CN102752040B - 一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无线与电力线载波混合组网与通信的方法，该方法在无线与电力线载波通信基础上，进行混合组网，对网络进行时间同步，将一个网络周期包含多个通道周期，网络中的所有节点遵循相同的通道切换模式，通信双方在成功进行RTS/CTS（RequestToSend/ClearToSend，即请求发送/允许发送协议）握手后，停留在当前通道上完成数据传输，并在完成传输后重新加入同步的通道切换。该方法克服了无线或电力线载波通信技术单独应用时造成的数据投递成功率较低、丢包率较高等问题，提高了网络的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合组网与通信的方法，特别是涉及一种基于无线与电力线载波的双模通信的混合组网与通信的方法。
背景技术
在短距离无线通信领域，典型的无线通信技术有无线局域网WiFi（Wireless Fidelity ，基于IEEE802.11b标准的无线局域网）、Zigbee（无线个域网）和小无线三种。技术上，三种无线通信技术各有其优势和劣势。作为无线通信领域的开放性标准，WiFi与Zigbee通信技术均工作在2.4G频段，但是其应用环境有所不同。WiFi主要应用于数据流量较大、传输速率较高的场合，而Zigbee则适合于数据流量较小、传输速率要求不高的应用，如工业控制、医用设备控制、汽车自动化、农业自动化等。除了WiFi和Zigbee两种工作在高频段的通信技术外，315/433MHz以及刚释放的470~510MHz频段，俗称“小无线”频段通信技术也得到了越来越多的关注。这个频段多是行业自定义协议，还没有形成统一的标准。与WiFi与Zigbee相比，小无线频段具有更好的适应性与灵活性，更适合于复杂多变的应用环境。
电力载波通讯技术是利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。电力线载波通信技术以HomePlug（电力线）工业联盟建立的户内组网与通信方法—HomePlug 1.0及HomePlug AV为代表。
目前，针对无线或电力线载波通信技术的组网与通信的方法只适用于其单独存在的领域，尚无明确提出将二者融合的混合组网与通信的方法。
无线通信技术具有免布线、即插即用、维护成本低等优点，但是由于其本身的物理特性，很难克服信号衰减、干扰等问题；电力线载波通信技术在电网面积较小、电力环境相对简单的情况下(比如家庭内)运行比较稳定，但在电网面积较大、电力环境比较复杂的情况下容易受到干扰而导致不稳定。另外，无论在工业还是民用领域，越来越呈现出多种应用并存并发的需求，在此条件下，独立的通信技术难以满足实时性、并发性的客观要求。因此，一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法具有理论和实践意义。
无线与电力线载波通信技术的单独应用容易造成数据投递成功率较低、丢包率较高等问题。另外，由于无线与电力线载波通信技术的物理特性不同，如何充分利用无线与电力线载波双通道的优势，以使通信双方能够采用可用的无线或电力线载波通道，保证数据的正常传输，是无线与电力线载波双通道组网与通信技术所面临的最大问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无线与电力线载波混合组网与通信的方法，该方法在无线与电力线载波通信基础上，进行混合组网，对网络进行时间同步，将一个网络周期包含多个通道周期，网络中的所有节点遵循相同的通道切换模式，通信双方在成功进行RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send，即请求发送/允许发送协议）握手后，停留在当前通道上完成数据传输，并在完成传输后重新加入同步的通道切换。该方法融合无线与电力线载波两种通信技术，短时间内进行通道切换，传输的数据可以随机选择通道，克服了无线或电力线载波通信技术单独应用时造成的数据投递成功率较低、丢包率较高的问题，提高了网络的稳定性和可靠性。
本发明方案采用的技术方案如下：一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
步骤一：新节点加入网络；
步骤二：根据通道周期执行通道切换；
步骤三：网络中的节点除协调器节点外，所有的节点在每个通道周期开始时，随机监听一段时间L，以接收来自父节点的前导帧；
步骤四：监听时段结束，除终端节点外，协调器节点与路由器节点在一跳范围内广播自己的前导帧；
步骤五：网络中接收到前导帧的节点执行同步操作，有数据发送请求的节点，进入RTS/CTS分组握手阶段，握手不成功，则等待下一个通道周期开始，回到步骤三；
步骤六：所述RTS/CTS分组握手成功，则停留在当前通道，完成DATA/ACK数据发送；
步骤七：数据发送结束，回到步骤二。
作为优选，所述步骤五中，没有数据发送请求的节点重新进入监听状态。
作为优选，所述网络节点包括协调器节点、路由器节点和终端节点，网络拓扑形成以协调器节点为根，终端节点为叶子的树状结构。
作为优选，所述通道周期是指在没有数据传输时，每个通道在网络中执行完一个周期所持续的时间，通道分为无线通道和电力线载波通道，每个通道周期时间≧L+C+TLF+TRTS +TCTS，其中，L为随机监听信道需要的时间，C为竞争信道需要的时间，TLF为发送前导帧(Leader Frame)需要的时间，TRTS为发送RTS需要的时间，TCTS为RTS发送结束到接收到CTS需要的时间。
作为优选，所述协调器节点负责初始化网络、分配网络地址、维护通道调度表、维护网络拓扑结构与数据路由；
所述路由节器点除无初始化网络功能外，其余功能与协调器节点相同；
所述终端节点负责数据监测，数据通过父节点依次转发到目的节点。
作为优选，其中，所述步骤一中新节点加入网络的步骤为：
步骤A：新节点随机选择网络通道；
步骤B：新节点对整个网络周期进行监听；
步骤C：新节点接收网络周期内的预先选择的网络通道所广播的前导帧；
步骤D：新节点与接收到的前导帧内的通道表进行对比，如果对比一致则根据新节点预先定义的通道表执行通道切换，如果不一致则遵循网络中的通道表执行通道切换；
步骤E：新节点加入网络，并根据通道周期执行通道切换。
作为优选，所述网络周期包含一个完整的通道切换序列，由多个通道周期组成，至少包含一个无线通道和一个电力线载波通道。
作为优选，所述前导帧包括通道调度序列、通道持续时间和同步字段基本信息，通道调度序列与通道持续时间为前导帧的通道表，同步字段用于网络同步。
作为优选，所述步骤C中，如果新节点没有接收到前导帧，则遵循自身的通道表执行通道切换。
作为优选，所述所有节点总是按照指定的通道调度切换序列及通道持续时间，在无线与电力线载波通道之间定时切换。
作为优选，所述数据传输在无线与电力线载波通道之间的选择是随机的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明将无线与电力线载波通信方式融合起来，网络节点可以在无线与电力线载波通道二者之间同步切换，并主动选择无线或电力线载波通道传输数据，克服了单一采用无线或电力线载波通信技术存在的数据投递成功率较低、丢包率较高，网络不稳定、可靠性低的问题。
二、本发明充分利用无线与电力线载波双通道的优势，以使通信双方能够采用可用的无线或电力线载波通道，保证数据的正常传输。
三，本发明新节点加入网络流程过程中，如果新节点没有接收到前导帧，则遵循自身的通道表执行通道切换，并根据自身预定义的通道周期执行通道切换。既能保证新节点能够正常工作，又能帮助别的新节点加入网络。
附图说明
图1为本发明方案混合组网与通信的方法流程示意图。
图2为本发明方案的网络时序示意图。
图3为本发明方案的前导帧的格式示意图。
图4为本发明方案中新节点加入网络流程的流程示意图。
图5为本发明方案中其中一实施例的硬件结构示意图。
图6为本发明方案图5所示实施例的网络拓扑结构示例图。
图7为本发明方案图6所示实施例的网络通信时序示例图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明方案混合组网与通信的方法为：
步骤一：新节点加入网络；
步骤二：新节点根据网络中的通道周期执行通道切换；
步骤三：网络中的节点除协调器节点外，所有的节点在每个通道周期开始时，随机监听一段时间L，以接收来自父节点的前导帧；
步骤四：监听时段结束，除终端节点外，协调器节点与路由器节点在一跳范围内广播自己的前导帧；
步骤五：网络中的节点若接收到父节点发送的前导帧，则执行同步操作，有数据发送请求的节点，进入RTS/CTS分组握手阶段，握手不成功，则等待下一个通道周期开始，回到步骤三；
步骤六：所述RTS/CTS分组握手成功，则停留在当前通道，完成DATA/ACK数据发送；
步骤七：数据发送结束，回到步骤二，进入下一个循环。
所述步骤五中，没有数据发送请求的节点重新进入监听状态。
所述网络节点包括协调器节点、路由器节点和终端节点，网络拓扑形成以协调器节点为根，终端节点为叶子的树状结构。
所述协调器节点负责初始化网络、分配网络地址、维护通道调度表、维护网络拓扑结构与数据路由；
所述路由节器点除无初始化网络功能外，其余功能与协调器节点相同；
所述终端节点负责数据监测，数据通过父节点依次转发到目的节点。
如图4所示，其中，所述步骤一中新节点加入网络的步骤为：
步骤A：新节点随机选择一个网络通道，并预定义通道调度序列，通道调度序列及通道持续时间预先固化在节点的存储设备中；
步骤B：新节点对整个网络周期进行监听；
步骤C：新节点接收网络周期内的预先选择的网络通道所广播的前导帧；
步骤D：新节点与接收到的前导帧内的通道表进行对比，如果对比一致则根据新节点预先定义的通道表执行通道切换，如果不一致则遵循网络中的通道表执行通道切换；
步骤E：新节点加入网络，并根据通道周期执行通道切换。
所述步骤C中，如果新节点没有接收到前导帧，则遵循自身的通道表执行通道切换，即根据自身预定义的通道周期执行通道切换。既能保证新节点能够正常工作，又能帮助别的新节点加入网络。
如图2所示，所述网路周期包含一个完整的通道调度序列，由多个通道周期组成，至少包含一个无线通道和一个电力线载波通道。所述通道周期是指在没有数据传输时，每个通道在网络中执行完一个周期所持续的时间，通道分为无线通道和电力线载波通道，每个通道周期时间≧L+C+TLF+TRTS +TCTS，其中，L为随机监听信道需要的时间；C为竞争信道需要的时间，判断当前通道是否已被占用；TLF为发送前导帧(Leader Frame)需要的时间；TRTS为发送RTS需要的时间TCTS为RTS发送结束到接收到CTS需要的时间。
如图3所示，所述前导帧包括通道调度序列、通道持续时间和同步字段基本信息，通道调度序列与通道持续时间为前导帧的通道表，同步字段用于网络同步。
所述通道调度序列是根据实际情况进行定义的通道切换序列，如我们定义无线通道为1，电力线载波通道为2，如果无线通道和电力线载波通道各占50%，则可定义通道调度序列为“12”或“21”，以此进行循环调度相应通道，如果无线通道占40%，电力线载波通道占60%，则可定义通道调度序列为“11122”或“12121” ，以此进行循环调度相应通道。
所述所有节点总是按照指定的通道切换调度序列及通道持续时间，在无线与电力线载波通道之间定时切换。
所述数据传输在无线与电力线载波通道之间的选择是随机的。
下面结合图5、图6和图7作为具体实施例说明本发明方案的具体实施方法和过程。
如图5所示，控制芯片负责控制无线收发芯片、电力线载波收发芯片工作，无线收发芯片负责无线通道数据收发、电力线载波芯片负责电力线通道数据收发，二者与控制芯片通过标准的通信接口连接。 在本发明方案中，控制芯片选用增强型8051单片机，无线收发芯片选用是SI4432，电力线载波芯片选用ST7540，SI4432与ST7540分别通过SPI和UART接口与8051连接。 通道切换实现方式：使能SI4432无线载波监听、等待发送或接收无线通道数据，则本节点工作于无线通道；使能ST7540电力线载波监听功能，等待发送或接收电力线载波通道数据，则本节点工作于电力线载波通道； 无线通道数据收发实现方式：8051通过SPI接口将需要发送的数据写入SI4432发送缓存，使能SI4432数据发送功能，则数据通过无线通道发送；SI4432通过SPI接口将接收的数据写入自己的接收缓存，并通知8051读取，完成无线通道数据接收。 电力线载波通道数据收发实现方式：8051通过UART接口将需要发送的数据写入ST7540发送缓存，则数据通过电力线载波通道发送；ST7540通过UART接口将接收的数据写入自己的接收缓存，并通知8051读取，完成电力线载波通道数据接收。
在本发明方案中，首先在网络中将时间划分为等长的间隙（即时隙），网络中的所有节点按时隙边界对齐。
网络中的所有节点遵循相同的通道切换模式，以时隙为单位进行同步的通道切换，时隙长度至少能容纳一次完整的RTS/CTS握手。
在本实施例中，采用TPSN同步算法，同步精度高、开销小，并规定最小时隙0.55ms，则无法节点必须在任一时隙开始时，占用网络资源或执行通道切换。
所述规定最小时隙为0.55ms为在预计的数据传输速率的情况下，计算的最大时隙和最小时隙的平均时间，若太小如0.4ms则不能容纳1bit的传输，若太大如0.7ms会造成节点在某个通道上占用的时间过多，造成通道时间资源的浪费。
如图6所示，初始情况下，网络中只存在节点0，节点0按图1的流程，初始化网络；并按照图2的网络时序，执行通道切换。节点总是按照指定的通道调度序列及通道持续时间，在无线与载波通道之间定时切换。
在某一时刻t0，路由节点1按照图4的流程，选择节点0为自己的父节点，加入网络；并在t0+t时刻开始，按照图2的网络时序，执行与节点0同样的通道切换序列。如果路由器节点1没有接收到节点0的前导帧，即无法加入节点0的网络，则根据自己预定义的通道表另外建立一个新的网络，这样既能保证新节点能够正常工作，又能帮助别的新节点加入网络。
此后，路由节点2、3，终端节点4,5同理加入网络。
如图7所示，假设在t1时刻，节点3向节点5发送数据。节点3向自己的父节点1发送RTS分组，预约当前通道。
由于当前通道空闲，节点1收到RTS分组，向节点3发送CTS分组，同意节点3使用当前通道，并将通道分配时间捎带在CTS分组中，这样，监听到CTS分组的节点可以调整自己的休眠时间。
节点3收到CTS分组，在t1+t时刻开始停留在当前通道向节点1发送数据。数据发送结束，节点1与节点3重新执行相同的通道切换序列。
中间节点按此流程转发数据，数据经过路由3—>1—>0—>2—>5，到达目的节点。
Claims (8)
1.一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
步骤一：新节点加入网络；
步骤二：根据通道周期执行通道切换；
步骤三：网络中的节点除协调器节点外，所有的节点在每个通道周期开始时，随机监听一段时间L，以接收来自父节点的前导帧；
步骤四：监听时段结束，除终端节点外，协调器节点与路由器节点在一跳范围内广播自己的前导帧；
步骤五：网络中接收到前导帧的节点执行同步操作，有数据发送请求的节点，进入RTS/CTS分组握手阶段，握手不成功，则等待下一个通道周期开始，回到步骤三；
步骤六：所述RTS/CTS分组握手成功，则停留在当前通道，完成DATA/ACK数据发送；
步骤七：数据发送结束，回到步骤二；
其中，所述通道周期是指在没有数据传输时，每个通道在网络中执行完一个周期所持续的时间，通道分为无线通道和电力线载波通道，每个通道周期时间≧L+C+TLF+TRTS +TCTS，其中，L为随机监听信道需要的时间，C为竞争信道需要的时间，TLF为发送前导帧需要的时间，TRTS为发送RTS需要的时间，TCTS为RTS发送结束到接收到CTS需要的时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
所述步骤五中，没有数据发送请求的节点重新进入监听状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
所述节点包括协调器节点、路由器节点和终端节点，网络拓扑形成以协调器节点为根，终端节点为叶子的树状结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
所述协调器节点负责初始化网络、分配网络地址、维护通道调度表、维护网络拓扑结构与数据路由；
所述路由节器点除无初始化网络功能外，其余功能与协调器节点相同；
所述终端节点负责数据监测，数据通过父节点依次转发到目的节点。
5.根据权利要求3所述的一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
其中，权利要求1所述步骤一中新节点加入网络的步骤为：
步骤A：新节点随机选择网络通道；
步骤B：新节点对整个网络周期进行监听；
步骤C：新节点接收网络周期内的预先选择的网络通道所广播的前导帧；
步骤D：新节点与接收到的前导帧内的通道表进行对比，如果对比一致则根据新节点预先定义的通道表执行通道切换，如果不一致则遵循网络中的通道表执行通道切换；
步骤E：新节点加入网络，并根据通道周期执行通道切换；
所述网络周期包含一个完整的通道切换序列，由多个通道周期组成，至少包含一个无线通道和一个电力线载波通道；
所述前导帧包括通道调度序列、通道持续时间和同步字段基本信息，通道调度序列与通道持续时间为前导帧的通道表，同步字段用于网络同步。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
所述步骤C中，如果新节点没有接收到前导帧，则遵循自身的通道表执行通道切换。
7.根据权利要求5所述的一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
所述所有节点总是按照指定的通道调度序列及通道持续时间，在无线与电力线载波通道之间定时切换。
8.根据权利要求6所述的一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法，其特征在于：
所述数据传输在无线与电力线载波通道之间的选择是随机的。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141224 Termination date: 20150621 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |