劉曉勝 張 良 周 巖 戚佳金 黃南天
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001 2.國(guó)家電網(wǎng)杭州市電力局 杭州 310009)
電力線(Power Line, PL)媒介設(shè)計(jì)的初衷是為了完成電能而非數(shù)據(jù)的傳輸,對(duì)數(shù)據(jù)通信而言,其信道特性并不理想,具體表現(xiàn)為噪聲顯著且信號(hào)衰減非常嚴(yán)重[1]。同時(shí),輸入阻抗變化、必須工作在有限的信號(hào)功率范圍內(nèi)等物理特性大大降低了電力線通信(Power Line Communication, PLC)系統(tǒng)的通信可靠性[2,3],致使大規(guī)模應(yīng)用受到制約。提高電力線通信可靠性可以從物理層角度來(lái)考慮,例如,信道估計(jì)與選擇[4]、濾波設(shè)計(jì)[5]、功率分配[6]等方面,還可以從電力線通信的組網(wǎng)方式[7]、網(wǎng)絡(luò)模型[8]等角度來(lái)考慮。圍繞電力線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性、容錯(cuò)性和生存性方面的研究,國(guó)外有學(xué)者開(kāi)始了初步的探討工作。有關(guān)窄帶電力線通信組網(wǎng)問(wèn)題的研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者仍很少開(kāi)展。本文從提高窄帶電力線通信可靠性角度,對(duì)新型組網(wǎng)模型的建立自動(dòng)路由等方面做研究探討,提出了基于人工蛛網(wǎng)的組網(wǎng)算法,給出對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果并作分析。
根據(jù)低壓配電網(wǎng)配電區(qū)域的不同,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在差異。但總體來(lái)說(shuō),PLC網(wǎng)絡(luò)是基于樹(shù)形的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。低壓配電網(wǎng)的PLC系統(tǒng)是由位于變壓器二次側(cè)的通信基站和分布在電網(wǎng)內(nèi)的多個(gè)用戶終端構(gòu)成的。圖 1所示為典型的低壓配電網(wǎng)PLC系統(tǒng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單相電力線通信網(wǎng)關(guān)A、B、C放置在每相的起始位置,負(fù)責(zé)各相電網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。位于變壓器二次側(cè)的基站負(fù)責(zé)與各單相網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并通過(guò)廣域網(wǎng)與外界交互信息。為了達(dá)到負(fù)載均衡的目的,各用戶終端大致均勻地分布在每一相內(nèi)。由圖1可知,三相之間為并列且相對(duì)獨(dú)立的關(guān)系,故用其中一相的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為重點(diǎn)研究對(duì)象,便具有代表性和普遍性[8]。在PLC系統(tǒng)中,下行方向的信息由基站/網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)剿械挠脩艚K端,每個(gè)終端可以直接或通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)間接收到該信息;上行方向,用戶終端傳送的信息不僅可以被基站/網(wǎng)關(guān)接收,其他的用戶終端也可以接收。所以,從MAC(medium access control)層角度,PLC網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)樹(shù)形物理拓?fù)湎碌目偩€型邏輯結(jié)構(gòu)[9]?;诰W(wǎng)絡(luò)的此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文將建立新的PLC組網(wǎng)模型。
圖1 典型PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Typical PLC network topology
蜘蛛經(jīng)過(guò)約18億年的進(jìn)化,現(xiàn)在的蜘蛛網(wǎng)不僅具有優(yōu)雅、超輕的結(jié)構(gòu),而且具有超級(jí)彈性和抗張強(qiáng)度,可以抵抗各種大風(fēng)、昆蟲(chóng)等的沖擊。即使有幾個(gè)網(wǎng)格單元遭到破壞,它仍能作為網(wǎng)來(lái)捕獲獵物,具有極強(qiáng)的抗毀能力。針對(duì)蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),蜘蛛的捕食機(jī)理以及人工蜘蛛網(wǎng)通信拓?fù)涞臉?gòu)建等方面問(wèn)題,文獻(xiàn)[10]已進(jìn)行了詳盡的闡述。本文只對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)的MAC層邏輯拓?fù)滢D(zhuǎn)化為單層人工蛛網(wǎng)邏輯拓?fù)涞倪^(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析。
由于電力線通信數(shù)據(jù)傳輸距離有限,在實(shí)際應(yīng)用中,可能只有離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)物理距離近的用戶終端能與該相網(wǎng)關(guān)可靠通信。如圖2a所示,假設(shè)某單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n,網(wǎng)關(guān)一次廣播后有m個(gè)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)與之可靠通信,剩下n-m個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)雖然物理鏈路是連通的,但是在 MAC層是斷開(kāi)的。這種情況下,應(yīng)用傳統(tǒng)的廣播查詢(xún)所有節(jié)點(diǎn)的方法,存在部分節(jié)點(diǎn)不能成功通信的情況,因此效率很低。為解決這個(gè)問(wèn)題,我們提出了基于蛛網(wǎng)的組網(wǎng)模型及相應(yīng)的路由算法。
前文提到,在MAC層與網(wǎng)關(guān)可靠通信的m個(gè)節(jié)點(diǎn)中,任意兩個(gè)之間也是可靠通信的,基于此本文建立了如圖2b所示的人工蛛網(wǎng)邏輯拓?fù)?。m個(gè)節(jié)點(diǎn)組成m-1邊蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu),相鄰節(jié)點(diǎn)之間能可靠通信,不相鄰節(jié)點(diǎn)可通過(guò)節(jié)點(diǎn) h為中繼進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn) h為m個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選取的任意一個(gè)。假定其位于邏輯子網(wǎng)的中心,其與所有周邊節(jié)點(diǎn)均能可靠通信,功能與網(wǎng)關(guān)類(lèi)似,負(fù)責(zé)收集其所在蛛網(wǎng)周邊各節(jié)點(diǎn)的信息,同時(shí),由此節(jié)點(diǎn)發(fā)起對(duì)剩下的n-m個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)廣播,依次類(lèi)推,最終該單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)組成了多個(gè)類(lèi)似的人工蛛網(wǎng)。
圖2 邏輯拓?fù)銯ig.2 Logical topology
如圖3a所示,離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)“近”的蛛網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)(例如h),可以直接與網(wǎng)關(guān)通信,處在“中間”位置的蛛網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)需要以“近”的網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)為中繼與網(wǎng)關(guān)通信,同樣,處在“較遠(yuǎn)”位置的蛛網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn),是以“中間”、“近”的中心節(jié)點(diǎn)為中繼與網(wǎng)關(guān)通信。單相網(wǎng)關(guān)只要確保每個(gè)子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)能與之可靠通信即可,這樣在一定程度上提高了單相網(wǎng)關(guān)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的效率。
圖3 組網(wǎng)結(jié)果及重路由Fig.3 Networking result and route-reconstruction
在介紹蛛網(wǎng)路由之前,簡(jiǎn)要說(shuō)明PLC常規(guī)通信機(jī)制。首先由網(wǎng)關(guān)向該單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有用戶終端發(fā)送廣播信息,當(dāng)用戶終端收到來(lái)自網(wǎng)關(guān)的信息則將數(shù)據(jù)傳回給網(wǎng)關(guān),同時(shí)在數(shù)據(jù)包內(nèi)添加應(yīng)答信息,使網(wǎng)關(guān)能確認(rèn)該節(jié)點(diǎn)處于良好的工作狀態(tài)。如果該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)要傳回給網(wǎng)關(guān),它要發(fā)送確認(rèn)信息至網(wǎng)關(guān),確認(rèn)其通信的良好狀態(tài)。在一個(gè)數(shù)據(jù)周期內(nèi)未被查詢(xún)到的用戶終端,將在下一數(shù)據(jù)周期以同樣的方式被網(wǎng)關(guān)查詢(xún)[11]。此方法受信道狀況等因素的影響,在下一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)以同樣的方式查詢(xún)到故障節(jié)點(diǎn)存在很大的不確定性,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作效率低下,影響系統(tǒng)的可靠性。
人工蛛網(wǎng)組網(wǎng)過(guò)程如下:
(1)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)廣播,在收到該廣播的 m(1<m≤n=個(gè)節(jié)點(diǎn)中,由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選擇其中一個(gè)可靠通信的用戶終端節(jié)點(diǎn)為第一個(gè)蛛網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)h,由節(jié)點(diǎn)h對(duì)其所在子網(wǎng)的m-1個(gè)節(jié)點(diǎn)分配邏輯ID,直到所有節(jié)點(diǎn)均獲得邏輯ID為止。
(2)第一個(gè)人工蛛網(wǎng)組網(wǎng)完成后,網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)h發(fā)送指令,由節(jié)點(diǎn)h發(fā)送組網(wǎng)廣播。設(shè)有k(m<k≤n=個(gè)節(jié)點(diǎn)收到節(jié)點(diǎn)h的廣播,剔除掉已經(jīng)獲得邏輯ID的g個(gè)節(jié)點(diǎn),在剩下的k-g個(gè)節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)與節(jié)點(diǎn)h可靠通信的終端節(jié)點(diǎn)為第二個(gè)人工蛛網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn) l,重復(fù)步驟(1),直到所有 k-g-1個(gè)節(jié)點(diǎn)均獲得邏輯ID。
(3)網(wǎng)關(guān)以節(jié)點(diǎn)h為中繼向節(jié)點(diǎn)l發(fā)送指令,由節(jié)點(diǎn) l發(fā)送組網(wǎng)廣播,重復(fù)步驟(1),假設(shè)第二個(gè)蛛網(wǎng)已經(jīng)將剩下的所有n-m個(gè)節(jié)點(diǎn)連通。此時(shí)節(jié)點(diǎn)l會(huì)得到空響應(yīng),并把該響應(yīng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)h傳回網(wǎng)關(guān)。至此,組網(wǎng)結(jié)束。形成了以節(jié)點(diǎn)h為中繼節(jié)點(diǎn)的 m-1邊蛛網(wǎng)邏輯通信拓?fù)浜鸵怨?jié)點(diǎn) l為中心的n-m-1邊蛛網(wǎng)邏輯通信拓?fù)洌@樣就建立了網(wǎng)關(guān)到該單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的通信路由。
組網(wǎng)完成后,各中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)該子網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集與狀態(tài)監(jiān)控,并與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。本文規(guī)定某子網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均發(fā)送至該子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間為一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期。假設(shè)某個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi),中心節(jié)點(diǎn)h沒(méi)有收到其子網(wǎng)內(nèi)邏輯ID為2的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息,則節(jié)點(diǎn)h對(duì)該節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由重構(gòu)。如圖3b所示,假設(shè)與節(jié)點(diǎn)2同屬一個(gè)子網(wǎng)且與其相鄰的節(jié)點(diǎn)1,3在節(jié)點(diǎn)2發(fā)生故障后,仍能與中心節(jié)點(diǎn)h保持良好的通信。由于節(jié)點(diǎn)1,3與節(jié)點(diǎn)2物理上的相鄰性,它們之間由距離產(chǎn)生的信號(hào)衰減會(huì)比較小,節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)1,3仍能保持通信。故節(jié)點(diǎn)2轉(zhuǎn)而以節(jié)點(diǎn)1,節(jié)點(diǎn)3,或者節(jié)點(diǎn)1,3同時(shí)為中繼節(jié)點(diǎn),與中心節(jié)點(diǎn)h重新取得通信,傳輸其數(shù)據(jù)信息,這樣提高了子網(wǎng)內(nèi)通信的成功率。
對(duì)于其他子網(wǎng)內(nèi)的故障節(jié)點(diǎn),網(wǎng)關(guān)通過(guò)節(jié)點(diǎn)h向其他子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送重路由指令。在各子網(wǎng)內(nèi)重復(fù)上述過(guò)程,直到所有子網(wǎng)的故障節(jié)點(diǎn)均能正常通信為止。此種方法理論上能達(dá)到100%的數(shù)據(jù)收集率,且避免對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新組網(wǎng),提高了通信效率。
在本文中,不考慮用戶終端節(jié)點(diǎn)的物理故障。假設(shè)在信道環(huán)境良好的情況下,每個(gè)用戶終端均工作良好,只有信道環(huán)境的改變,導(dǎo)致用戶終端節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的改變。因此,可以應(yīng)用兩狀態(tài)馬爾科夫模型來(lái)表征由于信道環(huán)境改變?cè)斐傻挠脩艚K端節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)的變化情況[12]。如圖4所示,“良好”、“故障”表示用戶終端節(jié)點(diǎn)的兩種工作狀態(tài)?!傲己谩贝斫K端節(jié)點(diǎn)可以與其所在子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)直接通信,“故障”代表終端節(jié)點(diǎn)不能與其所在的子網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)通信。本文假設(shè),在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi),節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)是不變的。在一個(gè)采集周期結(jié)束后,由于信道狀況的改變,“良好”、“故障”兩種狀態(tài)才發(fā)生轉(zhuǎn)移。Pg和Pb分別定義為節(jié)點(diǎn)在一定信道狀況下處于“良好”和“故障”狀態(tài)的概率,Pgg和Pgb分別定義為一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期后,“良好”狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)仍處于“良好”狀態(tài)和變成“故障”狀態(tài)的概率,Pbb和 Pbg也是類(lèi)似的定義。式(1)~式(4)為狀態(tài)變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
圖4 兩狀態(tài)馬爾科夫模型Fig.4 Two-state Markov model
由于 PLC物理拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)限制以及本文在某單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個(gè)蛛網(wǎng)子網(wǎng)的存在,合理的信道使用時(shí)序是非常必要的,否則會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的性能。所以要對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)特性進(jìn)行詳細(xì)分析?;?Konnex標(biāo)準(zhǔn)[13],窄帶電力線通信速率為 2.4kbit/s,指令數(shù)據(jù)大小為1~15bit,相應(yīng)的數(shù)據(jù)包大小在25bit以?xún)?nèi)。為了簡(jiǎn)便計(jì)算,本文取數(shù)據(jù)包大小為24bit。則,數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間ttr可用式(5)表示
式中,Ps為數(shù)據(jù)包大?。籚c為通信速率。
本文假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理延時(shí)為 0.5s,由圖3可知不同的子網(wǎng)有不同的時(shí)間延遲。
(1)與網(wǎng)關(guān)“近”的子網(wǎng)。對(duì)于“近”的子網(wǎng),其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)延包括兩次數(shù)據(jù)傳輸延時(shí),一次數(shù)據(jù)處理延時(shí),最后m個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)延td1可由式(6)表示
如果在一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)某節(jié)點(diǎn)沒(méi)有與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,成為故障節(jié)點(diǎn)。為了確定該節(jié)點(diǎn)的故障狀態(tài),需要等待一段時(shí)間。本文假設(shè)該段時(shí)間為 0.5s,此段時(shí)間后,中心節(jié)點(diǎn)選擇與該故障節(jié)點(diǎn)的鄰近節(jié)點(diǎn)為中繼與之繼續(xù)通信。此時(shí)的時(shí)延td′1需要增加相鄰中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理延時(shí)和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí),則td′1可由式(7)表示
此處假設(shè)故障節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間通信成功率為100%。
(2)與網(wǎng)關(guān)“較近”的子網(wǎng)。“較近”子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息是以“近”子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)為中繼發(fā)送至網(wǎng)關(guān)的。時(shí)延 td2包括“近”子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)和“較近”子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)兩次數(shù)據(jù)處理延時(shí),它們之間的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)以及以通過(guò)“近”子網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)傳輸延時(shí),td2由式(8)表示
“較近”子網(wǎng)內(nèi)故障節(jié)點(diǎn)的處理方法與“近”子網(wǎng)的類(lèi)似,在原有基礎(chǔ)上增加一次與其相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間和兩次數(shù)據(jù)傳輸延時(shí),即td′2為
本文假設(shè)兩次組網(wǎng)即包括完成對(duì)該單相網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有用戶終端節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng),若需要更多個(gè)子網(wǎng)的情況下時(shí),延時(shí)算法與上述類(lèi)似。比如,第三個(gè)子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)延時(shí) td3和故障節(jié)點(diǎn)的延時(shí)td′3分別為如式(10)、式(11)所示
式中,x為該子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
本文根據(jù)實(shí)際低壓配電網(wǎng)的配電環(huán)境,在半徑50m范圍內(nèi)設(shè)置15個(gè)用戶終端,以PC機(jī)為仿真硬件平臺(tái),以 Opnet14.5為編譯和仿真環(huán)境。假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)組成兩個(gè)6邊形蛛網(wǎng)。圖5所示為組網(wǎng)完成后的網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),subnet_0代表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),subnet_1_0和subnet_2_0為各自子網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn),信道傳輸速率為2.4bit/s,每個(gè)數(shù)據(jù)包大小為 24bit。本文不考慮組網(wǎng)過(guò)程的耗時(shí),只對(duì)組網(wǎng)完成后故障節(jié)點(diǎn)的蛛網(wǎng)重路由算法的延時(shí)及吞吐量特性進(jìn)行仿真。設(shè)定一個(gè)數(shù)據(jù)采集周期為600s。
圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model
從式(1)~式(4)可以得出:Pg,Pb,Pgg,Pgb,Pbb,Pbg六個(gè)變量中,只有Pg和Pgb為獨(dú)立變量,其他參數(shù)均可由這兩個(gè)參數(shù)來(lái)表達(dá)。因此,分析這兩個(gè)變量來(lái)觀察新型重路由算法的時(shí)間特性和工作效率即可。由式(4)可知 Pgb=(Pb/Pg)Pbg,由于 0<Pbg<1,故 Pgb<Pb/Pg。例如 Pg=0.8,則 0<Pgb<0.25。如果 Pg<0.5,則對(duì) Pgb沒(méi)有限制,為 0至1之間的任意概率值。本文以節(jié)點(diǎn)subnet_1_2為例,表1給出了節(jié)點(diǎn)subnet_1_2的幾種不同Pg值以及與每個(gè) Pg相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)典型的 Pgb值。td為各種狀態(tài)概率條件下,蛛網(wǎng)重路由算法查詢(xún)到節(jié)點(diǎn)subnet_1_2的時(shí)間延時(shí),PT為節(jié)點(diǎn) subnet_1_2與subnet_1_0之間在不同故障概率下的吞吐量,該組數(shù)據(jù)表明,重路由之后的通信狀況是穩(wěn)定的。表中各數(shù)據(jù)均由仿真結(jié)果得到,仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6a為60min的仿真時(shí)間內(nèi),節(jié)點(diǎn)subnet_1_2與該子網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)subnet_1_0在9種不同狀態(tài)概率Pg下的延時(shí)仿真結(jié)果。從圖中可以看出,針對(duì)不同的概率,延時(shí)集中在1.08~1.12s之間。當(dāng)故障狀態(tài)概率較高時(shí),延時(shí)仍然變化不大。式(7)的理論計(jì)算值與實(shí)際的仿真結(jié)果基本一致。圖 6b為 60min內(nèi)節(jié)點(diǎn)subnet_1_2與該子網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)subnet_1_0在9種不同狀態(tài)概率Pg下的數(shù)據(jù)吞吐量仿真結(jié)果。最終的吞吐量集中在 1 350~1 450bit/s范圍內(nèi),不隨節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的改變而發(fā)生大范圍的波動(dòng),無(wú)論節(jié)點(diǎn)故障率的大小,節(jié)點(diǎn) subnet_1_2與中心節(jié)點(diǎn)subnet_1_0之間的通信數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的。表明:蛛網(wǎng)重路由算法對(duì)故障節(jié)點(diǎn)的重路由成功率接近100%,與理論分析相符。仿真結(jié)果充分說(shuō)明了蛛網(wǎng)重路由算法的穩(wěn)定性以及此種組網(wǎng)方法的可行性。
表 蛛網(wǎng)重路由算法特性Tab.Characteristics of cobweb route-reconstruction algorithm
圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results
圖6c所示為20min時(shí)刻節(jié)點(diǎn) subnet_1_2出現(xiàn)故障,以subnet_1_3為中繼節(jié)點(diǎn),重路由前后這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流量仿真結(jié)果。從圖中可以看出,由于節(jié)點(diǎn)subnet_1_3要承擔(dān)來(lái)自subnet_1_2的數(shù)據(jù),故它們之間的流量明顯升高;圖 6d所示為重路由前后subnet_1_3與中心節(jié)點(diǎn)subnet_1_0之間的數(shù)據(jù)流量仿真結(jié)果。同樣的,由于節(jié)點(diǎn)subnet_1_2的數(shù)據(jù)使該段路徑的數(shù)據(jù)流量顯著增加,以滿足subnet_1_2與中心節(jié)點(diǎn)subnet_1_0之間的通信需求。仿真結(jié)果與理論分析完全一致,證明了此方法的可行性且具有實(shí)際應(yīng)用的參考價(jià)值。
(1)本文建立了低壓配電網(wǎng)絡(luò)MAC層的邏輯蛛網(wǎng)拓?fù)?,?shí)現(xiàn)了PLC系統(tǒng)的自動(dòng)路由,在一定程度上提高了PLC的通信可靠性。
(2)延時(shí)特性的仿真,驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。同時(shí),延時(shí)時(shí)間較短且穩(wěn)定,證明了蛛網(wǎng)拓?fù)鋺?yīng)用于電力線通信組網(wǎng)的可行性與新型重路由算法在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的穩(wěn)健性。由于該種方法的實(shí)現(xiàn)位于 MAC層,受物理層限制較小,具有一定的通用性。
(3)吞吐量的仿真結(jié)果證明新的組網(wǎng)算法及重路由算法在解決故障節(jié)點(diǎn)問(wèn)題的成功率接近100%。節(jié)點(diǎn)之間出現(xiàn)通信故障后,只需在子網(wǎng)局部進(jìn)行路由重構(gòu)即可,提高了網(wǎng)絡(luò)的通信效率。
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