基于OPNET Simulator的低压电力线载波通信路由算法仿真

2015-01-13陈杰春张亚南闫瑞乾

化工自动化及仪表 2015年11期

陈杰春张亚南闫瑞乾

(东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林 132012)

低压电力线载波通信(Power Line Carrier Communications,PLCC)技术是一种以低压电力线路为传输媒介，通过载波方式进行信息传输和交换的技术，是一种电力系统特有的通信方式。与其他通信方式相比，低压PLCC技术能够充分利用现有的电力线资源，因此具有良好的开发前景和应用价值。从20世纪90年代初开始，低压PLCC技术就已经应用于自动抄表、电网负载控制及供电管理等方面[1]。

电力网络的阻抗特性、衰减特性和噪声干扰是影响低压PLCC传输质量的主要因素，其中前两者制约信号的传输距离，后者决定数据传输的质量[2]。网络中继技术和组网路由算法是扩展低压PLCC距离的重要手段。现有的低压PLCC路由算法，如基于人工蛛网的路由算法[3]、基于蚁群算法的路由算法[4,5]、分簇路由算法[6]及基于传输矩阵的路由算法等，在理论上都是可行且适合于电力线特性的，但其实际的网络性能尚不明确。在此，笔者基于传输矩阵的路由算法，探讨基于OPNET Simulator软件的低压PLCC路由算法的仿真方法。通过算法仿真，以进一步了解算法的性能和可用性。

基于传输矩阵的路由算法是一种只适用于主从式低压PLCC网络的路由算法。该方法是在主控制器中存放一个定期动态更新的路由表，主控制器根据路由表发送数据到从控制器。从控制器中不存放路由表，它只需根据所接收数据中的地址来决定转发数据或发送反馈信息[7]。

主从式低压PLCC网络结构如图1所示，假定低压电力线上有9个设备：主控制器0和从控制器1～8。

图1 主从式低压PLCC网络结构

初始化过程。首先建立一个9×9的零矩阵，让主控制器0发送广播信号，假设只有从控制器2、3接收到广播并分别反馈含有从控制器地址的应答信号。主控制器0分析应答信息后，将传输矩阵第0行的第2、3列元素分别置1。然后，主控制器0再发送命令让从控制器2发送广播信号(已发送过反馈信号的从控制器不再发送反馈应答信号)，假设从控制器2接收到来自从控制器1、5的反馈信号并将其分别反传给主控制器0，主控制器0将传输矩阵的第2行的第1、5列元素置为1。之后主控制器0再发送命令让从控制器3发送广播信号，依此类推，得到如图2所示的传输矩阵，进而可确定如图3所示的网络拓扑结构。

如此，主控制器0便可以根据传输矩阵按照指定路径给从控制器发送消息。如主控制器0要传输数据给从控制器8，首先搜索传输矩阵的第8列，找到第6行元素的值为1；再搜索矩阵的第6列，找到第1行元素的值为1；再搜索矩阵的第1列，找到第2行元素的值为1；再搜索矩阵的第2列，找到第0行元素的值为1。搜索过程结束，确定的传输路径为0→2→1→6→8。

图2 传输矩阵

图3 网络拓扑结构

2 OPNET建模

OPNET Simulator是目前作为网络规划、仿真和分析工具的高端产品，在通信、国防和数据网络领域已被广泛认可和应用。陈磊等使用OPNET Simulator分析了以太网的通信延迟与节点数目、数据帧长度和通信速率之间的关系[8]。OPNET Simulator提供三层建模机制：最底层是进程模型，实现算法协议；中间层为节点模型，反映设备的硬件特性；最上层为网络模型，表现现实网络的拓扑结构[9]。笔者根据OPNET Simulator的三层建模机制，对基于传输矩阵的路由算法进行初始化建模仿真，获得仿真数据并分析网络性能。

2.1 通信协议

在进行三层建模之前，首先要完成数据帧的设计。数据帧(图4)是传输信息的基本单元，由若干字段组成。定义每个字段为8位，分别为源地址、中继地址、目的地址、控制位和数据位。

图4 通信帧结构

其中，中继地址段的大小会根据传输需要的个数而动态改变。

2.2 进程建模

基于传输矩阵的路由算法的进程仿真模型如图5所示，该进程仿真模型由init、idle、snd、rcv、wt_free和end共6个状态组成。

图5 进程仿真模型

init状态完成设备的初始化，包括读取设备的命名、主从状态、设备地址、仿真开始时间、统计量的声明和产生中断命令。idle状态是闲置状态，系统初始化后，若没有事件发生则处于闲置状态。snd状态完成数据包的发送和发包统计量的记录。根据数据包携带的信息和自身的主从状态及地址等参数，rcv状态完成数据包的转发、收包统计记录、销毁、传输矩阵的更新及发包中断等处理。利用CSMA协议，wt_free状态监听信道是否空闲，在发送数据时，若信道空闲则马上发送数据；否则会等待继续监听，等信道空闲后发送。end状态是系统仿真结束后进入的状态，用以显示初始化时间的确切结果。

主控制器流程如图6所示，其中MAX为总线上的设备个数，M[MAX]为广播所记录的数组，当其某一位为1时，就发送命令让该设备广播，等待接收反馈应答信号。在接收到反馈信息时会刷新等待时间重新等待，直到在限定时间内无反馈信号而跳出等待，广播下一个节点设备。N[MAX]记录下一层需广播的节点设备，当其所有数据为0时，初始化过程结束。

从控制器流程如图7所示。在初始化阶段，将从控制器的标志位置0。若接收到反馈应答信号，则将标志位置1，并停止反馈应答信号；若接收到需要广播的信号，就进行和主控制器相同的广播过程，在此不再赘述。