面向低压电力线通信的LOADng路由优化方案研究

硕 士 专 业 学 位 论 文面向低压电力线通信的LOADng路由优化方案研究专业类别（领域）：电子与通信工程 面向低压电力线通信的LOADng路由优化方案研究摘要低压电力线通信（Low Voltage Power Line Communication, LVPLC）技术利用分布广泛的电力线网络，在传送电力的基础上，传输数据、语音等信息，具有不需要重新布线、施工成本低等特点，广泛适用在电力线载波自动抄表、路灯管控系统、智能建筑等系统。然而，由于低压电力线网络物理拓扑复杂，信道噪声干扰强烈、物理介质多样，导致其点对点有效通信距离和通信可靠性不足，限制了其进一步推广应用。互联网工程任务组设计的下一代轻量级按需自组织距离矢量路由（Lightweight On-demand Ad hoc Distance vector- next generation，LOADng），被ITU-T G.9903采纳为G3-PLC的标准路由，以满足低压电力线通信网络规模扩展的需求。然而LOADng最初是为无线移动网络研究提出，没有考虑低压电力线通信环境的特殊性。本文从提高LOADng路由效率和稳定性的角度，依据低压电力线通信环境的特点，研究在此环境下LOADng路由协议的优化方案。本文首先概述了LVPLC总体发展历程，以及国内外在LVPLC和LOADng协议的研究成果及现状,分析协议优化方向。之后对LVPLC信道特性、网络物理拓扑特点进行研究，分析其通信过程出现不可靠的原因，总结LVPLC网络中路由的特点及要求，为研究LOADng路由在LVPLC通信环境的优化方案奠定基础。然后，从路由发现、路由维护等方面介绍LOADng路由协议，以此提出LOADng设计和实现方案，为后续的优化方案做铺垫。针对LVPLC信道噪声强烈、信道特性随时间变化大等导致网络中通信链路断裂，而经常启动路由发现的问题，结合LOADng 路由发现过程提出智能路由发现和扩展环搜索方案，提高路由发现的效率，以避免盲目转发路由请求引起网络洪范。接着，针对LVPLC网络物理拓扑多呈现为树形和星型，以及业务数据流向多为多点到单点特性，在上述优化方案的基础上提出LOADng汇聚树（LOADng-Collection Tree，LOADng-CTP）优化方案，以提高路由效率和稳定性，并综合分析优化后路由协议的复杂性、安全性以及与其他可扩展模块的互操作性。最后，利用Contiki/Cooja仿真软件，以远程抄表系统的业务流量模式为例，搭建低压电力线网络仿真环境,设计特定的网络拓扑,信道误码率以及业务流量模式，对LOADng协议优化前后的表现作定量分析与比较。分析仿真实验的数据，得到优化后的LOADng-CTP，路由效率高、通信时延较低、数据包投递成功率较高，较原协议效率高、可靠性强，应用前景十分广阔、市场经济价值巨大。关键词：低压电力线通信，LOADng优化方案，LOADng-CTPAbstract Low-voltage power line communication technology uses widely distributed power line networks to transmit data, voice, and other information on the basis of transmission power. It has the characteristics of no need for rewiring and low construction cost, and is widely used in power line carrier automatic meter reading and street lamp control systems. Intelligent buildings and other systems. However, due to the complex physical topology of the low-voltage power line network, strong channel noise interference and various physical media, the point-to-point effective communication distance and communication reliability are insufficient, which limits its further application.Lightweight On-demand Ad hoc Distance vector- next generation (LOADng), designed by the Internet Engineering Task Force, was adopted as a G3-PLC standard route by ITU-T G.9903. In order to meet the needs of the scale expansion of low-voltage power line communication networks. However, LOADng was originally proposed for wireless mobile network research and did not consider the special characteristics of the low-voltage power line communication environment. This article from the perspective of improving the efficiency and stability of LOADng routing, according to the characteristics of low-voltage power line communication environment, to study the optimization of LOADng routing protocol in this environment.This article first summarizes the overall development history of LVPLC, and the research results and status quo of LVPLC and LOADng protocol at home and abroad, and analyzes the direction of protocol optimization. After that, the LVPLC channel characteristics and network physical topology characteristics are studied, and the reasons for the unreliability of the communication process are analyzed. The characteristics and requirements of the routing in the LVPLC network are summarized, which lays the foundation for studying the LOADng routing optimization scheme in the LVPLC communication environment.Then, the LOADng routing protocol is introduced from the aspects of route discovery, route maintenance, etc., to propose a LOADng design and implementation scheme, which will pave the way for the subsequent optimization. For the LVPLC channel noise is strong, the channel characteristics change with time, resulting in the communication link breaks in the network, and often start the route discovery problem, combined with LOADng route discovery process to propose intelligent route discovery and expansion ring search program, improve the efficiency of route discovery, In order to avoid blindly forwarding routing requests, it causes network flooding.Then, for the LVPLC network, the physical topology is mostly presented as a tree and a star, and the service data flow is mostly multi-point to single-point. Based on the above optimization scheme, the LOADng-Collection Tree (LOADng-CTP) is proposed. Optimize the solution to improve the routing efficiency and stability, and comprehensively analyze the complexity, security, and interoperability with other scalable modules of the optimized routing protocol.Finally, using the Contiki/Cooja simulation software, taking the business flow model of the remote meter reading system as an example, a low-voltage power line network simulation environment is set up to design specific network topologies, channel bit error rates, and service traffic patterns, and the performance of the LOADng protocol before and after optimization is optimized. For quantitative analysis and comparison. The data of simulation experiments are studied. The optimized LOADng-CTP has high routing efficiency, low communication delay, and high success rate of data packet delivery. It is more efficient and reliable than the original protocol, and has a wide application prospect and market economic value is huge. Key Words：LVPLC，LOADng Optimization ,LOADng-CTP目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 电力线通信技术研究现状及分析21.2.1 总体研究现状与分析21.2.2 标准研究现状与分析41.2.3 LOADng路由协议现状及分析51.3 本文的工作与章节安排6第二章 低压电力线通信路由技术基础82.1 低压电力通信网络结构分析82.1.1 低压电力线通信网络物理拓扑82.1.2 低压电力线通信网络结构特点92.2 低压电力线通信信道特性分析102.2.1 输入阻抗102.2.2 噪声干扰112.2.3 信号衰减122.3 低压电力线路由特性分析132.4 低压电力线路由方式比较分析142.5本章小结16第三章 面向LVPLC组网优化方案173.1 LOADng路由协议介绍173.1.1 LOADng路由过程173.1.2 LOADng路由特点193.2 LOADng路由设计与实现193.2.1 LOADng数据格式设计193.2.2 LOADng路由处理设计与实现223.3 面向LVPLC组网优化方案233.3.1 智能RREQ设计方案243.3.2 智能RREQ实现方法及分析253.3.3 扩展环搜索设计方案253.3.4 扩展环搜索实现及分析273.4 本章小结27第四章 面向LVPLC数据传输优化方案284.1 LOADng汇聚树设计方案284.1.1 LOADng汇聚树相关路由消息284.1.2 LOADng汇聚树相关路由参数294.2 LOADng汇聚树构建流程294.2.1 触发汇聚树建立294.2.2 双向邻居发现304.2.3 上行汇聚树建立314.2.4 下行汇聚树建立324.3 LOADng汇聚树维护344.4 LOADng优化方案设计分析354.4.1 LOADng优化方案互操作性分析354.4.2 LOADng优化方案复杂性分析364.4.3 LOADng优化方案安全性分析384.5本章小结40第五章 优化方案仿真实验及结果分析415.1 仿真工具介绍415.2 仿真环境搭建和参数设置435.2.1 仿真环境搭建435.2.2 仿真参数设置465.3 仿真实验设计及结果分析485.3.1 组网结构分析495.3.2 端到端时延分析505.3.3 数据包投递率分析525.3.4 路由开销分析545.4本章小结55第六章 总结与展望566.1 全文总结566.2 下一步展望56参考文献58致谢62V第一章 绪论1.1 研究背景和意义电力线载波通信是指将电力线当作通信媒介从而传输数据的一种通信手段。以已经建设完备的低压电力线网络作为通信介质，可以充分使用低压电力线基建网络，不用其他投入，而且具备覆盖范围大等特点。在智能家居、楼宇自动化、远程抄表等领域使用低压电力线载波通信技术，能够实现信息传输一体化的目标，加速物联网在全球范围内的发展1。除此之外，LVPLC可以实时监测和调配电网，能够用来提高电力公司服务质量，使电力用户管理更加智能化，是建设智能电网的不可或缺的技术之一。依据国家电网的规划，“十三五”期间智能电网技术将得到全面快速发展。低压电力线载波通信技术作为现有电网中信息交互的一种重要方式，将在智能电网、智能建筑的建设中具有广阔应用前景2。然而，电力线网络设计的最初目标是为电力用户提供电能需求，而不是为了传输数据信息。故在低压电力线网络实现载波通信，将面临诸多难题：如复杂多变的网络结构、低压配电网种类繁多的负载，以及大量用电设备启动关闭、运行带来的剧烈噪声，信号选择性衰减3等。此类问题导致通信时常中断，使得LVPLC网络的覆盖面积减小、鲁棒性不强，限制了其适用的范围，影响了该技术的大规模推广。近年来，国内外研究人员针对物理层对电力线信道特性、噪声干扰、信道编码、信号调制方式、建立信道模型等展开深入研究，以期增强电力线通信系统的可靠性4。随着对物理层研究的推进，以及FSK、PSK、OFDM等调制技术逐渐发展完善，物理层单点之间通信的成功率得到了很大的提高。但是对于LVPLC通信网络来说，提高单点之间通信的成功率，仅是保障通信稳定的第一步，还需要针对提高通信网络可靠性和稳定性做大量工作。在网络结构复杂多变，噪声强烈，信道特性易变的环境下，设计合适的路由协议是高效稳定通信网络的重要组成部分。在现有的电力载波标准路由协议中，LOADng作为G3-PLC标准推荐使用的路由方案5，已经由多个公司和团队分别进行了现场测试，并成功应用于大量的智能抄表系统，为LVPLC技术发展奠定良好基础。由于低压电力线与移动自组织无线网络的通信，都具有随机接入性、拓扑易变、多跳传输等特点，故最初是为后者设计的LOADng，能够在LVPLC环境中表现其较好的性能。但是LVPLC环境中的信道特性、网络拓扑结构等方面和移动无线网络有明显差异，需要依据LVPLC具体通信环境，对LOADng提出合适的优化方案，使其更适应于低压电力线载波通信环境。本文旨在根据电力线通信环境的信道特性和网络拓扑特点，分析归纳LVPLC环境下对路由的一般特性和要求；分析借鉴已有的多种动态组网路由算法，在继承LOADng路由协议经典原理和方法的基础上，从提高网络可靠性和路由效率的角度，提出更适用于LVPLC环境的LOADng-CTP路由优化方案，并对其进行分析和验证，为推进LVPLC技术大范围应用与电网信息化建设提供参考与借鉴。1.2 电力线通信技术研究现状及分析本节首先整体分析电力线载波通信技术的研究现状，以说明在网络层研究路由算法的重要性和相关理论基础；之后侧重分析电力线通信标准的路由发展情况，找到现有的应用前景最广阔的标准路由协议，作为文章主要优化对象；最后分析LOADng路由协议的研究现状，为优化方案选取的具体方向。1.2.1 总体研究现状与分析20 世纪 20 年代，电力线通信技术首先诞生于高压远距离传输，其载波信号频率低于150Hz6。20 世纪中叶，低频高压的电力线通信已成功应用在保护电力设施、传输语音等方面7。近年来，电力线载波通信随着智能电网的迅速发展再次作为学者们研究重点，并被看作是实现智能电网必不可少的重要技术8之一。电力线通信的分类标准有很多，根据不同的标准可以将电力线通信划分不同类别9，如下表1-1所示：表1-1 电力线载波通信分类以载波信号所占频带分类窄带电力线通信（NB-PLC）低于2MHz宽带电力线通信（BB-PLC）2-30MHz以电力线的电压等级分类低压电力线通信（LVPLC）低于十千伏中压电力线通信十千伏到三十千伏高压电力线通信三十五千伏以上由于BB-PLC与无线通信相互干扰的问题更加突出10，而LVPLC网络相较于中/高压电力线网络覆盖的用户较多，作为推进电网信息化的重要技术，得到广泛关注与研究，故本文侧重研究低压电力线通信中的NB-PLC。因为电压电力线网络设计架设的最初目标是为电力用户提供电能，故其网络中存在电力线介质种类复杂、噪声干扰异常强烈、负载多变、拓扑结构多变等问题，导致通信时常出现失效，降低了网络的可靠性，影响其发展应用。在电力线载波通信的发展过程中，国内外的诸多学者针对LVPLC做了大量的工作，并取得了显著成效。学者们在解决电力线载波通信可靠性问题方面所做的尝试，如图1-1所示，这些工作主要可以分为两大方面：一方面，在数据链路层和物理层研究分析提高单点通信的成功率的方法，该部分的研究有：信道的噪声特性研究11，建立信道模型分析干扰12，研究OFDM技术 13，设计阻抗匹配的耦合电路14，研究跳频与扩频技术15，探究信号编码方式16，信道传递函数的研究17，通信可靠性高的载波芯片研发18等；另一方面，在网络层研究分析提高LVPLC网络通信稳定性的路由方案。该方面的研究以第一方面的工作为基础，考虑LVPLC信道实时性，重点研究分析LVPLC网络中路由的问题，用自组织动态网络来提高通信可靠性，已成为主要研究方向。迄今为止，针对LVPLC网络层组网路由已有大量的研究工作。Sivaneasan19以树形拓扑以及放射型的LVPLC网络拓扑作为实例，研究简单分簇方法和相邻中继查询两种算法。在网络流量较大，且有噪声干扰的情况下，对比它们在端到端时延等。分析了两种路由算法在脉冲干扰状态时通信延时和吞吐量方面的性能。Gunawan20以LVPLC的远程抄表系统为例，提出了一种新型数据包路由协议。该协议使用数据包中经过的中继级数对网络进行分层，中继节点记录分析终端之间的包投递率作为每条通信链路的路由代价，并将此作为选取最优路径的依据，通过仿真证实此路由方案是可行有效的。但该路由方案需要在组网开始之前，使终端都与中继节点进行通信，而这在实际施工中难以实现。此外在组网过程中终端与中继节点之间需要保持通信，增加了组网的路由开销。Lee21针对融合LVPLC和无线通信的通信网络，设计了一种多跳传输的路由方案。该方案以具有无线和电力线进行数据传输的设备为基础，同时采用无线和电力线载波两种通信手段，提高了网络通信的稳定性。然而该方案中具有两种通信方式的中继要求高、设备价格也高，并且对其过度依赖。 张良等22提出了单层蛛网的分层动态路由算法，理论分析与仿真表明，该算法能够提高LVPLC网络的可靠性，但是作为蛛网中心节点承担了网络过多的重要功能，没有考虑其失效后对整个网络的影响。胥小波等23为解决LOAD（6LoWPAN Ad HocOn-Demand Distance Vector Routing）协议在路由发现过程中的不足,在充分利用节点间邻居覆盖消息的基础上，设计了一种动态计算重播时延机制，联合邻居覆盖消息和路由代价动态分析得到重播概率来决定是否重新广播路由发现消息。经过仿真验证该算法能有效降低启动路由发现的频率, 但在实际LVPLC网络中，节点间距离不易测量这一现实问题将导致该算法难以应用推广。向敏等24在树形LVPLC网络拓扑的基础上，设计一种以IPv6为基础的路由机制，该方案以IPv6分布式地址分配策略来构建层次网络转发树模型。理论和测试说明，该方案以较小的时延成功地对消息进行多跳转发，增加了LVPLC网络的通信距离。但是该方案组网过程较为复杂，对设备要求较高。杨挺等25提出了一种基于极小连通支配集的电力线载波路由算法。该路由方案先以LVPLC信道特性为切入点，将误码率作为路由代价；接着以信号噪声功率比作为权重建立加权的网络模型；最后借鉴图论中极小连通支配集对网络通信的可靠性进行优化。仿真实验验证，该算法比现有的分簇方案有较高的网络传输速率。但是该算法要求中继节点具备收集信息，数据融合功能，对设备要求较高，影响该算法的推广与大规模应用。徐东明等26针对LVPLC网络拓扑随时间动态变化的特点,提出了一种双种群遗传蚁群算法。该路由算法充分使用了双种群的快速适应性和独立并行搜索能力，增加全局最优解的搜索区间，能够在不断变化的区间内找到全局最优。仿真测试结果验证了算法能够适应网络拓扑不断变化的LVPLC网络，但是网络中路径较为单一，鲁棒性不高。根据上述分析，由于LVPLC 网络与移动自组织网络在逻辑拓扑动态变化、信道资源共享、数据包多跳传输等方面都比较类似，故目前的LVPLC路由方案大多是将无线网络中广泛应用的算法，经过优化应用于LVPLC通信环境，以提高PLC网络通信可靠性。借鉴分析现有LVPLC路由算法的优缺点，面向LVPLC特殊的通信环境对一种应用前景广泛的路由协议进行分析、研究特定优化方案，使LVPLC通信网络更加可靠与高效，为日后的大规模应用及LVPLC路由的理论研究提供一些参考价值。1.2.2 标准研究现状与分析电力线通信经过数十年的发展完善，在从理论到实际应用过程的过程中，有关通信标准和协议在不断完善。在二十世纪九十年代，出现了许多支持电力线应用的总线型协议，如 X-10、LonWorks、CEBus、EIB、KNX 等。X-10 27协议在1979 年诞生，被认为是国际上第一个的电力线技术规范，但该协议抗干扰性弱，而且支持的数据速率低。LonWorks使用Lontalk 协议作为控制指令与数据消息交换的标准28,芯片价格昂贵。CEBus29与KNX30能够兼容电力线在内的数种通信媒介，但是其相关规范和接口定义过于复杂，而且协议授权费用不菲。分析上述协议，都是由欧美引导推出，协议授权费用高；除此之外，因为兼容数种通信媒介，导致规范复杂，制约了在国内的使用与推广31。近年来，随着物联网与电网信息化的高速发展，以及正交频分复用与前向纠错技术在LVPLC中的使用逐渐成熟，提出了大量的通信标准，如以下所述：G.hn32为兼容包括电力线在内的多种传输介质，定义了不同的物理层(PHY)和媒介访问控制层(MAC)规范，实现在多种介质上传输数据的目标。Home Plug AV33是新一代传输语音、视频等数据流的电力线技术标准，该协议定义了MAC层以及物理层相关规范。IEEE推行基于OFDM的NB-PLC的标准化工作，并于2010年启动IEEE Communications Society发起IEEE 1901.2项目。IEEE 1901.234标准基于G3-PLC，仅指定PHY层和MAC层。因此，身份验证和路由都没有定义。IEEE 1901.2的强制性条款中包含一个NB-PLC共存机制，允许不可互操作的NB-PLC技术共享相同的频段。根据上述分析，Home Plug AV、G.hn、IEEE 1901.2协议仅指定PHY层和MAC层35，没有定义相关路由协议。PRIME标准36以 IEEE802.16 为基础，规定了PHY层使用正交频分复用技术、MAC的核心功能、汇聚层采用分簇算法路由。G3-PLC标准37以IEEE802.15.4为基础，规范要求使用OFDM的PHY层，802.15.4核心功能的MAC层，以LOADng为路由协议的网络层以及传输层和应用层。ITU-T G.hnem38将ITU的相关标准作为其MAC层、PHY标准规范，目标是在上述两种标准的基础上，设计NB-PLC统一的标准。参考相关文献，G3-PLC的通信架构比PRIME更完善，且通信鲁棒性较后者更强39。G.hnem标准的复杂度高，现阶段应用较少40。在国内，电力科学研究院与1997年才开始研究LVPLC41，与欧美相比，我国的LVPLC研究工作开展较晚。东软载波、南京新联电子、江苏林洋电子、瑞斯康微电子等公司都是以自己的芯片为基础设计通信协议，没有组成公开组织发布公开的LVPLC标准42。根据上述分析，G3-PLC标准不仅规范了高效可靠的路由协议，而且其通信鲁棒性较好，标准结构完善而不复杂，广泛应用于电网信息化建设，以及大量LVPLC通信系统中。故对G3-PLC的标准路由LOADng进行优化具有广阔应用前景。1.2.3 LOADng路由协议现状及分析LOADng作为G3-PLC的标准路由协议，已得到较为广泛的应用，但是LOADng最初为无线传感器网络设计，为了使LOADng提供高效稳定的路由，有大量学者和机构做了相关工作，有代表性的工作有：Ahmed A43等分析比较了LCSM ，LOADng， LOADng-CTP 和 AODV四种路由协议在电力线自动抄表应用下的表现，其中LCSM和LOADng-CTP在路由开销和数据包投递成功率的表现较其它两种协议要好很多。该研究表明LOADng-CTP在MP2P应用场景中效率更高、稳定性更好。J Yi等44对智能RREQ机制进行了深入分析和研究，在没有增加处理复杂度或额外信令的条件下，提供了中间路由处理RREQ优化方案，研究表明，使用智能RREQ可以有效地减少来自路由请求的控制流量开销。这改进机制适用于MP2P的数据传输环境。A. Bas等45将扩大环搜索集成到LOADng中。描述了该机制，并给出了仿真研究的结果，表明在“点到点（P2P）”业务情况下以及在“多点到点(MP2P)”情况下可以实现控制流量开销的显着节省，而不会损失数据传送比率。但是路由开销的减少是以增加路由发现延迟为代价的，特别是在网络中目的地稀疏且随机分布的情况下。Trimpont F V47等对G3-PLC标准增加的使用弱链接计数机制进行了深入分析和研究。研究表明在网络状态良好的情况下，弱链接计数机制能很好的提升路由的有效性；但在网络状况恶劣的情况下，有效性并没有典型的LOADng高。CHALLITA Frederic48等对三种不同的路由度量标准，LOADng默认的复合度量标准，对LOADng参数配置后的路由度量标准，基于容量的路由度量标准进行分析和比较，发现基于容量的路由度量标准在路由成功率和路由消耗时间有很大提升，第二种路由度量标准有一定程度提升。但是第三种路由度量标准并不适用于LOADng，而其标准的特征可以为LOADng路由度量标准的参数配置提供参考。根据上述对电力线载波通信整体研究现状、相关标准、LOADng路由的研究与分析，可以认识到面向LVPLC通信环境特性，结合LOADng路由协议的特点，研究更稳定高效的路由优化方案，是学者们的研究热点，也可以为LVPLC在智能电网、智能楼宇、远程自动抄表等系统中大规模应用提供理论参考。1.3 本文的工作与章节安排本文以LOADng路由协议为研究对象，针对LOADng在电力线通信环境下存在可靠性和路由效率较低的问题，依据我国低压电力线载波通信环境的特性设计稳定高效的优化方案。各章节部分工作安排如下：第一章为绪论，主要描述文章的研究意义和相关研究背景，从总体上分析LVPLC的研究现状，得到现阶段路由协议研究的重要意义；之后分析电力线通信标准的研究现状，得到对G3-PLC的研究具有广阔应用前景；最后对G3-PLC的标准路由协议LOADng研究现状分析，为其优化方案的奠定理论基础。第二章分析低压电力线通信路由技术基础，研究低压电力线通信信道特性以及网络拓扑结构，以此分析LVPLC网络对路由特殊性要求，为LOADng路由优化方向做铺垫。第三章详细介绍LOADng路由协议、包括组网和维护过程，详细分析其实现方案，并面向LVPLC的路由特性设计组网优化方案，包括智能RREQ和扩展环搜索的设计思路与实现方案。第四章分析面向LVPLC数据传输的优化方案，详细分析了LOADng汇聚树的设计思路、构建流程以及汇聚树的维护，并综合分析这些优化拓展模块之间的相互协调性、路由算法的复杂度和安全方面的内容。第五章利用Cooja仿真平台，以低压电力线自动抄表系统的数据流量以及网络拓扑为模型，搭建多节点的网络通信系统仿真。对LOADng、优化后的LOADng-CTP分别进行仿真程序设计，并从多个方面对协议优化前后的性能做定量分析。第六章总结与展望，对所做的工作进行总结，并以LOADng-CTP现有的性能指标，分析现有优化方案的不足，与此同时对后续研究方向进行展望。7第二章 低压电力线通信路由技术基础在电力线载波通信网络，建立网络中继是扩大LVPLC网络通信范围，提高通信可靠性的重要途径。在这方面，现阶段国内外学者的研究重点是组网路由算法的设计和改进。本章将深入研究低压电力线网络拓扑结构特征、信道特性，以分析LVPLC路由特性，为LOADng路由优化方案做铺垫。2.1 低压电力通信网络结构分析由于电力线施工部署各异、电器设备随机分布，导致LVPLC的网络拓扑结构千变万化，十分复杂。本节将深入分析其物理拓扑结构，总结归纳其结构特点。2.1.1 低压电力线通信网络物理拓扑根据文献49分析，国内的低压供配电网络三相四线制，如果信号跨越不同的相线进行传输，将会造成非常大的损耗，故本文在研究LOADng路由协议的优化方案时，以单相电力线网络为研究目标。其通信网络的物理结构如下图2-1所示：图2-1 低压电力线通信物理拓扑在通常情形下，LVPLC通信系统通过系统中的基站将数据上传到服务器，其通信方式可以采用无线射频模块接入电信骨干网，或者通过变压器初级线圈侧使用中高压电力载波通信模块接入中高压传输网络。在这两种情况下，LVPLC网络中的信号需通过变压器次级线圈附近的基站进行适当的转换，才能传输到云端。基站的功能是将LVPLC网络连接到骨干网络。一般情况下，基站对所辖范围内的终端节点进行管理、监测与控制，包括云端指令的解析与下发、系统远程升级、数据网络数据上传以及建立路由和运行维护等。一般安装在变压器单元的次级线圈旁，以便更好地管理网络。终端的功能依据LVPLC系统的应用场景略有不同，例如在自动抄表系统中，终端负责检测用电情况以及电网运行状态，并将数据上传到基站，但其最重要的功能是完成与基站之间的数据通信。除此之外，在某些终端超出了与基站的通信距离时，起到路由转发的中继功能，以扩展网络的规模。PLC调制解调器用于实现电力线载波信号的调制解调、以及编码功能，将信号安全可靠地耦合到电力线上，实现终端与LVPLC信道的连接。2.1.2 低压电力线通信网络结构特点LVPLC网络在现实情况下可以当作是由总线型、树状、星型等构成的混合网络，但是该网络结构复杂不易分析。为了开展优化方案的研究，且保障路由优化方案具有普遍性和针对性，本文分析文献50的研究成果，总结了符合多数低压电力线通信环境网络拓扑：总线型与树型综合的结构，如图2-2所示：图2-2 总线型和树型LVPLC网络拓扑结构在树型拓扑的底层终端可能存在于基站距离太远，超出有效通信范围，此时需要使用中继技术。在终端启用中继功能后，通信网络可以分割为多个通信子网，子网中的终端需要经过中继转发才能与基站进行数据交换。因此中继提供稳定可靠的路由，直接影响网络的稳定性和可靠性。文章研究优化方案将以图2-2所示的总线型和树型网络结构为目标，在不改动其物理连接结构的基础上，在网络层对LOADng路由协议进行优化，提高LVPLC网络路由的效率和稳定性。因为LOADng路由协议的实现是在网络层完成的，所以可以不改动之前分析的物理结构，故以便更好地对LOADng进行优化，将物理结构的网络投影到逻辑网络。由图2-1所示，LVPLC网络与云端服务器的连接是通过基站完成的，不管LVPLC的网络结构或者基站位置怎么变化，各个终端依然由基站与服务器端进行数据交互。故在典型的LVPLC通信系统中，有以下两种业务流量的传输方向：1）上行流量，由终端发送到基站；2）下行流量，由基站发送到终端。终端发送的上行业务数据，可以被基站和其他终端收到。基站发送的下行控制数据将传输到所有的终端。因此，在网络层上分析，LVPLC通信系统可以看作为逻辑总线网络，如图2-2所示。在该网络中，多个终端与基站进行通信，而基站作为该网络的核心，不仅与各个终端通信还要与服务器端进行通信。将逻辑总线结构用到树形物理拓扑结构的网络层分析中，更便于对使用中继技术的LVPLC通信系统进行分析，为后续的优化方案研究提供基础。2.2 低压电力线通信信道特性分析在LVPLC通信网络中，将电力线作为传输信号的通信介质，具有覆盖用户范围广、施工方便等优点。但是国内低压电力线网络建设的目标为广大电力用户提供电能，而不是以传输数据为目的。因此低压电力线信道存在大量不利于数据传输的特性，本小节将重点分析LVPLC的信道特性。2.2.1 输入阻抗输入阻抗是体现LVPLC网络传输特性的一个关键因素。LVPLC通信系统的原理图如下图2-1所示。通信设备的模拟前端是功率放大器和带通信号滤波器，信号滤波器的负载阻抗在通常情况下设计为75；变压器用以阻抗转换，将通信端的阻抗转换为电力线端的阻抗（一般为400，但是会随电力线负载等变化），高通滤波器起到耦合信号的作用，电容C为耐高压的安规电容；右边表示为阻容性负载。分析图2-3得知，电力线端的阻抗由网络中负载阻抗、电力线阻抗以及变压器阻抗三部分构成。图2-3 低压电力线载波通信的基本模型在较为理想的条件下，电力线上没有接入用电设备，是线，输入阻抗在电力线分布电容和电感的影响下，随着频率增加的趋势相反；但是在现实情况下，电力线用户接入电器设备的数量众多，而且接入设备的种类、位置和时机都是随机的，感性电机启停，以及容性功率因素补偿电容加入和退出，使负载阻抗呈现剧烈地随机性，导致电力线端的阻抗随频率变化的特性变得不可预测。因此，在设计LVPLC通信模块时，无法保证功放、滤波器的输出阻抗与电力输线端的输入阻抗相匹配，严重影响模块的有效通信范围。2.2.2 噪声干扰LVPLC信道相较于除此之外的有线信道，主要目的是为分布广泛的电力用户提供电能，故将其设计为分支线路与接入点众多的网络，因为半封闭状态的接入点对屏蔽外界的噪声的能力较弱，线路环境恶劣，导致信道容易受到干扰。根据相关文献51，噪声强度在宏观上表现为随频率增加而减弱，在频率较低时强度较大，在频率较高时噪声强度较弱。细致分析电力线噪声，发现有大量的脉冲噪声夹杂其间，并不能通过简单的噪声模型表示或替换。图2-4电力线噪声分类除了常见的白噪声干扰，据文献分析52，LVPLC还存在如下图2-4所示的几种噪声类型：1、背景噪声：其干扰强度较弱，频率增加时，噪声功率降低；由电器设备的干扰混叠而成，时变特性明显。2、窄带噪声：功率谱密度随时间随机变化，干扰源主要是调制的无线广播，与第一类噪声可以划分为平稳随机噪声类。3、随机脉冲噪声：表现为瞬间短时脉冲干扰，经常引起通信中断。干扰源是配送电网中开关切换行为以及雷电等极端天气。4、同步于工频的周期噪声：在国内，噪声频率是50Hz的倍频，强度随频率增加而减弱，在时域表现为短时脉冲。5、异步于工频的周期噪声：该种噪声的频率处在工频频率到200KHz之间，在时域表现为短时脉冲，时变特性明显。有功耗较大的电器周期性启停造成，干扰强度大，易引起通信故障。与第四类噪声可以划分为循环随机噪声类。根据上述分析，LVPLC网络中噪声来源繁复、种类众多而且时变性强，如要建模分析各种环境下的频域特性和时域波形，难度较大，故在设计路由优化方案时要充分考虑链路中断后的路由恢复机制。2.2.3 信号衰减Y.Wang等53研究分析了LVPLC的信号衰减特征和性质，在电力线材质不一、网络结构多变、负载类型各异的情况下，难以建立准确的衰减模型来描述信号衰减特性，但是根据学者们的实验数据可以对其进行宏观上的描述，即LVPLC信号衰减程度随着频率增加而增强。根据分析，造成LVPLC信号衰减的原因有电力线线路造成的衰减以及电器负载引起的衰减。电力线的布局结构、线路距离、载波通信频率这些因素综合影响线路衰减的强弱。除了上述因素外，多径效应引起的衰减值得重点分析。图2-5电力线多径效应由于LVPLC网络中分支节点众多，电器设备随机接入，导致通信信号极易反射、形成驻波，造成多径效应，影响信号正常接收。如上图2-5所示，节点A发送的信号，在C、E和F节点造成短暂时延然后信号反射，导致D节点收到来自N条通信链路的信号，路径数量越多，对原有信号的正常解析干扰越大。电器负载可能与载波信号发生耦合，随机吸收通信信号的能量，严重衰减经过的通信信号。此外，当接入的负载较多时，可能造成电网电压大幅度降低，使载波通信信号发生畸变。综上所述，LVPLC的信号衰减时变特性显著，且衰减程度强，严重限制了载波通信的有效传输范围。需要采用可靠的中继路由策略，以扩大有效通信范围，促进电力线载波通信的规模应用。2.3 低压电力线路由特性分析本章前两节深入分析了LVPLC通信系统的网络结构和信道特性，这些特点对其通信的组网方式和数据传输方案产生深远影响：（1）网络物理结构总线型与树型综合型结构。基站和启用中继转发功能的重要终端，需要进行一对多（Point to Multiple Point，P2MP ）通信，此外多个终端与基站进行通信，网络中有大量多点对单点（Multiple Point to Point,MP2P）通信。路由协议需要适用于网络结构和业务流量模式。（2）LVPLC通信系统为逻辑总线网络。网络中设备共享同一通信介质，当某一时刻，网络中有多个设备同时发送数据包是，可能造成信道碰撞，产生数据包发送失败的情况。因而必须采用可靠的媒体访问控制方案，以及合理的退让措施，以降低数据包碰撞、减少信道冲突率。（3）终端设备硬件资源受限。由于其在网络中数量众多，出于经济方面考虑，终端设备的数据处理能力和内存资源都将受到限制，这要求路由协议简单高效，以便LVPLC系统能够大规模应用。（4）有效通信范围不足。考虑到电磁环境和电网中电器设备的安全，设备的功率不能过大，以及物理层限制与信道干扰，设备的有效通信范围受到限制。为了实现大规模的网络通信，必须采用有效的路由中继方案。（5）网络拓扑结构动态变化。由于LVPLC通信信道输入阻抗随机变化、噪声干扰强烈且不断变化以及信号衰减大，导致通信链路经常断裂；再加上新旧设备的接入和退出，这些导致网络拓扑结构随机变化。故LVPLC网络的路由需要能够动态完成网络自组织，且链路失效后能够快速高效地建立新链路，可靠性和恢复性强。2.4 低压电力线路由方式比较分析以LVPLC通信路由的特性和需求为基础，国内外学者于近年研究提供了大量的路由方法。这些路由方法主要可以分为三种：地址预分配式，先验式路由，反应式路由。这三种方法各有特点，下面对三种路由方式加以简单介绍和分析。1、地址预分配式路由在地址预分配式的路由方案中，将通信网络中PLC设备的通信地址按照需求预先分配，在数据传送过程中，根据解析目的地址的分簇标识，直接获得下一跳路由地址，而不用计算路由代价。分簇算法就是采用这种路由方式，下面以分簇算法为例，介绍分析地址预分配式路由的特点。分簇算法将整个通信网络中分为多个“簇”，一个“簇”中仅有一个“簇头”和多个“簇员