Розглянуто побудову маршруту в мережі телемеханіки на прикладі фрагмента реальної мережі. Визначено критерій вибору і послідовність побудови маршруту. Розглянуто автоматичне введення нового контрольованого пункту.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Андреасен Джон-Ерік, Ланкин Віктор Юхимович, Шашкін Олександр Костянтинович


Route in net of telemechanics for objects of electric power on base wireless link

In clause is considered principle construction net of telemechanics for object of electric power on base wireless link. Adduce of criterion choice the route, written the algorithm of construction the route on example real net. Considered automatic form the new station of control in net.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва діє до: 2015
    Журнал
    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка
    Наукова стаття на тему 'маршрутизації В МЕРЕЖІ телемеханіки ОБ'ЄКТІВ енергорозподілу НА ОСНОВІ радіоканалів'

    Текст наукової роботи на тему «маршрутизації В МЕРЕЖІ телемеханіки ОБ'ЄКТІВ енергорозподілу НА ОСНОВІ радіоканалів»

    ?621.391

    Дж.-Е. Андреасен Остфольдскій університет (Норвегія)

    В. Е. Ланкин

    Інститут управління в соціальних, економічних і екологічних системах

    Південного федерального університету (Таганрог)

    А. К. Шашкін

    Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет "ЛЕТІ" ім. В. І. Ульянова (Леніна)

    Маршрутизація в мережі телемеханіки об'єктів енергорозподілу на основі радіоканалів

    Розглянуто побудову маршруту в мережі телемеханіки на прикладі фрагмента реальної мережі. Визначено критерій вибору і послідовність побудови маршруту. Розглянуто автоматичне введення нового контрольованого пункту.

    Маршрутизація в мережі телемеханіки, критерій вибору маршруту, алгоритм побудови маршруту, автоматичне введення нового контрольованого пункту в мережі телемеханіки

    Мережа телемеханіки є однією з різновидів інформаційних мереж і складається з диспетчерського пункту (ДП), контрольованих пунктів (КП) і каналів зв'язку, які об'єднують ці пункти. У мережі телемеханіки КП розподілені в деякій зоні, званої зоною обслуговування. У цій статті мережу телемеханіки розглядається на прикладі енергомережі [1].

    Енергомережі характеризуються складною структурою і володіють великою кількістю связей1. У процесі свого створення і розвитку ці мережі пройшли кілька етапів. До мереж першого покоління можна віднести період зародження подібних комплексів, коли кожен контрольний пункт підключався безпосередньо до ДП [1]. Наявність віддалених КП, складність і дорожнеча організації зв'язку між ДП та КП привели до появи нових підходів до їх побудови.

    На другому етапі розвитку для полегшення з'єднання ДП і віддалених КП стали використовувати КП з можливістю ретрансляції інформації, що надходить, роблячи їх проміжною ланкою на шляху передачі повідомлень від більш віддалених сусідів. Подібний підхід дав можливість підключати КП на значно більших відстанях, ніж раніше, але був очевидний недолік -вихід з ладу ретранслятора приводив до неможливості зв'язку з КП, які працюють через нього.

    Апаратно-програмний комплекс телемеханіки мереж зовнішнього освітлення "СВІТЛО-2000" / А. К. Шашкін, А. В. Катушкін, А. В. Лисенков, В. В. Копилов. URL: http://riscom-etu.spb.org.ua

    Наступний етап пов'язаний з введенням в мережах телемеханіки протоколів оптимальної маршрутизації, що забезпечують автоматичне введення нових КП. Ці питання і є предметом розгляду даної статті.

    Модель мережі моніторингу об'єктів енергорозподілу. В якості базової топології мережі приймемо фрагмент Петродворцовий електричних мереж Санкт-Петербурга [1] (рис. 1). КП на малюнку позначені своїми номерами.

    Зміст типових виконуваних мережею телемеханіки завдань при використанні бездротового зв'язку описані, зокрема, в "Апаратно-

    м2

    програмний комплекс... .

    Мал. 1

    'Апаратно-програмний комплекс ... URL: http://riscom-etu.spb.org.ua © Андреасен Дж.-Е., Ланкин В. Є., Шашкін А. К., 2015

    При передачі інформації між ДП та КП, а також між КП доцільно використовувати протокол Х.25 [1] - один з найбільш завадостійких протоколів при роботі в бездротової мережі [2]. Для підвищення надійності передачі інформації в якості основного показника метрики маршруту доцільно використовувати шлях, який би найбільшу стійкість перед перешкодами. Використання для цієї мети відстаней або часу поширення між пунктами (КП і ДП) апаратно більш затратно і складно, оскільки вимагає створення точної шкали синхронізації в КП, а також контролю часу затримки сигналу в трактах прийому / передачі сигналів в цих пунктах.

    Оцінка ефективності передачі інформації по мережі. Імовірність помилки на біт при передачі сигналу від пункту г до пункту у визначається за формулою [3]

    P, =

    1

    exp

    'T2 ^

    dt,

    (1)

    де Уь = Еь / N - відношення енергії біта Еь до спектральної щільності потужності шуму N0 (надалі цю величину назвемо "потужність прийнятого сигналу").

    Вираз (1) для збільшення швидкості роботи алгоритму можна замінити такою аппроксимацией:

    1

    Pb, =

    'T2 ^

    1

    exp

    2

    (

    "V b

    exp

    Vb

    V ^ Wb

    dt '.

    V

    1 +

    VV3w ь

    (2)

    Тоді ймовірність помилки при передачі паку та довжиною q біт між цими пунктами складе

    1 У (4 / ь ^

    P .. = 1 __ exp

    -Vb

    1 + V (1/3 ^) v b

    .(3)

    Звідси ймовірність правильної передачі по цьому ребру дорівнює 1 _ P., а ймовірність правильної передачі пакета по всьому шляху до вузла 0 дорівнює добутку ймовірностей правильної передачі по всіх ребрах, що входять в шлях: Q = П (_ Pj) • Визначимо ймовірність помилкової передачі пакета по всьому шляху як

    Per = 1 _ Q = 1 _П (1 _ P) «Е P,

    оскільки твори ймовірностей передачі повідомлень по окремим шляхах досить малі

    і ними можна знехтувати. Таким чином, для пошуку оптимального шляху необхідно оптимізувати сумарний імовірнісний критерій визначення маршруту:

    1 7 (4 / л) Уь

    Per = X1 _11 _ 26XP

    -Vb

    1 +

    V (V ^)

    Vb

    Проектування мережі моніторингу. для

    вибору шляхів з найменшою сумарною ймовірністю можна застосувати алгоритм визначення найкоротшого шляху Дейкстри [2]. Відповідно до цього алгоритмом будемо розглядати топологію мережі як граф, в якому КП і ДП є вузлами, а зв'язки між ними - ребрами графа. Ідентифікатори (Ю) КП є їх номери, за ДП закріплений Ю = 0. Ребра маркуються номерами вихідного та приймального вузлів.

    Вихідною інформацією для роботи алгоритму є:

    - довжини ребер графа;

    - мітки вузлів графа;

    - масив прапорів, що відображають відвідування вузлів в процесі роботи алгоритму.

    В результаті роботи алгоритму формуються:

    - список найкоротших шляхів між вузлами графа;

    - масив довжин найкоротших шляхів.

    В даному випадку в якості довжин ребер приймемо ймовірності помилки передачі інформації між вузлами. Ця інформація представлена ​​матрицею Ж =

    Wj} '

    г, у = 0, N (г, у - Ю

    вихідного та вхідного вузлів ребра відповідно; N - кількість КП), що завантажується перед роботою алгоритму. В елементах матриці, відповідних відсутнім ребрах графа, містяться значення, що перешкоджають їх використання при маршрутизації (в даному випадку 1).

    У процесі роботи алгоритму мітки відображають поточну довжину шляху від початкового до конкретного вузла. Що стосується аналізованої завданню мітки вузлів - ймовірності помилок передачі інформації від ДП (початкового вузла) до конкретного КП, є елементами вектора В =},

    г = 0, N. Згідно з логікою алгоритму перед початком його роботи всіх вузлів, крім початкового, слід привласнити мітки, рівні нескінченності, які в процесі роботи будуть тільки зменшуватися. Оскільки при аналізі мережі операції проводяться над можливостями, достатньо буде в якості початкових значень всіх елементів В привласнити значення, рівні кількості КП в мережі

    ж

    (Тим самим вважаючи, що на кожному ребрі ймовірність помилки становить одиницю, що є природною верхньої оцінкою).

    Вектор прапорів 8 = {.}, Г = 0, N, містить результати відвідування вузлів в процесі роботи алгоритму. Перед початком роботи прапори всіх вузлів встановлюються рівними 1 (вузол не розглянуто). В вектор Ю попередніх вузлів і = {uj |,

    г = 1, N, для всіх вузлів, крім вузла 0 (ДП), заносяться Ю вузлів, через які даний вузол досягнутий при отриманні мінімальної позначки. У рядках

    масиву Т = {до}, до, I = 1, N, розміщуються списки номерів вузлів, складових шляху передачі інформації від КП до ДП з мінімальними можливостями помилок (шляху мінімальної довжини).

    Блок-схема алгоритму представлена ​​на рис. 2. У ній застосовані наступні позначення: га - Ю

    активного вузла, т. е. вузла, зв'язку якого з іншими вузлами мережі аналізуються на даному етапі; ] 'П - Ю сусіднього вузла - вузла, зв'язок якого з активним вузлом аналізується; ] 'П РГ - Ю вузла-попередника вузла jn; Ьпс - значення мітки

    сусіднього вузла, отримане за результатами аналізу.

    Робота алгоритму складається з трьох етапів. На попередньому етапі започатковано початкові значення описаних векторів і масивів. Матриця ваг мережі Ж инициализируется в блоці введення даних 1 алгоритму. У блоці 2 алгоритму всіх елементів вектора В, крім Ьо (відповідного ДП), присвоюються значення, рівні кількості вузлів мережі, а мітка початкового вузла встановлюється в 0. Усі елементи вектора прапорів відвідування 8 встановлюються рівними 1. Всі елементи вектора і та масиву Т обнуляються.

    н<Ж>

    15

    Ь = про га = і

    а

    Мал. 2

    Номер найкоротшого шляху до і порядковий номер вузла на цьому шляху I встановлюються рівними 1.

    На цьому підготовка даних закінчується і відкривається основний етап роботи.

    У блоці 3 аналізується вектора прапорів відвідування для перевірки наявності невідвіданих вузлів мережі. Відсутність таких вузлів свідчить про завершення основного циклу. При відсутності таких вузлів перевіряється наявність вузлів з ненульовими мітками (блок 12). Якщо всі вузли мають нульові мітки (наявні спочатку або отримані після запису найкоротших шляхів), алгоритм завершує роботу. Серед невідвіданих вузлів вибирається вузол з мінімальною міткою, а якщо таких вузлів кілька - вузол з мінімальним Ю (блок 4). Відібраний вузол вважається активним.

    З матриці ймовірностей помилок передачі Ж виділяється рядок, відповідна активному вузлу (блок 5). Ті вузли, для яких в цьому рядку записані значення ймовірностей, менші 1, є сусідами активного вузла (блок 6). Для кожного з них визначається розрахункове значення мітки (блок 7): Ьу = Ьа + щу .

    Якщо поточне значення мітки сусіднього вузла перевищує розрахункове значення, воно встановлюється рівним розрахунковим значенням: Ь < Ьу ^

    ^ Ьу = Ьу (блоки 8, 9), а Ю активного вузла заноситься в список попередніх вузлів і щодо даного сусіднього (блок 10). Активний вузол відзначається як відвіданий (його прапор в

    обнуляється) (блок 11).

    На цьому закінчується крок алгоритму. Наступний крок починається з перевірки наявності НЕ-відвіданих вершин (блок 3). При їх наявності алгоритм призначає активним той з вузлів-сусідів попереднього циклу, мітка якого мінімальна. Якщо серед вузлів-сусідів немає непосещен-них, то алгоритм повертається в вузол-попередник і продовжує аналіз мережі з нього.

    Основний етап роботи завершується в момент, коли серед вузлів не залишається невідвіданих (т. Е.

    = 0, г = 0, N).

    На завершальному етапі роботи формується список трас передачі інформації від ДП до всіх КП мережі, що забезпечують передачу з мінімальною ймовірністю помилки. Для цього в векторі У відшукується вузол з максимальною позначкою. Нульові мітки всіх вузлів є ознакою вікон-

    чания роботи (блок 12). В іншому випадку знайдений вузол стає активним (блок 13), його Ю заноситься в перший елемент першого рядка масиву шляхів Т, а в другій елемент заноситься Ю попереднього вузла з вектора і (блок 14).

    Мітка активного вузла обнуляється, активним стає попередній вузол (блок 15), мітка якого перевіряється на нульове значення (блок 16). Якщо перевіряється мітка ненульова, покажчик наступного вузла в найкоротшому шляху инкрементируется (блок 17) і повторюються операції блоків 14-16 для продовження запису найкоротшого шляху. Нульове значення мітки попереднього вузла свідчить про завершення формування чергового найкоротшого шляху або через досягнення початкового вузла, або через досягнення вузла, що входить в раніше знайдений найкоротший шлях. При цьому запис найкоротшого шляху завершується, номер шляху ін-крементіруется, номер елемента шляху встановлюється рівним 1 (блок 18) і алгоритм повертається до пошуку початкового вузла нового шляху. Запис зупиняється після включення всіх вузлів в найкоротші шляхи, в результаті чого їх мітки обнуляються і алгоритм завершує роботу по негативного результату перевірки умови в блоці 12.

    Для завершення роботи розглянутого алгоритму необхідно переглянути вектор В, що складається з N елементів, (N +1) раз ^ раз на етапі формування міток вузлів і 1 раз під час запису найкоротших шляхів). Таким чином, алгоритм має квадратичну складність.

    Розглянемо роботу моделі на прикладі мережі по рис. 1. Вихідна матриця зі значеннями відносин "сигнал / шум" (ЗСШ) у між КП приведена в табл. 1. На її основі по (3) розрахована матриця ймовірностей помилок ру (табл. 2), на

    основі якої будуються оптимальні маршрути.

    В результаті застосування алгоритму отримано граф шляхів передачі повідомлень з мінімальними можливостями помилок (рис. 3, потовщені лінії) і масив цих шляхів (табл. 3).

    Розглянемо одну з основних функцій мережі: процедуру її модифікації, т. Е. Додавання нових вузлів. При появі нового КП оцінюється рівень прийнятого від нього сигналу, на підставі якого розраховуються ймовірності помилок передачі. Якщо потужність прийнятого сигналу нижче встановленого в мережі порога, то приймає КР або ДП вважає, що ніякого повідомлення не приймалося.

    Таблиця 1

    Номер вузла Номер вузла

    0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11

    дБ

    0 - 12.03 12.09 12.07 - 12.06 12.02 12.05 - - - -

    1 12.03 - 12.12 - - - - - - - - -

    2 12.09 12.12 - 12.11 - 12.02 - - - - - -

    3 12.07 - 12.11 - 12.04 12.03 - - - - - -

    4 - - - 12.04 - 12.07 - - - - - -

    5 12.06 - 12.02 12.03 12.07 - 12.08 12.07 - - - -

    6 12.02 - - - - 12.08 - 12.09 - - 12.04 -

    7 12.05 - - - - 12.07 12.09 - 12.09 12.08 - -

    8 - - - - - - 12.05 12.09 - 12.03 - 12.08

    9 - - - - - - 12.03 12.08 12.03 - 12.09 12.04

    10 - - - - - - 12.04 - - 12.09 - 12.02

    11 - - - - - - - - 12.08 12.04 12.02 -

    Таблиця 2

    i

    J 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

    Pij • 109

    0 - 8.38973 6.67979 7.20951 - 7.37592 8.74484 7.92732 - - - -

    1 8.38973 - 5.95346 - - - - - - - - -

    2 6.67979 5.95346 - 6.18687 - 8.71198 - - - - - -

    3 7.20951 - 6.18687 - 8.07873 8.35813 - - - - - -

    4 - - - 8.07873 - 7.20951 - - - - - -

    5 7.35598 - 8.71198 8.35813 7.20951 - 6.91346 7.32009 - - - -

    6 8.74484 - - - - 6.91346 - 6.67979 7.77858 8.54943 8.07873 -

    7 7.92732 - - - - 7.32009 6.67979 - 6.62888 6.93989 - -

    8 - - - - - - 7.77859 6.62888 - 8.45327 - 6.93989

    9 - - - - - - 8.54942 6.93989 8.45327 - 6.65429 8.17087

    10 - - - - - - 8.07873 - - 6.65429 - 8.58171

    11 - - - - - - - - 6.93989 8.17087 8.58171 -

    Таблиця 3

    Мал. 3

    В основу алгоритму включення нового КП в мережу покладена схема, схожа з обміном Hello-повідомленнями, подібна OSPF [2]. Послідовність роботи алгоритму наступна.

    1. При появі в мережі новий КП по всіх наявних у нього каналам зв'язку з вузлами мережі розсилає Не11о-повідомлення, в якому вказує свій ID і ключове слово включення в мережу (рис. 4, в якості ключового слова використано слово "hello").

    Початковий вузол Проміжні ретранслятори Кінцевий вузол

    1 - 0

    2 - 0

    3 - 0

    4 5 0

    5 - 0

    6 - 0

    7 - 0

    8 Разом 7 0

    9 Разом 7 0

    10 6 0

    11 8, 7 0

    2. Hello-повідомлення приймають всі доступні учасники мережі. У відповідь вони відправляють свій ID, ЗСШ у для прийнятого сигналу від нового учасника мережі і мітку 0 в тому випадку, якщо у них встановлений канал передачі повідомлень до ДП (рис. 5).

    2. Новий учасник мережі формує таблицю своїх сусідів, куди вписує їх ID, ЗСШ і ознака досяжності ДП через них (рис. 6).

    3. КП відправляє сформовану таблицю ДП через того сусіда, який отримує доступ до ДП і рівень прийому у якого максимальний. Якщо ДП безпосередньо доступний для КП, він відправляє таблицю безпосередньо до ДП.

    2

    1 ID I <номер нового КП> 1 hello I ID D

    Мал. 4 9 12.01 0

    ID <номер відповідає КП або ДП>

    V <значення ЗСШ>

    D 0 (ДП доступний); 1 (ДП недоступний)

    Мал. 5

    ID V D

    9 <ЗСШ> 0 або 1

    10 <ЗСШ> 0 або 1

    11 <ЗСШ> 0 або 1

    Мал. 6

    8

    12 ^ ........ /.......

    \ / -Hz:

    10

    | я

    //

    Мал. 7

    ID

    12

    hello

    Мал. 8

    11

    10

    10

    10

    а Б В

    Мал. 9

    4. Після отримання від нового КП таблиці ДП розраховує ймовірності помилок при передачі пакета від нового КП і додає ці ймовірності в свою таблицю маршрутизації. Після цього ДП перераховує всі маршрути з урахуванням нової інформації і розсилає на всі КП маршрутну інформацію для прийняття рішення про передачу пакетів.

    Розглянемо приклад роботи алгоритму модифікації на прикладі додавання нового КП з Ю = 12 (рис. 7). Зі схеми мережі видно, що доступний для передачі рівень сигналу може існувати між новим КП і КП з Ю 9, 10, 11. На рис. 7 ці зв'язки відзначені пунктирними лініями.

    На першому етапі новий КП Ю = 12 розсилає Ье11о-пакети (рис. 8) доступним для нього кін-

    ID V D

    10 12.04 0

    б

    ID V D

    11 12.06 0

    в Рис. 10

    ID V D

    9 12.01 0

    10 12.04 0

    11 12.06 0

    Мал. 11

    контрольна пунктам з ID = 9, 10, 11 широкомовної розсилкою (рис. 9, а).

    Ці КП приймають hello-пакети і в відповідних посилках (рис. 9, б) повідомляють новому КП свій ID, ЗСШ прийнятого ними hello-пакета і мітку про доступність ДП. Нехай у відповідь пакети мають вигляд, представлений на рис. 10, а-в).

    КП ID = 12 формує посилку для ДП, в якій вказує ID всіх доступних сусідів, ЗСШ при обміні інформацією для кожного з сусідів і доступність ДП через цих сусідів (рис. 11). Посилка відправляє до ДП через КП 11, оскільки для нього ЗСШ найбільше (рис. 9, в).

    41 ___ \ --- V2

    Мал. 12

    Таблиця 4

    Початковий вузол Проміжні ретранслятори Кінцевий вузол

    1 - 0

    2 - 0

    3 - 0

    4 5 0

    5 - 0

    6 - 0

    7 - 0

    8 Разом 7 0

    9 Разом 7 0

    10 6 0

    11 7, 8 0

    12 7, 8, 11 0

    а

    2

    Отримавши пакет, ДП визначає, що він прийшов від нового (що раніше не зафіксованого) КП, включає отриману з нього інформацію про ЗСШ в матрицю Ж і перераховує таблицю маршрутів, що забезпечують передачу інформації з мінімальною помилкою. В результаті формується нова карта маршрутизації (рис. 12) і таблиця шляхів (табл. 4).

    Таким чином, розглянуті алгоритми формують маршрути передачі інформації в мережі телемеханіки довільної конфігурації з мінімальними помилками, відстежують структуру мережі і при необхідності реконфигурируется сукупність оптимальних маршрутів.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Канали зв'язку диспетчерського управління електричних мереж. Переваги радіоканалів / А. В. Ка-Тушкина, В. В. Копилов, А. В. Лисенков, А. К. Шашкін // Новини електротехніки. 2004. № 1 (25). С. 64-65.

    2. Таненбаум Е. Комп'ютерні мережі. СПб .: Пітер, 2006. 487 с.

    3. Пєсков С. Н., Іщенко А. Е. Розрахунок ймовірності помилки в цифрових каналах зв'язку // Телеспутнік. 2010. № 11. С. 70-75.

    J.-E. Andreassen Ostfold University (Halden, Norway) V. E. Lankin

    Institute of management in social, economic and ecological systems of the Southern Federal university (Taganrog)

    A. K. Schaschkin Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"

    Route in net of telemechanics for objects of electric power on base wireless link

    In clause is considered principle construction net of telemechanics for object of electric power on base wireless link. Adduce of criterion choice the route, written the algorithm of construction the route on example real net. Considered automatic form the new station of control in net.

    Route in net of telemechanics, criterion of choice the route, algorithm construction the route, automatic form the new station in net

    Стаття надійшла до редакції 24 лютого 2015 р.


    Ключові слова: Маршрутизації В МЕРЕЖІ телемеханіки / КРИТЕРІЙ ВИБОРУ МАРШРУТУ / АЛГОРИТМ ПОБУДОВИ МАРШРУТУ / Автоматичне ВСТУП НОВОГО контрольованих ПУНКТУ В МЕРЕЖІ телемеханіки / ROUTE IN NET OF TELEMECHANICS / CRITERION OF CHOICE THE ROUTE / ALGORITHM CONSTRUCTION THE ROUTE / AUTOMATIC FORM THE NEW STATION IN NET

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити