IPv6的低压电力线载波通信组网与接入机制*

文成亮，唐亮，何金星，杜延红，黄盛刚

(重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)



IPv6的低压电力线载波通信组网与接入机制*

文成亮，唐亮，何金星，杜延红，黄盛刚

(重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)

针对低压电力线载波通信网络在数据传输过程中可靠性较低的问题，研究了电力线载波通信网络中现有的组网方法和接入策略，同时引入IPv6地址分配算法和节点接入策略，设计了基于层次树的低压电力线载波通信网络架构，并通过增加冗余节点的方式提高网络稳定性和通信可靠性。测试结果表明，提出的组网算法对于网络结构的鲁棒性和报文传输可靠性都有一定的提升。

低压电力线载波通信; IPv6地址; 组网方法

引　言

电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)是电力系统特有的通信方式，主要利用现有广泛分布的电力线作为通信介质，具备其他接入方式不可比拟的优势[1-2]。但随着电力网络中用户终端设备的增多，使得载波通信网络物理拓扑具有了一定的“时变性”，终端设备对地址和安全性的需求也随之增大。同时，电网内负载具有时变性，这种变化会导致通信信道质量的不稳定甚至使通信链路发生中断，从而导致电网的逻辑拓扑发生变化、降低电力线通信的可靠性[3-5]。此外，IPv6 (Internet Protocol version 6)作为下一代互联网核心技术，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点。将IPv6技术沿用到智能电网中是物联网发展的必然趋势，也是市场的强烈需求[6-7]。但由于低压电力线通信面临着比其他通信方式更为恶劣的信道环境，严重制约了载波信号的传输距离，使得电力线通信的可靠性大大降低[8]。因此，如何将IPv6技术与电力载波通信网络结合，提出适用的组网与接入机制，实现IPv6报文在电力线通信网中可靠传输，是目前亟需解决的问题。

目前，国内外关于IPv6技术在电力载波通信中的应用已有一定的成果。参考文献[9]中提出了适用于测量及家庭控制和区域网络应用的IPv6网络技术在电力线载波通信系统中的使用，基于IEEE 802.15.4标准协议，适用于低功耗有损网络，达到有线网络与无线网络的互操作性。参考文献[10]中IETF工作组提出将运用在无线中的6LoWPAN协议的IPv6技术应用于电力线载波通信中，在IPv6技术的MAC层采用IEEE 802.15.4标准。参考文献[11]介绍了在电力线载波通信中，为确保PLC通信可靠的物理层，使载波通信物理层适合IPv6技术在载波中的应用。参考文献[12]提出了对IPv6报文帧的压缩，从而更好地适用于IPv6网络中。参考文献[13]论述了电力线载波通信中IPv6有效的传输协议、自动测量、配置和管理、安全机制。

鉴于此，将IPv6技术应用于电力载波通信网络，项目组前期提出了基于IPv6技术的载波信息分片独立重传机制，有效降低了载波通信丢包率[7]。通过层次树的地址分配原则构建基于IPv6的电力线载波通信网络，并通过冗余备份路由机制提高节点传输的可靠性。

1　基于IPv6的电力线载波网络地址分配策略

在以低压电力载波通信方式实现的电网信息采集或控制的应用场景中，目前主要采用静态或动态方式完成载波终端节点与集中器的非IP方式的节点ID分配和组网配置。但针对大规模网络应用时，较难实现网络ID自动、高效管控。为此，提出采用IPv6的IP管理机制实现载波终端与集中器统一的IP自动分配与管理机制[14]。

基于IPv6技术的电力载波通信网络中的载波节点与其他网络设备一样，拥有一个全球唯一的64位接口标识地址。电力载波IPv6网络MAC层采用IEEE 802.15.4标准，其传输的最大报文长度为127个字节，若采用64位的长地址作为源地址和目的地址，则在MAC头部的地址域就占用了16个字节，并且在适配层多跳路由时占用6LoWPAN头部域16个字节，从而减小了装载有效负载的长度[6]。因此，在子网内采用IEEE 802.15.4标准的16位短地址作为路由通信地址，即可保证载波终端节点在同一个子网内的短地址的唯一性，也可以独立标识一个唯一的IPv6载波节点，通过16位的短地址和PANID及网络前缀就可以实现电力载波IPv6地址的无状态自动配置，地址分配方式如图1所示。

图1　节点地址分配示意图

电力载波IPv6节点在获取16位的MAC短地址后，就将由该短地址实现无状态IPv6地址的自动配置。首先，将16位短地址转换为48位的伪以太网MAC地址，48位地址由2个字节的PAN ID、2个字节的全0值、16位的MAC短地址组成。其次，将48位的伪以太网MAC地址转换为EUI-64地址，将0xFFFE插入到PAN ID与16位短地址之间，从而形成IPv6地址的64位接口ID。最后，将64位接口ID加上64位的网络前缀构造成128位的IPv6地址。16位短地址生成IPv6地址的转换过程如图2所示。

图2　MAC层16位短地址生成IPv6地址

基于IPv6技术的电力载波通信网络的地址空间Cskip(d)可通过式(1)计算得到[6]：

(1)

式中,Cm为全功能载波父节点设备允许拥有载波子节点数量的最大值，Rm为全功能载波父节点设备允许拥有具备地址分配功能的全功能载波路由器节点数量的最大值，Lm为电力线载波网络拓扑的最大网络深度，为当前载波节点所在的网络深度。Cskip(d)含义为第d层全功能载波父节点为其全功能载波子节点分配的地址偏移量，即为第(d+1)层具备地址分配功能的全功能载波路由器节点所拥有的地址空间。若Cskip(d)的值大于零，则表明该全功能载波父节点还可以接收载波子节点，并为其分配短地址；否则表示没有短地址可分配，不能接收载波子节点。

2　基于IPv6的电力线载波通信组网与接入方案

2.1分层组网方案

为提高通信可靠性和提高组网速度，在组网配置过程中，将各个逻辑子层中的主/从中继节点分别置于该逻辑子层的中间位置和相邻逻辑子层的边界位置，其中主中继节点为IEEE 802.15.4标准中的路由器(父节点)，从中继节点为冗余路由器。由于载波通信距离有限，为实现终端节点可靠入网，则需要由协调器(集中器)发送组网命令，各支路节点(父节点和子节点)由近及远逐层配置，最终载波通信网络逻辑分层与中继节点分布示意如图3所示。

图3　电力线网络逻辑分层与中继节点分布示意图

在形成的上述网络拓扑结构图中，当主中继节点失效后，由从中继节点代替主中继节点的相关功能对本层子节点进行维护，其工作原理如图4所示。

图4　从中继节点消息转发示意图

2.2分组接入控制策略

目前的电力线载波通信系统在进行信息终端业务通信时，主要采用的是轮询接入控制的方式，在G3-PLC中主要采用CSMA/CA算法来解决节点接入问题，该算法具有扩展性好、数据传输时延小、对节点间的同步要求不高的特点。但当竞争发送数据的节点比较多时，节点可能要多次侦听信道，并且由于该瓦斯检测网络潜在数据冲突节点的数量较多，在一定程度上影响了节点的接入效率和信道资源利用率，因此需要根据电力线信道的特点设计适合IPv6通信的电力线载波通信接入控制方式，从而使电力载波数据传输更为可靠，并提高电力线载波网络信道利用率。将IPv6应用于电力线载波中，新节点入网过程如图5所示。

图5　IPv6电力线载波网络节点接入示意图

分组接入控制策略即将电力线载波网络的成员节点进行分组，为不同组的节点分配不同的时隙。属于不同组的成员节点在不同的时隙内发送数据，可有效避免数据冲突，而同组节点则采用随机竞争机制发送数据。设计时隙是循环分配的，即如果网络中有n个分组，则任何一个分组在所分配的时隙结束后，要等待(n-1)个时隙的时间长度才能再次被分配时隙。

实现网络节点的时隙分配，首先需要设计节点的分组规则，节点分组的好坏直接影响着时隙分配的管理效果，每个父节点都会有一个或多个子节点，这些子节点是按照一定先后次序与父节点连接的。将每个父节点所接收的第一个子节点看作一组，接收的第二个子节点看作另一组，以此类推即可完成网络节点的分组，形成的分组如图6所示。

图6　电力线网络节点分组示意图

该分组控制方法一方面随着网络的形成子节点可自动分组，并且当网络开始工作以后，如果有新的成员节点加入，则可在不影响其他成员节点的情况下自动加入现有的某个分组或形成新的分组，无需人工干预，具有一定的灵活性和扩展性。另一方面，由于同组节点分布比较分散，且无线传感器节点的通信范围有限，因此同组节点中距离较远的节点可同时互不干扰地发送信息，进一步减少数据冲突。

2.3冗余路由备份策略

在电力线载波通信网络中，其物理拓扑结构主要为一种基于树型的混合拓扑结构，在将IPv6技术应用于载波通信系统中时，其形成的网络拓扑结构主要为树型，即节点接入网络时，选取合适的父节点进行加入。为了扩大组网的规模，子节点一般选取网络深度较小的节点为其直接父节点，这样虽然减小了分层的层数，扩大了组网的规模，但没考虑链路质量等信息。在这种情况下形成的网络拓扑结构其通信链路较单一，网络抗毁性较差，为此，提出一种冗余父节点选取策略，以实现在基于IPv6的电力线载波通信网络中数据的可靠传输。

新入网节点通过发送信标请求帧进行入网请求，已入网节点通过对其回复信标响应，将其加为自己的子节点，新节点的直接父节点从网络深度最小的节点中进行选取，这样可扩大组网的规模。冗余父节点则依据链路质量和网络深度的综合权值进行选取，对不满足上述要求的节点回复的信标响应直接忽略。新节点入网过程中对父节点的选取如图7所示。

图7　节点入网父节点选取示意图

3　测试与验证

3.1测试平台搭建

为验证所提出的电力线IPv6通信冗余路由机制的性能，搭建载波通信测试平台，该测试平台拓扑结构为常见的配电网树型拓扑，如图8所示。在所搭建的测试平台上，终端节点在入网成功后根据网络参数自动完成IPv6地址的配置，形成一个以集中器为根节点的层次转发树网络模型。为了测试链路中断下路由恢复情况，通过在载波通信网络某一固定位置接入电力线信道衰减调试仪，对载波通频带范围内的信号进行衰减以模拟链路故障，从而使节点工作在冗余路由模式下。

图8　电力线载波测试平台

3.2测试结果分析

通过上述搭建的测试系统，构建相应的层次树型网络拓扑结构，结合树型路由转发机制，实现基于树型路由的IPv6报文多跳传输功能的测试。测试中利用上位机界面发送应用数据帧，通过集中器下发到对应的载波节点。对不同载波节点进行重复测试，通过上位机对载波节点成功回复的报文数量进行统计，并利用串口调试助手对载波节点接收到的数据报文时间信息进行打印。对比了普通带状网络拓扑结构与本文的基于层次树的冗余路由机制的报文成功率和数据传输时延。

图9给出了数据报文传输时延，从图中可以看出，普通网络拓扑结构由于呈现一种带状结构，数据在传输时只能通过其相邻节点或中继进行数据传输。而基于层次树的网络拓扑而言，网络拓扑呈现的是一种树状，数据包可以直接传输至下一层的节点或中继，大大降低了数据传输的时延。

图9　数据传输时延对比

图10为普通路由方式与层次树冗余路由方式在相同发包数量情况下，随着网络规模的增加数据报文投递率的统计情况。

图10　数据包投递成功率对比

从图10中可以看出，随着网络规模的增大，普通路由方式只能选择其中继父节点进行通信，当父节点出现故障或通信链路受损时，将会导致数据传输失败。而相对于具有冗余机制的树形路由而言，若其主中继节点出现故障时，则其可以选择冗余备份路径进行传输，从而增加了数据报文传输的成功率。

结　语

本文以提高电力线IPv6通信网络的可靠性为目的，结合电力线载波网络的特性，针对配电网拓扑结构，提出了一种层次化冗余路由机制，通过IPv6地址分配策略将载波网络节点构造成一颗层次转发树，各节点以入网后获取的IPv6地址块进行子节点的地址管理，并在层次转发树模型下实现了对IPv6报文的传递，从而减小了报文的传输时延。

在网络故障时，依据IPv6协议设计的冗余路由寻址方法，能够在不增加控制报文的前提下，使载波节点将IPv6报文有效地传至目的节点，以较小的开销实现了路由的快速恢复。

[1] Ahmed M, Lampe L.Power line communications for low-voltage power grid tomography[J].IEEE Transactions on Communications, 2013, 61(12): 5163-5175.

[2] 戚佳金，陈雪萍，刘晓胜．低压电力线载波通信技术研究进展[J]．电网技术，2010，34(5)：161-172.

[3] 徐伟，王斌，姜元建． 低压电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用[J]．电测与仪表，2010，47(2)：44-47.

[4] 张毅威，丁超杰，闵勇，等．欧洲智能电网项目的发展与经验[J]．电网技术，2014，38(7)：1717-1723.

[5] 荆孟春，王继业，程志华, 等．电力物联网传感器信息模型研究与应用[J]．电网技术, 2014,38(2): 532- 537.

[6] 苗新，陈希． 智能电网 IPv6 地址资源应对策略[J]．电力系统自动化，2010，34(16)：58- 61.

[7] 向敏，文超，文成亮.基于IPv6的电力载波通信分片独立的重传机制[J].电网技术，2015，39(1)：169-175.

[8] 肖勇，房莹，张捷，等． 低压电力线载波通信信道特性研究[J]．电力系统保护与控制，2012，40(20)：20-25.

[9] Saputro N,Akkaya K,Uludag S.A survey of routing protocols for smart grid communications[J].Computer Networks,2012,56(11): 2742-2771.

[10] Razazian K,Umari M,Kamalizad A,et al.G3-PLC specification for power line communication: Overview,system simulation and field trial results[C]//Power Line Communications and Its Applications (ISPLC),Brazil,2010 IEEE International Symposium on IEEE,2010:313-318.

[11] Bauer M,Plappert W,Wang Chong,et al.Packet-oriented communication protocols for smart grid services over low-speed PLC[C]//Power Line Communications and Its Applications(ISPLC),Germany,2009 IEEE International Symposium on IEEE,2009:89-94.

[12] Hui J,Thubert P.RFC6282: Compression format for IPv6 datagrams over IEEE 802.15.4-based networks.[EB/OL].[2016-04].http://www.rfc-editor.org/info/rfc6282.

[13] Haidine A,Adebisi B,Treytl A,et al.High-speed narrowband PLC in Smart Grid landscape-State-of-the-art[C]//Power Line Communicati- ons and Its Applications (ISPLC),Italy,2011 IEEE International Symposium on IEEE,2011:468-473.

[14] 尹建丰，丁文伯， 魏华义，等．电力线载波通信标准 PRIME和G3-PLC的研究[J].电测与仪表,2014,51(13): 37-41．

文成亮、何金星(硕士研究生)，研究方向为电力通信技术。

Low-voltage Power Line Carrier Communication Routing Technology and Access Mechanism Based on IPv6

Wen Chengliang,Tang Liang,He Jinxing,Du Yanhong,Huang Shenggang

(Key Laboratory of Industrial Internet of Things&Networked Control,Ministry of Education,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In view of the low-reliability in the data transmission of low-voltage power line carrier communication network,the existing networking methods and access strategy in power line carrier communication network are researched.Meanwhile the IPv6 address allocation algorithm and the node access strategy are introduced,and the low-voltage power line carrier communication network architecture based on the hierarchy tree is designed.The design improves the network stability and reliability of communication through the way of redundant nodes.The test results show that the proposed networking algorithm improves the robustness of the network structure and the reliability of the message transmission.

low-voltage power line carrier communication;IPv6 address;networking method

重庆市研究生科研创新项目(基于IPv6技术的电力载波通信网络路由技术研究，项目编号为CYS14148)。

TN913.6

A

(责任编辑：杨迪娜2016-04-05)