智能电网中电力线通信网络负载均衡的机会路由协议

李祝红 赵灿明 闫龙 张信明

摘 要：针对智能电网（SG）中电力线通信（PLC）网络中负载均衡的问题，提出了一个自适应机会路由协议——负载均衡的机会路由协议（LBORP）。在LBORP中，所有收到数据包的候选转发节点都有机会参与到数据包的转发中，不再局限于一条路由路径，避免了流量仅从一条链路经过导致的负载不均衡现象;而且候选转发节点的转发优先级不仅考虑到转发节点到目的节点的距离，还考虑到了PLC链路的不稳定性以及流量的变化。除此之外，在LBORP中采用一种隐式确认方案，进一步减少协议的端到端时延。在仿真实验中，与基于有序树的PLC路由协议（PLC-TR）和PLC机会路由协议（PLC-OR）相比，LBORP在时延上分别降低了19.7%和45.8%，在丢包率上分别降低了23.4%和32.5%。实验结果表明，LBORP能够实现网络的负载均衡，提升网络的可靠性并减小端到端时延。

关键词：智能电网;电力线通信;负载均衡;路由算法;机会路由

中图分类号： TP393.1

文献标志码：A

文章编号：1001-9081（2019）03-0812-05

Abstract： To solve load balancing problem of Power Line Communication （PLC） network in Smart Grid （SG）， an adaptive opportunistic routing protocol named LBORP （Load Balancing Opportunistic Routing Protocol） was proposed. All the candidate forwarding nodes receiving a packet in LBORP had the opportunity to participate in packet forwarding. As a result， packet forwarding was no longer limited to one routing path， which avoided load imbalance caused by traffic with only one link for traffic to pass. And forwarding priority of the candidate forwarding nodes considered not only the distance from forwarding nodes to destination node， but also instability of PLC links and change of traffic. Besides， an implicit acknowledgment scheme was adopted in LBORP， further reducing the end-to-end delay of the proposed protocol. In simulation experiment， compared to PLC-TR （Power Line Communication-Tree Routing） and PLC-OR （Power Line Communication-Opportunistic Routing）， LBORP reduced delay by 19.7% and 45.8% respectively and reduced packet loss rate by 23.4% and 32.5% respectively. Experimental results show that LBORP can achieve network load balancing， improve network reliability and reduce end-to-end delay.

Key words： Smart Grid （SG）; Power Line Communication （PLC）; load balancing; routing algorithm; opportunistic routing

0 引言

智能電网（Smart Grid， SG）[1-3]是一种多种通信技术相结合的智能化的电力通信网络。通过智能电网，用户设备的用电信息可以从用户经过多种异构网络传送到电力控制中心，同时，电力控制中心可以实时监测用电设备的状态变化，并及时为用户提供所需的电力，实现电力系统的稳定运行。电力线通信（Power Line Communication， PLC）技术[4-6]是智能电网中的通信技术之一，是一种利用配电网中的配电线实现信息交互的数据通信方式。PLC能够实现电力和信息的同时传输，并且由于其部署成本低、安全性高，具有其他通信方式不具备的优势，因此被广泛地应用于智能家居系统、远程抄表系统等。

在现有的研究中，一般使用两种方法实现PLC[7]：第一种基于窄带信号，频率在500kHz以下，最大传输速率为几百kbps;第二种方法则基于宽带信号，频率在2～30MHz，最大传输速率可超过几百Mbps[8]。尽管宽带传输能够支持较高的数据传输速率，但是在PLC中，窄带传输更受青睐。现有的一些PLC标准，比如G3-PLC和IEEE 1901.2，都是基于窄带信号的，这主要是因为窄带信号能够穿过电力设备，比如常用到的变压器等，而宽带信号无法穿过这些设备，这大大限制了宽带传输的适用范围。此外，智能电网中的应用大都并不需要很高的数据传输速率[9]，窄带信号已经能够支持常见的智能电网应用对数据传输速率的需求。而在基于窄带信号传输的PLC网络中，由于具有多跳特性，如何进行高效路由是PLC网络中一个十分重要的问题。

针对PLC网络中的路由问题，目前芜湖市供电公司PLC网络中实际采用固定性路由的方式，发送节点发送一个数据包后，通过中继节点进行转发，通过一跳一跳的方式逐步转发到目的节点，中继节点的序列是在源节点发送数据包前通过Dijkstra算法计算得到。文献[10]根据电力线网络拓扑相对固定的特性，提出基于有序树的路由协议（Power Line Communication-Tree Routing， PLC-TR），将PLC网络抽象为一棵有序树，根据节点间的地址信息选择合适的路由，以降低数据的平均传输时延，提高数据包的投递率。文献[11]则基于地理路由思想，利用电力设备的地理位置信息进行路由，以应对电力链路的时变特性，并针对单播、多播和广播场景分别设计了地理位置信息的PLC网络路由协议。但是，文献[11]也是只选取一个中继节点，并没有利用PLC通信中多个接收方都会收到数据包的特性。文献[8]根据低频PLC信号能够穿过电力设备的特性，设计了一个PLC机会路由协议（Power Line Communication-Opportunistic Routing， PLC-OR），利用每次传输都会有多个节点收到数据包的特性，构建候选转发节点集合，由候选转发节点集合中成功收到数据包的距离目的节点最近的节点转发数据包。

机会路由[12]与传统的路由协议相比，只要候选转发节点集合中有一个节点成功收到数据包，就能进行转发，相比于传统路由中只选取一个转发节点大大提高了可靠性，而且减少了传统路由中当选取的转发节点没有成功收到信息时发送节点不得不进行重发的时延。除此之外，在机会路由中，允许一次发送跨越多跳，减少了总的发送次数[13]。

但是，现有的PLC网络中的机会路由协议仍存在一些问题。在现有的机会路由协议中，所有的候选中继节点都在由Dijkstra算法确定的同一个最短路由路径上[8]，比如，在图1所示的网络拓扑中，路径1-2-3-7-10-13-14-15。但是，这种固定的路由路径的方式存在一些问题，首先，PLC链路是不稳定的，这种不稳定性既包括由于负载阻抗的瞬时变化导致的PLC信道的突变性，也包括PLC信道跟随工频周期而周期性平缓变化的时变性，固定的路由路径无法适应PLC链路的信道变化。而且，收到数据包的最短路由路径外的节点可能会比收到数据包的最短路由路径上的节点距目的节点更近，比如，当节点2转发数据包时，除节点3和7外，节点4和8也可能收得数据包，此时，由节点8转发数据包是比节点7更好的选择。此外，固定地选取同一个路由路径会使得数据流量集中在同一个路由路径上，而PLC窄带信号的通信能力是有限的，这样会导致在同一路径上负载过重，严重时会导致网络拥塞甚至崩溃。最后，现有的机会路由协议中，候选转发节点的协调是基于确认（ACKnowledgement， ACK）进行显式确认的，而发送ACK会增加端到端时延。

针对现有电力通信网络的路由协议中存在的问题，本文提出一种考虑负载均衡的机会路由协议（Load Balancing Opportunistic Routing Protocol， LBORP），利用机会路由实现网络的负载均衡和可靠传输。不同于已有的PLC网络中的机会路由协议，在LBORP中，所有收到数据包的候选转发节点都有机会参与到数据包的转发中，不再局限于一条路由路径，避免了流量仅从一条路由路径经过导致的负载不均衡，而且候选转发节点的转发优先级不仅考虑到转发节点到目的节点的距离，还考虑到了PLC链路的不稳定性以及流量的变化。除此之外，在LBORP中不使用确认（ACK）报文进行显式确认，而是采用一种隐式确认方案，以降低协议的复杂度以及端到端时延。仿真实验结果表明，本文提出的机会路由协议LBORP能够实现网络的负载均衡，提升网络的可靠性并减小端到端时延。

1 负载均衡分析模型和机会路由算法

1.1 网络模型

PLC网络被抽象为如图1所示的拓扑结构，节点集合包括n-1个PLC节点{1，2，…，n-1}和1个目的节点n;边集合是具有邻接关系节点构成的PLC链路集合。图中每个PLC节点均连接了多个用户负载，并经过多跳传输将用户信息传递到目的节点。PLC节点之间存在一条PLC链路则称该两个节点具有邻接关系，这条链路属于PLC链路集合。节点i能够覆盖到的节点为i的邻居节点集合为Ni={j|（i， j）∈E}。节点i的候选节点集合为Si，是Ni的子集。

1.2 分析模型和路由算法

考虑到链路的不可靠性对整个通信网络以及流量的负载均衡的影响，本文提出了一个实现负载均衡的机会路由协议（LBORP）。机会路由的三要素[10]分别为：设计符合应用需求的数据传输相关度量;根据该度量确定每个节点的候选集合;源节点发送数据包，多个候选节点协作实现单次数据包的转发。与每次选择确定的转发节点的确定性路由相比，机会路由提高了负载均衡特性与稳定性。LBORP首先设计了基于链路不稳定性和流量预分配的路由度量，该路由度量综合考虑了源节点到转发节点的局部精确代价和转发节点到目的节点的远端的估计代价;其次，依此从候选集合中增加或删除某些节点，重新调整流量分配结果，筛选出稳定的候选集合，并计算这些稳定集合的端到端的估计代价，最终确定代价最小的集合为最优的候选集合;最后，在确定候选集合后，根据端到端的估计代价对候选集合中的候选节点进行排序，候选节点按照顺序依次转发数据包，提高路由协议的负载均衡特性及可靠性。为了避免重复转发，当一个转发节点转发成功后，其他转发节点不再转发。LBORP的主要内容可以分为三部分。

1.2.1 路由度量的计算

路由度量是反映當前节点对路由过程影响的重要程度的关键性指标。路由度量的设计往往需要综合考虑多个因素。本文采用端到端的估计代价作为路由的度量。其中，端到端的估计代价综合考虑了源节点到转发节点的单跳代价、转发节点到目的节点的远端估计代价以及节点之间的流量分配等因素。LBORP首先对流量进行预分配;其次，结合流量的预分配结果以及单跳代价和远端估计代价对路由度量进行设计。

步骤1 流量的预分配及单跳代价计算。

节点i的流量包括流入节点i的流量、节点i自身产生的流量以及经由节点i流出的流量。假设流入节点i的流量为Fin（i）、自身的流量为Fown（i），流出的流量为Fout（i），则节点i处的流量分配首先需要满足流量守恒条件：

在PLC网络中，传统的简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol， SNMP）简单且易于实现，因此被广泛使用。基于SNMP的PLC网络中节点自身产生的流量[14]可以建模为：

在对节点自身产生的流量进行建模后，结合链路特性对节点的流出的流量进行预分配。假设节点i的初始候选节点集合为S0i，则为候选节点k，k∈S0i，预分配的流量Falloc（k）可表示如下：

其中，为了适当地调节候选节点分配的流量，本文引入调节因子α（k），调节因子可以根据网络业务的不同需求来适当地调节。假设节点间的链路失敗率是已知的，由于电力信息对电网综合运行和管理起到至关重要的作用，因此，本文尽可能地确保流量在中间环节传输时不发生丢失。那么就需要多个候选节点的预分配的流量满足以下条件：

步骤2 端到端代价计算。

1.2.2 候选集合的确定

由于节点i具有多个相邻接的节点，因此，初始的候选集合可以看作是节点能够覆盖到的节点组成的集合S0i。首先，邻居节点中可能存在某些节点无法承担节点i预分配的流量转发任务，尤其是当邻居节点自身的流量已经很大的情况下，如果再为节点i转发相应的流量，则可能会造成该邻居节点的负载过重而崩溃，影响信息的转发和全网的稳定性。其次，由于实际的电力通信网络的链路是不可靠的，考虑综合数据传输代价时，初始候选集的代价不一定是最小的。因此本文考虑在剔除负载过重的节点之后选择代价最小的候选集，使得在单位时间内传输更多的数据，增大网络的吞吐率。因此，本文考虑如何从初始候选集合中确定一个合适的候选集合，提高网络的可靠性和稳定性。选择候选集合的步骤如下：

1.2.3 机会路由策略

在S*s确定之后，为了避免不同候选节点间同时转发会造成冲突的问题，根据端到端的估计代价对候选集合中的候选节点进行排序，候选节点按照顺序依次转发数据包，提高路由协议的负载均衡特性及可靠性。当一个转发节点转发成功后，当其他转发节点收到这个转发节点转发的数据包，就会知道已经有节点成功转发了数据包，而不再需要这个转发节点发送ACK进行确认，达到隐式确认的目的。其他转发节点收到这个转发节点转发到的数据包后不再进行转发。下一跳节点继续重复该过程，直到数据包被传递到目的节点为止。由于每个候选节点均有一定的转发的概率，而不是采用固定的下一跳节点去转发，可以避免某些节点承担过重的负载，在一定程度上实现全网的负载均衡。

2 实验

2.1 实验设置

本文基于Matlab仿真平台进行协议的仿真和实现。本文的实验对象分别为本文提出的负载均衡的机会路由协议（LBORP）、基于有序树的路由协议PLC-TR（Power Line Communication-Tree Routing）[10]以及已有的机会路由协议PLC-OR（Power Line Communication-Opportunistic Routing）[8]。网络拓扑结构采用芜湖市电力通信网的真实拓扑结构，在100km×100km范围内布置40个节点，并部署PLC电力线实现节点间的信息通信。本文通过不断地增加源节点的流量，记录LBORP、PLC-TR和PLC-OR协议的吞吐量、端到端的平均时延和丢包率。

2.2 实验结果与分析

图2描述了随时间的变化，吞吐量的变化情况。从图2可以看出，LBORP相比于PLC-OR协议和PLC-TR协议吞吐量的变化趋势较为缓和，在负载均衡性能方面优于PLC-OR和PLC-TR协议。原因在于PLC-TR协议无法避免某些节点负载过重造成的负载不均衡，使得吞吐量会有突增或突减现象。而机会路由本身具有负载均衡优势，因此，与PLC-TR协议相比，LBORP和PLC-OR协议在负载均衡性能方面优于PLC-TR协议。而在PLC-OR中，所有的候选中继节点都在由Dijkstra算法确定的同一个最短路由路径上，固定地选取同一个路由路径会使得数据流量集中在同一个路由路径上，这样会导致在同一路径上负载过重。而LBORP中，所有收到数据包的候选转发节点都有机会参与到数据包的转发中，不再局限于一条路由路径，避免了流量仅从一条链路经过导致的负载不均衡现象，而且机会路由本身就有负载均衡优势，所以具有较好的负载均衡性能。

图3反映了在源节点流量增加的情况下，端到端的平均时延的变化。机会路由与传统的路由协议相比，只要候选转发节点集合中有一个节点成功收到数据包，就能进行转发，相比于传统路由中只选取一个转发节点大大提高了每一跳转发成功的概率，减小了传统路由中当选取的转发节点没有成功收到信息时发送节点不得不进行重发的时延。除此之外，在机会路由中，允许一次发送跨越多跳，减少了总的发送次数。因此，与PLC-TR协议相比，LBORP和PLC-OR协议在时延性能方面优于PLC-TR协议。而在PLC-OR协议中，所有的候选中继节点都在由Dijkstra算法确定的同一个最短路由路径上，没有考虑到收到数据包的最短路由路径外的节点可能会比收到数据包的最短路由路径上的节点距目的节点更近的情况。LBORP不仅考虑到这种情况，而且使用隐式确认机制，避免了使用ACK进行确认引起的时延增加。因此，LBORP在端到端时延上优于PLC-OR协议。与PLC-TR和PLC-OR相比，LBORP在时延上分别降低了19.7%和45.8%。

图4为丢包率随节点流量的变化趋势图。机会路由与传统的路由协议相比，只要候选转发节点集合中有一个节点成功收到数据包，就能进行转发，相比于传统路由中只选取一个转发节点大大提高了每一跳转发成功的概率，增加了可靠性。因此，与PLC-TR协议相比，LBORP和PLC-OR协议在丢包率上低于PLC-TR协议。而在PLC-OR协议中，所有的候选中继节点都在由Dijkstra算法确定的同一个最短路由路径上，固定地选取同一个路由路径不仅无法适应PLC信道的变化，而且会使得数据流量集中在同一个路由路径上，而PLC窄带信号的通信能力是有限的，这样会导致在同一路径上负载过重，严重时会导致网络拥塞甚至崩溃。因此，LBORP在丢包率上低于PLC-OR协议。与PLC-TR和PLC-OR相比，LBORP在丢包率上分别降低了23.4%和32.5%。

3 结语

针对电力网络中的负载均衡路由问题，本文提出一个自适应的机会路由协议LBORP。在该路由协议中，本文对流量进行预分配，避免候选节点因为负载过重而造成传输性能的下降，然后利用机会路由协议在负载均衡方面的优势，本文设计了结合电力网络特性的路由度量，为每个转发者选择一个端到端代价最小的候选集合，并为每个候选节点设置了不同的优先级，进行机会性的转发。实验结果表明，本文提出的机会路由协议能够实现网络的负载均衡，并且提升网络的可靠性，减小端到端时延。机会路由算法也可用于其他多跳网络，比如：移动自组织网络、车载自组织网络、无线传感器网络等。LTE（Long Term Evolution）、5G中的D2D（Device to Device）通信当需要进行多跳转发时，也可使用机会路由算法，相关研究会在以后的工作中开展。

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