智能电网邻域网路由算法研究进展

宗 宇 霍梅梅 郑增威

1(安徽理工大学计算机科学与工程学院 安徽 淮南 232001)2(浙江大学城市学院 杭州市物联网技术与应用重点实验室 浙江 杭州 310015)

智能电网邻域网路由算法研究进展

宗 宇1,2霍梅梅2郑增威2

1(安徽理工大学计算机科学与工程学院 安徽 淮南 232001)2(浙江大学城市学院 杭州市物联网技术与应用重点实验室 浙江 杭州 310015)

邻域网是智能电网通信网的最后一英里通信，也是智能电网的重要组成部分。高效的通信是实现智能电网前提，路由算法是其提高网络通信能力的关键核心技术。根据邻域网的网络拓扑结构及其通信特点，首先分析适用邻域网的网络拓扑结构；其次对适用于邻域网的路由算法研究现状进行综述，着重分析适用于邻域网的RPL(Routing Protocol for LLNs)和HWMP(Hybrid Wireless Mesh Protocol)改进算法性能及在邻域网中的实用性，并分析改进算法存在的不足；最后总结邻域网路由算法后续研究面临的问题与挑战。

智能电网 邻域网 路由算法 RPL HWMP

0 引 言

智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络基础上，通过先进的传感和测量技术、设备控制方法以及智能决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。其主要特征包括自愈、激励、抵御攻击、提供满足未来用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行[1]。

为实现智能电网可靠、有效运行，需设计一个安全、可靠的智能电网通信网络SGCN(Smart Grid Communication Network)来实现SG中的相关应用正常工作。SGCN一般可以分为三个部分：广域网WAN(Wide Area Network)、NAN和家庭局域网HAN(Home Area Network)。NAN由成千上万个智能电表SM(Smart Meter)和一些数据传送装置组成，负责收集、处理和传递用户数据工作，在整个SGCN中，处于中间位置，连接着WAN和HAN，通过数据聚合器单元(由NAN网关组成)与WAN连接，通过智能电表与HAN连接，在SGCN中起着重要的桥梁作用。所以NAN通信质量决定了整个SGCN运行效率和可靠性[1-3]。NAN和移动自组网有所不同，具有如下特点：

1) 适应力强

NAN覆盖范围较大，地理环境相对复杂，需具有较强的通信适应能力。

2) 自愈性强

当一个节点或几个节点出现通信故障等问题时，NAN将采取相应的措施进行修复或者重建，从而保证整个网络正常运行。

3) 可扩展

可扩展性表现在，一是覆盖面积的可扩展；二是NAN中端节点数目的可扩展。

4) 支持多道通信

NAN中节点分布较多，节点之间通信需求大，支持多道通信，可以提高通信效率。

在NAN中要实现安全、高效、可靠通信，路由算法设计是关键问题，路由算法的优劣直接影响着数据传输，影响着整个通信体系性能。本文首先介绍了NAN网络结构；然后分析了NAN的路由算法研究现状，特别对RPL和HWMP协议进行了详细分析；接着对NAN路由算法性能参数和仿真工具进行了研究；最后，对NAN路由算法研究中存在的问题进行了描述，并对后续路由算法研究中面临的挑战进行了简要总结。

1 NAN网络拓扑结构

NAN物理上可以看作是在一个覆盖面积为1～10 km2范围内，通过有线或无线链路进行通信的设备分布图，只考虑物理上的网络拓扑并不能很好地实现NAN节点间通信，还要考虑到网络拓扑中节点之间逻辑关系。

在NAN中，把每一个设备看作一个网络节点，网络中的每个节点并不都需要和其他节点通信。其中一些节点虽然物理上连通，但逻辑上不需要连通，所以就需要设计NAN逻辑网络拓扑结构，来描述节点之间的连通关系。逻辑关系可以通过连接矩阵的方式，也可以通过有向无环图的方式表示。例如，简化一下NAN网络，假设由A-G组成，它的物理拓扑结构如图1的下平面所示，实线表示节点之间连通。而A-G的逻辑拓扑结构如图1的上平面所示。

物理拓扑结构中，节点B与节点C物理相连，而逻辑上不相连，不产生通信流。而且节点D不需要与其他节点通信，不出现在逻辑拓扑结构上。所以，我们更加关注的是网络的逻辑拓扑结构，逻辑拓扑结构表现节点之间的通信[1]。

通过逻辑拓扑结构，我们可以清楚地观察到各节点之间的通信关系，在逻辑拓扑结构基础上，再要进行优化可以采用分簇方法进行。最终，根据该拓扑设计合适的路由算法，实现高效、安全、可靠的通信。

图1 NAN物理拓扑结构与逻辑拓扑结构(上平面图为NAN逻辑结构图，下平面图为其物理拓扑结构图)

NAN一般都是事先规划的，节点一般是静态的，只有当节点发生中断或者有其他节点加入时才会发生改变。NAN网络拓扑属于中低度动态，相比无线传感网WSN和移动自组网MANET拓扑结构较稳定。节点之间的数据通信模式一般是网关节点到普通节点P2MP(Point to Multi-Point)或者普通节点到网关MP2P(Multi-Point to Point)的通信[4-5]。

适用于NAN的通信方式可以是无线网状网WMN(Wireless Mesh Networks)、电力线通信网PLC(Power Line Communication)。PLC在配电线方面有广泛的应用，PLC安装成本低，考虑到成本问题，在SG中有应用价值。而由于安装的灵活性，无线通信可以有效地替代所有的有线通信基础设施，无线通信技术能在没有附加缆线开销的情况下实现远程控制和监测。所以，无线通信技术在NAN中也得到了广泛的使用。WMN是一个多跳无线网络，一般适用于社区网络，事先规划再部署，拓扑结构属于中度动态，节点准静态[6-7]。

WMN与 NAN的结构较为相似，使用WMN网络结构连接SM是非常合适的选择， WMN具有自愈性和可扩展性，而且可以提供很多冗余的通信路径[2，8-12]。

WMN可以看作是一个低功耗、有损网络，WMN的特点是网络节点能量和存储空间有限，数据传输率较低。而在NAN通信中，对于数据传输率、及数据传送的可靠性及安全性有着一定的要求，特别是由控制中心发送到终端的数据对传输的实时性也要求较高。直接将适用于WMN的RPL算法和HWMP算法移植到NAN网络中是在数据传输的要求上还需进一步改进。设计符合NAN通信特点的路由算法是提高NAN通信能力的关键技术。

2 NAN路由算法研究现状

2.1 适用于NAN路由算法

基于上述问题，众多学者开展了NAN路由算法相关研究工作。学者们对于适用于NAN的路由算法的研究主要针对于路由的QoS(Quality of Service)，路由的可靠性和安全性。其中对于QoS及可靠性的研究居多，一个面向用户的应用体系，数据的高质量和可靠的传输是有效通信的前提。本文总结了适用于NAN的路由协议算法如表1所示，其中包括可靠性路由协议[13-17]，安全性路由协议[18-20]，适用于PLC的路由协议[21]，RPL适用于低功耗、有损网络，HWMP为IEEE802.11s的默认协议。

SG通信中需要满足QoS、带宽、延迟、速率、安全性和可用性[7]。NAN通信部件对通信带宽、延时、QoS和安全性都有着较高要求，一个合适的路由算法是至关重要的。本文对学者们研究较多的RPL与HWMP的改进算法进行了分析和总结，并提出了下一步的研究方向。

表1 适用于NAN路由算法性能比较[6]

2.2 基于RPL协议改进

RPL算法是由ROLL工作组制定，用于低功耗有损网络、AMI网络(Advanced Metering Infrastructure Network)路由算法，RPL最初设计是使用最小的存储开销、采用简单路由实现有损网络通信。

RPL算法是通过建立树形的面向目的节点的有向无环DODAG(Destination Oriented Directed Acyclic Graph)建立整个网络的路由拓扑图。DODAG的建立由四个消息实现：DIS请求消息、DIO信息对象发布消息、DAO目的地通告消息以及DAO-ACK目的地通告应答消息。首先根节点(汇集节点)广播DIO消息(DIO信息包中包含着节点编号信息、发送节点的路径深度(Rank)和路由指标)，其他节点受到DIO消息后，根据目标函数、路径开销来选择是否加入该DODAG中。选择加入父节点后，向父节点发送DAO 消息，告知父节点已加入DODAG中，父节点收到DAO消息后会发送DAO-ACK消息。每个节点都有一个时钟周期，如果在到达时钟周期后还没有收到广播的DIO消息，将主动发出DIS请求消息，离该节点最近的节点收到DIS消息后，将广播DIO消息，让该节点加入DODAG中。

RPL支持三种类型的数据通信模型：点到点P2P(Point to Point)、MP2P和P2MP。RPL支持存储式和非存储式两种工作模式。两者最大的区别在于非存储模式中，普通节点不存储路由数据，只有根节点存储路由信息；存储模式中，普通节点与根节点都存储路由信息。在存储和非存储模式中，在父节点转发子孙节点发来的DAO消息也有不同。在存储式中，父节点转发子节点的DAO消息并维护一个路由表，记录到达子孙节点的下一跳。而在非存储模式中，父节点直接转发子孙节点的DAO消息，根节点根据收到的DAO消息，计算出DODAG[18, 22,27, 29-30]。

SG中节点具有存储能力有限、能量有限、低带宽和不稳定的特点。在NAN中应用RPL协议是较合适的，但在数据传输实时性及可靠性方面仍有不足。通过仿真表明RPL有很好的扩展性，但其中部分节点存在严重的不可靠性[22]。RPL不可靠的原因是由于RPL缺乏完整的链路质量认知，往往选择的路径是不可靠的；RPL中的路径选择最优路径，在最优路径中断时不能及时恢复，数据包丢失。[22,31]。

Wang等针对RPL应用于SG存在的不足，结合SG通信需求，进行了两个方面的改进：一是增加EXT(Expected Transmission Count)路由判据参数；二是添加反向路径记录机制。RPL中的每个节点都有一个唯一ID[13]，节点存储信息包括该节点的Rank值、Parent List、default Parent ID和Destination List。网关节点的存储信息包括网关节点的Rank(一般为常数)和Destination List。在Rank值基础上增加一个EXT路由判据参数，每一个路径的EXT都会随着数据的传输改变，Rank值再结合EXT进行链路的选择，大大提高了通信链路QoS。但随着通信过程中EXT的改变会引起有向无环图结构的改变，给路由维护增加了难度。反向路由记录机制将数据包的最近一跳添加到下一跳ID中，在不增加额外协议开销的情况下在数据包传输率和端到端延时上有很大的改进。

Kulkarni 等针对RPL在链路QoS选择和维护机制上的不足提出了相应的解决方案：一是针对链路QoS问题，主要是通过下一跳的选择，利用Channel扫描机制寻找最合适的下一跳节点。每个节点都维护一个存放Rank值的数组，通过扫描数组得到最大Rank值作为最优下一跳。二是对RPL恢复机制存在的缺陷，通过链路连通性检测发现链路或节点中断，及时修复，减少修复时间[32]。该方案的下一跳的选择机制增加了RPL的自组织能力，具有很强的实用性，在一定程度上提高了RPL的链路QoS及可靠性，指出下一步的研究工作将是网关节点负载平衡的问题。

在SG通信过程中，链路的稳定性尤为重要。Yang等人针对提高链路的稳定性，提出了SRPL(Stability RPL)算法。在RPL协议基础上增加了一个稳定性SI参数，用于衡量路由稳定性[33]。SRPL主要通过控制消息的传输率来衡量一个节点或一个DODAG的稳定性，SI通过监听消息(HWc)计算得来，HWc用于记录邻居节点的接收包。SI分为节点SI和DODAG SI，节点SI定义为：

(1)

DODAG SI定义为：

(2)

SRPL在控制消息的开销上减少了90%；数据包传输率上有了很大的改进，大大提高了通信链路的稳定性。

RPL支持存储和非存储两种模式，但在同一网络分区中只能使用一种模式。而NAN中节点之间需要双向通信。为解决只能使用一种模式的缺点，提高节点之间的交互性，Ko等提出了DualMOP-RPL协议[34]。该算法思想是在存储空间大的节点采用存储模式，在低存储节点使用非存储模式，可以在根节点出错时，及时修改选择新的根节点。由于在混合模式中，一个模式中的节点加入到另一个模式中，只能充当叶子节点，没有路由节点的功能，无法进行向上和向下的通信，DualMOP-RPL协议对RPL进行了四个方面的修改：第一，在向上路由通信时，叶子节点可以作为路由节点。第二，在向下路由通信时，对DAO的传输方式进行了修改，第三，针对非存储模式的节点的DAO帧格式修改，在存储模式和非存储模式中的DAO帧必须都有TransitOption。第四，非存储和存储模式的节点都需要支持源路由报头。DualMOP-RPL很好地实现了NAN中节点相互操作性。

Wang[13]、Kulkarni[32]、Yang[33]和Ko[34]针对RPL应用于SG通信体系中存在的问题进行了改进，RPL的性能大大提高，在链路QoS、路由的稳定性、可靠性更为符合SG应用场景的需求。但在四种改进方案中，普通节点的路由表结构都发生了改变，在一定程度上增加了普通节点的存储开销。在NAN中，节点的存储空间是相对有限的。

针对存储式普通节点的存储开销大的缺点，杨红等提出了一个B-RPL算法[35]，该算法通过修改RPL中的转发方式和路由表结构，在路由表中增加一个布隆过滤器对节点地址进行过滤，通过k个哈希函数进行地址的映射，间接存储子孙节点的IP地址。在进行数据包转发时，先进行IP地址校验，再进行选择性转发。布隆过滤器的使用避免了盲目的转发，减少控制消息的转发数量和路由节点的存储空间。仿真结果表明，在一定程度上有效地节省了存储开销问题。

以上的改进方案针对NAN通信的可靠性和QoS两个方面， RPL的稳定性、可靠性和QoS得到一定的提高，总结如表2所示。Wang等提出的方案简单但实用性较高。Kulkarni等提出的SRPL算法链路的稳定性得到提高但增加了节点的计算能力，增加了节点能量开销，在低功耗的环境下节点能量也是至关重要的。

表2 RPL算法改进小结

续表2

DualMOP-RPL协议很好地实现了节点之间交互性，符合SG的通信特点。B-RPL协议解决节点存储开销问题。以上方案在链路QoS及可靠性方面得到了一定程度的提高，更为合适SG的通信体系。但针对RPL在SG中的应用，仍然存在很多需要研究的方向，如节点如何选择最优网关，解决避免路由波动的问题，增大数据包的吞吐量的方面都是接下来需要进行研究的内容。

2.3 HWMP协议及改进

HWMP是一种混合无线MESH网络协议，是反应式和主动式路由有效结合。反应式在无根节点的情况下使用，它通过广播PREQ消息，和收到目的节点发来的单播PREP消息建立源节点和目的节点的通信链路，实现P2P通信。主动式是在根节点存在的情况下使用，根节点通过两种方式进行路由的发现：PREQ机制和RANN机制。PREQ机制首先广播PREQ消息，当且仅当在收到的RPEQ消息中存在这更大或相等的序列号或更好的Metric时，才更新该点到根节点的路由。RANN机制中根节点周期性的广播RANN消息，每个节点收到后，通过向根节点单播发送PREQ消息建立或更新到根节点的前向路由，之后根节点发送PREP消息作为回应[36]。

HWMP中重要的链路参数为Airtime Link Metric，表示一个8192 bits的数据帧的传输时间，其计算公式为：

(3)

(4)

其中，Ca就是当前链路的Airtime Link Metric，O代表头开销，包含preamble、plcphead等一起消耗的时长，Bt是固定值8192。r代表传输速率，ef代表当前链路的误码率。Mn为节点n的MAC层重传数目，P代表节点n重传包的数量，Rmax代表允许重传的最大值。最终的metric value是按照0.01TU单位的整数倍来衡量。Metric越小，代表当前mesh链路数据传输占用时间越短，效率越高，路径越优。

IEEE 802.11s支持高质量、高速的数据传输，单播、多播和广播通信都支持。但在HWMP中，先应式中即使两个MP间存在较短路径，都需要通过根节点中转，受根节点控制，根节点容易出现“瓶颈”问题；在主动式中，在一个RANN消息周期上，链路选择参数存在着缺陷，链路是正进行传输数据或该链路偶然出现中断，会使链路选择参数变差，使得在下一周期中选择最优的路径，但可能并不是最优的，会使得每一次的两个节点之间的通信都是使用不同的链路；HWMP全局节点的恢复机制应用于对传输效率要求较高的NAN中也是不太合适的。还需对HWMP结合NAN的通信要求进行改进，使之更好地应用到到NAN中[38]。

HWMP应用于SG存在着路由波动问题、路径恢复时间较长、airtime cost 路由判据不能很好地反应SG通信体系中链路QoS和SG中不同数据包的延迟需求不同。Kim等结合上述问题提出了HWMP-RE协议、考虑到不同数据包的大小将会影响链路错误率，将式(4)改为式(5)[14]：

(5)

其中，Bi代表i包的字节数，Bmax代表允许的最大字节数，在MPDU中默认为1024字节。所以，ef的值在[0，1]，将更适用于NAN中。

针对路由波动的问题，采用路由波动避免算法，将当前的RANN消息和之前RANN消息的路径都存储在路由表中。只有当前最优路径的Metric比保留值大时，进行最优路径修改。恢复机制中采用 One-hop回溯寻求路径，大大缩短了恢复路径的时间。针对不同数据包传输的延迟需求不同，在协议MAC层上实行延迟容忍机制。

和HWMP相比，该方法数据包传输率较高、重传率较低、增加了路径的稳定性、改善了网络的可靠性。但当节点为49时，端到端的延时远远超过原协议的延时。

Gharaviet等针对网络拓扑节点的自治愈性、链路可靠性及数据包的吞吐量进行改进，一是提出Tree-based Multipath Diversity Routing机制，采用多网关和备用路径的机制，大大提高了链路的可靠性；二是采用了一种基于数据包反压力的网关选择机制，用于实现网关的负载平衡的问题，下一跳的选择参数NHS由排队长度和邻居节点最优路径参数BPM(Best Path Metric)的组合，NHS越小，即为最优。三是采用MultiChannel(MC)Routing机制[17]。MC机制为当一个节点选择了最优的邻居节点后，通过查找BPM选择网关，一旦网关选定后，每个网关对应着一个Channel，则从该节点到选定的网关通信将在该Channel上传输。

Tree-based Multipath Diversity Routing机制通过多网关路径和基于定时器的备用路径方案提高了通信的可靠性，但在备用路径增加了节点的存储空间；网关选择机制减少了网关负载平衡的问题，但增加了普通节点的计算量；MC机制很大程度上减少了数据传送的排队等待时间，减少了通信延时，增加了数据的吞吐量。

Kim[14]和Gharavi[17]等针对适用于SG的QoS及可靠性需求进行改进，使得改进后的协议更为合适SG的通信,如表3所示。但仍然存在很多需要研究的方向，例如如何在提高链路QoS的基础上，不增加端到端的延时，以及针对SG不同类型数据包的延时及可靠性需求设计更为合适SG的路由算法。在Gharaviet等的基础上还需考虑避免同信道干扰等方面的问题[37]。

表3 HWMP改进算法小结

2.4 路由协议的性能参数与仿真工具

2.4.1 路由协议的性能参数

NAN数据通信对路由协议的性能参数也有着一定的要求，主要参数有吞吐量、数据包传输率、平均包延时(端到端延时)、包错误率和节点中断概率等[9,10,38]。平均包延时定义为[38]：

(6)

pe=1-(1-pb)Ld

(7)

(8)

其中Ld为数据包大小，Q()为标准正态分布函数，γ为信噪干扰比。

2.4.2 网络仿真工具

常用的网络仿真工具有Matlab、OPENT和NS-3。Matlab编程效率高，扩充能力较强，还有很好的图形处理功能，有很多的工具箱，对于通信的仿真减少了繁琐的步骤[39]。OPENT是高科技网络规划、仿真及分析工具，在通信、国防以及计算机网络领域得到了广泛的认可和采用[40]。NS-3是一个开源的网络仿真平台，相对Matlab而言，专业性更强。它给用户提供了很多的网络仿真模块。NS-3并不是NS-2的升级版，而是一个全新的网络模拟仿真工具，两者在功能模块上也有着不同之处。NS-3较NS-2给研究者提供了更好的平台[41]。

3 结 语

NAN中进行的主要是SM和控制中心的双向数据通信，对于通信数据传输的可靠性、实时性和数据传输率有着严格的要求。NAN是SG通信网的最后一英里通信，是SG的重要组成部分。路由算法是其提高网络通信能力的关键核心技术， RPL和HWMP是应用于SG通信体系较为合适的路由算法。

RPL适用于低功耗、有损网络，应用于NAN中，存在着可靠性低、传输速率低的特点。针对RPL应用于SG存在的缺陷，Wangl 等提出增加路由判据、备用路径来提高路由的QoS和可靠性，该方案简单且实用性较高。Kulkarni 等针对路由的稳定性，引入了稳定性参数SI，路由判据参数SI的引入进一步提高了选择链路的稳定性。DualMOP-RPL协议很好地实现了节点之间交互性。B-RPL协议针对解决节点存储开销问题，也起到了一定的作用。文中阐述了多个基于RPL算法的改进算法使之更为适用于SG通信体系，但仍存在着进一步需要研究的内容，如节点如何选择最优网关，解决避免路由波动的问题，增大数据包的吞吐量的方面都是需要进行下一步研究的内容。

HWMP是基于IEEE802.11s的标准协议，适用于SG的通信体系，其数据传输率较高，但稳定性和可靠性较差。HWMP-RE协议针对HWMP的可靠性和链路QoS，采用路由波动避免算法、One-hop回溯寻求路径和延迟容忍机制，大大提高了数据传输的可靠性；Gharaviet 等采用多网关和备用路径的方式提高了路由的可靠性，增加了网络拓扑的自愈性；采用基于数据包反向压力的网关选择机制，解决了网关负载平衡的问题；在增加数据吞吐量上采用MC机制，减少了数据传送的排队等待时间，减少了通信延时，增加了数据的吞吐量。但基于HWMP改进算法仍然存在很多需要研究的方向，例如在采用MC机制时还需考虑避免同信道干扰等方面的问题。

NAN中数据通信一般是用户和控制中心的双向通信，特别在MP2P的通信环节更需要考虑通信安全性的问题。其次针对增加数据传输率及减少网关“瓶颈”的问题，基于层次结构的网络拓扑结构路由算法将是未来多节点网络通信的发展趋势，再结合多频道传输的方法，将在提高数据传输率，减少端到端延时，提高数据传输的可靠性上作出贡献。

设计符合NAN通信体系需求的路由算法仍存在很多值得研究和探讨的内容。

[1] Ekram Hossain, Zhu Han, H Vincent Poor. 智能电网通信及组网技术[M]. 刘英挺, 等, 译. 北京：电子工业出版社，2013.

[2] Zhang Y, Sun W, Wang L, et al. A multi-level communication architecture of smart grid based on congestion aware wireless mesh network[C]//North American Power Symposium (NAPS), 2011: 1-6.

[3] Wang W, Xu Y, Khanna M. A survey on the communication architectures in architectures Smart Grid[J]. Computer Networks, 2011, 55(15): 3604-3629.

[4] 孙伟. 基于QoS的智能配电通信无线传感器网络应用研究[D]. 合肥：合肥工业大学电气与自动化工程学院, 2012.

[5] 丁璐. 无线Mesh网络的QoS路由研究[D]. 西安：南京邮电大学计算机学院, 2011.

[6] Saputro N, Akkaya K, Uludag S. A survey of routing protocols for smart grid communications[J]. Computer Networks, 2012, 56(11): 2742-2771.

[7] Gao J, Xiao Y, Liu J, et al. A survey of communication/networking in Smart Grid[J]. Future Generation Computer Systems, 2012, 28(2): 391-404.

[8] Xiang M, Bai Q, Liu W. Self-adjustable Trust-based Energy Efficient Routing for Smart Grid Systems[C]//2012 IEEE/WIC/ACM International Joint Conferences on Web Intelligence and Intelligent Agent Technology, 2012, 3: 378-382.

[9] Chen D, Brown J, Khan J Y. Performance Analysis of a Distributed 6LoWPAN Network for the Smart Grid Applications[C]//2014 IEEE Ninth International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing, 2014: 1-6.

[10] Ho Q D, Gao Y, Rajalingham G, et al. Performance and Applicability of Candidate Routing Protocols for Smart Grid's Wireless Mesh Neighbor Area Networks[C]//2014 IEEE International Conference on Communications (ICC), 2014: 3682-3687.

[11] Moulema P, Yu W, Griffith D, et al. On Effectiveness of Mesh-based Protocols for Smart Grid Communication Networks[N]. ACM SIGAPP Applied Computing Review, 2014,14(2): 59-70.

[12] Moulema P, Yu W, Xu G, et al. On Simulation Study of Mesh-based Protocols for Smart Grid Communication Networks[C]//Proceedings of the 2013 Research in Adaptive and Convergent Systems, 2013: 202-207.

[13] Wang D, Tao Z, Zhang J, et al. RPL based routing for advanced metering infrastructure in smart grid[C]//2010 IEEE International Conference on Communications Workshops, 2010: 1-6.

[14] Kim J, Kim D, Lim K W, et al. Improving the Reliability of IEEE 802.11s Based Wireless Mesh Networks for Smart Grid Systems[J]. Journal of Communications and Networks, 2012,14(6): 629-639.

[15] Iwao T, Yamada K,Yura M, et al. Dynamic data forwarding in wireless mesh networks[C]//2010 First IEEE International Conference on Smart Grid Communications, 2010: 385-390.

[16] Dawson-Haggerty S, Tavakoli A, Culler D. Hydro: A hybrid routing protocol for low-power and lossy networks[C]//2010 First IEEE International Conference on Smart Grid Communications, 2010: 268-273.

[17] Gharavi H, Hu B. Multigate communication network for smart grid[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(6): 1028-1045.

[18] Li F, Luo B, Liu P. Secure Information Aggregation for Smart Grids Using Homomorphic Encryption[C]//2010 First IEEE International Conference on Smart Grid Communications, 2010: 327-332.

[19] Bartoli A, Hernandez-Serrano J, SorianoM, et al. Secure lossless aggregation for smart grid m2m networks[C]//2010 First IEEE International Conference on Smart Grid Communications, 2010: 333-338.

[20] Islam M S, Hamid M A, Hong C S. SHWMP: A secure hybrid wireless mesh protocol for IEEE 802.11s mesh network[C]//International Conference on Computational Science and Its Applications, 2008: 972-985.

[21] Liang S, Chen S, Ding X, et al. A broadcasting algorithm of multipath routing in narrowband power line communication networks[C]//IEEE 3rd International Conference on Communication Software and Networks, 2011: 467-471.

[22] Thubert P, Winter T, Brandt A, et al. RPL: IPv6 routing protocol for low-power and lossy networks[R]. RFC 6550, 2012: 1-157.

[23] Bari S M S, Anwar F, Masud M H. Performance study of hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP) for IEEE 802.11s WLAN mesh networks[C]//2012 International Conference on Computer and Communication Engineering, 2012: 712-716.

[24] Ben-Othman J, Benitez Y I S. On securing HWMP using IBC[C]//2011 IEEE International Conference on Communications, 2011: 1-5.

[25] Rajalingham G, Ho Q D, Le-Ngoc T. Evaluation of an Efficient Smart Grid Communication System at the Neighborhood Area Level[C]//2014 IEEE 11th Consumer Communications and Networking Conference (CCNC), 2014: 426-431.

[26] Gharavi H, Hu B. Multigate Mesh Routing for Smart Grid Last Mile Communications[C]//2011 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2011: 275-280.

[27] 李树军. 基于6LoWPAN的RPL路由协议研究[J]. 重庆工商大学学报(自然科学版), 2013, 30(8): 72-77.

[28] Chen D, Brown J, Khan J Y. 6LoWPAN based Neighborhood Area Network for a Smart Grid Communication Infrastructure[C]//2013 Fifth International Conference on Ubiquitous and Future Networks, 2013: 576 -581.

[29] Rajalingham G, Gao Y, Ho Q D, et al. Quality of Service Differentiation for Smart Grid Neighbor Area Networks through Multiple RPL Instances[C]//Proceedings of the 10th ACM Symposium on QoS and Security for Wireless and Mobile Networks, 2014: 17-24.

[30] Ancillotti E, Bruno R, Conti M. The Role of the RPL Routing Protocol for Smart Grid Communications[J]. IEEE Communication Magazine, 2013, 51(1): 75-83.

[31] Ancillotti E, Bruno R, Conti M. RPL Routing Protocol in Advanced Metering Infrastructures: an Analysis of the Unreliability Problems[C]//Sustainable Internet and ICT for Sustainability (SustainIT), 2012: 1-10.

[32] Kulkarni P, Gormus S, Fan Z, et al. A Self-organizing Mesh Networking Solution Based on Enhanced RPL for Smart Metering Communications[C]//2011 IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks, 2011: 1-6.

[33] Yang X, Guo J, Orlik P, et al. Stability Metric Based Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks[C]//2014 IEEE International Conference on Communications, 2014: 3688-3693.

[34] Ko J, Jeong J, Park J, et al. DualMOP-RPL: Supporting Multiple Modes of Downward Routing in a Single RPL Network[J]. ACM Transactions on Sensor Networks, 2015, 11(2): 1-20.

[35] 杨红, 朱红松, 孙利民. B-RPL：低存储开销的RPL路由协议[J]. 计算机科学, 2015, 42(1): 96-99.

[36] 杨凯. 无线Mesh网络高性能路由协议研究[D]. 西安：西安电子科技大学计算机学院, 2011.

[37] Meng W, Ma R, Chen H H. Smart grid neighborhood area networks: a survey[J]. IEEE Network, 2014, 28(1): 24-32.

[38] Kong P Y. Wireless Neighborhood Area Networks With QoS Support for Demand Response in Smart Grid[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015: 1-12.

[39] 张德丰, 杨文茵. MATLAB仿真技术与应用[M]. 北京：清华大学出版社, 2012.

[40] 陈敏. OPNET物联网仿真[M]. 武汉：华中科技大学出版社, 2015.

[41] 马光春, 姚建盛. ns-3网络模拟器基础及应用[M]. 北京：人民邮电出版社, 2014.

RESEARCH PROCESS OF THE ROUTING ALGORITHM IN SMART GRID NEIGHBORHOOD AREA NETWORK

Zong Yu1,2Huo Meimei2Zheng Zengwei2

1(SchoolofComputerScienceandEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,Anhui,China)2(HangzhouKeyLaboratoryforIoTTechnologyandApplication,ZhejiangUniversityCityCollege,Hangzhou310015,Zhejiang,China)

Neighborhood Area Network (NAN) is the last one mile communication in Smart Grid (SG) communication network, which is an important part of the smart grid. Efficient communication is important to achieve Smart Grid and routing algorithm is the key technology to improve network performance. According to network topology and communication characteristic of NAN, the network topology which is applicable to NAN is firstly analyzed, then the research status of routing algorithm protocols in NAN are reviewed, especially the improved RPL and HWMP algorithm performance which are suitable for NAN and their practicability, and then the shortcoming of the improved RPL and HWMP algorithms is analyzed. Finally, the confronting problems and challenges of the NAN routing algorithm research are analyzed.

Smart Grid Neighborhood area network Network routing algorithm RPL HWMP

2015-12-07。浙江省自然科学基金项目(LY15F020 023)。宗宇，硕士生，主研领域：WSN，MANET路由协议。霍梅梅，副教授。郑增威，教授。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.01.021