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低压配电网电力线载波通信动态组网方法研究

作　者: 戚佳金
导　师: 徐殿国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 电力线通信组网方法分簇算法蚁群优化算法网络重构可靠性
分类号: TN915.853
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 522次
引　用: 3次
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内容摘要

电力线载波通信(Power Line Communications,PLC)技术能够充分利用最为普及的电力网络资源,在传输电力的同时,承载数据、语音和视频等多项业务,具有建设速度快、投资少、无需室内布线等特点,具备其他接入方式不可比拟的优势。同时,随着电力线宽带接入网和基于电力线通信的较大规模监控系统的发展,对电力线通信网络的可靠性提出了更高的要求。在电力线通信网络规模较大时,其可靠性问题的关键是在动态变化的信道条件下,节点间通信链路是否能够可靠连接。在以往的文献和研究成果中,主要关注于相邻两节点之间的通信可靠性,从物理层的信道模型、噪声抑制、调制解调等方面考虑提高电力线通信可靠性,而对电力线通信网络可靠性的研究较少。本文从电力线通信网络的连通性及有效性两个方面出发,对提高电力线通信网络可靠性方法进行研究。分析了专家学者关于电力线信道输入阻抗、噪声、反射特性和信道模型等方面的研究内容,从中归纳出电力线信道的动态特性。根据典型的低压配电网电力线通信网络提炼出其物理网络拓扑结构和网络逻辑拓扑结构,得出电力线通信网络失效的原因,并据此提出了电力线组网的策略和要求。在此基础上,文中提出了组网模型和路径优化目标函数。利用AdHoc网络中关于网络分簇分层的思想,提出一种低压配电网电力线通信网络的分簇路由算法和网络重构方法。文中研究了电力线通信网络的分簇初始化算法步骤以及网络可重构算法的实现,分析了时序分配等问题,并通过仿真实验验证了该算法的可行性。由于分簇路由算法是基于非交叠路径的选择,其生成的路径是唯一的。虽然其具有计算量小,容易工程实现等优点,但是其缺乏有效的网络优化。考虑电力线通信网络组网路径的优化要求,提出将蚁群优化算法应用到电力线通信网络路径寻优中来。文中较为深入地分析了将蚁群优化算法引入到电力线网络路径寻优中来的可行性、快速性、鲁棒性等基础问题。通过算法各方面的性能比较,认为ACS适合于应用到电力线组网算法中。在考虑电力线通信网络的可连通性(包括生存性和抗毁性)的基础上,提出一种基于蚁群算法的以“最小跳数”为优化目标的路径寻优方法,使得电力线载波通信网络的通信范围得以扩展,实现网络内任意节点之间的可靠链接。并以仿真实验从抗毁性和生存性两个角度加以验证。进一步,文中考虑电力线通信网络的有效性要求,结合低压配电网电力线载波通信信道特有的特征,考虑电力线通信网络节点间的误码率、延时和服务类型等问题,改进优化目标函数,从定量角度提出并使用仿真实验验证该种多目标蚁群优化路径算法的有效性。为给后续的工程应用提供实现的方法,以低压电力线窄带通信网络的蚁群动态组网算法实现过程为例,对算法实现过程中的中心节点和普通节点进行任务划分。阐述了算法实现的具体步骤,提出了中心节点和节点程序框架设计的方法。同时,对基于PLC的动态网络路由算法进行了软件设计的层次划分及层次设计,这为PLC网络组网方法的实际应用提供了参考。

全文目录

摘要  11-13
Abstract  13-15
第1章绪论  15-32
  1.1 引言  15-16
  1.2 研究的目的和意义  16
  1.3 电力线数据通信研究现状  16-24
    1.3.1 电力线通信的发展  16-18
    1.3.2 电力线网络输入阻抗测试研究  18-19
    1.3.3 电力线网络信道衰减特性研究  19-20
    1.3.4 电力线网络信道噪声特性研究  20-23
    1.3.5 电力线网络信道模型研究  23-24
  1.4 低压电力线通信研究存在问题及对应的解决方法  24-30
    1.4.1 阻抗匹配及耦合电路设计研究  25
    1.4.2 电力线噪声抑制技术研究  25-26
    1.4.3 OFDM 在电力线通信中的创新及应用  26-28
    1.4.4 跳频调制解调技术在电力线通信中的创新与应用  28-29
    1.4.5 电力线载波通信组网技术  29-30
  1.5 本文研究主要内容  30-32
第2章电力线通信网络模型与组网策略  32-45
  2.1 引言  32
  2.2 低压配电网电力线通性网络拓扑与特征  32-38
    2.2.1 电力线通信网络物理结构特点  32-36
    2.2.2 电力线通信网络的动态逻辑拓扑  36-38
  2.3 电力线通信网络通信组网策略与要求  38-41
    2.3.1 电力线通信网络通信失效原因  38-39
    2.3.2 增强电力线通信网络通信可靠性策略  39-40
    2.3.3 电力线通信网络的组网要求  40-41
  2.4 低压配电网电力线通信网络组网模型  41-44
  2.5 本章小结  44-45
第3章电力线通信网络分簇组网算法及网络重构  45-63
  3.1 引言  45
  3.2 Ad Hoc 网络及电力线通信网分簇基本概念  45-48
  3.3 分簇组网初始化算法  48-52
    3.3.1 基本定义和概念  48-50
    3.3.2 非交叠分簇路由初始化算法  50-52
  3.4 分簇路由维护与重构算法  52-55
    3.4.1 组网维护原则  52
    3.4.2 网络重构算法  52-54
    3.4.3 数据分组结构设计  54-55
    3.4.4 节点事件响应流程  55
  3.5 仿真实验与结果分析  55-58
    3.5.1 仿真环境与参数  55-56
    3.5.2 仿真结果与分析  56-58
  3.6 分簇路由算法时序分配  58-62
    3.6.1 信道时间间隔的设定  58-59
    3.6.2 信道时序分配方法  59-60
    3.6.3 两种信道时序分配算法仿真测试  60-62
  3.7 本章小结  62-63
第4章用于电力线通信组网的蚁群算法基础分析  63-77
  4.1 引言  63
  4.2 蚁群算法基本概念  63-64
  4.3 蚁群算法基本理论  64-66
  4.4 蚁群路由算法可行性分析  66-68
  4.5 蚁群路由算法快速性分析  68-75
    4.5.1 ACS 算法快速性仿真分析  68-72
    4.5.2 MMAS 算法快速性仿真分析  72-74
    4.5.3 基于可变 q_0 值的改进蚁群算法快速性  74-75
  4.6 蚁群路由算法鲁棒性分析  75-76
  4.7 本章小结  76-77
第5章低压电力线通信网络蚁群优化组网算法  77-104
  5.1 引言  77
  5.2 电力线网络单目标优化参数设计  77-78
  5.3 单目标动态路由算法及仿真  78-80
  5.4 单目标动态路由算法的抗毁性及生存性验证  80-82
    5.4.1 线路干扰状态网络的抗毁性分析  80-81
    5.4.2 节点故障状态时网络生存性分析  81-82
  5.5 单目标ACS 算法组网负载均衡方法  82-87
    5.5.1 ACS 算法组网负载均衡情况  82-83
    5.5.2 通过信息素初值变参数控制改进算法  83-84
    5.5.3 通过能见度变参数控制改进算法  84-85
    5.5.4 算法改进前后负载均衡情况比较分析  85-86
    5.5.5 算法改进前后对路由优化能力及组网花费比较  86-87
  5.6 多目标优化的蚁群组网算法  87-97
    5.6.1 多目标优化蚁群组网算法设计  88-89
    5.6.2 多目标优化蚁群组网算法步骤  89-90
    5.6.3 电力线信道特性与误码率估算  90-94
    5.6.4 电力线信道延时特性分析  94-97
  5.7 多目标优化算法的仿真实验与分析  97-103
    5.7.1 仿真环境及参数设置  97
    5.7.2 仿真试验结果与分析  97-103
  5.8 本章小结  103-104
第6章电力线通信网络动态组网实现方法  104-117
  6.1 引言  104
  6.2 ACS 算法在PLC 网络中的实现方法  104-111
    6.2.1 任务划分和实现步骤  104-105
    6.2.2 信息表初始化  105-107
    6.2.3 实现ACS 算法的程序结构设计  107-108
    6.2.4 中心节点软件流程框架  108-109
    6.2.5 普通节点软件流程框架  109-111
  6.3 电力线网络组网重构方法和维护策略  111-112
    6.3.1 动态组网网络重构方式  111
    6.3.2 动态组网维护策略  111-112
  6.4 电力线通信网络蚁群动态路由实现初步  112-116
  6.5 本章小结  116-117
结论  117-119
参考文献  119-127
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  127-130
致谢  130-131
个人简历  131

低压配电网电力线载波通信动态组网方法研究

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