0 引言

    智能电网是指近年来结合能源技术及信息通信技术更新后的电网。通过先进的信息、控制和通信技术，智能电网可以实现电网的电子监控、监测、自愈、诊断以及基础设施（Advanced Metering Infrastructure，AMI）自动计量等智能功能，部分还具有实时性^[1-2]。为保障快速和可靠的数据传输，智能电网使用多种通信技术。因为电力线的普遍存在，电力线通信技术(Power Line Communication，PLC)比其他的通信技术更有优势。

    PLC作为接入网(Access Network，AN)中的一种可选的网络技术，由于一个MV/LV配送网络覆盖面积大，并且一个包的传送过程中会有多个中间结点的参与，电力线通信接入网(PLC-AN)需要具有路由功能。另外，电力线信道的特性不同于无线，简单地采用传统的路由方案不能最大限度地提高电力线网络的性能^[3]，因此必须根据电力线特性为PLC设计一种特定的路由协议。在PLC信道中信号的衰落是由于分支网络拓扑结构中的信号反射^[4]和在每一个电容组及MV/LV变压器中的信号衰减^[5]。此外，无线通道和PLC的噪声特性也有许多不同，在PLC信道的噪声可以被建模为有色背景噪声、窄带干扰、同步和异步脉冲噪声^[6]。电力网中的HV、MV、LV如图1所示。

    最近，许多学者^[7]致力于PLC-AN中路由功能的研究。BUMILLER G、LAMPE L及HRASNICA H三位学者提出：当所有节点需要从网络接收相同信息时，洪泛法被证实是一种有效的PLC-AN路由方案。然而实际情况是，所有自动化网络及智能电网设备都不会有相同的需求，如AMI、电力系统故障检测以及要求点对点通信的电力交通工具充电系统。另外，BIAGI M、LAMPE L和GRECOL S在研究中提出了收集每个电力设备位置信息的地理路由，应用无线路由方案并将其扩展，却没有考虑到多个接收者的情况。而机会路由（Opportunistic routing，OR）充分利用点对点和传感器网络中无线媒介的广播特性进行数据传输，已经成为一种很有前景的提高网络性能的方法。PLC信号在电力线的穿透特性使得OR成为PLC-AN一个很好的选择。

1 机会路由概述

    OR可以利用无线媒介的广播特性使几个临近节点都监听到数据，只要有一个用户正确地接收到帧数据并向前转发，传输就可以继续，因此OR提高了网络的可靠性。此外，一个传输任务在同一时间有一个多跳的机会，OR有助于减少传输的总量。

    一个传输任务分别通过传统连续路由和OR传输的理想过程和平均到达目的地的传输任务量的计算，如图2所示。在这个例子中，假设一个传输任务被第一跳节点正确接收的概率是0.5，被第二跳节点正确接收的概率是0.2。连续路由时，由于每个传输任务跨一跳距离的成功概率为0.5，因此期望的进展是0.5，一个数据包为了到达目的地需要交叉四跳，因此在连续路由中平均需要传输8次，而OR时，一个传输任务交叉两跳的概率为0.2，并且如果交叉双跳失败，通过一跳的概率为0.5，因此在OR中对于一次传输的期望进展是0.8，这就使每次传输所需的平均次数减少。

    实现这些目标的关键问题是：转发集的选择、优先级设定、重复传输的避免及抑制。图3显示了连续路由和OR的传输过程。在这个例子中OR需要3次传输，而传统路径需要5次传输。

2 系统模型

2.1 窄带信道模型

    在低压线路中的平均信道衰减由式(1)给出：

2.2 网络模型

    一个电气网络可以使用一个通信网络图来代表：g={ν，ε}其中ν和ε分别为顶点和边的集合。边的集合被定义为：

3 PLC-OR的设计

3.1 默认路径选择

    图4显示了在一个由37个节点构造的拓扑结构中如何选择一个从源到目的地的特定路径。这个拓扑机构是来自某省的实际配电试验馈线，它使用Dijkstra算法计算最小距离，按机会路由选择转发器节点。在这个例子中，沿着S和d之间的路径中放置了5个中间继电器节点。

3.2 基于ACK的协调方案

    图5给出了一个PLC-OR的协调的具体例子。在这个例子中，第一优先级的节点没有成功接收数据帧，而第二和第三优先级的节点成功接收。在第j个中继节点成功传输需要T_j=T_tx+T_co+T_po，其中T_tx、T_co、T_po分别为实际时间、PLC-OR的协调时延和CSMA/CD协议的额外开销。协调时延由以下公式给出：

其中T_RIFS和T_s分别为RIFS时间和感知时间。相似地CSMA/CD协议的额外开销是：T_po=T_CIFS+pσ，其中T_CIFS和σ分别为CIFS时间和空闲时隙，p为在传输之前用于描述大量空闲时隙的随机变量。

    传统方案中每个传输任务需要的时间是T_tx+T_RIFS+T_ACK+T_po，而在PLC-OR中还需要一个(n-1)Ts。根据G3-PLC的实际参数，假设K_max=3时，传统方案和PLC-OR方案分别平均为97.82 ms和100.6 ms，因此对于每个传输任务PLC-OR方案会多花费3%的时间。

3.3 速率、色调映射模型和传输集选择算法

    通过Dijkstra算法构建了默认路径后，每个节点i应选择各自的传输速率R_i、色调映射模式M_i和传输节点集合F_i。设计一个bit.m/s的最大化问题，即每个节点i都要试图达到的最大值：

    其中L为以bit计的帧长度，T_out、T_j分别表示为当所有转发节点没有成功解码帧时的媒介保持时间以及第j优先级的节点成功接收到帧时的媒介保持时间。p中的控制变量为R_i和M_i，并且当p和T随着R_i和M_i的变化而变化时，F_i也会变化。

    由于三个变量是离散变量，因此该问题为一个离散组合优化问题。在P中可能组合的总数为J·2^M·P_NK，其中J和M分别为MCS电平数和子信道数，N和K分别为N_i和F_i的大小。由于F_i是一个有序集，因此可能组合模式的数量为P_NK而不是C_NK。为减少搜索空间，使用一个分支定界算法。

    公式中的分子是期望包步进(EPA)，EPA给出了优先规则和包含属性两个引理。

    引理1：转发优先权规则：给出元素Fi、Mi及Ri，只有到达目的地更近的一个节点取得更高的优先权时，传输集才完成。

4 仿真实验

4.1 实验场景

    在G3-PLC规范中，一次传输的最大数据量为252，并且信道感知时间为两个最大量。由于VCS有一个时间限制，所以定义转发集最大为K_max，当K_max=3时，对于三个转发节点的排序需要四个最大量，因此总的最大数据量为248⁶。在三种模型中两个相邻节点之间的距离分别遵循（1 km，0.5 km）、（1.5 km，0.75 km）和（2 km，1 km）的均值和正态分布的标准差，在三种密度模型中两个相邻节点之间的最大距离分别为2 km、3 km和4 km。假设有一个窄带干扰，相应子信道的SNR就降低10 dB。

    链路的平均长度为1-22，目的节点则是在其他122个节点中随机选择，使用Dijkstra算法选择到达每个目的地的默认路径。在低压电力线之间有10个连续的建筑物，两个相邻建筑物之间的距离遵循均值为90 m、标准差为10 m的标准正态分布。

4.2 性能结果

    图6展示了存在及不存在窄带干扰时，三种密度模型中到达目的地的传输时间(秒)，在这个模型中使用中压信道模型，没有窄带干扰时的性能结果如图6(a)所示；在低密度模型中SPR花费8.86 s到达目的地。当节点密度低时，大多数节点只有一个接收者，这种情况下OR性能并不是很好， SPR-ETX和PLC-OR的功能相似。然而在网络变密时，OR显示出了更好的性能，即在低、中和高密度模型中PLC-OR性能的提高比SPR-ETX分别高出4.4%、10%和17%。

    图6(b)显示了不存在窄带干扰时SPR及OR的性能。没有窄带干扰时，PLC-OR和SPR-ETX的性能增量几乎是一样的，而SPR的性能则是所有方案中最差的。其他路由方案的性能增量比SPR高大约50%， PLC-OR和SPR在达到相同可靠性水平时整个传输时间降低了。

    为了得到在EEE123节点测试馈线网中的结果，本文进行了10 000次模拟实验，平均结果如图7所示。假设在IEEE-123-NBD情况下，智能电网存在窄带干扰的概率为0.2。如果没有干扰消除方案，在存在窄带干扰时OR的性能会较差，而PLC-OR的性能很好，比SPR和SPR-ETX分别高出60%和8%。与链路拓扑结构相比，在MV/LV分配网络中本文提出的PLC-OR性能有所提高。

5 未来工作

    下一步要实现的是将OR和协同传输技术进行结合。在协同传输中，为保证吞吐量和可靠性，几个节点可以同时传输一个包，如果适当控制转发节点集中的传输，会使OR和协同传输的结合达到更好的性能。关于PLN-AN的另一个延伸是可以使用网络编码很好的解决网络互联的情况。

参考文献

[1] HLEDIK R.How green is the smart grid?[J].The Electricity Journal.2009，22(3)：29-41.

[2] Keonkook Lee，Chan-Byoung Chae，Tae-Kyung Sung，et al.Cognitive beamforming based smart metering for coexistence with wireless local area networks[J].Journal of Communications and Networks，2012，14(6)：619-628.

[3] SAPUTROA N，AKKAYAA K，ULUDAGB S.A survey of routing protocols for smart grid communications[J].Computer Networks，2012，56(11)：2742-2771.

[4] GALLI S，SCAGLIONE A，Wang Zhifang，et al.For the grid and through the grid:The role of power line communications in the smart grid[J].Proceedings of the IEEE，2011，99(6)：998-1027.

[5] Razazian Kaveh，Kamalizad Amir，Umari Maher，et al.G3-PLC field trials in U.S.distribution grid: Initial results and requirements[C].2011 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications，2011：153-158.

[6] Bumiller Gerd.Automated channel and performance measurements for narrowband MV- and LV-power-lines[C].2007 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications.2007：41-46.

[7] Bumiller Gerd.Power line communication networks for large-scale control and automation systems[J].IEEE Communications Magazine，2010，48(4)：106-113.