电力线载波通信网络的路由选择方法与流程

本发明涉及电力线载波通信技术领域，特别是涉及一种电力线载波通信网络的路由选择方法。

背景技术：

电力线载波通信是以低压配电网线路为通信通道，利用一定的调制手段，将数据加载在特定的载波信号中，调制后的信号通过非通信线路传播到接收端，接收端通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来并传送到终端设备的一种技术。电力线载波通信的优点是无需架设线路，只要有电力线路即可进行信号传输。

但是，低压电力线载波网络普遍存在载波节点数目多、拓扑结构不稳定、通信环境恶劣、时变性强和周边干扰因素多等问题，容易因为通信网络的变化降低通信成功率和时效性。

因此，传统的电力线载波通信方式可靠性较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对可靠性较低的问题，提供一种电力线载波通信网络的路由选择方法。

一种电力线载波通信网络的路由选择方法，包括以下步骤：

获取所述电力线载波通信网络中的网关节点到目的节点的初始路径，获取所述初始路径的初始信息素浓度；

从所述网关节点向所述目的节点发送多个搜索蚂蚁数据帧，对各个搜索蚂蚁数据帧执行局部信息素浓度更新操作；其中，所述局部信息素浓度更新操作为根据所述初始信息素浓度更新所述搜索蚂蚁数据帧经过的各个中间路径的局部信息素浓度，所述中间路径是从所述网关节点到所述目的节点的路径上相邻两个节点之间的路径；

根据所述局部信息素浓度选择对所述网关节点到所述目标节点的最优路径，并进行全局信息素浓度的更新，将所述最优路径和全局信息素浓度分别作为初始路径和初始信息素浓度进行迭代，直到满足预设的收敛条件，选择迭代得到的最优路径作为所述网关至所述目标节点的路由。

上述电力线载波通信网络的路由选择方法，通过获取网关节点到目的节点的初始路径及其初始信息素浓度，采用搜索蚂蚁数据帧搜索网关节点到目的节点的路径，更新路径上各段中间路径的局部信息素浓度，得到最优路径及其全局信息素浓度，并设置收敛条件，迭代求解网关节点到目的节点的路由，可通过快速的搜索对未知的通信网络进行辨识，找出最优通信路由路径，并能适应通信网络的逻辑拓扑结构的快速变化，提高了电力线载波通信的可靠性。

附图说明

图1为一个实施例的电力线载波通信网络的路由选择方法流程图；

图2为一个实施例的通信节点信息表初始化令牌传递过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行说明。

为了使本发明的技术方案更加清楚，首先对本发明中一些常用的名词进行定义：

定义1搜素蚂蚁数据帧：由网关节点发出的一帧数据，用于搜寻网关节点到目标节点的路径。

定义2搜索蚂蚁寿命：搜索蚂蚁数据帧能被通信节点转发次数的最大值。

定义3信息素全局更新数据帧：网关节点发出的一帧数据，用于最优路径的信息素更新。

定义4信息素局部更新数据帧：网关节点发出的一帧数据，用于本节点到下个节点之间这段路径的信息素更新。

定义5跳数：跳数指的是蚂蚁数据帧从集中器节点到目标电表节点被转发的次数。

网关的任务：负责发起对某个目标节点的组网命令、发起搜索蚂蚁数据帧、寻找最优的通信路径、发起迭代最优信息素更新数据帧、判别收敛条件及更新路由表。

各个节点的任务：判断数据帧类型、根据计算概率选择下一个通信节点，各种数据帧的处理等。

如图1所示，本发明提供一种电力线载波通信网络的路由选择方法，可包括以下步骤：

S1，获取所述电力线载波通信网络中的网关节点到目的节点的初始路径，获取所述初始路径的初始信息素浓度；

在实际应用中，所述网关节点可以是集中器，所述目的节点可以是目标电表。目前，国内外集抄系统下行通信即集中器和电表之间的通信大多采用电力线载波通信方式。

为了获取所述初始路径，可以获取电力线载波通信网络中各个节点的通信表；其中，所述通信表用于存储电力线载波通信网络中与所述节点直接通信的节点的地址信息；根据所述通信表对电力线载波通信网络中的通信节点进行搜索，获取若干条初始路径。

一个节点的通信表是用于存储在通信网络中可以与该节点直接通信的节点的地址信息，为了方便查询，这些地址信息以表的形式放到本节点中，被称为本节点的通信信息表，或简称通信表。通信信息表的初始化就是网络中各个节点获取能与自身通信的其他节点的地址信息的过程。

由于电力线的通信信道是共享的，所以当多个节点与网关节点同时通信时会导致信息的碰撞。为了避免这种情况，本发明采用通信信道分时复用的方式，即同一时间段只有一个节点可以发送数据。具体方案是：当主节点以广播的形式向从节点发送获取地址信息指令时，从节点同时收到命令，收到命令的从节点根据自身唯一的地址号做出相应的延时，然后返回确认信息。设延时基本单位为Δt，假设节点t_i的地址号为Q_i，则该节点的延时时长t_i为：

t_i＝Δt·Q_i；

其中，本次需要获取通信表的节点为主节点，与主节点直接通信的节点为从节点。

各个节点的通信信息表初始化采用的方式是令牌的传递，令牌信息采用单独的令牌数据帧，得到令牌的节点进行自身通信信息表的初始化。通信节点信息表初始化令牌传递过程如图2所示。

对于目的节点，可将各节点的通信表以及最小跳数原则作为约束条件，随机产生网关节点到目的节点的N条路径，并将这些路径作为初始路径。

获取初始路径之后，可以计算各条初始路径的适应度；选择适应度值最大的路径，将选择的初始路径从具有相同节点处断开，将断开处到目标节点的路径进行交换，重新组合得到两条新路径；获取交叉后的初始路径所经过的节点的编号，将任意两个节点的编号的位置互换；获取位置互换后的初始路径的初始信息素浓度。

在一个实施例中，可根据如下公式计算所述适应度：

式中，F(X)为所述适应度，g(X)为预设的目标函数，即动态路由路径中网关节点到目的节点的跳数。

进行路径交换时，可设置路径交换的第一概率。优选地，所述第一概率可以根据如下方式设置：

式中，f_max为所述适应度中的最大者，f_avg为各路径的适应度的平均值，f'为进行交换的两条路径的适应度中的较大者，p_c1和p_c2为预设值，p_c为所述第一概率。

编号互换时，可设置编号互换的第二概率。优选地，所述第二概率可以根据如下方式设置：

式中，f_max为所述适应度中的最大者，f_avg为各路径的适应度的平均值，f'为进行交换的两条路径的适应度中的较大者，p_m1和p_m2为预设值，p_m为所述第二概率。

可从初始路径中根据以上方式筛选出优化路径，判断当前迭代次数n_G，若n_G＞N_G，则记录下这些优化的通信路径并计算筛选出的优化路径的初始信息素浓度。其中，N_G为预设的迭代次数。假设各条路径上初始信息素为给定的常数τ₁，优化路径上的信息素浓度为高于τ₁的一个常数，具体公式为：

τ₀＝τ₁+τ₂；

式中，τ₁为给定的一个信息素常数，τ₀为优化路径上的信息素浓度，τ₂为优化路径对应的等效信息素浓度。

S2，从所述网关节点向所述目的节点发送多个搜索蚂蚁数据帧，对各个搜索蚂蚁数据帧执行局部信息素浓度更新操作；其中，所述局部信息素浓度更新操作为根据所述初始信息素浓度更新所述搜索蚂蚁数据帧经过的各个中间路径的局部信息素浓度，所述中间路径是从所述网关节点到所述目的节点的路径上相邻两个节点之间的路径；

网关节点发起搜索蚂蚁数据帧。该数据帧可包括目的节点的通信地址、路由区及搜索蚂蚁寿命。路由区用于记录蚂蚁到达目的节点前所经过的所有通信节点的地址信息。搜索蚂蚁数据帧每到达一个节点会根据该节点通信表选择下一个访问的节点，并立即更新这段路径的信息素浓度。具体地，可以获取路径转移规则；在所述蚂蚁搜索数据帧在到达当前节点之后，以预设的路径转移概率，并按照所述路径转移规则选择下一个访问的节点；根据如下公式计算从当前节点到下一个访问的节点之间的路径的局部信息素浓度：

其中，τ_ij＝(1-ξ)τ_ij+ξτ₀；

式中，τ_ij为路径(i,j)上的信息素浓度，i为当前节点，j为下一个访问的节点，ξ为局部更新挥发因子，τ₀为初始信息素浓度，τ_min和τ_max为预设常数。

在一个实施例中，可设置路径转移概率如下：

式中，为从节点i到节点j的路径转移概率，τ_ij为路径(i,j)上的信息素浓度，α为信息启发式因子，β为期望启发式因子，η_ij为路径(i,j)上的启发式信息，k表示搜索蚂蚁数据帧的编号，l为与节点i直接通信的所有节点的集合。在此基础上，路径转移规则为：

式中，q₀为状态转移因子，q为0到1之间的随机数，η_il为路径(i,l)上的启发式信息，α为信息启发式因子，β为期望启发式因子，τ_il为路径(i,l)上的信息素浓度，i为当前节点的编号，j为下一个访问的节点的编号，l为与节点i直接通信的所有节点的集合。argmax{[τ_il]^α[η_il]^β}表示[τ_il]^α[η_il]^β取最大值时l的取值。当q≤q₀时，按照先验规律选择路径；当q＞q₀时，按照概率进行路径搜索。

在搜索蚂蚁数据帧从网关节点到达目的节点的过程中，针对每段中间路径执行上述操作，直到到达目的节点。由于搜索蚂蚁数据帧中包含目的节点的地址，当一个节点接收到搜索蚂蚁数据帧时，可以提取该数据帧中的地址，将本节点的地址与搜索蚂蚁数据帧中携带的地址进行比较，若二者相同，可以判定本节点即为目的节点，则蚂蚁搜索已完成，并返回蚂蚁搜索数据确认信息给网关。

S3，根据所述局部信息素浓度选择对所述网关节点到所述目标节点的最优路径，并进行全局信息素浓度的更新，将所述最优路径和全局信息素浓度分别作为初始路径和初始信息素浓度进行迭代，直到满足预设的收敛条件，选择迭代得到的最优路径作为所述网关至所述目标节点的路由。

当一次迭代中所有的蚂蚁都已搜索完成，网关则对最优的路由线路发起信息素更新数据帧，更新后信息素更新返回确认数据帧沿这条路径被转发直到网关收到，开始下一次迭代，不停的重复直到达到收敛条件或迭代最大值。最优路由线路收敛后，将最优路由信息保存到网关中。具体地，收敛条件可以是迭代次数判别条件，即，判断算法是否到达最大迭代次数，若已达到且在达到最大迭代次数以前输出的优化路径不再变化，则记录该条路径作为网关节点到目的节点的最优路径，并将该条最优路径保存到网关节点通信的路由表中。

在获取最优路径之后，还可以根据以下方式对所述最优路径的全局信息素浓度进行更新：

τ_ij＝(1-ρ)τ_ij+ρΔτ_ij；

其中，

式中，Δτ_ij为路径(i,j)上的信息素增量，τ_ij为路径(i,j)上的信息素浓度，ρ为信息素挥发因子，Q为常数，L_ZS为每次迭代的最优路径长度，i为当前节点的编号，j为下一个访问的节点的编号。

本发明具有以下优点：

(1)在不知网关节点和目的节点连接关系的情况下，传统的人工指定中继的方式已经不能满足实际需求。本路由算法可通过快速的搜索对未知的通信网络进行辨识，找出网关节点到目的节点的最优通信路由路径。

(2)低压电力线载波通信网络中经常有用户的投入和退出，使得通信网络的逻辑拓扑结构时刻在变化中。本路由算法适应这种变化，能够快速找出网关节点到目的节点的最优通信路由路径。

(3)低压电力线具有高噪声、高衰减、负载多等特征，通信信道容易受到这些因素的影响，本算法在某些通信节点受到破坏时对整个通信网络进行重新的组网，具有较强的抗毁性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。