基于邻节点覆盖的电力线通信组网算法的制作方法

本发明属于电力线通信技术领域，涉及一种基于邻节点覆盖的电力线通信组网路由算法的方法。

背景技术：

电力线通信(powerlinecommunication,plc)是利用电力线及其输、配电网络作为信息传输介质的通信方法。电力线通信源于20世纪20年代，最初工作带宽仅为几十千赫，数据率约为数千比特/秒，一般称为窄带plc系统，仅用于电力设施间的通信和远程测控等任务。随着通信技术的逐渐兴起。电力线传输带宽最高可达到上百兆赫，可用于宽带接入、高速数据传输、组建家庭局域网等方面。由于电力网分布广泛、电力线通信具有无需重新布线、接入方便灵活等优点，是一种非常适用于用户接入网的通信技术。

由于现代化进程的推进和能源需求的发展，各国都开始重视电力线通信的发展及其在电网智能化改造等方面的应用。比如智能家居、高速的窄带plc上网以及电力系统的智能抄表等。但由于电力线设计的初衷是用来传输电能而非数据通信，信道中存在的强噪声干扰、信号的选择性衰落、电力网络中的负载阻抗不恒定、负载插拔等因素，使得电力线通信的通信距离严重受限，通信可靠性不高。针对上述问题，目前研究主要从增强物理层的通信能力和建立网络中继两方面入手。前者主要集中在信道特性、信号调制与解调等，后者主要从多级中继路由算法入手。如中继转发和路由选择等，来提升电力线通信的可靠性。在众多的路由算法中，基于蚁群算法、分簇算法的算法研究居多。尤其是在以低压电力线载波通信应用的研究中，比如电力线载波抄表中，基于分簇算法的路由算法研究广受青睐。如何结合电力线通信的特有特点合理选取簇头，为终端节点合理分簇以便于管理。如何进一步扩大通信距离，如何有效结合信道特性采用合理的物理层技术来提升系统可靠性具有重要的研究意义。

在当前电力线载波通信组网路由技术研究中，大部分的研究主要从网络层入手，比如基于最小物理id、编号顺序来为接收到数据的用户分簇。这样方式往往会造成簇头较多，路径单一且在考虑分簇的同时未考虑到信道数据传输时拥塞现象造成的延时时间较长等，这些算法也未考虑电力线信道带来的影响。

综上所述，已有技术方案存在以下缺点：仅从网络层入手，单一方面进行分簇，没有综合考虑分簇带来的延时较长，路径单一及簇头较多等问题。从而影响了电力线载波通信路由组网算法的性能。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种基于邻节点覆盖的电力线载波通信路由组网方法，该方法针对电力线信道具有频率选择性衰减、多径效应等特征，建立基于ofdm的电力线载波通信信道模型，在该信道模型下对信噪比进行估计，结合信噪比给出基于邻节点覆盖的电力线通信路由组网算法。该算法可有效减少簇头数量、改善单一路径、降低端对端通信传输延时。提升电力线载波通信系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于邻节点覆盖的电力线载波通信路由组网方法，包括以下步骤：

s1，网关节点洪泛入簇消息，确定其邻节点，计算邻节点的相邻覆盖域，选取优先权最小的邻节点作为转发节点，转发节点洪泛入簇消息。

s2，当前转发节点依据相邻覆盖优先原则和簇节点动态延时标准，依次转发洪泛包，确定自身的准簇成员，同时筛除不能成为簇头的节点。

s3，成为准簇成员的节点回复网关确立当前转发节点为正式簇头。若在一定的时间内未收到准簇成员的回复，则发送节点降级为网关的簇成员。

s4，当前转发簇节点自身角色确立及准簇成员确立完毕，一级簇头剩余节点替代网关节点的角色进行洪泛入簇广播，处理方式同上。

s5，依次类推，直到所有节点都收到过数据包，确立了角色，则分簇组网完成。

s6，组网完成后，在网络运行过程中如果发现链路出现断裂的少数节点，通过洪泛分簇算法为其重新寻找路由。

进一步的，步骤s1所述网关节点是指电力线载波网络与外网的中转节点，起到网关的作用，通过网关可以管理电力线载波网络。邻节点是指在当前发送节点的有效通信范围内的一跳邻居节点，构成当前节点的准簇成员。簇节点覆盖域是指在当前发送节点(网关节点/转发节点)洪泛入簇消息时，收到入簇消息的邻居节点组成的集合，这些节点成为某级准簇头节点。邻覆盖优先是指发送节点依据收到入簇消息的节点的覆盖域大小指定它们的优先转发权。覆盖新区域越大，转发优先权就越高。

进一步的s1包括以下步骤：

s101，相邻覆盖域的确立。网关节点m洪泛入簇消息，收到消息的节点t、k、x、y、l成为网关的邻节点。节点k为收到m入簇消息的邻居节点中的任意一个节点，依据来自m洪泛数据包中的id，查询邻居表可得到节点m的位置坐标(xm,ym)。节点k作为当前的转发节点，收到其洪泛信息的节点为t、x、m、w、a、e，显然m节点也是k节点的邻居且节点k中被m邻节点覆盖的节点是m的邻节点与k的邻节点的交集。任意节点i位置坐标为(xi,yi)，物理id记为i，即位于k邻节点中的任意节点j满足以下条件：

则称k的邻节点j处于相邻覆盖状态。

至此，当前发送节点的邻节点被分为2类，处于覆盖域之内与覆盖域之外的。

s102，为相邻覆盖域之内、外的节点分配节点转发权。首先将位于覆盖域之内的节点记为集合u1＝{t、k、x}，位于覆盖域之外的邻节点记为集合u2＝{a、e、w}。覆盖新域的范围越大，转发优先权越高。则位于相邻覆盖域之外的节点的覆盖新域能力明显优于覆盖域之内的节点。即位于当前发送节点的邻节点中距离发送节点距离最远的覆盖新域的能力越强。则节点转发优先权的确立需要依据簇节点所在的集合及距离当前发送节点的距离来决定。当簇节点位于集合u1/u2时，转发优先权qi计算如下：

其中，n—转发节点，i—转发节点的某邻节点，dmax＝max{dist(i,n)|i∈u1,u2}，表示集合中距离转发节点n最远的节点i的距离。表示位于集合u1、u2内的某节点i距离当前转发节点n的的距离。qi越小转发优先权越高。

进一步的，所述步骤s2包括：

s201，由所述s1中的步骤获取当前具有最小转发权的节点，此节点充当网关节点的角色广播入簇消息。当收到消息的点为自由节点时，定义自身为当前节点的准簇成员，当收到消息的节点为相邻覆盖域内的节点时，对比自身到当前簇头与相邻覆盖域内节点到当前簇头的信噪比值的大小决定自身的角色。

s202，电力线信道噪声比较复杂，为了近似模拟电力线的背景噪声，背景噪声可以简化为低频谐波的倍频噪声、白噪声和随机高频尖脉冲噪声等几类噪声的叠加。由于宽带电力线采用ofdm调制技术的调制频率为2～30hz,因此，本文中的噪声主要选取脉冲噪声。

基带信号通过离散傅里叶基带信号反变换(idft)产生ofdmsignalsymbolk信号。ofdmsignalsymbolk信号进入宽带电力线通道受到脉冲噪声的影响，在接收方通过dft提取频带信号。经过解调系统获取信号。首先估算出经过此系统的信噪比大小。

脉冲噪声功率：

接受端信号能量：

脉冲噪声能量：

信噪比：

s203，相邻覆盖区域的邻节点成为簇头的要求。相邻覆盖域内节点到簇头的信噪比若小于当前节点到簇头的信噪比，将剥夺此转发节点成为簇头的机会，降级成为u2集合中相邻节点的中继。当发送节点的覆盖域内节点均已被之前的节点的覆盖域覆盖，则此节点也不在具有成为簇头的资格，将降为u2集合中相邻节点的中继。未收到下级节点响应的节点降级为上级的簇成员，即中继节点。成为中继的节点不在参与数据转发过程，没有成为簇头的资格。对于接收到来自其他节点的消息也不给予在响应。

s204,结合节点的优先转发权分配相应的动态延时。动态延时的分配首先需要判断当前节点是否具有转发权。文中规定成为中继的节点不在具有转发权。对于具有转发权的节点，假设节点i收到来自节点n的洪泛入簇消息，则按照下式进行数据包延时转发：

若首次收到数据包：

否则：

其中，tmax_delay是转发数据包时的最大延时，tcurrent_delay是当前转发节点收到数据包时的剩余延时时间。当节点第一次收到需要转发的数据包时，需要等待的延时时间如式(2)，第一次收到数据包的节点是集中在u2中，u1中的节点处于相邻覆盖状态，会出现多次数据包的接收转发，此时则需要按照式(3),在本次最大延时和当前剩余延时中选取最大值，以保证有足够的时间进行准簇头的筛选。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：本文发明提供的方法针对传统分簇算法在低压电力线载波通信组网路由算法中表现出的簇头过多、路径单一及对传统洪泛未进行有效限制造成的数据冗余、消息内爆造成的端对端传输延时较长等问题的不足之处，提出了基于邻节点覆盖的洪泛分簇组网算法，该算法先是采用邻居节点覆盖原则为初步分簇筛选出合适的准簇成员，同时依据准簇成员覆盖新域的大小为其分配转发优先权滤出不成为簇头的节点。进一步规定簇节点对于转发数据包的限制，结合节点转发优先权分配了不同的动态延时机制，在成簇算法的过程中逐步确立簇节点的角色完成分簇。有效解决了上述问题的出现，从而提升了系统的可靠性。为低压电力线载波通信组网提供了一种可参考的方法。

附图说明

图1是低压电力线通信网络物理拓扑结构图；

图2是簇节点相邻覆盖图；

图3是第i级成簇流程图；

图4是基本非交叠分簇算法图；

图5是簇头节点数量减小的本算法图。

图6是在不同传输半径下基本非交叠分簇算法和本文算法在端到端传输延时比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图3，本发明提供的方法可以包括：

步骤s1，网关节点洪泛入簇消息，确定其邻节点，计算邻节点的相邻覆盖域，选取优先权最小的邻节点作为转发节点，转发节点洪泛入簇消息。

所述网关节点是指电力线载波网络与外网的中转节点，起到网关的作用，通过网关可以管理电力线载波网络。邻节点是指在当前发送节点的有效通信范围内的一跳邻节点，构成当前节点的准簇成员。簇节点覆盖域是指在当前发送节点(网关节点/转发节点)洪泛入簇消息时，收到入簇消息的邻居节点组成的集合，这些节点成为某级准簇头节点。邻覆盖优先是指发送节点依据收到入簇消息的节点的覆盖域大小指定它们的优先转发权。覆盖新区域越大，转发优先权就越高。

进一步的s1包括以下步骤：

s101，网关节点m洪泛入簇消息，收到消息的节点t、k、x、y、l成为网关的邻节点。节点k为收到m入簇消息的邻居节点中的任意一个节点，依据来自m洪泛数据包中的id，查询邻居表可得到节点m的位置坐标(xm,ym)。节点k作为当前的转发节点，收到其洪泛信息的节点为t、x、m、w、a、e，显然m节点也是k节点的邻居且节点k中被m邻节点覆盖的节点是m的邻节点与k的邻节点的交集。即位于k邻节点中的任意节点j满足以下条件：

则称k的邻节点j处于相邻覆盖状态。

至此，当前收到信息的节点中被分为2类，处于覆盖域之内与覆盖域之外的。

s102，为相邻覆盖域之内、外的节点分配节点转发权。首先将位于覆盖域之内的节点记为集合u1＝{t、k、x}，位于覆盖域之外的邻节点记为集合u2＝{a、e、w}。覆盖新域的范围越大，转发优先权越高。则位于相邻覆盖域之外的节点的覆盖新域能力明显优于覆盖域之内的节点。优先权的确立需要依据簇节点所在的集合及距离当前发送节点的距离。当簇节点位于集合u1/u2时，转发优先权qi计算如下：

其中，n—转发节点，i—集合内某节点，dmax＝max{dist(i,n)|i∈u1,u2}，表示集合中距离转发节点n最远的节点i的距离。表示位于集合u1、u2内的节点i距离当前转发节点n的的距离。qi越小转发优先权越高。

进一步的，所述步骤s2包括：

s201，由所述s1中的步骤获取当前具有最小转发权的节点，此节点充当网关节点的角色广播入簇消息。当收到消息的点为自由节点时，定义自身为当前节点的准簇成员，当收到消息的节点为相邻覆盖域内的节点时，对比自身到当前簇头与相邻覆盖域内节点到当前簇头的信噪比值的大小决定自身的角色。

s202，电力线信道噪声比较复杂，为了近似模拟电力线的背景噪声，背景噪声可以简化为低频谐波的倍频噪声、白噪声和随机高频尖脉冲噪声等几类噪声的叠加。由于宽带电力线采用ofdm调制技术的调制频率为2～30hz,因此，本文中的噪声主要选取脉冲噪声。

基带信号通过离散傅里叶基带信号反变换(idft)产生ofdmsignalsymbolk信号。ofdmsignalsymbolk信号进入宽带电力线通道受到脉冲噪声的影响，在接收方通过dft提取频带信号。经过解调系统获取信号。首先估算出经过此系统的信噪比大小。

脉冲噪声功率：

接受端信号能量：

脉冲噪声能量：

信噪比：

s202，相邻覆盖区域的邻节点成为簇头的要求。相邻覆盖域内节点到簇头的信噪比若小于当前节点到簇头的信噪比，将剥夺此转发节点成为簇头的机会，降级成为u2集合中相邻节点的中继。当发送节点的覆盖域内节点均已被之前的节点的覆盖域覆盖，则此节点也不在具有成为簇头的资格，将降为u2集合中相邻节点的中继。未收到下级节点响应的节点降级为上级的簇成员，即中继节点。成为中继的节点不在参与数据转发过程，没有成为簇头的资格。对于接收到来自其他节点的消息也不给予在响应。

s203，结合节点的优先转发权分配相应的动态延时。动态延时的分配首先需要判断当前节点是否具有转发权。文中规定成为中继的节点不在具有转发权。对于具有转发权的节点，假设节点i收到来自节点n的洪泛入簇消息，则按照下式进行数据包延时转发：

若首次收到数据包：

否则：

其中，tmax_delay是转发数据包时的最大延时，tcurrent_delay是当前转发节点收到数据包时的剩余延时时间。当节点第一次收到需要转发的数据包时，需要等待的延时时间如式(2)，第一次收到数据包的节点是集中在u2中，u1中的节点处于相邻覆盖状态，会出现多次数据包的接收转发，此时则需要按照式(3),在本次最大延时和当前剩余延时中选取最大值，以保证有足够的时间进行准簇头的筛选。

步骤s3，成为准簇成员的节点回复网关确立当前转发节点为正式簇头。若在一定的时间内未收到准簇成员的回复，则发送节点降级为网关的簇成员。

步骤s4，当前转发簇节点自身角色确立及准簇成员确立完毕，一级簇头剩余节点替代网关节点的角色进行洪泛入簇广播，处理方式同上。

步骤s5，依次类推，直到所有节点都收到过数据包，确立了角色，则分簇组网完成。

步骤s6，组网完成后，在网络运行过程中如果发现链路出现断裂的少数节点，通过洪泛分簇算法为其重新寻找路由。

参见图1，本发明提供的方法，其系统物理拓扑结构和应用场所紧密相关，物理拓扑结构复杂多变。目前拓扑结构包括树干式、环形式、和放射式等。最常用的如图1中的树形混合拓扑结构。总网关实为配电网中的变压器，其二次侧台区内为三相配电网，从逻辑拓扑上来说，三相之间并列且相互独立，因此，选用其中一相的逻辑拓扑作为重点研究对象，便具有代表性和普遍性。本发明是取其中一相进行理论研究。总网关是电力线载波网络与外网的中转节点，通过网关可以管理电力线载波网络。图中的圆圈代表终端节点。如在电力线载波抄表通信中，其代表各个电表终端。以总网关及分枝上的各个终端节点构成本发明研究的最小电力线载波通信的理论系统。基于邻节点覆盖的分簇算法的成簇过程采用指定中心簇头和依据相邻覆盖优先与动态延时机制相结合。簇头选择与成簇过程相结合的原则。其中，网关节点被定义为中心簇头，位于树形拓扑的树根位置。终端节点有唯一的物理位置编号1,.......,n。网关的物理编号记为0，本文调制仿方式为ofdm。

考虑以上述最小电力线通信物理系统为例，选取100*100m的区域，n取为40。由于电力线载波通信逻辑结构具有时变性和随机性，设定载波节点间有效通信距离在20～25m内随机变化。以图3流程完成成簇算法的过程。

参见图4，基本非交叠分簇算法结构简单，层次清晰，但簇间只有一条通信路径，链路一旦出现断裂，会造成频繁的网络重构，而且传统的分簇算法产生的簇头较多。

参见图5，为本文所提算法，相比之下，簇头节点数量有所减少，前者为20，后者为14。簇头数量越少路由跳数越少，通信延时就会越小。且在原有路径的基础上增加了有效路径，如图中0→8的路径由原来的单一路径0→7→32→8，增加了一跳新路径0→7→23→8。这使得簇间路径不在单一，避免了簇间路径失效时网络的频繁重构。提高了网络的可靠性。

参见图6，是在不同传输半径下基本非交叠分簇算法和本文算法在端到端传输延时比较。从图中可以看出，随着传输半径的增加，二种算法的传输延时均呈减小状态。相比之下，本文算法的网络时延性能优于传统算法，这是由于传统算法在成簇过程中并未对洪泛的范围及数据包的转发有所限定，而本文在成簇过程中先是采用相邻覆盖优先初步限定传输范围筛选出有效准簇头，又结合节点优先权的转发对洪泛数据包进行动态延时处理，有效避免了消息洪泛的盲目性，降低数据冗余包的发送及信道冲突发生的可能性。使得端到端传输延时得以有效降低。

本文提出了一种基于邻居节点覆盖的分簇路由组网算法，该算法通过利用相邻覆盖优先策略为相邻节点分配不同的转发优先权，通过信噪比筛选出可能成为簇头的节点，为提高数据传输效率及避免消息的冗余，结合节点的转发优先权引入了基于簇节点的数据转发抑制策略和动态延时转发机制，在有效降低信道的冲突碰撞的同时确立正式簇头，达到组网的目的。仿真结果表明，该算法可以有效降低节点端对端传输延时，减少簇头，建立多条通信路径，进而提升系统的可靠性。此算法为低压电力线载波通信组网提供了一种可参考的方法。