定
仿真软件选用Matlab，假设选取51个点用来模拟实际场景中低压电力载波通信中的终端节点；分布的位置是随机的，这样更好的模拟在应用中不同终端节点在不同时间接入网关的分布情况；在软件中采用坐标标记每个的位置，便于仿真计算本文采用的坐标为（-10,10）和（-10，10），网关设在（0,0）处；规定任意两两节点都可通信，不存在所谓通信“孤岛”；假设两两节点之间信噪参数是不变的（SNR_min值需在应用中实测），最大通信距离L_max（仿真假设L_max=4）。
3.2 仿真分析
本文假设最大有效通信距离L_max=4，终端节点数为51个。初始化的逻辑分层和路由结构如图3（a）所示。通过采用本文算法优化后的逻辑分层和路由结构如图3（b）所示。
从上图可以得出：（1）如图3（a）所示，不同颜色的点表示不同的网络层终端节点，以及有它们之间的通信链路关系。通过网关对物理节点进行逻辑分层之后，网关可以与任意一个终端节点进行通信，并且建立相应的初始路由表。但该逻辑网络还可继续进行优化。（2）如图3（b）所示，利用本文算法进行了路由的优化，假设整个网络环境变化相同，实际信噪比与通信距离成正比，为了使得部分节点的信噪比得到明显改善，必须寻找最短路由节点。例如，点2与网关0进行通信的原有路径是2-40-11-10-0，优化后的通信路径为2-44-11-42-0，优化后总的通信距离变短，2和11节点分别选择了最佳的路由44和42。从仿真分析可知，本文算法是可行的，并能够为智能电表在低压电力载波通信上做算法支撑。
4.结论
本文首先对传统自组网算法进行了研究，通过在原有算法基础上添加检测“信噪比”的算法;该算法时序简单，控制方便。该算法的复杂度相比于传统算法都要简单，容易实现和降低硬件成本。如果需要在此算法基础上继续改进可以从单个节点的通信距离和路由数量上考虑。总之，通过本文最后仿真分析可得，该算法是切实可行的，其能够为目前智能电表提供一种有效的低压电力载波通信解决方案。
参考文献：
[1] 刘晓胜，周岩，戚佳金. 电力线载波通信的自动路由方法研究[J]. 中国电机工程报，2006，26（21）：76-81.
[2] 戚佳金，刘晓胜，徐殿国，等. 低压电力线通信分簇路由算法及网络重构[J]. 中国电机工程学报，2008，28（4）: 65-71.
论文作者:莫壮宇
论文发表刊物:《基层建设》2017年6期
论文发表时间:2017/6/14
标签：节点论文; 通信论文; 网关论文; 逻辑论文; 路由论文; 算法论文; 载波论文; 《基层建设》2017年6期论文;