CN110418389A - 一种能源计量网络的抄表方法 - Google Patents

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Abstract

一种能源计量网络的抄表方法，能源计量网络包括中心节点和N个附属于所述中心节点的子节点，各子节点在网络中具有唯一的单播地址，中心节点在抄表过程中触发特定的超帧结构，并通过全网连通节点集合中的子节点与网络中的各子节点进行信息交互，抄表时中心节点和子节点在属于各自的时隙上接收/发送信令及报文，中心节点根据子节点的资源申请情况，动态分配各超帧中数据时隙，通过对时隙资源分布式和集中式的联合按需分配，可以快速实现全网抄表命令的下行全网广播和各子节点计量数据的上行高效传输，提高了全网抄表的效率，改善了抄表性能。

Description

一种能源计量网络的抄表方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤指涉及一种能源计量网络的全网抄表方法。
背景技术
加强能源计量管理，提高能源利用率是减少资源消耗、保护环境的最有效途径，也是发展能源节约型社会的重要组成部分。对于能源供应和管理部门而言，希望通过能源计量网络来远程实现对整个能源系统的高效精细的管理。因此整个网络需要具备能耗分时上报、计费、网络监测数据上报等功能，为整个能源系统的高度信息化和自动化管理奠定基础。能源计量网络中，通信节点的信号发射功率受到严格限制，单跳信号覆盖距离有限，因此一般为多跳网络，许多业务数据需要中继多跳传输。
能源计量网络中的节点分为两种：中心节点和子节点，中心节点与子节点之间可以通信，子节点之间相互不能直接通信，但可以转发数据。能源计量网络的拓扑形式可能是星型、树形或MESH网状，其具体构架由中心节点确定。全网抄表是能源计量网络特有的一种业务需求，该业务的流程为：中心节点向全网所有子节点广播发送下行抄表报文，报文内容携带了本次抄表的相关业务数据参数信息，用于指示子节点需要上报的数据内容；收到下行抄表报文的各子节点就依据报文内容要求对应向中心节点上报自身相关的上行抄表报文；而主节点收到某个节点的上行抄表报文后，则向该节点下发接收确认报文，用于向该子节点确认其上行抄表报文已经被中心节点正确接收。和其它类型的多跳网络相比，该类型的业务具备如下特征：
1、突发性：用户随时可能触发该业务需求；
2、业务负荷高时变性：未触发该业务时，网络业务负荷一般很低，基本处于空闲状态，触发后，在短时间内网络中每一个节点都会产生各自的业务发送需求，网络业务负荷瞬间变成重负荷状态；
3、业务目的节点唯一性：所有从节点上报的业务数据的目的节点都是主节点，会导致产生局部堵塞情况。
目前在能源计量网络中多使用CSMA类信道接入协议，而CSMA类协议比较适用于网络节点数量较少，业务负荷较轻的业务场景。由以上的网络业务特征可知，在网络节点数量较多且业务负荷较重的场景下，基于信道监听和随机退避机制的自由竞争类的CSMA信道接入协议虽然在信号发送过程使用了随机退避机制，但每一次信号发送都存在一定的碰撞风险，这些风险在信号的多跳传输过程会不断积累，导致多跳信号的传输成功率较差，信源节点需要不断进行信号重传，反而又加重网络业务负荷和信号冲突风险，因此网络整体吞吐量性能将快速下降。因此，有必要针对性地设计一套和能源计量网络的网络特性匹配的组网通信方法，以获得较高的网络吞吐量，提高网络的通信性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以提升全网抄表效率，实现全网快速抄表的抄表方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种能源计量网络的抄表方法，所述能源计量网络包括中心节点和N个附属于所述中心节点的子节点，各子节点在网络中具有唯一的单播地址，全网抄表业务需求触发后，抄表过程包括以下阶段：
S101、下行抄表报文的全网扩散，中心节点选择一个全网连通节点集合，通过全网连通节点集合将下行抄表报文广播给全网子节点，中心节点被触发后执行一个全网抄表超帧，所述全网抄表超帧依次包括；中心节点信令时隙区、第一全网连通节点信令时隙区、数据时隙区和第二全网联通节点信令时隙区，所述中心节点信令时隙区分配给中心节点使用，所述第一全网连通节点信令时隙区中的信令时隙按照全网连通节点集合中子节点对应的组播地址的先后顺序，依次顺序分配给全网连通节点集合中的子节点使用，所述第二全网连通节点信令时隙区中的信令时隙按照全网连通节点集合中子节点对应的组播地址的先后顺序，依次逆序分配给全网连通节点集合中的子节点使用，所述数据时隙区中数据时隙由中心节点调度分配给节点使用；
S101-1、中心节点在本超帧属于自己的信令时隙上发送下行信令信号，信令中携带有本超帧的时隙参数信息和数据时隙的分配信息；
S101-2、全网连通节点集合中接收到下行信令信号的子节点在本超帧的第一全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙上中继转发下行信令信号；
S101-3、中心节点在本超帧数据时隙区属于自己的数据时隙上发送下行抄表报文，全网连通节点集合中接收到下行抄表报文的子节点在本超帧数据时隙区属于自己的数据时隙上中继发送下行抄表报文；
S101-4、全网连通节点集合中的所有子节点在本超帧的第二全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙发送申请信令信号，向中心节点申请分配数据时隙；
S102、上行抄表报文的传输，中心节点执行下一个全网抄表超帧，并根据上一超帧中发送了申请信令信号的子节点的数量调整本超帧中数据时隙区的数据时隙的数量，为申请数据时隙的子节点分配数据时隙；
S102-1、中心节点在本超帧属于自己的信令时隙上发送下行信令信号；
S102-2、全网连通节点集合中接收到下行信令信号的子节点在本超帧的第一全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙上中继转发下行信令信号；
S102-3、全网连通节点集合中的子节点在本超帧属于自己的数据时隙上发送上行抄表报文，当有接收确认报文时，中心节点在本超帧数据时隙区属于自己的数据时隙上发送接收确认报文，子节点在本超帧属于自己的数据时隙上转发上行抄表报文；
S102-4、全网连通节点集合中的所有子节点在本超帧的第二全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙上发送申请信令信号，向中心节点申请数据时隙；
S103、判断是否已经收到所有子节点的抄表数据，如果是则抄表完成，结束抄表，否则返回执行步骤S102。
进一步的，步骤S103中，如果没有收到所有子节点的抄表数据，进一步判断全网连通节点集合中是否还有子节点向中心节点申请数据时隙，如果是则返回执行步骤S102，否则抄表完成，结束抄表。
进一步的，所述下行信令信号中的时隙参数信息包含本次全网抄表所使用的全网连通节点集合的组播地址、信令时隙的数量、数据时隙的数量以及数据时隙长度；数据时隙的分配信息包含中心节点和全网连通节点集合中子节点的数据时隙分配信息。
进一步的，所述中心节点信令时隙区包含M个信令时隙，M为整数；所述第一全网连通节点信令时隙区和第二全网联通节点信令时隙区均包含X个信令时隙，X为本次全网抄表所使用的全网连通节点集合中子节点的数量；数据时隙区中数据时隙的数量由中心节点在发起本次超帧时根据子节点在上一个超帧发送的时隙资源申请情况确定。
进一步的，在步骤S101-4中，子节点在信令时隙上发送的上行信令内容时要指定一个上行中继节点，和/或步骤S102-3中，子节点在本超帧属于自己的数据时隙上发送上行抄表报文时要指定一个上行中继节点。
更具体的，中继节点的选择机制为：从全网连通节点集合中选择一个网络上行层数最小，且对自己的信号接收效果最好的节点作为中继节点，如果中心节点可以接收到该子节点的信号，则选择中心节点为中继节点。
进一步的，中心节点在收到一定数量子节点的上行抄表报文后，生成包含前述子节点地址的接收确认报文，并在接收确认报文生成后的第一个超帧中属于自己的数据时隙上发送接收确认报文。
进一步的，所述全网连通节点集合为：中心节点可以通过该集合中的子节点，实现和网络中任何一个入网子节点之间的上行和下行信息交互；中心节点对本次抄表所用的全网连通节点集合中的所有子节点赋予一个相同的组播地址。
更具体的，所述全网连通节点集合通过以下步骤确定：从k＝1，即第1跳节点开始，k＝1,2,…,K，K为能源计量网络中主节点到子节点的最大跳数，
A)中心节点基于所有子节点上报的邻居节点链路信息，建立k跳邻居节点集合H(k)和k+1跳邻居节点集合H(k+1)；
B)从k跳邻居节点集合H(k)中选出1个可以覆盖最多k+1跳邻居节点集合H(k+1)中节点的节点，然后把该节点从k跳邻居节点集合H(k)中删除，并加入到全网连通节点集合中，同时把该节点所覆盖的节点从k+1跳邻居节点集合H(k+1)中删除；
C)继续从k跳邻居节点集合H(k)中选出1个可以覆盖最多k+1跳邻居节点集合H(k+1)中节点的节点，然后把该节点从k跳邻居节点集合H(k)中删除，并加入到全网连通节点集合中，同时把该节点所覆盖的节点从k+1跳邻居节点集合H(k+1)中删除，重复本步骤，直至k+1跳邻居节点集合H(k+1)中的节点数量为0；
D)若k小于K，则令k＝k+1，返回步骤A)，否则就结束，即得到全网连通节点集合。
进一步的，中心节点在结束抄表后，对没有成功抄表的子节点发起数据补抄，路由主动抄读未获取的数据。
进一步的，网络运行阶段所有的入网子节点周期性向中心节点上报自己的邻居节点链路信息。
由以上技术方案可知，本发明方法通过全网连通节点集合中的子节点来实现中心节点和网络中任何一个入网子节点之间的上行和下行信息交互，且中心节点和子节点间基于超帧进行通信，在超帧中通过时隙资源申请和动态分配的方式为下行抄表报文、上行抄表报文、确认报文的下行等抄表过程中涉及的业务数据提供无冲突且有序的信道资源保障，提高了抄表效率，可实现全网快速抄表。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例全网抄表超帧的时隙结构的示意图；
图2为网络拓扑和某个网络联通节点集合的示意图；
图3为全网抄表的第1个超帧的时隙结构示意图；
图4为全网抄表的第2个超帧的时隙结构示意图；
图5为仿真实验中节点网络的位置分布及单跳信号覆盖范围示意图；
图6为仿真实验中全网连通节点集合(红色圆圈点)及树形拓扑结构图；
图7为仿真实验中采用本发明方法和采用传统的CSMA信道接入方案进行全网抄表的完成时间对比图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
能源计量网络中一般包括中心节点和N个附属于该中心节点的子节点，每个子节点入网后都会由中心节点分配一个网络中唯一的单播地址，用于表示该子节点在网络中的身份。网络地址由N个比特来表示，取值范围为0至2N-1，N为网络中子节点的数量，N值的具体大小根据网络需求支持的最大节点数量来决定。中心节点的网络地址默认为0，2N-1是全网广播地址，[1，2N-1]是入网子节点的单播网络地址，子节点的地址从[1，2N-1]中进行取值。中心节点收到一个子节点的入网申请时，总是将未分配单播网络地址中的最小值分配给提出申请的子节点，从而保障网络中所有的入网子节点的单播网络地址从小到大保持连续。
在网络运行阶段，所有的入网子节点需要周期性的向中心节点上报自己的邻居节点链路信息，从而实现中心节点对全网拓扑信息的收集和掌握，本发明的抄表方法中，中心节点和子节点基于超帧结构进行通信。当进行全网抄表时，中心节点将通过触发一定数量的全网抄表超帧来实现子节点的集中抄表，即全网抄表超帧由中心节点发起。全网抄表超帧包括两种类型的时隙：信令时隙和数据时隙，信令时隙仅承载信令数据，用于中心节点和子节点之间，以及子节点和子节点之间的信令信息交互，其长度是固定的；数据时隙用于承载下行抄表报文和上行抄表报文，以及接收确认报文，其长度是动态变化的。一个超帧中每个数据时隙的长度相同，数据时隙的具体长度由中心节点根据本超帧中要发送的报文数据长度来决定，在中心节点信令时隙和第一全网连通节点信令时隙(顺序)中的发送信号内容中会公告数据时隙的长度。
在能源计量网络中，如果中心节点可以通过某个集合中的子节点，实现和网络中任何一个入网子节点之间的上行和下行信息交互，则将该集合定义为全网连通节点集合(图2)。在一个网络中可能存在多个不同的全网连通节点集合，中心节点根据集合中的节点数量、路由的稳定性、可靠性和鲁棒性来选择最佳集合进行通信。中心节点对选择的全网连通节点集合中的所有子节点都赋予一个相同的组播地址[2N-1+1，2N-2]，该组播地址也是惟一的，中心节点会将组播地址的信息全网公告给所有子节点。
如图1所示，本发明的全网抄表超帧包括4个时隙，依次为：中心节点信令时隙区、第一全网连通节点信令时隙区(顺序)、数据时隙区、第二全网联通节点信令时隙区(逆序)。全网抄表超帧中信令时隙的数量为M+X+X个，数据时隙的数量为Y个。中心节点信令时隙区分配给中心节点使用，中心节点在中心节点信令时隙区的信令时隙上发送或接收信令，中心节点信令时隙区包含M个信令时隙，M为整数，以下实施例中以中心节点信令时隙区包含有5个信令时隙为例进行说明。第一全网连通节点信令时隙区和第二全网联通节点信令时隙区均包含X个信令时隙，X为本次全网抄表所使用的全网连通节点集合中子节点的数量，第一、第二全网连通节点信令时隙区中的信令时隙分配给全网连通节点集合中的子节点使用，供子节点发送或接收信令。第一全网连通节点信令时隙区中的X个信令时隙按照全网连通节点集合中子节点对应的组播地址的先后顺序，依次顺序分配给X个子节点使用，如本区时隙编号从1至X，第x个时隙固定分配给组播地址中的第x个子节点使用。类似的，第二全网连通节点信令时隙区中的X个信令时隙按照全网连通节点集合中子节点对应的组播地址的先后顺序，依次逆序分配给X个子节点使用，如本区时隙编号从X至1，第x个时隙固定分配给组播地址中的第x个子节点使用。
数据时隙区中包含Y个待分配的数据时隙，由中心节点通过下行信令集中调度分配给节点使用。Y是动态值，其取值由中心节点在发起本次超帧时根据网络子节点在上一个超帧发送的时隙资源申请情况决定，不同超帧中该数值可能出现变化。各节点在中心节点信令时隙区的信令时隙以及在第一全网连通节点信令时隙区的信令时隙上发送的信号都携带有X值和Y值信息，从而保证每个子节点都可以获取本超帧时隙结构信息以实现超帧的时隙同步。
下面结合图3对本发明的抄表方法作进一步的说明。本发明的抄表方法步骤如下：全网抄表业务需求由用户临时触发或者周期性自动触发；
S101、中心节点接收到全网抄表业务需求后，将下行抄表报文下行广播给全网子节点，进行下行抄表报文的全网扩散，要求全网子节点根据下行抄表报文的内容要求上报对应的上行抄表数据；此时中心节点选择一个全网连通节点集合T(该集合中含有X个入网子节点)，向该集合内的子节点发送下行信令信号，中心节点被触发后开始执行一个全网抄表超帧，以第一个全网抄表超帧为例，如图4所示，第一个全网抄表超帧中信令时隙的数量为5+X+X个，数据时隙的数量Y＝X+1个，数据时隙的长度刚好可以承载一次下行抄表报文的发送；下行抄表报文的全网扩散时，全网抄表超帧的执行过程如下：
S101-1、中心节点在属于自己的信令时隙(中心节点信令时隙区的信令时隙)上发送下行信令信号，信令中携带了本超帧的时隙参数信息和数据时隙的分配信息；其中时隙参数信息包含本次全网抄表所使用的全网连通节点集合T的组播地址、信令时隙的数量、数据时隙的数量以及数据时隙长度，数据时隙分配信息是中心节点和全网连通节点集合中X个子节点的数据时隙分配信息，第一个超帧中中心节点分配第1个数据时隙，X个子节点则依照组播地址中的排序从前到后依次分配1个数据时隙；
S101-2、如果全网连通节点集合中的某个子节点收到了中心节点或其它子节点发送的下行信令信号，则接收到下行信令信号的子节点在第一全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙上中继转发该下行信令信号；
S101-3、中心节点在数据时隙区的第1个数据时隙上发送下行抄表报文，如果全网连通节点集合中的某个子节点收到中心节点或其它子节点发送的下行抄表报文，则在数据时隙区属于自己的数据时隙上中继发送该下行抄表报文；
S101-4、全网连通节点集合中的子节点在第二全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙发送申请信令信号，向中心节点申请分配数据时隙；收到下行抄表报文的子节点都要按照报文内容上报对应的上行抄表报文，因此在执行第一个全网抄表超帧时，全网连通节点集合中的所有子节点按组播地址中的排序逆序在属于自己的信令时隙向中心节点发送申请信令信号；进一步的，子节点在信令时隙上发送的上行信令内容时要指定一个上行中继节点，要求其为自己的信令信号进行上行中继，中继节点选择机制为：从全网连通节点集合中选择一个网络上行层数最小，且对自己的信号接收效果最好的节点，如果中心节点可以接收到该节点的信号，则选择中心节点为中继节点；
S102、进行上行抄表报文的传输；中心节点通过第1个超帧实现下行抄表报文的全网广播，第一个全网抄表超帧执行完成后默认所有的N个入网子节点都需要进行上行抄表报文的发送，第一个全网抄表超帧执行后，开始通过后续的全网抄表超帧进行上行抄表报文的传输；从第2个全网抄表超帧开始，中心节点在每个全网抄表超帧中都要根据发送了申请信令信号的子节点的数量调整各全网抄表超帧中数据时隙区中数据时隙的数量(Y值)，为各申请数据时隙的子节点分配所需要的数据时隙来发送数据，以第2个全网抄表超帧为例，如图5所示，第2个全网抄表超帧中信令时隙的数量为5+X+X个，数据时隙的数量Y＝N个，数据时隙的长度刚好可以承载一次下行抄表报文的发送，当有接收确认报文时，数据时隙的长度应可以同时承载下行抄表报文和接收确认报文；上行抄表报文的传输时，全网抄表超帧的执行过程与第一个全网抄表超帧的执行过程类似，具体如下：
S102-1、中心节点在属于自己的信令时隙(中心节点信令时隙区的信令时隙)上发送下行信令信号，信令中同样携带了本超帧的时隙参数信息和数据时隙的分配信息；
S102-2、如果全网连通节点集合中的某个子节点收到了中心节点或其它子节点发送的下行信令信号，则接收到下行信令信号的子节点在第一全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙上中继转发该下行信令信号；
S102-3、全网连通节点集合中的子节点按照网络单播地址从小到大依次在自己所分配的数据时隙上发送上行抄表报文，当中心节点收到上行抄表报文后，将在属于自己的数据时隙上向子节点发送接收确认报文，子节点接收到接收确认报文时，在发送上行抄表报文的同时也转发接收确认报文；进一步的，上行抄表报文中除了业务数据外，还指定了一个本报文数据的上行中继节点，中继节点的选择机制同步骤S101-4中中继节点的选择机制；
S102-4、全网连通节点集合中的子节点根据自身在数据时隙区中收到其它节点发送给自己的上行抄表报文的数量的大小，按组播地址中的排序先后逆序在自己的信令时隙发送申请信令信号，向中心节点申请相应数量的数据时隙；由于全网连通节点集合的每一个子节点都可能会被其它子节点指定为上行中继节点，因此本步骤中全网连通节点集合中的每个子节点都要向中心节点申请数据时隙；
S103、在上行抄表报文传输期间，每当一个全网抄表超帧执行完后，判断中心节点是否已经收到所有子节点的抄表数据，如果是则抄表完成，结束抄表，否则进一步判断是否全网连通节点集合中还有子节点向中心节点申请数据时隙，如果是则返回执行步骤S102，如果没有子节点向中心节点申请数据时隙，则抄表完成，结束抄表。
抄表期间，中心节点在收到一定数量子节点(典型值如32个)的上行抄表报文后，生成接收确认报文，接收确认报文包含有这些子节点的地址，然后在接收确认报文生成后的第一个超帧中，中心节点利用全网连通节点集合中的子节点进行下行全网广播。子节点的接收确认报文的时隙安排和下行抄表报文的安排类似，即中心节点在生成而相应的接收确认报文后，为全网连通节点集合中的子节点在数据时隙区分别安排分配了一个数据时隙，数据时隙的时间长度根据接收确认报文的大小调整。进一步的，将下行的接收确认报文的发送优先级设置为高于上行抄表报文的发送优先级，即在本超帧的数据时隙上，全网连通节点集合中的子节点将优先发送接收确认报文。
优选的，考虑能源计量网络部署环境的复杂性和信号传输过程的不可靠性，信令和数据信号的传输过程都存在一定概率的丢失情况，为了避免全网抄表过程完成后中心节点没有实现对网络中部分子节点的成功抄表，中心节点在按照前述方法结束抄表后，对没有成功抄表的子节点发起数据补抄，路由主动抄读未获取的数据。数据补抄时，由于此时已完成了大部分子节点的数据抄读工作，因此数据补抄过程中的网络负荷水平较低，沿用网络中已有的通信协议(如传统的CSMA机制)进行数据的抄读效率也比较高，可以快速完成剩余的那些少量节点的数据抄读工作，这些通信协议均为现有技术，此处不再赘述。
作为本发明方法的一个具体的实施方式，可采用以下方法来确定抄表时所选用的全网连通节点集合：从k＝1，即第1跳节点开始，k＝1,2,…,K，K为能源计量网络中主节点到子节点的最大跳数，
A)中心节点基于所有子节点上报的邻居节点链路信息，建立k跳邻居节点集合H(k)和k+1跳邻居节点集合H(k+1)，k＝1,2,…,K，K为能源计量网络中主节点到子节点的最大跳数；
B)从k跳邻居节点集合H(k)中选出1个可以覆盖最多k+1跳邻居节点集合H(k+1)中节点的节点，然后把该节点从k跳邻居节点集合H(k)中删除，并加入到全网连通节点集合中，同时把该节点所覆盖的节点从k+1跳邻居节点集合H(k+1)中删除；
C)继续从k跳邻居节点集合H(k)中选出1个可以覆盖最多k+1跳邻居节点集合H(k+1)中节点的节点，然后把该节点从k跳邻居节点集合H(k)中删除，并加入到全网连通节点集合中，同时把该节点所覆盖的节点从k+1跳邻居节点集合H(k+1)中删除，重复本步骤，直至k+1跳邻居节点集合H(k+1)中的节点数量为0；中心节点利用经上述过程挑选出的k跳邻居节点集合H(k)的节点来实现和所有k+1跳邻居节点集合H(k+1)中节点之间的信息交互；
D)若k小于K，则令k＝k+1，返回步骤A)，否则就结束，此时中心节点可以和网络中所有子节点进行信息交互，即得到全网连通节点集合。
例如中心节点基于各子节点上报的邻居节点链路信息，先建立1跳邻居节点集合H(1)和2跳邻居节点集合H(2)；
B)从1跳邻居节点集合H(1)中选出1个可以覆盖最多2跳邻居节点集合H(2)中节点的节点，然后把该节点从1跳邻居节点集合H(1)中删除，并加入到全网连通节点集合中，同时把该节点所覆盖的节点从2跳邻居节点集合H(2)中删除；
C)继续从1跳邻居节点集合H(1)中选出1个可以覆盖最多2跳邻居节点集合H(2)中节点的节点，然后把该节点从1跳邻居节点集合H(1)中删除，并加入到全网连通节点集合中，同时把该节点所覆盖的节点从2跳邻居节点集合H(2)中删除，重复本步骤，直至2跳邻居节点集合H(2)中的节点数量为0；中心节点利用经上述过程挑选出的1跳邻居节点集合H(1)的节点来实现和所有2跳邻居节点集合H(2)中节点之间的信息交互；
D)基于相同原理，中心节点建立2跳邻居节点集合和3跳邻居节点集合，然后从2跳邻居节点集合中选择出部分节点来实现对3跳邻居节点的全部覆盖；
基于相同原理，中心节点建立2跳邻居节点集合和3跳邻居节点集合，然后从2跳邻居节点集合中选择出部分节点来实现对3跳邻居节点的全部覆盖；以此类推，中心节点不断扩大跳数范围并进行连通节点选择，直至中心节点可以和网络中所有子节点进行信息交互，得到全网连通节点集合。
当全网连通节点集合确定好后，组播地址全网公告；为节约信令开销，主节点将给基于上述机制所选择出来的全网连通节点集合赋予一个唯一的组播地址(基于上述机制，越先选择出来的连通节点在组播地址中的排名越靠前)，并将该信息进行全网公告，其中组播地址全网公告的内容如下表所示：
表1组播地址全网公告的内容
字段 内容说明
信令类型 用于指示本信令的类型
组播地址 用于指示为某集合节点所赋予的组播地址
节点数量 本组播地址所含有的子节点数量，设为X个
第1个子节点的地址 本组播地址中的第1个节点的网络地址
第1个子节点的网络上行层数 本组播地址中的第1个节点的网络上行层数
第2个子节点的地址 本组播地址中的第2个节点的网络地址
第2个子节点的网络上行层数 本组播地址中的第2个节点的网络上行层数
… …
第X-1个子节点的地址 本组播地址中的第X-1个节点的网络地址
第X-1个子节点的网络上行层数 本组播地址中的第X-1个节点的网络上行层数
第X个子节点的地址 本组播地址中的第X个节点的网络地址
第X个子节点的网络上行层数 本组播地址中的第X个节点的网络上行层数
其中网络上行层数的定义如下：如果某个子节点发送的信号可以被中心节点正确接收，则上行层数为1；如果某个子节点的信号无法被中心节点正确接收，但可以被某个上行层数为1的其它子节点正确接收，则上行层数为2，后续依次递推。
为验证本发明方法的实际效果，下面以2017年6月国家电网公司发布的《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范(Q/GDW11612--2016)》的相关应用层和物理层协议为基础，使用MATLAB工具将基于传统的CSMA机制的抄表方法以及采用本发明方法的性能进行仿真对比。
仿真条件如下：假定300个网络子节点在一个5×5正方形区域随机均匀分布(见图5)，为简化仿真，信令信号和数据信号的有效通信距离都为(图5圆圈范围)，中心节点的位置在[0 0]，仿真中主节点至从节点的最大跳数为5～7跳。假定全网抄表的上行抄表报文数据量大小为200个字节，而基于上述网络参数且假定传输过程理想(即如果没有发生碰撞，则发送信号一定可以被其通信范围内的所有节点正确接收)
采用本发明方法确定的全网连通节点集合及其对应的树形拓扑结构如图6所示。节点位置随机产生的100个网络的全网抄表完成时间仿真结果如图7所示。从仿真结果可以看出，基于传统的CSMA机制的抄表方法在全网抄表过程中受到网络节点多和业务负荷重的影响，网络整体平均吞吐量较低，完成对300个子节点的一次全网抄表需要大概约500秒，每个节点平均抄表时间约为1.7秒；而本发明方法虽然引入了一定的信令开销，但可以为整个抄表过程的信号传输提供无冲突和有序的信道资源保障，因此网络整体平均吞吐量较高，完成对300个子节点的一次全网抄表需要大概约40秒，每个节点平均抄表时间约为0.13秒，全网抄表效率明显提高。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (11)

1.一种能源计量网络的抄表方法，所述能源计量网络包括中心节点和N个附属于所述中心节点的子节点，各子节点在网络中具有唯一的单播地址，其特征在于：全网抄表业务需求触发后，抄表过程包括以下阶段：
S101、下行抄表报文的全网扩散，中心节点选择一个全网连通节点集合，通过全网连通节点集合将下行抄表报文广播给全网子节点，中心节点被触发后执行一个全网抄表超帧，所述全网抄表超帧依次包括；中心节点信令时隙区、第一全网连通节点信令时隙区、数据时隙区和第二全网联通节点信令时隙区，所述中心节点信令时隙区分配给中心节点使用，所述第一全网连通节点信令时隙区中的信令时隙按照全网连通节点集合中子节点对应的组播地址的先后顺序，依次顺序分配给全网连通节点集合中的子节点使用，所述第二全网连通节点信令时隙区中的信令时隙按照全网连通节点集合中子节点对应的组播地址的先后顺序，依次逆序分配给全网连通节点集合中的子节点使用，所述数据时隙区中数据时隙由中心节点调度分配给节点使用；
S101-1、中心节点在本超帧属于自己的信令时隙上发送下行信令信号，信令中携带有本超帧的时隙参数信息和数据时隙的分配信息；
S101-2、全网连通节点集合中接收到下行信令信号的子节点在本超帧的第一全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙上中继发送下行信令信号；
S101-3、中心节点在本超帧数据时隙区属于自己的数据时隙上发送下行抄表报文，全网连通节点集合中接收到下行抄表报文的子节点在本超帧数据时隙区属于自己的数据时隙上中继发送下行抄表报文；
S101-4、全网连通节点集合中的所有子节点在本超帧的第二全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙发送申请信令信号，向中心节点申请分配数据时隙；
S102、上行抄表报文的传输，中心节点执行下一个全网抄表超帧，并根据上一个超帧中发送了申请信令信号的子节点的数量调整本超帧中数据时隙区的数据时隙的数量，为申请数据时隙的子节点分配数据时隙；
S102-1、中心节点在本超帧属于自己的信令时隙上发送下行信令信号；
S102-2、全网连通节点集合中接收到下行信令信号的子节点在本超帧的第一全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙上中继转发下行信令信号；
S102-3、全网连通节点集合中的子节点在本超帧属于自己的数据时隙上发送上行抄表报文，当有接收确认报文时，中心节点在本超帧数据时隙区属于自己的数据时隙上发送接收确认报文，子节点在本超帧属于自己的数据时隙上中继发送上行抄表报文；
S102-4、全网连通节点集合中的所有子节点在本超帧的第二全网连通节点信令时隙区中属于自己的信令时隙上发送申请信令信号，向中心节点申请数据时隙；
S103、判断是否已经收到所有子节点的抄表数据，如果是则抄表完成，结束抄表，否则返回执行步骤S102。
2.如权利要求1所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：步骤S103中，如果没有收到所有子节点的抄表数据，进一步判断全网连通节点集合中是否还有子节点向中心节点申请数据时隙，如果是则返回执行步骤S102，否则抄表完成，结束抄表。
3.如权利要求1所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：所述下行信令信号中的时隙参数信息包含本次全网抄表所使用的全网连通节点集合的组播地址、信令时隙的数量、数据时隙的数量以及数据时隙长度；数据时隙的分配信息包含中心节点和全网连通节点集合中子节点的数据时隙分配信息。
4.如权利要求1或2或3所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：所述中心节点信令时隙区包含M个信令时隙，M为整数；所述第一全网连通节点信令时隙区和第二全网联通节点信令时隙区均包含X个信令时隙，X为本次全网抄表所使用的全网连通节点集合中子节点的数量；数据时隙区中数据时隙的数量由中心节点在发起本次超帧时根据子节点在上一个超帧发送的时隙资源申请情况确定。
5.如权利要求1所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：在步骤S101-4中，子节点在信令时隙上发送的上行信令内容时要指定一个上行中继节点，和/或步骤S102-3中，子节点在本超帧属于自己的数据时隙上发送上行抄表报文时要指定一个上行中继节点。
6.如权利要求5所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：中继节点的选择机制为：从全网连通节点集合中选择一个网络上行层数最小，且对自己的信号接收效果最好的节点作为中继节点，如果中心节点可以接收到该子节点的信号，则选择中心节点为中继节点。
7.如权利要求1所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：中心节点在收到一定数量子节点的上行抄表报文后，生成包含前述子节点地址的接收确认报文，并在接收确认报文生成后的第一个超帧中属于自己的数据时隙上发送接收确认报文。
8.如权利要求1所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：所述全网连通节点集合为：中心节点可以通过该集合中的子节点，实现和网络中任何一个入网子节点之间的上行和下行信息交互；中心节点对本次抄表所用的全网连通节点集合中的所有子节点赋予一个相同的组播地址，并将组播地址进行全网公告，公告内容包括信令类型、全网连通节点集合的组播地址、本组播地址所含的子节点数量、各子节点的地址和网络上行层数。
9.如权利要求8所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：所述全网连通节点集合通过以下步骤确定：从k＝1，即第1跳节点开始，k＝1,2,…,K，K为能源计量网络中主节点到子节点的最大跳数，
A)中心节点基于所有子节点上报的邻居节点链路信息，建立k跳邻居节点集合H(k)和k+1跳邻居节点集合H(k+1)；
B)从k跳邻居节点集合H(k)中选出1个可以覆盖最多k+1跳邻居节点集合H(k+1)中节点的节点，然后把该节点从k跳邻居节点集合H(k)中删除，并加入到全网连通节点集合中，同时把该节点所覆盖的节点从k+1跳邻居节点集合H(k+1)中删除；
C)继续从k跳邻居节点集合H(k)中选出1个可以覆盖最多k+1跳邻居节点集合H(k+1)中节点的节点，然后把该节点从k跳邻居节点集合H(k)中删除，并加入到全网连通节点集合中，同时把该节点所覆盖的节点从k+1跳邻居节点集合H(k+1)中删除，重复本步骤，直至k+1跳邻居节点集合H(k+1)中的节点数量为0；
D)若k小于K，则令k＝k+1，返回步骤A)，否则就结束，即得到全网连通节点集合。
10.如权利要求1或2所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：中心节点在结束抄表后，对没有成功抄表的子节点发起数据补抄，路由主动抄读未获取的数据。
11.如权利要求1或8所述的能源计量网络的抄表方法，其特征在于：网络运行阶段所有的入网子节点周期性向中心节点上报自己的邻居节点链路信息。
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