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CN102932257A - 电力载波通信路由方法 - Google Patents

电力载波通信路由方法 Download PDF

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CN102932257A
CN102932257A CN2012105100187A CN201210510018A CN102932257A CN 102932257 A CN102932257 A CN 102932257A CN 2012105100187 A CN2012105100187 A CN 2012105100187A CN 201210510018 A CN201210510018 A CN 201210510018A CN 102932257 A CN102932257 A CN 102932257A
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CN
China
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route
node
rreq
address
routing
Prior art date
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Pending
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CN2012105100187A
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English (en)
Inventor
谷志茹
刘述钢
李鲁智
李智良
李虎
陈鑫雯
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Wasion Group Co Ltd
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Wasion Group Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种电力载波通信路由方法，需要路由的网络节点向周围的节点广播路由请求消息，各个中间节点均在其路由表记录下一跳的地址和路由代价，当请求信息通过一定的路径到达目的节点后，根据不同路径的路由代价选择最优路径，并由该目的节点发起路由响应，再通过最短路径回到源节点。本发明实现了MESH路由技术中路由代价算法。网络中的节点具有中继功能，解决星形网络架构中需要另外增加中继器的问题。在MESH网络拓扑结构以及各全功能网络节点的有力支持下，本发明中的各节点还具有自组网功能，随着环境的变换，节点可依据各节点间的路由代价灵活的选择路由，保证了任何时间和环境下的路径均为最优。

Description

电力载波通信路由方法
技术领域
本发明涉及一种用于电力载波通信的路由方法。
背景技术
目前的电力线载波通信主要有窄带单载波通信机制利用扩频技术来提高通信的抗干扰与抗截获能力，例如PSK和S-FSK电力线通信机制。这种方式网络架构采用简单的星形网络结构，节点设备不能做中继，所以需要配备另外的路由中继设备。此外，在设备上电前，路由已经确定，并且这些路由信息都已存储在节点的路由表中，不能随着环境的改变灵活变化。这样，各个节点就不能自组网，只能根据已有的路由来组网，在最优路径的选择上受到很大限制。此网络结构虽简单，但容量较小，不适应越来越繁杂的居民生活需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种组网灵活且高效可靠的用于电力载波通信的路由方法。
本发明提供的这种电力载波通信路由方法，包括路由发现过程和路由代价算法，每个节点都包含路由表和路由请求表，该路由方法包括如下步骤：
步骤1，在路由发现前，初始化路由表及路由请求表；路由表所有域清零；路由请求表的反向路由代价和前向路由代价置为最大值，该表的其他域清零；
步骤2，路由请求，源节点与目的节点要建立路由时，源节点发起路由请求，生成RREQ，以广播的形式向相邻中间节点发送RREQ；所述RREQ包括RREQ_ID、路由代价、目的地址和源地址；所述RREQ由源地址和RREQ_ID共同标示其唯一性；
步骤3，中间节点具有中继功能，且接收并前向转发源节点地址不同的RREQ，同时根据所述路由代价算法计算从此RREQ的源节点至当前节点的反向累加路由代价；并将反向路由地址存入其路由表中的下一跳地址域，将此RREQ中的RREQ_ID存入其路由请求表中的RREQ_ID域，将RREQ中的源地址存入其路由请求表中的源地址域，将按照所述路由代价算法计算得到的路由代价存入该节点的路由请求表的前向路由代价域；所述路由代价算法按照如下公式实现：
Link Cost = AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
式中，LQI为链路质量，且LQI=Modind·ToneA；
AdpKr、AdpKm、AdpKc、AdpKq、AdpKh和AdpKrt均为常数；
MOD_Kr和MOD_Km均为调制指数；
ToneMax为当前模式下，Tone的最大数量；
ToneA为当前模式下，激活的Tone的数量；
RouteA为当前模式下，激活的路由数量；
RouteMax为当前模式下，最大路由数量； 
Modind调制模式的索引；
步骤4，路由响应，经过每个中间节点的转发，会有一个以上的RREQ到达目的节点；目的节点接收到所有目的地址为该节点的RREQ；对于源地址不同的RREQ，目的节点将此RREQ存入其路由请求表，同时生成与此RREQ相应的RREP；对于具有相同的源地址和相同的RREQ_ID的RREQ，目的节点比较此RREQ中的路由代价与其路由请求表中RREQ条目里的前向路由代价，如果前者小于等于后者，则保存当前RREQ条目，替换以前保存的RREQ条目，并生成RREP；
所述RREP包括路由代价、目的地址和源地址；
步骤5，目的节点将生成的RREP通过中间节点向源节点转发；在此过程中计算反向路由代价；
步骤6，中间节点接收与所述RREQ有相同的路由发起方的地址和相同的RREQ_ID的RREP；
步骤7，中间节点比较此RREP中路由代价与该节点的路由请求表中的反向路由代价，如果前者小于等于后者，则将此RREP中的路由代价替换更新该中间节点的路由请求表中的反向路由代价域；并转发此RREP；
步骤8，源节点收到此RREP，由此找到从该源节点至其要去的目的节点的最优路由。
所述反向路由地址是当前节点至源节点方向的下一跳节点地址。所述RREQ中的目的地址是目的节点的地址，其源地址是源节点的地址。所述RREP中的目的地址是目的节点的地址，其源地址是源节点的地址。
本发明是基于MESH网络架构的路由方法，设计实现了MESH路由技术中路由代价算法。网络中的节点具有中继功能，解决星形网络架构中需要另外增加中继器的问题。在MESH网络拓扑结构以及各全功能网络节点的有力支持下，本发明中的各节点还具有自组网功能，随着环境的变换，节点可依据各节点间的路由代价灵活的选择路由，保证了任何时间和环境下的路径均为最优。
附图说明
图1是本发明的MESH网络拓扑结构图。
图2是本发明的通信协议结构图。
图3是本发明的具体实施时路由请求过程示意图。
图4是本发明的具体实施时路由响应过程示意图。
图5是本发明的一个实施例示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明是采用MESH网的网络拓扑结构。网络中所有设备均是全功能设备，每个节点都可以做协调器，但只有一个节点可以成为协调器。网络中各节点之间可以对话，所以每个节点都可以成为相邻节点的中继。所以这种网络形式非常灵活，路由技术也相对复杂。在设备上电前，网络不存在，各节点路由表中的信息为空；当设备上电后，有路由需求的节点采用一种按需的路由算法来确定其到达目的节点的网络路由，并且各个节点将产生的路由信息保存在路由表中。此种网络可实现复杂功能，并且网络容量大，不需要额外的中继设备。
如图2所示，为中压和低压电网的通信协议，该协议包括：物理层，确保能够在恶劣的信道环境中通信；基于IEEE 802.15.4协议的MAC层，更好的适配较低的通信速率；基于6LoWPAN协议的自适应路由层，提供灵活高效的组网管理和路由技术；以及组合了IPv6和UDP的网络层。本发明是符合上述协议的用于电力载波通信的路由方法。
如图3和图4所示，本发明的路由发现过程包括路由请求（RREQ）过程和路由响应（RREP）过程。如图3所示，有路由需求的节点做为源节点以广播的方式给相邻节点发出路由请求（RREQ），每个中间节点均在其路由表中记录“下一跳地址”和“路由代价”。当请求信息通过一定的路径到达目的节点（协调器）后，目的节点根据不同路径的各个路由代价中选择最优路径；其中，路由代价越小对应路由越优。目的节点收到由该源节点发出的路由请求后，生成路由响应（RREP），并通过最短路径回到源节点。由此找到从该源节点至其所要去的目的节点的一条最优路由。
在本发明的路由发现过程中，用到如下帧格式。
1.     路由表结构
表一：
终点地址 下一跳地址 状态 生存周期
表中各个域的含义分别为：
a)     “终点地址”是有路由需求的源节点要去的目的地地址；
b)     “下一跳地址”是当前节点至终点方向的下一跳节点地址；
c)      “状态”是当前路由的状态，包括：有效，无效，路由发现等。
d)     “生存周期”是当前路由存在的时间。
2.     路由请求表结构
表二：
RREQ ID 源地址 反向路由地址 前向路由代价 反向路由代价 有效时间
表中各个域的含义分别为：
a)       “RREQ ID”是路由请求RREQ的序号；
b)      “源地址”是RREQ的源节点地址；
c)       “反向路由地址”是当前节点至发起方点方向的下一跳节点地址；
d)      “有效时间”是路由存在并有效的时间。
在路由表中有四个域，终点地址对于表计是不变的，均为集中器地址；对于集中器而言，终点地址则是每次待抄的表计的地址。下一跳地址，由路由代价来确定，所以每次可能有不同的路径。路由请求表中记录了前向路由代价和反向路由代价，用于确定最优的路径。
3.     路由请求（RREQ）
表三：
 表中各个域的含义如下：
a)          TYPE：为“1”，表示此为路由请求RREQ；
b)          RREQ_ID：路由请求RREQ的序号，用于识别RREQ，并且与发起地址共同标识RREQ的唯一性；
c)           路由代价：从RREQ发起点至RREQ当前节点的反向累加路由代价值；
d)          终点地址：有路由需求的源节点要去的目的节点的地址；
e)           源地址：路由请求发起节点的地址。
4.     路由响应（RREP）
表四：
Figure 716366DEST_PATH_IMAGE002
表中各个域的含义如下：
a)TYPE：为“2”，表示此为路由响应RREP；
b)RREQ_ID：路由请求RREQ的序号，用于识别RREQ，并且与发起地址共同标识RREQ的唯一性；
c)路由代价：从生成RREP的目的节点至转发RREP的当前节点的路由代价值；
d)终点地址：有路由需求的源节点要去的目的节点的地址；
e)源地址：路由请求发起节点的地址。
路由请求和路由响应的帧格式域相同，但是域中的值不同。“TYPE”域用于标识是路由请求RREQ还是路由响应RREP，并且二者中的“路由代价”域中计算路由代价的对象不同。本发明在设备上电启动前，路由不存在，节点存储器中的上述路由信息均为空。设备上电后，根据节点之间的路由代价，选择最优路径作为路由，随着环境的变化，路由代价重新更新，并根据最新的路由代价选择更优路径。保证任何时间和环境路径均为最优。
在路由发现过程中：在路由请求时，各个中间节点计算由源节点至当前节点的路由代价，并存储和转发此路由代价；在路由响应时，根据路由代价确定返回的路由通路。本发明的路由代价算法按照如下公式实现：
Link Cost = AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)                    (1)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
式中，LQI为链路质量，其值由下式计算得到：
LQI=Modind·ToneA                                 (2)
本发明的路由代价是沿着当前路径的链路代价总和。式（1）、式（2）中的参数含义及取值如表五所示。
 
表五：路由代价参数表
Figure 695823DEST_PATH_IMAGE003
本发明的路由代价算法，路由代价的计算值越小，表明此条路由越优。
下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步说明。
如图5所示，是本发明的一个具体实施例示意图。假如现实环境是A至D至B的路由优于A至C至B的路由，所以路由发现过程就是建立一条由A至D至B的路由。（此实例应用在G3标准电力线载波通信中，相应的参数值见表六，选择ROBO调制方式）。节点A为有路由需求至节点B的源节点；节点B为目的节点；节点C和节点D为中间节点，二者具有中继功能。在节点A发出路由请求前，各节点上的“路由表”以及“路由请求表”均为初始状态。
G3标准路由代价参数，见表六（ROBO模式，DBPSK调制方式，50块表）
表六： 
表五中路由参数值ToneA根据链路的环境取值有所不同。
节点A按照下述步骤寻找最优路由至节点B。
步骤1，节点A生成RREQ，以广播的形式向相邻中间节点C和节点D发送此RREQ。此RREQ包括如下信息：
Figure 683819DEST_PATH_IMAGE005
步骤2，节点D先接收到此RREQ，并计算节点A至节点D的路由代价Link Cost1。节点D在该节点上存储的“路由请求表”中查找，看是否有相同的源地址和相同RREQ_ID的RREQ条目。如果在该表中查到有源地址相同且RREQ_ID相同的RREQ条目信息，则表明此条RREQ已经被转发过，丢弃此条RREQ，节点D结束此次转发。
路由代价计算：MOD_Kr=1，MOD_Km=3；ToneMax=36ToneA=24；RouteA=0，RouteMax=50，Modind=0.25；带入式（2）得：
链路质量 LQI1=Modind·ToneA=6，将上述参数以及此时的链路质量LQI1值带入（1）式得：
Link Cost1 = AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
=29
步骤3，由于节点D上并无满足前面条件的RREQ条目信息，所以节点D将所有信息更新至其“路由请求表”和“路由表”，见下表：
（1）路由表
终点地址 下一跳地址 状态 生存周期
节点B 节点A 路由发现 100毫秒
（2）路由请求表
RREQ ID 源地址 反向路由地址 前向路由代价 反向路由代价 有效时间
1 节点A 节点A 29 最大值=0xFF 100毫秒
步骤4，节点D转发此RREQ至节点B。节点B接收到此RREQ后，计算节点A至节点D再至节点B的路由代价Link Cost2
路由代价计算：MOD_Kr=1，MOD_Km=3，ToneMax=36，ToneA=32，RouteA=0，RouteMax=50，Modind=0.25；带入式（2）得：
链路质量 LQI2=Modind·ToneA=8，将上述参数以及此时的链路质量LQI3值带入（1）式得：
Link Cost2 = Link Cost1+AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
=56
步骤5，节点C接收到此RREQ，并计算节点A至节点C的路由代价Link Cost3。节点C首先在该节点上存储的“路由请求表”中查找，看是否有相同的源地址和相同RREQ_ID的RREQ条目。如果在该表中查到有源地址相同且RREQ_ID相同的RREQ条目信息，则表明此条RREQ已经被转发过，丢弃此条RREQ，节点C结束此次转发。
路由代价计算：MOD_Kr=1，MOD_Km=3，ToneMax=36，ToneA=16，RouteA=0，RouteMax=50，Modind=0.25，带入式（2）得：
链路质量 LQI3=Modind·ToneA=4，将上述参数以及此时的链路质量LQI2值带入（1）式得：
Link Cost 3= AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
=32
步骤6，由于节点C上并无满足前面条件的RREQ条目信息，所以节点C将RREQ_ID值、源地址和路由代价Link Cost 3更新至其“路由请求表”和“路由表”的对应域中，其中路由代价Link Cost 3值更新至路由请求表的“前向路由代价”域中。具体见下表：
（1）路由表
终点地址 下一跳地址 状态 生存周期
节点B 节点A 路由发现 100毫秒
（2）路由请求表
RREQ ID 源地址 反向路由地址 前向路由代价 反向路由代价 有效时间
1 节点A 节点A 32 最大值=0XFF 100毫秒
 步骤7，节点C转发此RREQ至节点B。节点B接收到此RREQ后，计算节点A至节点C再至节点B的路由代价Link Cost4.
路由代价计算：MOD_Kr=1，MOD_Km=3，ToneMax=28，ToneA=32，RouteA=0，RouteMax=50，Modind=0.25，带入式（2）得：
链路质量 LQI4=Modind·ToneA=7，将上述参数以及此时的链路质量LQI4值带入（1）式得：
Link Cost4 = Link Cost2+AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
=60
步骤8，经过节点C和节点D转发，节点B接到共收到两条由节点A发出的RREQ，并做如下处理（前提是先收到节点C转发的RREQ）。
首先，针对节点C转发的RREQ，节点B在其上的“路由请求表”中查找，看是否有相同的源地址和相同的RREQ_ID的RREQ条目。节点B在其“路由请求表”中查得没有这样的RREQ，其再将此RREQ中的相关信息存入其“路由请求表”，见下表：
RREQ ID 源地址 反向路由地址 前向路由代价 反向路由代价 有效时间
1 节点A 节点C Link Cost4 0XFF 100毫秒
并更新其“路由表”，见下表：
终点地址 下一跳地址 状态 生存周期
节点A 节点C 路由发现 100毫秒
节点B生成RREP1，具体见下表：
 步骤9，节点B之后又收到由节点D转发的RREQ，按照步骤8中方法在其“路由请求表”中查得有相同的RREQ，再将由节点D转发的RREQ中的“路由代价”与“路由请求表”中的“前向路由代价”作比较，显然路由代价Link Cost 2小于前向路由代价Link Cost 4。节点B更新其“路由表”中相关内容，见下表：
终点地址 下一跳地址 状态 生存周期
节点A 节点D 路由发现 100毫秒
 节点B生成RREP2，具体见下表：
Figure 320654DEST_PATH_IMAGE007
 步骤10，节点B将上述RREP2转发至节点D。节点D接收到RREP2，计算节点B至节点D的反向路由代价RLink Cost1。
路由代价计算：MOD_Kr=1，MOD_Km=3，ToneMax=36，ToneA=36，RouteA=0，RouteMax=50，Modind=0.25，带入式（2）得：
链路质量 LQI5=Modind·ToneA=9，将上述参数以及此时的链路质量LQI5值带入（1）式得：
RLink Cost1 = AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
=26
步骤11，节点D根据其“路由请求表”检查此RREP2是否与对应的RREQ有相同的发起地址，即检查RREP2的终点地址与对应RREQ的源地址是否相同。经查表可知，满足此条件。
步骤12，节点D再根据其“路由请求表”检查此RREP2是否与对应的RREQ有相同的RREQ_ID。经查表可知，也满足此条件。
步骤13，节点D将上述路由代价RLink Cost1与其“路由请求表”中的与此RREP对应的RREQ中的“反向路由代价”做比较，显然RLink Cost1较小，表明当前路由优于之前的路由，节点D更新此RREP内容至其“路由请求表”（见下表），并转发RREP2。
RREQ ID 源地址 反向路由地址 前向路由代价 反向路由代价 有效时间
1 节点A 节点A 29 26 100毫秒
步骤14，节点D将上述RREP2转发至节点A，节点A接收到RREP2，计算节点B至节点D至节点A的路由代价RLinkCost2。
路由代价计算：MOD_Kr=1，MOD_Km=3，ToneMax=36，ToneA=24，RouteA=0，RouteMax=50，Modind=0.25，带入式（2）得：
链路质量 LQI5=Modind·ToneA=9，将上述参数以及此时的链路质量LQI5值带入（1）式得：
RLink Cost2 = RLinkCost1+AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
=55
步骤15，节点A根据其“路由请求表”检查此RREP2是否与对应的RREQ有相同的发起地址，即检查RREP2的源地址与对应RREQ的源地址是否相同。经查表可知，满足此条件。
步骤16，节点A再根据其“路由请求表”检查此RREP2是否与对应的RREQ有相同的RREQ_ID。经查表可知，也满足此条件。
步骤17，节点A将上述路由代价RLink Cost2与其“路由请求表”中的与此RREP对应的RREQ中的“反向路由代价”做比较，显然RLink Cost2较小，表明当前路由优于之前的路由，节点D更新此RREP内容至A“路由请求表”，如下：
RREQ ID 源地址 反向路由地址 前向路由代价 反向路由代价 有效时间
1 节点A 0 0XFF 55 100毫秒
由此，节点A 找到到达节点B的最优路由为：节点A经由节点D至节点B。

Claims (4)

1.一种电力载波通信路由方法，其特征在于，包括路由发现过程和路由代价算法，每个节点都包含路由表和路由请求表，该路由方法包括如下步骤：
步骤1，在路由发现前，初始化路由表及路由请求表；路由表所有域清零；路由请求表的反向路由代价和前向路由代价置为最大值，该表的其他域清零；
步骤2，路由请求，源节点与目的节点要建立路由时，源节点发起路由请求，生成RREQ，以广播的形式向相邻中间节点发送RREQ；所述RREQ包括RREQ_ID、路由代价、目的地址和源地址；所述RREQ由源地址和RREQ_ID共同标示其唯一性；
步骤3，中间节点具有中继功能，且接收并前向转发源节点地址不同的RREQ，同时根据所述路由代价算法计算从此RREQ的源节点至当前节点的反向累加路由代价；并将反向路由地址存入其路由表中的下一跳地址域，将此RREQ中的RREQ_ID存入其路由请求表中的RREQ_ID域，将RREQ中的源地址存入其路由请求表中的源地址域，将按照所述路由代价算法计算得到的路由代价存入该节点的路由请求表的前向路由代价域；所述路由代价算法按照如下公式实现：
Link Cost = AdpKr·MOD_Kr + AdpKm·MOD_Km
+ AdpKc·(ToneMax-ToneA) / ToneMax
          + AdpKq·(Max(LQI) –LQI)/Max(LQI)
+ AdpKh·1+ AdpKrt·RouteA/RouteMax
式中，LQI为链路质量，且LQI=Modind·ToneA；
AdpKr、AdpKm、AdpKc、AdpKq、AdpKh和AdpKrt均为常数；
MOD_Kr和MOD_Km均为调制指数；
ToneMax为当前模式下，Tone的最大数量；
ToneA为当前模式下，激活的Tone的数量；
RouteA为当前模式下，激活的路由数量；
RouteMax为当前模式下，最大路由数量； 
Modind调制模式的索引；
步骤4，路由响应，经过每个中间节点的转发，会有一个以上的RREQ到达目的节点；目的节点接收到所有目的地址为该节点的RREQ；对于源地址不同的RREQ，目的节点将此RREQ存入其路由请求表，同时生成与此RREQ相应的RREP；对于具有相同的源地址和相同的RREQ_ID的RREQ，目的节点比较此RREQ中的路由代价与其路由请求表中RREQ条目里的前向路由代价，如果前者小于等于后者，则保存当前RREQ条目，替换以前保存的RREQ条目，并生成RREP；
所述RREP包括路由代价、目的地址和源地址；
步骤5，目的节点将生成的RREP通过中间节点向源节点转发；在此过程中计算反向路由代价；
步骤6，中间节点接收与所述RREQ有相同的路由发起方的地址和相同的RREQ_ID的RREP；
步骤7，中间节点比较此RREP中路由代价与该节点的路由请求表中的反向路由代价，如果前者小于等于后者，则将此RREP中的路由代价替换更新该中间节点的路由请求表中的反向路由代价域；并转发此RREP；
步骤8，源节点收到此RREP，由此找到从该源节点至其要去的目的节点的最优路由。
2.根据权利要求1所述的电力载波通信路由方法，其特征在于，反向路由地址是当前节点至源节点方向的下一跳节点地址。
3.根据权利要求1所述的电力载波通信路由方法，其特征在于，所述RREQ中的目的地址是目的节点的地址，其源地址是源节点的地址。
4.根据权利要求1所述的电力载波通信路由方法，其特征在于，所述RREP中的目的地址是目的节点的地址，其源地址是源节点的地址。
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