CN102572907A

CN102572907A - 一种工业信息走廊的无线通信方式

Info

Publication number: CN102572907A
Application number: CN2012100191283A
Authority: CN
Inventors: 胡致远; 袁研根; 覃剑; 申林; 黄天聪; 王晓翔; 常颖华; 李宁
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-01-21
Filing date: 2012-01-21
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明提出一种工业信息走廊的无线通信方式，在线状地理分布的通信节点中，组建物理拓扑上多回路，逻辑拓扑上以基本服务集BSS，独立基本服务集IBSS，分布式系统DS所构成的无线Mesh网络，提高网络的容错能力，并在保证无线Mesh网络中节点连通性的情况下，抑制相邻节点在通信时所产生的信道之间干扰，实现整个无线网络的同步，骨干网为时钟基准，辅助以外基准时钟和测距信息，同步树以骨干网关口节点为同步树根节点，以最短跳数为原则动态构成。实现业务质量约束下的多上行端口路由规划，实现全网的流量均衡。

Description

一种工业信息走廊的无线通信方式

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及高压输电线路通信网络的组网方式，网络同步，无线资源分配，路由算法，网络容错。

背景技术

电力传输网是电网中的核心网络，由于我国地域辽阔，在很多地区采用的是高压和超高压的方式进行传输，其工作环境大多在人烟稀少的地方，如山区，偏远农村等，这导致设备的后期维护和故障检测不易实现，对设备的故障检测功能提出了一定的要求；同时由于电力调度，控制等业务的特殊性，需要网络能够实时传输传递这类信息，对网络的同步性能提出了一定的要求。

在当前的电力网络中以光纤复合架空地线为传输媒介，已建立了一个以光网络作为骨干通信网，以通用分组无线服务技术作为无线辅助的通信系统，以实现对输电线路中的一些节点进行覆盖。但是在这种解决方案中，光网络是仅用于远端设备的接入，但是由于电网自动化终端数量和分布的特点决定了传统点到点的光纤通信方式在输电网中并不适用。同时，通用分组无线服务技术是个人通信网络，无法满足工业控制网络对所传输的信息安全性的要求，也无法满足对各种特定的工业应用环境下的特殊业务需求，例如电力通信中的IEC61850与IEC61970标准所定义的业务的需求，如带宽，实时性等；当链路出现故障时，它不能自动维护。

综上所述，当前的电力系统所采用的通信网络无法满足电力通信的需求，需要建立一种能够支持特定工业环境中的通信业务，例如电力通信中的IEC61850与IEC61970标准所定义的业务，能提供足够的可靠性以满足多个用户的，便于维护的网络。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在信息节点在地理上呈线状分布的情况下，组建能够有效覆盖信息节点的工业信息走廊，该工业信息走廊是能够支持实时业务的，能够实现设备故障自检测的通信网络。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：建立以无线Mesh网络为基础，能有效与光网络，公用陆地移动网等的骨干网接入，并构成紧耦合的工业信息走廊，其无线Mesh网络的通信设备位于每一个输电节点处，一些节点能够接入光网络，整个无线Mesh网络中有一部分节点能够接入公用陆地移动网，即PLMN网络，同时无线Mesh网络中的一些节点含有全球定位系统，GPS或北斗的模块。其特征在于：使用无线Mesh网络从各个节点收集信息，通过光网络或公用陆地移动网将信息传递给控制中心，其中业务骨干网以光网络为主，以公用陆地移动网为辅。该网络系统支持承载业务服务质量约束下的路由规划和业务过滤功能。包括以下步骤：

A：在线状地理分布的通信节点，组建物理拓扑上多回路，逻辑拓扑上以基本服务集BSS，独立基本服务集IBSS，分布式系统DS所构成的无线Mesh网络，提高网络的容错能力。

B：在无线Mesh网络中，采用多接口多信道技术实现同物理线路段的信道隔离；在保证无线Mesh网络中节点连通性的情况下，给每个节点的每个接口分配一个独立信道，抑制相邻节点在通信时所产生的信道之间干扰。

C：实现整个无线网络的同步，骨干网为时钟基准，辅助以外基准时钟和测距信息，同步树以骨干网关口节点为同步树根节点，以最少级数为原则动态构成，实现混合同步。

D：实现业务质量约束下的多上行端口路由规划，实现全网的流量均衡，在节点内部采用区分服务的业务调度机制，根据跳数动态调整承载业务在多跳传输中的优先级，支持对IEC61850，IEC61970，IEC60870，DL/T645标准所定义的电力业务信息的过滤。

E：实现异构网络路由容错，链路容错和端口容错，实现检测链路和端口故障，采用动态路由、备份链路和备份端口自主式切换，也支持通过网管配置实现主动式切换。

所述步骤A中：无线设备的地理分布是线状的，节点组成一个拓扑逻辑上多回路，包括线状，环状和网状的无线Mesh网络，网络中部分节点能够接入光网络，也有部分节点能够接入公用陆地移动网络，也有部分节点能够获取GPS或者北斗网络中的时钟信息。

所述步骤A中：所述的通信网络在数据传输上面是分3个平面，其中无线Mesh网络平面用于将各个数据的汇聚到关口节点，关口节点将信息传输到骨干网，即光网络或者是公用陆地移动网络，公用陆地移动网络作为光网络的备份，在无线Mesh网络断开与光网络的连接时被启用。

所述步骤A中：不同节点之间的在逻辑上构成树状拓扑，形成以IBSS和BSS为基本单元的扩展服务集ESS，其中PLMN网络和光网络均是逻辑上的DS；每一个节点在逻辑上由两个独立的通信模块，这两个独立的通信模块之间由DS域相连接。

所述步骤B中：给定无线Mesh网络中可用的独立信道数目以及节点的端口数目；节点的每个端口均使用不同的信道，以减小与其他节点的通信干扰，在一个节点干扰域内的其他节点不能使用相同的信道。

所述步骤B中：一个节点的干扰域大于通信域；信道分配的原则是，最大限度的利用给定的信道数目以及端口数目，使得在一个节点的干扰域内，互相通信的两个节点不会产生干扰。

所述步骤C中：根据最少级数的原则生成同步树，同步树中越靠近树根的节点的时钟等级越高；同步时，树根节点先从其他网络如光网络，GPS网络或北斗等网络中提取出时钟信息，然后将获得的时钟信息采用主从的方式，扩散至整个同步树，其中的GPS网络或北斗网络是作为光网络的备份。

所述步骤C中：主站周期性地向从站发送含有时间戳的信标帧，从站从信标帧中提取出时间信息，并结合测距信息对自己的时钟进行处理，实现网络的时钟同步。

所述步骤C中：节点内的不同通信模块从多个同步源中选取出最优的同步源，实现一个节点内部的两个通信模块之间的同步，完成无线与有线的混合同步。

所述步骤D中：采用业务服务质量评价指标衡量链路性能，根据该指标计算到达关口节点的最优路径树；网络中的各个节点根据不同业务流对业务服务质量的需求为业务分配合适的路径，实现各个整个网络的流量均衡。

所述步骤D中：节点的链路状态数据库周期性更新，每次更新后，节点重新计算业务服务质量约束下的最优路径树；另外，当无线Mesh网与光网络的连接全部断开时，启用与公用陆地移动网络连接的节点作为关口节点，节点重新计算到达各关口节点的最优路径树。

所述步骤D中：提供对特定应用环境下的业务的解析，如电力系统中的IEC61850，IEC61970，IEC60870，DL/T645标准定义的业务，采用特定的优先级控制策略，通过动态控制不同业务在传输过程中的优先级，保障业务的实时性。

所述步骤E中：根据网管系统对设备的配置，对网络进行主动切换，实现网络的预防性容错。

所述步骤E中：根据链路状态信息，判断出链路的故障信息和节点的故障信息，并及时改变网络的拓扑信息，重新选择路径，实现路径容错。

所述步骤E中：根据对设备的端口和链路的检测，在设备的某个端口或者与节点相连接的某条链路发生故障的时候，实现对链路和端口的倒换，提高网络的容错能力。

本发明的有益效果是：提供了一种适用于工业信息走廊的无线通信方式，组建了无线Mesh网，实现无线Mesh网络对光网络或公用陆地移动网络的接入；增强设备对故障和链路的检测，提高了网络的容错能力，提高网络的可靠性；实现无线Mesh网的同步，支持实时业务；提供了对特殊工业环境下的业务解析功能；实现负载均衡，有效利用网络资源。

附图说明

图1为无线Mesh网络的组网方式及无线网络与其他网络之间的关系

图2为无线Mesh网络的物理拓扑

图3为无线Mesh网络的逻辑拓扑

图4为干扰域与通信域的模型

图5为无线Mesh网络的最终信道分配图

图6为网络正常时部分链路状态图

图7为以节点11为例的正常情况下的时延最优路径树

图8为以节点11为例的正常情况下的可用带宽最优路径树

图9为网络正常时的同步树

图10为无线Mesh网断开与光网络的全部连接时的同步树

图11为主从方式进行时钟同步时的信标帧发送

具体实施方案

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明的基本思路如下：

在线状地理分布的通信节点，组建物理拓扑上多回路，逻辑拓扑上以基本服务集BSS，独立基本服务集IBSS，分布式系统DS所构成的无线Mesh网络，提高网络的容错能力。

无线通信节点形成多回路的无线Mesh网络，无线Mesh网络中有能够与光网络，公用陆地移动网络，GPS网络，北斗网络进行通信的节点，这些节点可以在一个节点上，也能存在于不同的节点上，如图1所示，其中，节点1、7、16接入了光网络，节点3、10、15均接入了公用陆地移动网网络，节点8、14均带有GPS或者北斗模块，其余的节点是普通的无线Mesh网络节点。这样所形成的网络在数据平面上分3个层次，其中无线Mesh网络的功能是将各个节点收集的数据传输到光网络，若是无线Mesh网络断开了与光网络之间的连接，则将数据传输到公用陆地移动网络。

在该无线Mesh网络中，节点1，2，3构成了线状的拓扑，节点3，4，5，6构成环状拓扑，节点6，7，8，9，10，11，12，13，14构成Mesh拓扑，节点15，16，17，18构成环状网络，如图2所示。

从逻辑上看，该无线Mesh网络是一个分级的树状拓扑，如图3为所有节点正常工作的情况下的无线Mesh网络的逻辑拓扑结构，在该图中，节点1和节点2，节点2和节点3，节点13和节点15，节点17和节点18分别构成了IBSS；节点4，5，6，8构成了一个BSS，其中接入点(Access Point，AP)是节点6；节点9，10，11构成了一个BSS，其中AP是节点9；节点6，7，9构成了一个BSS，其中AP是节点7；节点12，13，14构成了一个BSS，其中AP是节点14；节点14，16，18构成了一个BSS，其中AP是节点16，而节点1，7，16之间通过DS构成一个ESS，这里的DS为光网络；而在上述的IBSS，BSS之间均通过DS相连接，构成了不同层次的ESS。

在无线Mesh网络中，采用多接口多信道技术实现同物理线路段的信道隔离；在保证无线Mesh网络中节点连通性的情况下，给每个节点的每个接口分配一个独立信道，抑制相邻节点在通信时所产生的信道之间干扰。

组成物理拓扑后需要对无线资源进行分配，本发明以使用3组独立信道为例，对图1中的无线Mesh网络进行信道分配。

定义的通信节点的通信域和干扰域的模型如图4所示，以8个节点为例，使用不同的线形表示不同的信道。对于其中的任意一个节点，较小的椭圆环表示该节点的通信域，较大的椭圆环表示该节点的干扰域。

在图1所示的无线Mesh网络中，所有的节点中的两个背靠背的逻辑通信模块均使用定向的天线，不同定向天线的覆盖范围因地理环境不同而不同，即是一个节点拥有两个无线通信接口。

节点1与节点2之间的链路可以使用三组信道中的任意两组进行通信，在这里假定分配第一组和第二组给节点1与节点2之间的链路。由于节点2位于节点1的干扰域内，因此节点2和节点3进行通信时不能使用第一组和第二组信道，只能使用第三组信道进行无干扰的通信。之后节点3与节点4，节点3与节点5之间的通信使用同一个接口，为此，可以从第一组和第二组信道中选择一组进行无干扰的通信，在这里假定使用第一组信道。

节点6仅有2个接口，因此给节点6的四条链路分配信道时，节点4与节点6、节点5与节点6之间的信道相同，节点6与节点8、节点6与节点7之间的信道相同。假定节点4与节点6，节点5与节点6之间使用第二组信道，节点6与节点8、节点6与节点7之间可以从第一组和第三组信道中任意选一组进行通信，假定选择第三组信道进行通信。

按照上述方法，分别给节点7-18之间的链路分配信道。最终得到的无线Mesh网络的信道分配结果如图5所示。

实现业务服务质量约束下的多上行端口路由规划，实现全网的流量均衡，在节点内部采用区分服务的业务调度机制，通过跳数计数动态调整承载业务在多跳传输中的优先级，支持对IEC61850，IEC61970，IEC60870，DL/T645标准所定义的电力业务信息的过滤。

节点通过发送heIlo报文得到全网的链路状态信息，并根据该链路状态数据库计算出最优路径树。正常情况下，与光网络相连接的节点作为关口节点，当无线Mesh网络断开了与光网络的连接时，则启用无线Mesh网与公用陆地移动网络相连接的节点作为关口节点。

节点通过最优路径树为不同业务动态分配路径，实现负载均衡。如图6所示，以使用光网络作为骨干网络时的节点11为例，采用时延和可用带宽作为链路的业务服务质量指标(链路的上的值代表时延和可用带宽，如链路(6，8)上的值为1/4，则表示该链路的时延为1，可用带宽为4)，则通过计算得到，节点11到达关口7和16的时延最优路径树如图7所示，可用带宽最优路径树如图8所示。由图7和图8可知：

时延D_path(11，7)＝D_(11，9)+D_(9，7)＝3+2＝5，

时延D_path(11，6)＝D_(11，3)+D_(13，12)+D_(12，14)+D_(14，16)＝1+1+3+2＝7，

可用带宽B_path(11，7)＝min{B_(11，9)，B_(9，7)}＝min{3，2}＝2，

可用带宽B_{path(11，16)}＝min{B_(11，13)，B_(13，14)，B_(14，16)}＝min{3，3，4}＝3

由此，D_path(11，7)＜D_{path(11，16)}，B_path(11，7)＜B_{path(11，16)}将所有从节点11发出的对时延敏感的业务通过节点7到达光网络，对带宽敏感的业务通过节点16到达光网络，实现网络流量的均衡传输。

由于在节点内部，每个节点的业务除了本节点需要发送的业务外，还包括转发其它节点的业务。而网络中每个节点中的控制类业务对时延可靠性要求最高，监控视频类业务对带宽要求高，对时延可靠性要求较高，一般的数据业务如集抄数据等业务要求可靠性高，对实时性要求不是很严格，为此在调度时首先根据不同业务对时延的敏感性程度分为不同的优先级，其中控制类业务优先级最高，其次为监控视频类业务，一般的集抄数据业务优先级最低，上述三种业务初始优先级分别对应权值2，1，0。由于在无线Mesh网络中节点业务的转发会造成一定的时延，因此对于控制类业务和监控视频类业务，其在Mesh网络中每经过一跳，优其先级权值也相应加1，对于一般的集抄数据业务的优先级权值不变。这样节点根据业务的优先级权值和业务最大可容忍时延限制进行调度，先对优先级权值最大的业务进行调度，当权值相同时，根据业务最大可容忍时延限制不同，优先调度最早到达截止期限的分组业务，以保障业务的实时性要求。

实现整个无线网络的同步，骨干网为时钟基准，辅助以外基准时钟和测距信息，同步树以骨干网关口节点为同步树根节点，以最小级数原则动态构成，实现混合同步。

进行网络的同步，首先是生成同步树，同步树是以关口节点作为树根，其原则是通信模块与树根之间的级数最小，同一个通信节点内部的两个通信模块需要选择合适的同步源。以节点3为例：节点3中与节点5通信的通信模块的同步源是节点3的另外一个同步模块，而不是节点5。

最终可以得到图1所示的无线Mesh网络中，正常情况下的同步树有三颗，如图9所示。在无线Mesh网络断开了与光网络的全部连接时，使用无线Mesh网与GPS网络或北斗网络相连接的节点作为树根，生成的同步树如图10所示。

关口节点首先从其他网络中提取出时钟信息，随后根据同步树，由主站周期性地发送含有发送时刻标记的信标帧，从站接受信标帧，并对其中所包含的时间信息进行处理，最终调整自己的时钟，实现与主站的同步。对于无线同步中，主站发送信标帧的规则是：在每一个信标帧间隔开始的时候，如果媒体忙，则主站在等待媒体空闲后发送一个信标帧，如果媒体空闲，则由主站即时发送信标帧。如图11所示。

对于以上情况，从节点在接收到有效信标后，将按以下算法更新其定时器：首先修改收到的信标中的时间戳值。修改方法是将收到的时间戳值加上该节点与主时钟所在该节点之间的传输时延。加上接收信标帧时本地物理层的时延，再加上从MAC/PHY接口接收到时间戳的首位到最后结束的持续时间。最后将修改后的时间戳得到的时钟信息作为自己的定时信息。这种方法定时器的精确度可在±0.01％内。

实现异构网络路由容错，链路容错和端口容错，实现检测链路和端口故障，采用动态路由、备份链路和备份端口自主式切换，也支持通过网管配置实现主动式切换。

在节点或者链路的性能变得不稳定时，通过网管的配置，重新选择端口或者链路，实现预防型网络容错。

如图1所示的无线Mesh网络中，如果节点8发生故障，则通过重新计算拓扑和生成的最短路径树，使用其他的路径代替节点8所在的路径进行数据的转发，实现了网络的路径容错。

在节点1与节点2进行通信的时候，如果节点1的某一个无线接口发生故障，则设备1自动将与节点2进行通信的链路切换至另外一条链路，实现链路和端口容错。

Claims

1.本发明提出一种工业信息走廊的无线通信方式，组建了无线Mesh网，实现无线Mesh网络对光网络或公用陆地移动网络的有效接入，其特征在于：在线状地理分布的通信节点中，组建物理拓扑上多回路，逻辑拓扑上以基本服务集BSS，独立基本服务集IBSS，分布式系统DS所构成的无线Mesh网络，提高网络的容错能力。

2.根据权利1所述的工业信息走廊的无线通信方式，其特征在于：其无线Mesh网络采用多接口多信道技术实现同物理线路段的信道隔离；在保证无线Mesh网络中节点连通性的情况下，给每个节点的每个接口分配一个独立信道，抑制相邻节点在通信时所产生的信道之间干扰。

3.根据权利1所述的工业信息走廊的无线通信方式，其特征在于：实现整个无线Mesh网络的同步，以骨干网为时钟基准，辅助以外基准时钟和测距信息，同步树以骨干网关口节点为同步树根节点，以最少级数为原则动态构成，实现混合同步。

4.根据权利1所述的工业信息走廊的无线通信方式，其特征在于：实现业务质量约束下的多上行端口路由规划；实现全网的流量均衡，在节点内部采用区分服务的业务调度机制，以跳数计数动态调整承载业务在多跳传输中的优先级；支持IEC61850，IEC61970，IEC60870，DL/T645标准所定义的电力业务信息的过滤。

5.根据权利1所述的工业信息走廊的无线通信方式，其特征在于：实现异构网络路由容错，链路容错和端口容错，实现检测链路和端口故障，采用动态路由、备份链路和备份端口自主式切换，也支持通过网管配置实现主动式切换。