低压电力线通信网络的路由技术研究

论文摘要

电力线网络是世界上分布最广泛的网络,具有物理强度高,不易被破坏的优点。电力线作为通信介质,不仅可以避免重新敷设通信线路,节约初期建设成本,而且后期的维护成本也较低。近年来,电力线载波通信被广泛地应用于电力自动抄表系统、楼宇控制、智能家居以及路灯控制等领域。由于低压电力线信道具有高衰减、高噪声、低阻抗和时变特性,因此低压电力线网络的通信环境十分恶劣,致使通信距离非常有限,可靠性不高。人们主要从物理层和网络层两个方面来延伸信号在低压电力线网络中的传输距离和提高通信的可靠性。就物理层技术方面,主是从信道编码、信号检测、信道估计与选择、功率分配和调制/解调方式来考虑;网络层方面是对低压电力线网络进行中继组网。然而,事实表明,低压电力线通信技术在物理层方面的潜力已经挖掘殆尽,即使应用目前最先进的物理层通信技术也不能满足实际需求。因此,在网络层对低压电力线通信网络进行研究,具有重大的意义。论文开展的主要工作有:①对于目前出现的多种有关电力线通信网络的路由方法,论文进行了分析总结,并把这些路由方法分成两类:即基于非交叠分簇的路由方法和基于蚁群算法的路由算法。然后对每一类路由方法的组网流程进行概括和描述。②针对现有低压电力线网络的组网方法有着协议较复杂,对硬件要求较高,可靠性较差的问题,论文提出了一种基于交叠分簇的低压电力线网络组网及路由重构算法。仿真表明,与非交叠分簇类路由算法相比,基于交叠分簇的路由算法具有较高的可靠性和较强的抗毁能力,而且可以根据信道质量的变化动态地建立、维护网络路由,保证了通信网络的有效性和可靠性。③针对在低压电力线通信网络中,通信环境具有时变性以及可能需要提供不同服务类型的特点,论文在分析低压电力线网络的拓扑结构和组网模型的基础上,给出了组网的优化目标函数,并根据鱼群算法的基本原理提出一种能够基于信道状态和服务需求的低压电力线网络组网算法。论文首先对原始鱼群算法中人工鱼的行为进行了重新定义以及定义了人工鱼生命长度这一概念从而形成新的鱼群算法,然后给出了组网算法的具体步骤。仿真结果表明,所提出的组网算法能根据低压电力线网络的信道状况和不同的服务需求而动态地建立起通信路由,并且通信路由表随着通信的进行可以不断地被优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 PLC 简介
• 1.2 电力线通信技术发展历程
• 1.3 路由算法分类
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 本文主要工作及内容安排
• 2 低压电力线通信网络
• 2.1 低压电力线通信网络介绍
• 2.1.1 基于全电力线的智能家居系统
• 2.1.2 路灯控制系统
• 2.2 低压电力线网络的信道特性
• 2.2.1 阻抗特性
• 2.2.2 噪声特性
• 2.2.3 衰减特性
• 2.2.4 相关的物理层技术
• 2.3 低压电力线网络MAC 层技术
• 2.3.1 低压电力线网络的拓扑结构
• 2.3.2 MAC 层协议
• 2.4 PLC 网络的网络层技术
• 2.4.1 PLC 网络的组网特点
• 2.4.2 PLC 网络中继组网的必要性
• 2.4.3 现有的通信技术标准
• 2.4.4 几种常见的路由算法
• 2.5 本章小结
• 3 低压电力线通信网络自动路由技术研究
• 3.1 中继低压电力线通信网络
• 3.1.1 以太网中继器
• 3.1.2 低压电力线通信网络的逻辑链路拓扑
• 3.2 电力线网络自动路由算法
• 3.2.1 电力自动抄表系统概述
• 3.2.2 AMRS 采集系统结构
• 3.2.3 组网帧格式
• 3.2.4 电气距离
• 3.2.5 组网的前提条件
• 3.2.6 路由表的初始化算法
• 3.2.7 路由的优化
• 3.2.8 路由表的动态更新及路由重构
• 3.3 仿真与分析
• 3.3.1 仿真的条件与参数
• 3.3.2 抗干扰性能分析
• 3.3.3 逻辑分层及初始化路由的耗时分析
• 3.3.4 路由表优化的耗时分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于鱼群算法的低压电力线通信网络自动路由算法
• 4.1 鱼群算法的基本原理
• 4.2 低压配电网动态路由的数学模型
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 目标函数
• 4.3 基于禁忌鱼群算法的自动路由算法
• 4.3.1 几个相关的定义
• 4.3.2 人工鱼的禁忌搜索
• 4.3.3 基于鱼群算法的自动路由流程
• 4.4 组网过程
• 4.4.1 组网帧格式
• 4.4.2 组网过程描述
• 4.4.3 组网过程中的时序控制
• 4.5 仿真与分析
• 4.5.1 对平面内的节点进行组网
• 4.5.2 对固定节点的搜索仿真
• 4.5.3 对不同服务需求的组网仿真
• 4.6 本章总结
• 5 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录