0 引言

随着南方电网营销管理集约化和智能化要求的提高，南方五省逐步建立和完善基于低压电力线载波抄表技术和省集中管理的计量自动化系统^[1-2]。传统窄带载波用电信息采集的频带在3~500 kHz范围内，通信速率为kbit/s数量级，而宽带载波带宽范围为2~30 MHz，通信速率可达1 Mbit/s，在南方电网得到广泛重视和推广^[3]。

因宽带载波方案的供应商众多，南方电网宽带载波技术规范虽然可以统一载波通信模块的物理接口，但各厂家应用层通信协议难以完全统一。此外，还会出现在台区用户新装或更换电能表后，宽带载波方案混装或台区调整时部分边缘节点需重新组网（即网络异构）的情况^[4]。此时，需对该类节点进行通信资源的重新分配，解决这些节点链路选择和时隙分配问题。目前，有关载波通信网络链路调度的研究主要针对同构网络，调度方法主要基于启发式的CSMA策略^[5]，且未对影响异构网络通信性能的指标进行优化。本文在分析宽带载波异构网络结构特征的基础上，建立一种综合考虑链路负载、通信成功率和混装兼容性的多目标优化模型，并给出异构网络性能测试方案，并通过案例验证其可行性。

1 低压宽带载波网络结构和协调机制 1.1 网络结构

低压宽带载波通信网络中，定义了3种设备角色：集中器载波模块（Central Coordinator，CCO）、电能表载波模块（Station，STA）、代理协调器（Proxy Co-Ordinator，PCO）^[6]。CCO负责完成组网控制、网络维护管理等工作，其对应的设备实体为集中器本地通信模块。STA是网络中的叶节点，对应的设备实体为电能表、采集器中的本地通信模块。PCO为代理协调器，负责在CCO和STA之间或STA与STA之间中继转发数据。每个电能表、采集器本地通信模块均需支持STA和PCO功能。

宽带载波通信网络是以CCO为中心、以PCO为中继代理，连接所有STA的多层级树形网络^[7]。在新增节点或重新组网时，就有可能形成多个异构网络共存的环境，此时形成如图 1所示的网络拓扑。

1.2 网间协调机制

在异构网络环境中，CCO之间需要首先完成网间协商，确定各自的网络区块划分和从属的节点，避免多个网络使用同一条链路造成同频干扰，保证各个异构网络能够独立稳定组网。信标帧是维护1个宽带载波通信网络的关键报文，不同的载波网络需要占用不同的信标时隙。CCO之间需要进行信标时隙协商，以便各网络在发送信标帧时，避免与其他网络的信标帧冲突。此外，由于带宽限定，同一个物理台区的异构网络环境中，最多支持6个宽带载波通信网络的共存和协调。

CCO启动后，首先进行网络监听，判断周围是否存在处于工作状态的载波网络。该类网络会周期性地发送网间协调帧，以便其他后上电的CCO进行监听。若CCO在监听时间段内接收到邻居网络的网间协调帧，则根据网间协调帧中的信息，按照一定的优先原则进行协商，确定网络特征标识。若没有监听到网间协调帧，则CCO进行独立组网。

根据南方电网计量自动化系统宽带载波通信技术要求，信标周期中可以分配给某个特定优先级或特定种类的业务使用的时隙称为绑定载波侦听多址接入（Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance，CSMA）时隙^[8]，当有多个站点都满足其时隙占用条件时，多个站点之间进一步通过CSMA竞争机制获取使用权。

宽带载波通信网络中的叶节点必须遵循CCO分配的时隙。不同厂家的载波方案组建的网络、数据传输所占用的带宽存在差异，说明信标时隙需求不同。在多个不同频带的宽带载波通信网络并存且产生异构干扰时，CCO之间需要进行时隙协调。协调的目的是将不同网络的信标时隙有序错开，既保证信标时隙不冲突，也确保信标发送的周期性。

资源分配协调时，CCO需要发送网间协调报文，通过报文中的带宽保留时长及带宽的起止时刻偏移等参数，声明本网络的带宽占用。其他CCO探测到该网络的带宽占用后，在声明本网络的带宽占用时，需要避开已被占用的带宽范围。协调报文在本网络的CSMA时隙中发送。

2 异构网络资源优化分配 2.1 传统分配方法

传统带宽资源时隙协调遵循以下2个原则。

（1）退避原则：若存在A和B两个CCO，A能接收到B的网间协调帧，B接收不到A的网间协调帧。若A发现要占用的带宽，B也声明要占用，则A需要退避B，B的带宽占用生效，A需要避开B的带宽，占用其他时隙带宽。

（2）先结束优先原则：若A网络的整个带宽时隙先于B网络结束时，则A可优先占用较近时段。

传统时隙协调方法存在不易从整个时隙调度周期视角做出优化判断的问题。此外，其采用当前通信状态良好的链路优先选择的启发式方法，但未能全面考虑影响通信性能的因素。若网络A和网络B的信标周期结束时刻相差不远，CCO都能接收到协调帧，而传统方法无法根据信道的兼容性、通信成功率等情况从整个调度周期全面评估时隙分配的优先级，可能造成通信质量下降或资源浪费。此外，信号良好、远离干扰源、靠近安装了中继器节点的链路数据传输效率较高，但大量节点的加入会造成这些节点相关链路的负载率提高，增加时隙冲突与同频干扰的可能，削弱中继节点功能的发挥。

2.2 资源分配优化模型 2.2.1 优化目标

在异构网络组网时对各节点网络资源的优化，主要涉及路由链路资源的分配及时隙协调。本文优化目标主要考虑3个方面。

（1）信道的收发双方能够同路由相匹配，这就要求CCO和STA节点的通信模块厂家和通信协议及通信软件的版本相匹配，即支持互联互通。

（2）各频带对应的链路延迟尽量小。由于宽带载波通信采用半双工方式^[9]，这就要求链路分配时优先选择尚未被占用且负载率低的频带，避免链路拥堵。

（3）链路上的通信可靠性尽量高。要求优先选择通信成功率高且稳定、信道干扰小的网络。

本文提出1种综合考虑路由匹配性、链路负载占用情况和通信成功率的资源分配优化模型。假设载波网络W中的节点总数为T，W的邻接矩阵为A={a_ij}，i、j分别表示W中任意2个节点，i为发送节点，j为接收节点，满足i，j∈N⁺，且{i，j}W。令m= a_ij，m=0表示节点i与节点j之间无链路存在。令S= {S_mn}，表示各时隙的占用关系，且m≤H，n≤D，H和D分别表示调度期内链路和时隙总数。x_mni表示节点i在链路m时隙n是否作为发送端，1表示“是”，0表示“否”。y_mnj表示节点j在链路m时隙n是否作为接收端，1表示“是”，0表示“否”。S_mn的含义如下：

(1)

2.2.2 包含的子目标

根据优化目标，高质量的时隙资源分配要尽可能减少链路冲突，避免使用被占用的链路，同时充分利用空闲的链路资源。载波信道可在1个数据采集周期内使用多个时隙发送数据，则单位时隙内单条链路的数据包平均发送成功率P_m为：

(2)

式中：P_mn为链路m在第n个时隙的数据包发送成功率，根据文献[10]可由式（3）得到：

(3)

其中，P^e_mni和P^e_mnj分别为节点发送或接收1 bit数据成功率的估计值，K ^e为数据包的字节数。

2.2.2.1 子目标1

路由匹配性要求G₁表示如下：

(4)

式中：α_C、α_X、α_B分别表示处在不同网络分区的CCO和STA节点的通信模块厂家、通信协议及通讯软件的版本是否相匹配，1表示“匹配”，0表示“不匹配”。在未经过互联互通实测的情况下，只有这三者同时匹配才能保证通信协议一致。

2.2.2.2 子目标2

为了体现链路负载均衡的优化目标，该目标G₂以各链路负载的方和根表示如下：

(5)

式中：Q_m为链路m的最大负载；假设每次数据传输的时隙均被充分使用且数据在各信道中匀速传输，则各节点的数据传输时间可按照调度周期时隙分配阶段分配的时隙确定，定义L_m为调度周期内通过链路m的数据包字节数，则有：

(6)

其中，N_m为调度周期内链路m分配到的时隙个数，r_m为链路m的数据传输速率，表示单位时隙通过链路m的平均数据流长度。

2.2.2.3 子目标3

以协调域中各链路在各时隙的历史平均发送成功率G₃作为评估链路通信稳定的指标，则有：

(7)

式中：D′为历史时隙集所含时隙总数。

2.2.3 优化模型

建立宽带载波网络资源优化分配模型如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：β_C、β_X、β_B为各子目标的权重系数，L_mn为时隙n内通过链路m的数据包的字节数，Q_i为节点i在调度期需传输的数据包字节数。式（9）—（12）为约束条件。式（9）为半双工模式约束，表示同一节点在同一时隙无法同时收发数据。式（10）表示同一时隙、同一节点无法占用不同链路进行传输。式（11）为各链路的传输负载约束，考虑到链路本身的负载能力有限，引入该约束表示调度周期内各时隙传输总数据量不能超过该链路所能承受的最大负载。式（12）为各节点的传输需求约束，表示调度周期内各节点需要传输的数据包总长度。

3 测试方案

为了验证优化前后的网络资源分配效率，搭建宽带载波异构网络数据采集模拟测试环境。交流电源经隔离变压器与市电隔离并滤波后向试验模拟台区内的集中器工装和电能表工装供电，工装模拟实际的计量设备向被测CCO或STA模块提供电源和弱电信号接口（见图 2）^[10]。上位机通过数据交换机完成通信单元投切、电源控制、抄表命令下发、噪声信号注入和载波信号监测等任务。各台区选若干个电能表工装划入协调区，为了测试噪声影响下不同资源协调方案的抄表效果，设计测试流程如下：

（1）首先进行时钟同步及CCO、STA的上电和初始化，STA上电后请求获取地址。关闭屏蔽箱，将CCO与协调区隔离。

（2）上位机初始化虚拟表，将表地址通过工装的接口回复STA，然后设置所有CCO的主节点地址，清空其原有档案，导入表档案。

（3）等待表档案生效，激活从节点主动注册组网。

（4）非协调区组网完成后，打开屏蔽柜进行协调区组网。

（5）注入噪声，使所有CCO同时抄表，监测链路状态和抄表情况。

4 案例分析

根据以上测试方案，对传统的退避-先结束优先原则资源分配方案与本文方案在多异构网络情况下的性能进行试验和比较。试验中的参数设置为：台区4个，每个台区有5个用户，各台区含协调区电表1只，时隙τ=4 ms，各链路的数据传输速率均为8 bit/τ，调度周期T=45 s，噪声带宽30 kHz，噪声功率5×10^-10 mW，各线路调度周期内的最大允许负载均为4000 Byte。抄表成功率取500次试验中1次抄读成功率的平均值。各节点需传输的数据包总长的参比值均为104 Byte，试验结果中的负载表示为标幺值O*。

图 3和图 4分别为两种分配方案在负载变化的情况下链路最大负载率和抄表成功率的对比。由图 3可见，随着传输数据包的增加，各节点和链路的利用率也随之增大，各链路负载率的最大值均随之增大。在O*≤0.5时，单条链路的传输负载容量基本满足需求，无需多链路调度，故两种方案的最大负载率均较小。当O*＞0.5时，随着需传输数据包的增加，链路的竞争愈加激烈，传统方案的最大负载率迅速增大，在相同O*下均超过了本文方案。这是由于传统方案基于先结束优先的原则，仅考虑当前阶段或相邻时隙的最佳选择，未能从全局角度进行链路的优化调度，路由调度时将数据传输任务集中安排在某些链路，导致这些链路负载过重。在负载超过参比值时，传统方案的负载率甚至超过了线路的最大允许值。本文方案将线路最大负载要求以约束的形式加入调度模型中，因此未出现超载情况。此外，本文方案在整个调度周期进行宏观链路选择和时隙优化调度，因此调度后可找到比传统方案负载更均衡的方案。

从图 4可见，两种方案的抄表成功率在O*≤0.5时均能保持在100%，但传统方案在负载达到或超过参比值时，抄表成功率随着需传输的数据包长度的增加而下降。由图 3可知，传统方案在负载达到参比值时出现满载链路，在干扰信号注入的情况下，该链路传输的数据量超出其承载能力，造成链路拥堵或丢包，抄表成功率下降，且随着负载的进一步增加，抄表失败的情况继续恶化。本文方案在调度时考虑了链路负载均衡的目标和线路最大负载的要求，因此能保持稳定抄表。

5 结束语

为解决宽带载波异构网络的资源分配问题，本文在研究宽带载波组网机制和异构网络特征的基础上，建立了一种综合考虑链路负载、通信成功率和不同载波方案混装兼容性的多目标资源优化分配模型。并给出一种异构网络通信性能自动测试环境的设计方案，测试结果表明，本方案可提高宽带载波链路资源负载的均衡性，减少链路拥堵和丢包情况，抄表成功率优于传统基于退避-先结束优先原则的分配方案。今后对于如何建立更精细的链路数据传输性能模型，以及在链路负载变化的情况下，如何通过动态调整资源分配方案来满足各链路的资源需求，还需进一步研究。