论文部分内容阅读
智能电网是集信息、控制、通信、电力等多种技术为一体的智能电力双向通信网络。它可以显著改善传统电力网络的健壮性、有效性和可靠性等性能,使电网更加高效、智能、安全、清洁、经济等。智能电网主要包括电力网络和通信网络两部分。而通信网络是实现智能电网通信的核心部分,主要包括家域网、邻域网和广域网。其中邻域网主要负责实现家域网和广域网之间各类信息的交互,是智能电网通信网络的关键组成部分。邻域网的通信环境复杂且恶劣,其节点能力和节点之间的链路质量均在一定程度上受到限制,属于低功耗有损网络。因此研究高效、可靠的邻域网通信技术显得尤为重要,而邻域网路由协议的研究设计则是重中之重。目前有研究指出可将低功耗有损网络路由协议(Routing Protocol for Low-power and lossy networks,RPL)应用于邻域网,但该协议并非专门为邻域网设计,尚不能完全满足邻域网的应用要求。为此本文以低功耗有损网络路由协议为基础,设计了几种满足邻域网应用要求的路由协议,实现邻域网的高效、可靠运行。本文将重点研究分析目前适用于邻域网的各种无线通信技术;其次以低功耗有损网络路由协议为基础设计几种适用于邻域网的路由协议;最后对比分析这些新设计的邻域网路由协议。具体的研究内容如下:1.智能电网邻域网可采用的无线通信技术研究智能电网邻域网采用无线通信技术可高效、灵活地实现信息的收集、传播及处理等工作。本部分首先对比分析了邻域网采用的有线通信技术和无线通信技术;其次,深入研究了邻域网目前可采用的多种无线通信技术;最后,提出根据具体的应用场景采用混合无线通信技术可显著改善网络性能,满足应用需求。2.基于三角模算子的邻域网RPL路由协议研究现有RPL及其部分相关改进协议在拓扑构建或路由选择时仅考虑单一方面的路由度量(如跳数),并未综合评估候选父节点的能力。此外有研究提出依据两个或三个路由度量评估候选父节点的能力,但各个路由度量的权重(重要程度)分配多是基于专家个人经验,主观性太强等。为此本部分提出一种基于三角模算子的邻域网RPL路由协议(RPL based on Triangle Module Operator for NAN,RPL-TMO)。RPL-TMO提出在网络拓扑构建和路由选择时采用复合路由度量,该复合路由度量综合评估了候选父节点的时延、跳数、期望传输次数、剩余能量、子节点数。并构造上述各种路由度量的隶属度函数。其次,RPL-TMO提出依据三角模算子融合各个路由度量的隶属度函数,构建新的复合目标函数。第三,RPL-TMO依据最大隶属度原则确定各个候选父节点成为偏好父节点(下一跳节点)的可能性。第四,RPL-TMO提出新的节点秩(rank)值计算和偏好父节点选择机制,从而选择最佳节点为偏好父节点。最后实验结果表明RPL-TMO可显著改善网络性能,满足邻域网的应用要求。3.基于混沌遗传算法的邻域网RPL路由协议研究针对目前低功耗有损网络路由协议在选择偏好父节点时未综合评估候选父节点各个方面的路由度量;或评估多个路由度量时,各个路由度量的权重分配无科学的理论依据等问题。本部分提出一种基于混沌遗传算法的邻域网RPL路由协议(RPL based on Chaotic Genetic Algorithm for NAN,RPL-CGA)。RPL-CGA提出在选择偏好父节点时应综合评估候选父节点的缓存队列长度、端到端时延、剩余能量率、跳数和期望传输次数;并通过数学分析证明了上述各个路由度量均满足一致性、最优性和无环路的特点,均可组合成复合路由度量。其次,基于上述路由度量,RPL-CGA提出复合路由度量和复合目标函数。第三,RPL-CGA提出依据混沌遗传算法确定复合目标函数中各个路由度量的权重系数分布。且权重系数可根据网络的实际运行情况实时更改。第四,RPL-CGA提出新的计算节点秩值和偏好父节点选择机制。最后,通过仿真实验证明了 RPL-CGA协议的有效性和可靠性。4.基于模糊层次分析法的邻域网RPL路由协议研究本部分提出一种基于模糊层次分析法的邻域网RPL路由协议(RPL based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process for NAN,RPL-FAHP)。RPL-FAHP提出在选择偏好父节点时,应综合评估候选父节点的剩余能量、期望传输次数、时延及跳数。其次,RPL-FAHP提出新的复合目标函数并采用模糊层次分析法确定复合目标函数中各个路由度量的权重系数。第三,提出调和候选父节点集合大小与RPL-FAHP协议执行关系机制。最后理论分析和仿真结果均表明RPL-FAHP在网络寿命、时延等方面均比其他相关典型协议更有优势。5.基于组合赋权方法的邻域网RPL路由协议研究针对目前邻域网RPL协议在拓扑构建和路由选择时存在较大的控制开销、较高的能耗且无合理的权重分配理论用于确定复合目标函数中各个路由度量的权重等问题,本部分提出基于组合赋权法的邻域网 RPL 路由协议(RPL based on Combination Weighting Method for NAN,RPL-CWM)。RPL-CWM提出一种新的拓扑构建过程以降低控制开销,提高网络构建效率。其次,RPL-CWM提出一种新的情景感知复合路由度量(Context AwareComposite Routing Metric,CAC-RM),CAC-RM在拓扑构建和路由选择时综合评估节点的剩余能量指数、缓存占用率、期望传输次数、时延和跳数。CAC-RM采用迭代的方式评估候选父节点以及该候选父节点的偏好父节点的剩余能量指数和缓存占用率,从而更进一步的考虑父节点性能的影响。同时CAC-RM提出综合利用路径上各链路的期望传输次数和时延的和值、均值和均方差方法评估通过候选父节点路径的质量。第三,RPL-CWM提出一种新的情景感知复合目标函数(Context AwareComposite Objective Function,CAC-OF)并采用组合赋权法确定CAC-OF中各个路由度量的权重。第四,RPL-CWM提出新的计算节点秩值和偏好父节点选择等机制。最后实验结果表明,RPL-CWM在控制开销、网络寿命等方面均优于现有代表性的RPL相关协议,可更好地应用于邻域网。6.几种新提出的邻域网RPL路由协议的对比分析本部分主要深入对比分析了上述几种新提出的智能电网邻域网RPL路由协议。并指出现阶段对智能电网邻域网路由协议设计的认识和理解。为今后的研究提供一定的理论基础。最后总结全文并指出下一步的研究方向。