本發(fā)明涉及電力線載波通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的路由選擇方法。

背景技術(shù)：

電力線載波通信是以低壓配電網(wǎng)線路為通信通道，利用一定的調(diào)制手段，將數(shù)據(jù)加載在特定的載波信號(hào)中，調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)非通信線路傳播到接收端，接收端通過(guò)專用的電力線調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電力線上分離出來(lái)并傳送到終端設(shè)備的一種技術(shù)。電力線載波通信的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需架設(shè)線路，只要有電力線路即可進(jìn)行信號(hào)傳輸。

但是，低壓電力線載波網(wǎng)絡(luò)普遍存在載波節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、通信環(huán)境惡劣、時(shí)變性強(qiáng)和周邊干擾因素多等問(wèn)題，容易因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的變化降低通信成功率和時(shí)效性。

因此，傳統(tǒng)的電力線載波通信方式可靠性較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)可靠性較低的問(wèn)題，提供一種電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的路由選擇方法。

一種電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的路由選擇方法，包括以下步驟：

獲取所述電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的初始路徑，獲取所述初始路徑的初始信息素濃度；

從所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向所述目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀，對(duì)各個(gè)搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀執(zhí)行局部信息素濃度更新操作；其中，所述局部信息素濃度更新操作為根據(jù)所述初始信息素濃度更新所述搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)的各個(gè)中間路徑的局部信息素濃度，所述中間路徑是從所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到所述目的節(jié)點(diǎn)的路徑上相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑；

根據(jù)所述局部信息素濃度選擇對(duì)所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，并進(jìn)行全局信息素濃度的更新，將所述最優(yōu)路徑和全局信息素濃度分別作為初始路徑和初始信息素濃度進(jìn)行迭代，直到滿足預(yù)設(shè)的收斂條件，選擇迭代得到的最優(yōu)路徑作為所述網(wǎng)關(guān)至所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由。

上述電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的路由選擇方法，通過(guò)獲取網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的初始路徑及其初始信息素濃度，采用搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀搜索網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，更新路徑上各段中間路徑的局部信息素濃度，得到最優(yōu)路徑及其全局信息素濃度，并設(shè)置收斂條件，迭代求解網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由，可通過(guò)快速的搜索對(duì)未知的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行辨識(shí)，找出最優(yōu)通信路由路徑，并能適應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化，提高了電力線載波通信的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為一個(gè)實(shí)施例的電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的路由選擇方法流程圖；

圖2為一個(gè)實(shí)施例的通信節(jié)點(diǎn)信息表初始化令牌傳遞過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說(shuō)明。

為了使本發(fā)明的技術(shù)方案更加清楚，首先對(duì)本發(fā)明中一些常用的名詞進(jìn)行定義：

定義1搜素螞蟻數(shù)據(jù)幀：由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的一幀數(shù)據(jù)，用于搜尋網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑。

定義2搜索螞蟻壽命：搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀能被通信節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的最大值。

定義3信息素全局更新數(shù)據(jù)幀：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的一幀數(shù)據(jù)，用于最優(yōu)路徑的信息素更新。

定義4信息素局部更新數(shù)據(jù)幀：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的一幀數(shù)據(jù)，用于本節(jié)點(diǎn)到下個(gè)節(jié)點(diǎn)之間這段路徑的信息素更新。

定義5跳數(shù)：跳數(shù)指的是螞蟻數(shù)據(jù)幀從集中器節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)電表節(jié)點(diǎn)被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)。

網(wǎng)關(guān)的任務(wù)：負(fù)責(zé)發(fā)起對(duì)某個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)命令、發(fā)起搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀、尋找最優(yōu)的通信路徑、發(fā)起迭代最優(yōu)信息素更新數(shù)據(jù)幀、判別收斂條件及更新路由表。

各個(gè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)：判斷數(shù)據(jù)幀類型、根據(jù)計(jì)算概率選擇下一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，各種數(shù)據(jù)幀的處理等。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的路由選擇方法，可包括以下步驟：

S1，獲取所述電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的初始路徑，獲取所述初始路徑的初始信息素濃度；

在實(shí)際應(yīng)用中，所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以是集中器，所述目的節(jié)點(diǎn)可以是目標(biāo)電表。目前，國(guó)內(nèi)外集抄系統(tǒng)下行通信即集中器和電表之間的通信大多采用電力線載波通信方式。

為了獲取所述初始路徑，可以獲取電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信表；其中，所述通信表用于存儲(chǔ)電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中與所述節(jié)點(diǎn)直接通信的節(jié)點(diǎn)的地址信息；根據(jù)所述通信表對(duì)電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搜索，獲取若干條初始路徑。

一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信表是用于存儲(chǔ)在通信網(wǎng)絡(luò)中可以與該節(jié)點(diǎn)直接通信的節(jié)點(diǎn)的地址信息，為了方便查詢，這些地址信息以表的形式放到本節(jié)點(diǎn)中，被稱為本節(jié)點(diǎn)的通信信息表，或簡(jiǎn)稱通信表。通信信息表的初始化就是網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取能與自身通信的其他節(jié)點(diǎn)的地址信息的過(guò)程。

由于電力線的通信信道是共享的，所以當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信時(shí)會(huì)導(dǎo)致信息的碰撞。為了避免這種情況，本發(fā)明采用通信信道分時(shí)復(fù)用的方式，即同一時(shí)間段只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。具體方案是：當(dāng)主節(jié)點(diǎn)以廣播的形式向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送獲取地址信息指令時(shí)，從節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到命令，收到命令的從節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身唯一的地址號(hào)做出相應(yīng)的延時(shí)，然后返回確認(rèn)信息。設(shè)延時(shí)基本單位為Δt，假設(shè)節(jié)點(diǎn)t_i的地址號(hào)為Q_i，則該節(jié)點(diǎn)的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)t_i為：

t_i＝Δt·Q_i；

其中，本次需要獲取通信表的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，與主節(jié)點(diǎn)直接通信的節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。

各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信信息表初始化采用的方式是令牌的傳遞，令牌信息采用單獨(dú)的令牌數(shù)據(jù)幀，得到令牌的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身通信信息表的初始化。通信節(jié)點(diǎn)信息表初始化令牌傳遞過(guò)程如圖2所示。

對(duì)于目的節(jié)點(diǎn)，可將各節(jié)點(diǎn)的通信表以及最小跳數(shù)原則作為約束條件，隨機(jī)產(chǎn)生網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的N條路徑，并將這些路徑作為初始路徑。

獲取初始路徑之后，可以計(jì)算各條初始路徑的適應(yīng)度；選擇適應(yīng)度值最大的路徑，將選擇的初始路徑從具有相同節(jié)點(diǎn)處斷開(kāi)，將斷開(kāi)處到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑進(jìn)行交換，重新組合得到兩條新路徑；獲取交叉后的初始路徑所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，將任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)的位置互換；獲取位置互換后的初始路徑的初始信息素濃度。

在一個(gè)實(shí)施例中，可根據(jù)如下公式計(jì)算所述適應(yīng)度：

式中，F(xiàn)(X)為所述適應(yīng)度，g(X)為預(yù)設(shè)的目標(biāo)函數(shù)，即動(dòng)態(tài)路由路徑中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。

進(jìn)行路徑交換時(shí)，可設(shè)置路徑交換的第一概率。優(yōu)選地，所述第一概率可以根據(jù)如下方式設(shè)置：

式中，f_max為所述適應(yīng)度中的最大者，f_avg為各路徑的適應(yīng)度的平均值，f'為進(jìn)行交換的兩條路徑的適應(yīng)度中的較大者，p_c1和p_c2為預(yù)設(shè)值，p_c為所述第一概率。

編號(hào)互換時(shí)，可設(shè)置編號(hào)互換的第二概率。優(yōu)選地，所述第二概率可以根據(jù)如下方式設(shè)置：

式中，f_max為所述適應(yīng)度中的最大者，f_avg為各路徑的適應(yīng)度的平均值，f'為進(jìn)行交換的兩條路徑的適應(yīng)度中的較大者，p_m1和p_m2為預(yù)設(shè)值，p_m為所述第二概率。

可從初始路徑中根據(jù)以上方式篩選出優(yōu)化路徑，判斷當(dāng)前迭代次數(shù)n_G，若n_G＞N_G，則記錄下這些優(yōu)化的通信路徑并計(jì)算篩選出的優(yōu)化路徑的初始信息素濃度。其中，N_G為預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)。假設(shè)各條路徑上初始信息素為給定的常數(shù)τ₁，優(yōu)化路徑上的信息素濃度為高于τ₁的一個(gè)常數(shù)，具體公式為：

τ₀＝τ₁+τ₂；

式中，τ₁為給定的一個(gè)信息素常數(shù)，τ₀為優(yōu)化路徑上的信息素濃度，τ₂為優(yōu)化路徑對(duì)應(yīng)的等效信息素濃度。

S2，從所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向所述目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀，對(duì)各個(gè)搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀執(zhí)行局部信息素濃度更新操作；其中，所述局部信息素濃度更新操作為根據(jù)所述初始信息素濃度更新所述搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)的各個(gè)中間路徑的局部信息素濃度，所述中間路徑是從所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到所述目的節(jié)點(diǎn)的路徑上相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑；

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)起搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀。該數(shù)據(jù)幀可包括目的節(jié)點(diǎn)的通信地址、路由區(qū)及搜索螞蟻壽命。路由區(qū)用于記錄螞蟻到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)前所經(jīng)過(guò)的所有通信節(jié)點(diǎn)的地址信息。搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀每到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)該節(jié)點(diǎn)通信表選擇下一個(gè)訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)，并立即更新這段路徑的信息素濃度。具體地，可以獲取路徑轉(zhuǎn)移規(guī)則；在所述螞蟻搜索數(shù)據(jù)幀在到達(dá)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)之后，以預(yù)設(shè)的路徑轉(zhuǎn)移概率，并按照所述路徑轉(zhuǎn)移規(guī)則選擇下一個(gè)訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)；根據(jù)如下公式計(jì)算從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)之間的路徑的局部信息素濃度：

其中，τ_ij＝(1-ξ)τ_ij+ξτ₀；

式中，τ_ij為路徑(i,j)上的信息素濃度，i為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，j為下一個(gè)訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)，ξ為局部更新?lián)]發(fā)因子，τ₀為初始信息素濃度，τ_min和τ_max為預(yù)設(shè)常數(shù)。

在一個(gè)實(shí)施例中，可設(shè)置路徑轉(zhuǎn)移概率如下：

式中，為從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的路徑轉(zhuǎn)移概率，τ_ij為路徑(i,j)上的信息素濃度，α為信息啟發(fā)式因子，β為期望啟發(fā)式因子，η_ij為路徑(i,j)上的啟發(fā)式信息，k表示搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀的編號(hào)，l為與節(jié)點(diǎn)i直接通信的所有節(jié)點(diǎn)的集合。在此基礎(chǔ)上，路徑轉(zhuǎn)移規(guī)則為：

式中，q₀為狀態(tài)轉(zhuǎn)移因子，q為0到1之間的隨機(jī)數(shù)，η_il為路徑(i,l)上的啟發(fā)式信息，α為信息啟發(fā)式因子，β為期望啟發(fā)式因子，τ_il為路徑(i,l)上的信息素濃度，i為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，j為下一個(gè)訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，l為與節(jié)點(diǎn)i直接通信的所有節(jié)點(diǎn)的集合。argmax{[τ_il]^α[η_il]^β}表示[τ_il]^α[η_il]^β取最大值時(shí)l的取值。當(dāng)q≤q₀時(shí)，按照先驗(yàn)規(guī)律選擇路徑；當(dāng)q＞q₀時(shí)，按照概率進(jìn)行路徑搜索。

在搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，針對(duì)每段中間路徑執(zhí)行上述操作，直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。由于搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀中包含目的節(jié)點(diǎn)的地址，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀時(shí)，可以提取該數(shù)據(jù)幀中的地址，將本節(jié)點(diǎn)的地址與搜索螞蟻數(shù)據(jù)幀中攜帶的地址進(jìn)行比較，若二者相同，可以判定本節(jié)點(diǎn)即為目的節(jié)點(diǎn)，則螞蟻搜索已完成，并返回螞蟻搜索數(shù)據(jù)確認(rèn)信息給網(wǎng)關(guān)。

S3，根據(jù)所述局部信息素濃度選擇對(duì)所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，并進(jìn)行全局信息素濃度的更新，將所述最優(yōu)路徑和全局信息素濃度分別作為初始路徑和初始信息素濃度進(jìn)行迭代，直到滿足預(yù)設(shè)的收斂條件，選擇迭代得到的最優(yōu)路徑作為所述網(wǎng)關(guān)至所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由。

當(dāng)一次迭代中所有的螞蟻都已搜索完成，網(wǎng)關(guān)則對(duì)最優(yōu)的路由線路發(fā)起信息素更新數(shù)據(jù)幀，更新后信息素更新返回確認(rèn)數(shù)據(jù)幀沿這條路徑被轉(zhuǎn)發(fā)直到網(wǎng)關(guān)收到，開(kāi)始下一次迭代，不停的重復(fù)直到達(dá)到收斂條件或迭代最大值。最優(yōu)路由線路收斂后，將最優(yōu)路由信息保存到網(wǎng)關(guān)中。具體地，收斂條件可以是迭代次數(shù)判別條件，即，判斷算法是否到達(dá)最大迭代次數(shù)，若已達(dá)到且在達(dá)到最大迭代次數(shù)以前輸出的優(yōu)化路徑不再變化，則記錄該條路徑作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，并將該條最優(yōu)路徑保存到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信的路由表中。

在獲取最優(yōu)路徑之后，還可以根據(jù)以下方式對(duì)所述最優(yōu)路徑的全局信息素濃度進(jìn)行更新：

τ_ij＝(1-ρ)τ_ij+ρΔτ_ij；

其中，

式中，Δτ_ij為路徑(i,j)上的信息素增量，τ_ij為路徑(i,j)上的信息素濃度，ρ為信息素?fù)]發(fā)因子，Q為常數(shù)，L_ZS為每次迭代的最優(yōu)路徑長(zhǎng)度，i為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，j為下一個(gè)訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)在不知網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的情況下，傳統(tǒng)的人工指定中繼的方式已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求。本路由算法可通過(guò)快速的搜索對(duì)未知的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行辨識(shí)，找出網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)通信路由路徑。

(2)低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常有用戶的投入和退出，使得通信網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)刻在變化中。本路由算法適應(yīng)這種變化，能夠快速找出網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)通信路由路徑。

(3)低壓電力線具有高噪聲、高衰減、負(fù)載多等特征，通信信道容易受到這些因素的影響，本算法在某些通信節(jié)點(diǎn)受到破壞時(shí)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新的組網(wǎng)，具有較強(qiáng)的抗毀性。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說(shuō)明書(shū)記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。