低压电力线通信人工蛛网动态路由方法研究

摘要

低压电力线通信(Low Voltage Power LineCommunication,LVPLC)技术作为终端用户与电力公司交换信息的最直接手段，是应用在智能电网通信中非常有竞争力的技术方案。但是由于低压配电网物理拓扑的复杂性、未知性和易变性，物理介质的多样性和共享性，通信信道的强噪声干扰性等，电力线通信可靠性较低，通信易中断，直接影响其在智能电网中的大规模应用。本文从低压电力线通信动态路由角度出发，以采用电力线通信技术的智能抄表系统为应用背景，研究提高低压电力线通信可靠性的新方法。
　　总结了窄带、高速窄带、超窄带及宽带PLC技术在智能电网高、中、低压侧的应用现状和研究进展，重点分析了国内外专家学者建立静、动态路由提高电力线通信可靠性方面的研究进展及成果，归纳出目前的技术存在的问题与不足。在分析LVPLC网络物理结构特点、逻辑网络模型的基础上，从仿生学角度，分析自然蛛网结构特点，，建立人工蛛网的数学模型；分析低压电力线通信网络物理拓扑特点，提出一种符合LVPLC要求的人工蛛网路由模型，并给出了基于人工蛛网拓扑的低压电力线通信规则。通过理论分析与仿真，初步证明了基于人工蛛网的通信路由模型可行性。在上述研究基础上，根据电力线通信实际组网具体需求，给出了基于单层人工蛛网模型的LVPLC组网方案。
　　为深入分析面向低压电力线通信的人工蛛网路由可靠性问题，提出一种融合马尔科夫(Markov)概率模型的改进因子分解法，详细分析人工蛛网的全端可靠性；以抗毁度为度量，对人工蛛网的抗毁性进行理论计算，验证了人工蛛网的高抗毁性。通过对比计算分析，从全端可靠性和抗毁性两个方面，验证了人工蛛网路由的连通可靠性。通过分析自然蛛网的重构机理，给出了人工蛛网路由重构策略。通过仿真，证明了人工蛛网路由方法可保证网络的连通性和可恢复性，具有较强的抗干扰能力，验证了人工蛛网路由用于LVPLC动态路由组网的可靠性。
　　在证明了人工蛛网应用于LVPLC的可靠性基础上，针对低压配电网的总线型、树形两种典型物理拓扑，分别提出了人工蛛网动态路由实现方法。针对总线型网络，提出一种基于Dijkstra算法的人工蛛网中心节点选取算法。给出了总线型 LVPLC网络的人工蛛网动态路由实现方法，详细阐述了组网初始化过程，制定通信协议，并对通信性能进行对比仿真与实验分析。建立树形LVPLC网络的人工蛛网动态路由实现方法，对组网后网络的通信延时、吞吐量、误码率进行详细的理论、仿真与实验对比分析。完善了人工蛛网动态路由在LVPLC组网方面的实现方法，为LVPLC技术的工程实践提供参考。
　　针对组网完成后的LVPLC网络仍会产生“盲点”的问题，根据人工蛛网节点的多径性，探索并制定了较完善的局部路由重构与路由维护策略，给出了人工蛛网路由重构算法。该算法可实现局部问题局部解决，避免网络内产生“盲点”时，所有节点参与路由重构过程，进一步保证了人工蛛网的组网效率和服务质量。
　　在完善了人工蛛网路由方法的前提下，针对蚁群算法应用于LVPLC领域，存在寻优效率低下的问题，根据人工蛛网路由方法可以将LVPLC网络层分成由若干个人工蛛网组成的分级网络这一特性，提出了一种基于人工蛛网的LVPLC改进分级蚁群路由算法。建立以“蜘蛛网”为“局部网”、以“局部网”为大节点构建“骨干网”的两层通信网络模型。应用蚁群算法以中继节点数量最小为寻优目标进行路径寻优，建立基站节点与LVPLC网络内任意节点间通信的最优路径。解决了蚁群算法应用于大规模LVPLC网络寻优时效率低下的问题。仿真对比实验验证了该算法在延长低压电力线通信距离、提高算法寻优效率等方面的有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 电力线通信技术发展及应用研究现状

1.3低压电力线通信路由方法研究概况

1.4本文的主要研究内容

第2章 人工蛛网路由模型通信可行性研究

2.1 引言

2.2 低压电力线通信网络结构及特点

2.3 人工蛛网路由建模

2.4 人工蛛网路由通信可行性仿真分析

2.5本章小结

第3章 电力线通信人工蛛网路由可靠性研究

3.1 引言

3.2 人工蛛网全端可靠性分析

3 . 3人工蛛网抗毁度分析

3 . 4人工蛛网的路由重构

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

第4章 人工蛛网动态路由实现方法研究

4.1 引言

4.2 总线型LVPLC网络的人工蛛网路由实现

4.3 树形LVPLC网络的人工蛛网路由实现

4.4 算法时序分配方法

4.5 延时特性分析

4 . 6LVPLC网络人工蛛网组网仿真与实验验证

4.7 本章小结

第5章 基于人工蛛网的LVPLC改进分级蚁群路由算法

5.1 引言

5.2 分级蚁群路由算法

5 . 3改进分级蚁群路由算法

5.4改进分级蚁群路由算法寻优性能仿真与实验分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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