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              基于電力線載波通信的LED路燈能源監控網研究
               

              隨著半導體照明的不斷發展,LED路燈在能源監控方面的需求較為突出,要求LED路燈能源監控形成一個比較完整的網絡體系。因此要求能在遠程控制的基礎上,實現對網絡的組建和可靠的傳輸。在通信技術的不斷發展中,低壓配電網絡已經廣泛應用于遠程通信“最后一公里接入網絡'是代替專用網絡的一種理想通信媒介;電力線通信(PowerLineCommunication,PLC)又稱為電力載波通信,是利用電力線通過載波方式將模擬或數字信號進行傳輸的技術,已為現代數字通信的一種重要的方式。在LED路燈能源監控網中的實現主要由兩部分組成,第一部分是實現遠程監控時可以使用GSM或GPRS網路進行遠程監控,第二部分對終端LED路燈進行采集控制時采用電力線進行通信。

                對于GSM和GPRS技術,在網絡通信過程中已有成熟的通信設備,但是由于低壓配電網結構復雜性,高頻信號在低壓電網上的傳輸必然會有較大衰減,使得低壓電力線信道的信號衰減大、噪聲干擾強,嚴重減低了PLC信道的可靠性。為此,尋找有效的低壓配電網電力線通信自動組網和快速網絡恢復以及提高其抗毀性的方法和電力線通信可靠性、擴大應用規模。

                本文主要研究LED路燈能源監控網中電力線通信組網,結合電力線通信的具體特點,在未知物理拓撲結構環境下利用蟻群算法來搜索電力線通信最優路徑的方法,提高電力線網路的自愈能力,實現網絡的重構,提高電力線通信可靠性的有效方法。

                2LED路燈能源監控網特點由于在LED路燈能源監控網絡中電力線載波通信信道的時變性、頻率選擇性和強干擾性等特點,使得用電力載波通信組網必須具有一定的特點:由于LED路燈能源監控網絡物理拓撲和邏輯拓撲會經常發生變化。這些變化使得在LED路燈能源監控網中電力線通信組網過程中具有了很多與Adhoc網絡特征相似之處。因此,在LED路燈能源監控網中的電力線通信方法既無法保證通信距離,也無法保證電力線通信系統長期運行的可靠性。

                沒有專用的交換機或中繼器。作為LED路燈能源監控網用的電力線通信,一般不采用Internet網中的專用交換機和中繼器等設備,無法實現信號的轉發和放大。因此,通信距離會隨著電網信道質量的變化而動態變化。

                通信媒質共享信道。在LED路燈能源監控網電力線通信過程中,使用一個供電變壓器下,電力線載波信道是完全共享,信息以廣播的方式發布,所有電力線載波節點(以下簡稱節點)共享同一個信道。在此環境下,低壓配電網信道特性的固有特點不能保證每一個載波節點能夠正確地收到相關信息。因此,LED路燈能源監控網中電力線通信組網需要通過路由/中繼器將同一個物理子網劃分成多個邏輯子網。

                弱數據處理能力LED路燈能源監控網一般由一個中心(核心)節點、多個主節點和若干個終端設備節點組成。中心節點和主節點一般為集中控制器,所包含的CPU數據處理能力相對比較強;而終端設備多為WD路燈能源采集器,或不包含CPU,或所包含的CPU數據處理能力較弱。電力線通信模塊一般采用弱數據處理能力的CPU.因此,電力線通信組網很難用一般計算機網絡中的網絡路由算法實現。

                ―對多通信。在LED路燈能源監控網中,通信方式經常是“一對多”,即一個集中控制器(中心節點)與它所負責控制的若干個LED路燈能源采集終端設備(終端節點)之間通信,各終端設備之間不需要直接的命令發布(通信)。因此,只需要維護一個全局路由表,即只需要保證中心節點與所有終端節點可靠通信,這大大簡化了電力線通信路由表的維護工作。

                3基于蟻群算法的LED路燈監控網3.1蟻群算法基本原理是近年來發展起來的、受自然界螞蟻搜尋食物行為啟發得到的并行優化算法。該算法是一種性能優良的啟發式隨機優化算法,采用正反饋機制實現分布式全局優化,通過信息素的不斷更新達到最終收斂于最優路徑上,算法無需進行大量的概率計算或建立復雜的數學模型來進行系統預測,可應用于LED路燈能源監控通信網中路由的組合優化求解,能夠大大提高系統的可靠性和魯棒性。

                3.2基于蟻群理論的組網路由算法設有個節點組成的集合C;螞蟻的數量為w,用<表示兩個節點/和之間的距離。表示,時刻路徑/)上的信息素量,以此來模擬實際螞蟻的分泌物。表示路徑的能見度,反映由節點z到節點y的啟發程度,一般可取為螞蟻4灸=1,2,在運動過程中,根據各條路徑上的信息量決定其轉移方向,用禁忌表to%(眾=1,2,w)來記錄螞蟻A:當前所走過的節點,隨著進化過程動態調整。在搜索過程中,螞蟻根據各條路徑上的信息量及路徑的啟發信息來計算狀態轉移概率。⑷表示在,時刻螞蟻A:由節點/轉移到節點7的狀態轉移概率,其為⑴:-to%表示螞蟻A:下一步允許選擇的節點的集合。由上式可知,4與成正比。a為信息啟發因子,反映了螞蟻在運動過程中所積累的信息素在螞蟻運動時所起的作用,其值越大,則該螞蟻越傾向于選擇其他螞蟻以前經過的路線,螞蟻之間的協作性越強;為啟發式因子,反映了螞蟻在運動過程中啟發信息在螞蟻選擇路徑中受重視程度,其值越大,螞蟻選擇離它近的節點的可能性越大。

                為避免殘留信息素過多引起殘留的信息量淹沒啟發信息,每只螞蟻走完一步或者遍歷完“個節點后,要對殘留信息素進行更新處理。在H時刻路徑M上的信息素量按如下規則進行調整:-p表示信息素揮發系數,為了防止信息的無線積累,p的取值范圍為(0,1);表示本次循環中路徑(i)上的信息素增量,初始時刻Ati;/=0,表不第A:只螞蟻在本次循環中留在路徑(以)上的信息素量。最后通過不同的更新策略完成最終的信息素的更新。

                LED路燈能源監控網中電力線網絡拓撲看作由節點和鏈路構成的圖,G(F,幻。F為節點的集合,五為邊的集合。距離代表兩個節點之間距離表示最小跳數,節點之間的存在直接通信的為跳節點,通過一次路由器時通信的距離增加為1跳。

                4仿真結果為檢驗算法的有效性,建立一個與實際系統相同的網絡拓撲,即由4條支路組成一個星形網絡,每條支路16個節點,中心節點為1號節點,并假設每個節點最遠能覆蓋相鄰的6個節點。每只螞蟻壽命最大為5跳。為每次迭代采用20只螞蟻、對節點65進行路由搜索的一次Matlab仿真結果。其搜索出節點25和節點49或節點25和節點45.可見,最佳路由并不唯一,這也與實際情況相一致。

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