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基于虛擬MAC的電力線載波與無線融合及業(yè)務(wù)分配策略研究

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配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的末端環(huán)節(jié)，直接面向社會(huì)和客戶，其網(wǎng)絡(luò)性能直接影響用戶體驗(yàn)和供電可靠性。隨著配電網(wǎng)逐步向配電物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，現(xiàn)有電力線載波通信(PLC)因面臨線路分支、脈沖干擾、有色噪聲、地磁干擾等影響，在通信可靠性上存在明顯的弊端。無線通信網(wǎng)絡(luò)具有成本低廉，易于維護(hù)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)我國智能電網(wǎng)的構(gòu)建有積極作用，是配電網(wǎng)中重要的通信手段。但無線通信的信道質(zhì)量受建筑物遮擋等因素的影響，存在處于配電室、表箱等位置的節(jié)點(diǎn)無法正常通信的問題。因此，采用單一的通信方式已無法滿足配電網(wǎng)的通信需求。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了保證配電網(wǎng)通信的可靠性，目前學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的認(rèn)為電力線與無線技術(shù)相結(jié)合是解決單一通信方式問題的有效手段。融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠結(jié)合各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)合作增益，提升配電網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸性能。IEEE 1905 協(xié)議提出了虛擬 MAC 層的基礎(chǔ)架構(gòu)，在邏輯鏈路層(LLC)和媒體接入層(MAC) 層之間建立抽象層 (AL) 來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)(IEEE802.3)、無線局域網(wǎng)(IEEE802.11)、電力線載波(IEEE1901)、同軸電纜(MoCA) 4 種通信技術(shù)的融合，然而 IEEE 1905 協(xié)議未考慮多跳網(wǎng)絡(luò)的融合，也未對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)融合的資源分配策略進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)提出了兩種適用于配電網(wǎng)的組網(wǎng)融合方案，一種針對(duì)于對(duì)通信可靠性要求較高的區(qū)域，采用 PLC 與無線互為備份的方式，這種方式無法解決配電室中的中央?yún)f(xié)調(diào)器(CCO)與樓道中的代理協(xié)調(diào)器(PCO)無法通信的問題，另一種針對(duì)于覆蓋區(qū)域較大，站點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的場景下，采用 PLC 與無線級(jí)聯(lián)通信的組網(wǎng)方案，這種方式配置成本高、運(yùn)維復(fù)雜。文獻(xiàn)提出一種基于鏈路感知一致性的融合通信組網(wǎng)算法，側(cè)重于解決融合網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和拓?fù)鋬?yōu)化問題。

融合網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)與功能示意圖

同時(shí)，配電網(wǎng)為了綜合利用不同通信方式的特點(diǎn)，在保證業(yè)務(wù)可靠性的同時(shí)提升系統(tǒng)的資源利用率，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路選擇與分配策略算法也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)提出了一種基于信噪比優(yōu)選的載波和無線通信的物理層融合方法，這種方法在物理層選取 2 路信號(hào)中信噪比較高的一路進(jìn)行接收，浪費(fèi)了其中一路資源。文獻(xiàn)采用經(jīng)典的輪詢算法進(jìn)行資源調(diào)度分配業(yè)務(wù)，周期性地對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)包按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的策略進(jìn)行輪詢發(fā)送，這種方法設(shè)計(jì)簡單，但缺乏靈活性。文獻(xiàn)提出一種基于層次分析法的網(wǎng)絡(luò)切換算法，以時(shí)延、帶寬、經(jīng)濟(jì)性和丟包率作為判決指標(biāo)進(jìn)行決策，但未考慮各網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際業(yè)務(wù)承載情況，不利于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)載均衡。文獻(xiàn)提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適用的 M/M/1 排隊(duì)論模型，模擬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多流傳輸，這種方法整個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)服務(wù)速率一致的整體，未考慮到配電系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)的變化。文獻(xiàn)提出了一種基于遺傳算法的風(fēng)電、光伏和光熱聯(lián)合調(diào)度策略，這種方法在實(shí)現(xiàn)上有許多參數(shù)，這種參數(shù)的選取大部分依靠經(jīng)驗(yàn)，可靠性不足。文獻(xiàn)基于 D-S 證據(jù)理論對(duì)多數(shù)據(jù)進(jìn)行混合分析，這種方法在實(shí)際計(jì)算上存在指數(shù)到爆炸的問題。文獻(xiàn)基于灰色模糊理論來確定優(yōu)先級(jí)，由模糊矩陣確定權(quán)重和上界，這種方法算法復(fù)雜度高，數(shù)據(jù)處理量大。

單跳網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流分配算法流程圖

綜合上述分析，本文面向當(dāng)前電力線與無線融合網(wǎng)絡(luò)研究中存在的問題，基于虛擬 MAC 層設(shè)計(jì)電力線通信與無線通信的融合方案，細(xì)化虛擬 MAC 業(yè)務(wù)流分配方案。接著分析驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的融合與分配方案能有效降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電力線與無線融合提供了參考。

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基金資助項(xiàng)目：國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目“寬帶電力線載波與無線融合通信技術(shù)研究及芯片研制”(5455HT170028).

Project supported by Science and Technology Project of SGCC "Research on the Fusion of Broadband Power Line and Wireless Communications and Chip Development " (5455HT170028).