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智能家居网络：结合无线和电力线网络的经验
摘 要
为了满足公共设备和居民的需求，政府将由高级测量基础(AMI)驱动的需求响应(DR)工程引入电网，这是一种将电网技术与可再生能源发电技术相结合的技术。它们通过鼓励居民在高峰负荷期间减少用电量以换取奖励这种方式，从而实现负载平衡和提高电网的可靠性。为了自动化这个过程, 所有使用到的设备、室内传感器和 ami 控制器都需要联网。本文比较了一些应用在家电控制上的主流网络技术, 提出了一种结合电力线通信的解决方案(PLC)。
本文设计的智能家居的无线通信方案的目的是为了节能。我们通过扩展NS-2来对这种组合的网络场景进行建模，NS-2是一个流行的网络模拟器。我们利用多种不同的路由策略, 对智能家居中 dr 程序的网络性能进行建模和评估。
关键词 需求响应(dr); 高级测量基础(ami); 电力线通信(plc); 网络模拟器NS-2; 多接口网络; 多网络模拟
1. 简介
目前全球的公共设施机构、学术组织和公共行政部门一直在呼吁电网的智能化管理，因为它促进了电力的更均匀的利用, 并且减少了输电和消费过程中的能源损耗。电力公司在电网管理方面遇到的一个问题是，如何明智有效地应付高峰时期的用电超负载以及其他紧急情况。考虑到这种情况出现的很少而且持续时间比较短, 电网技术最常见的服务之一，需求响应 (dr) 程序，已被引入到电网中。公用事业通过鼓励客户减少他们在高峰时段的用电量，并给予特殊奖励，来实现电网负载平衡。同时, 当居民面对动态价格和其他与电网可靠性相关的事件时，如果能主动调整他们家电的用电量，这会让他们的电费减少。此外, 减少高峰时期的能源需求，可以一定程度上帮助减少电网产生的CO2，高峰能源需求通常由高污染发电厂如燃煤电厂造成。
AMI作为智能电网中关键的一项技术，被广泛应用于公共设施和住宅中。在AMI的支持下，实时变动的价格信息能够传递到居民住宅中的智能电表中。基于这些信息，智能电表能够与智能家电沟通并发送指令，这就做到了终端之间的价格转移和用电调节，而且有利于能源管理和提高能效。通过结合智能电表的功能，家庭能源管理系统在自动监督节能智能家电、小型可再生能源发电设施以及充电交通工具等方面发挥了重要作用，并且在面向居民的信息传递方面与AMI进行了灵活的合作。
为了在智能家居中使用HEMS, 有线和无线网络技术 (比如连接中央HEMS控制器、智能家电、室内传感器、能源发生器、电动汽车等) 都必须进行比较和评估。目前很少有出版物和文章讨论这类专题, 特别是在能源管理方面, 原因是缺乏规模合理的、试验独立的实际试验, 以及能够给出这些评估的软件。此外, 人们越来越关注整个范围的电网以及相应的大规模的公共设施通信上的能源管理。
为了解决这一问题, 并推动智能家居中的能源管理和网络技术的研究, 我们提出了一种将电力线通信 (plc) 与无线通信相结合的网络解决方案。在可再生能源发电设施的支持下, 这样一个联合网络可以在停电的情况下继续工作。一个简单的 plc 网络, 通常在房子中用来作为一个传输数据的可扩展的媒介, 有时会遭受停电的情况。我们扩展了 NS-2来建立这样一个组合网络。然后我们为这样的组合网络定义了一些路由策略, 并利用修改后的模拟器对网络性能进行了深入的研究。
2. 启用网络技术
家电控制领域广泛采用两种网络技术。一种是直接通过输电线传输数据, 这得益于住宅中的供电和数量。电力线通信 (plc) 技术中的主流协议是 X-10、insteon、plc 总线、lonworks 和 HomePlug。另一种网络选择是以无线方式在发送者和接收方之间交换数据, 但数据速率比 lan/wlan 低得多。在这种情况下, 代表协议是蓝牙, zigbee/ieee 802.15.4 和 z 波。
plc 技术利用分布式电力线基础设施传输数据和控制信号。与其他替代方案相比, plc 技术的主要优点是每间房子的每个房间都有电源插座, 从而避免了大多数住宅的额外布线费用, 以及有为与公用事业公司通过电力线进行无缝通信的便利性。但是, 这些技术仍然存在问题。X-10 的缺点是数据传输可靠性不高, 缺乏安全机制。而且insteon和plc对 X-10 构成严重威胁, 因为它们是专有标准。因此, 结果是在某种程度上缺乏对模拟的数据的综合评估。作为最初面向楼宇自动化的技术lonworks，它的价格也掩盖了其优异的性能。
尽管短低速无线技术在安装和成本方面与 plc 技术有共同的特点, 但还有其他问题需要考虑和加以解决。首先, 它们可能与其他无线技术在相同的 ism 频段上操作, 这可能导致相互干扰, 特别是在 wlan 部署 in-house 的情况下。其次, 在无线环境中, 信号衰减、遮蔽以及多路径效应会使数据传输质量恶化。此外, 这些技术还显示了对恶意无线攻击的脆弱性, 如干扰、随机碰撞帧的锻造等。对于蓝牙来说, 家庭控制网的主要障碍是总成本。作为一种专有的协议, z 波遭受与 insteon 和 plc 总线相同的问题，即缺乏对其性能的大量分析。
简而言之, 在基于 plc 技术或短距离无线网络技术的智能家居中, 没有一个完美的解决方案可以解决所有问题。因此, 将 plc 技术与无线网络技术相结合是可取的。更具体地说, HomePlug加上 zigbee/IEEE802.15.4 的骨干网络似乎在智能家居的家电控制上非常有前途, 当然开放的协议栈, 成本效益等其他因素也要考虑在内。
3. NS2 中多接口/多网络场景的建模
NS-2是一个开源的离散事件模拟工具, 利用它可以从底层协议栈、路由算法、网络流量等方面探讨有线和无线网络的性能。NS-2 的主要功能是建立一个节点网络, 通过网络传输或接收数据包, 从而能够相互通信, 并随后追踪这些网络流量以便进一步分析。为了实现这一点, NS-2 包含了大量的网络相关组件, 这些组件可以通过一种被称为工具命令语言 (tcl) 的描述性语言 (特定于某些网络配置) 灵活地组装来适应不同的模拟场景。
在进行无线网络的模拟之前, 一组移动节点的配置如图1所示。上层包括应用程序部分 (发送和接收消息) 和路由层对象 (或路由代理), 以便通过支持层将传出数据包转发到目标节点。
对于无线网络, 模拟协议栈由一个链路层 (ll) 对象以及地址解析协议 (arp) 对象组成, 这是一个接口优先级队列 (业务) 对象, 它用于数据包缓冲。对于网络中的每个移动节点, 节点通过物理层连接到同一通信信道对象。在计算通信时延和传输信号的范围后, 移动节点可以通过同一个信道传输数据包, 并支持分组事件调度机制来进行通信。
很明显, 移动节点的体系结构是针对在单个网络单一通道节点而设计的。为了满足我们对多个网络在智能家庭网络模拟中的多个通道的要求, 我们需要修改NS-2 中提供的现有功能来实现网络对象之间的连接、连接节点的组织以及网络对象中的创造。同时, 我们希望尽可能多地维护 NS-2 的现有功能: 重用现有的协议/组件, 并支持通过tcl脚本灵活定义模拟场景。
3.1 现有的MIMC方法
mimc在学术界被用来提高无线网络的整体性能和吞吐量。主要的工作是建立配备 mimc的移动节点、优化了的 MAC地址和路由选择, 利用移动节点内的多个通道传输数据。
增强型网络模拟器解决了 IEEE802.11 wlan 建模过程中遇到的错误。为了逼真地模拟远距离链路, 这个项目还支持由移动节点、静态路由协议以及简化的天线模型组成的多个接口。本解决方案假定所有节点只在一个网络中共存, 而不考虑其接口的数量。因此, 一个用于 mac 地址解析的表以及一个无线传播模型在移动节点内的所有接口之间共享。除此之外, 一个单一的通道对象在体系结构中是多路复用的。使用共享通道对象, 在同一网络中传输数据包时, 可以为每个物理层对象计算同一通道的干扰情况。在移动节点的构造方面, 此解决方案不区分接收端的哪个接口有资格处理传入的数据包。因此, 与伪通道绑定的物理层对象很大概率能接受到来自其他伪通道的数据包。此外, 简化信道复用在一定程度上减少了对多个信道的实际模拟: 随着移动节点的增加, 网络中传输的所有数据包在同一通道对象上被同时调度。
作者在中提出了一个称为风信子的多通道无线网状网 (wmn) 体系结构, 通过充分利用 ieee 802.11 规范中现有的无线信道来解决带宽限制问题。该原型的主要目标是使终端用户设备通过多通道无线网络连接器的核心访问Internet或企业内部网。考虑到信号干扰范围内的相邻节点和最初在核心中分配的通道总数，核心中的每个路由器节点都只配备两个接口, 路由器节点内的每个接口都绑定到一个不同的无线电信道。通信范围内的任何两个路由器节点都应共享至少一个用于相互直接通信的通道, 以便通过路由器网关节点将源自用户终端设备的数据通信转发到有线网络。为了实现这一目标, 在原型中采用了一个完全分布式的信道分配算法和多跨越树路由算法, 以支持负载平衡的动态流量调整。原型是适用于部分的特定场景, 它大量利用网络中的数据流的特定方向来防止它被扩展到更一般的情况。此外, 原型只支持模拟脚本中的静态路由配置, 并强制使用相同数量的接口生成所有节点, 而不管它们是否用于执行。
与[11]中的方法相比，[12]中通过模拟脚本实现的动态接口扩展方法比较灵活。具有不同接口数的节点可以共存于相同的通信方案中。同时, 移动节点的每个接口都被分配了一个单一的通道对象, 在这种情况下, 从上层传递的数据包分别在多个节点间的共享信道上传输。此外, 移动节点中的所有接口都附加到动态路由协议中, 以实现统一的数据包转发, 并支持计算相应的 mac 地址的基础接口的索引。通常, 该方法只关注 ieee 802.11 网络中多个通道的方案, 因为在传输数据包时, 所有物理层对象之间共享一个公共的无线传播模型。除此之外, 它并没有解决从节点到连接到用于标识数据包地址的节点的多个 mac 对象的地址映射问题, 因为数据包是在较低层传输的, 而源地址和上层的目标位置不同。
模块无线节点是一种移动节点的创新布局, 它通过重新组织现有移动节点来支持多个接口。mw 节点中的主要特性之一是, 最初链接到移动节点的路由协议对象被一个无线路由模块替换，它将路由协议细分为两个单独的模块: 无线代理和无线分类器。无线代理负责生成与数据路由关联的包, 并通过与之连接的相应接口对其进行标记, 而无线分类器主要用于将数据包从无线代理或移动节点内的源代理转发到目标节点。无线堆栈接口将传入的数据包标记为当前接口标识符, 然后再将它们交给无线路由模块。同时, 作者假设一些移动节点可能同时在无线网络中扮演多个角色。因此, 将无线代理与无线分类器一起创建在无线路由模块中相互连接, 以便在另一个接口连接到移动节点时能够支持移动节点内的多个路由协议。路由信息库在多个路由协议之间共享, 这使得无线路由模块可以哪个接口从上层发送数据包, 或者从哪一个底层接口接收数据包。该体系结构的主要缺点是, 它主要面向可以建立在细分机制之上新兴的路由协议，牺牲与 NS-2 现有路由协议的向后兼容性。此外, 移动节点的接口无法保持完全独立，因为它们仍然共享地址解析协议 (arp) 对象以及较低级别的无线传播模型。
作者在[1516]提出了一个基于NS-2的多接口的跨层扩展，这是一个广义模块化框架，它为NS-2的新特性提供良好的软件接口，并促进一个多无线电技术环境中的模拟。根据建设性的设计和功能，这个架构在每一层和跨层通信上都使用了模块化。体系结构中的每个模块都是一个独立的软件容器, 它封装了一个功能实体或一个协议对象, 其中包括应用程序、传输层、路由层、mac、物理等等。具有相同功能的多个模块可以共享相同的协议层, 并通过连接到它们的上游和下游模块来与接口对象建立独立的多个协议栈。同时, 一个被称为节点核心的独立结构放置在多个层中充当协调员和经理, 使模块通信, 并为所有模块提供通用功能, 而每个附加在节点核心上的插件对象都持有用来模块间信息交换的跨层算法。因此, 因为有核心节点和插件对象, 一个模块可以轻松地和其他模块交流。要复用NS-2中现有的协议, 必须从根本上调整每个协议类的参数接口和协议类内的数据包传输, 以适应在传输中指定的模块的要求。
总的来说, 没有任何一种备选办法适合处理在 NS-2 mimc 中出现的问题, 在[17]中有对这些备选办法的更详细的评价。节点的体系结构设计和处理数据包的大多数过程都是针对一个特殊的场景量身定做的, 例如使用单一无线电技术的多个接口、无线和有线网络的混合等。在数据传输过程中, 移动节点的体系结构和协议对象的内部操作之间始终存在技术交换。尽管如此, 在这些解决方案中我们探讨了大量节点构造和分组转发的方法, 为我们的仿真模型的实现奠定了基础。
3.2 对住宅网络建模
如上所述, 智能电网技术中最常见的服务之一, 即DR, 配合AMI, 使公共设施能够在电网中实现负载平衡。它鼓励用户在高峰负载期间减少用电量, 同时提供特别的奖金/奖励。在通过 dr 程序接收实时变动的价格信息后，智能家居的智能电表通过无线或有线网络向智能家
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