CN103166677B - 一种用于带状拓扑的低压电力线载波通信中继方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于带状拓扑结构的低压电力线载波通信中继方法。在载波信号能够可靠传输的各段距离内预配置一对主中继和从中继路灯控制器。主、从中继控制器接收到指令后执行丢弃策略判断是丢弃还是中继，每个主、从中继器都建立有一个数据缓冲池，对有效数据进行缓存和保护。主、从中继器相互结合使整个路灯系统具有动态中继的效果，不仅具有静态中继的易操作的特点，而且具有动态中继的灵活性。各路灯控制器和中继控制器利用载波侦听和避让算法来共享电力线信道，并且不需要每次通信前都建立通信链路，增强了系统的实时性，适用于电力线路灯控制系统领域。

Description

一种用于带状拓扑的低压电力线载波通信中继方法

技术领域

本发明涉及低压电力线载波通信领域，适用于基于低压电力线载波通信技术的路灯控制系统。

背景技术

在基于低压电力线载波通信的路灯控制系统中，集中器要能够与整条线路上的每个路灯控制器进行确定性通信，并且控制系统本身对通信的可靠性和实时性要求都很高。目前电力线载波用于控制系统面临以下几个难题：载波通信速率比较低，整条通信线路上出现冲突的机率很大，各个路灯控制器距离集中器的距离依次变远，需要进行多级中继，我国低压电力线上干扰情况复杂，造成通信困难或无法通信。

目前抄表系统所使用的中继方法，由于其时延很大并且可靠性不高不能够用于控制系统。如在申请号为200410014637.2的中国专利的专利文献中公开一种电力线载波通信中继方法，由于每次通信都要首先动态的建立中继线路，建立过程需要每级中继逐层询问下层中继直到找到目标设备。对需要多级中继的系统，采用该中继通信方法会造成时延逐渐累加，并不适合对实时性要求较高的控制系统。

发明内容

由于路灯控制线路分布较长，需要的中继级别较多，采用现有中继通信方法会造成时延过大，不满足其对实时性、可靠性的要求，因此本发明提出一种实时性、可靠性更高的适用于带状拓扑结构的电力线载波通信预配置中继方法。

在载波信号传输的每段电力线内预配置一对主中继控制器和从中继控制器，并为每组主、从中继控制器分配编号对；主、从中继控制器建立一数据缓存池，数据缓存池具有一个发送指针和一个接收指针，接收指针随着接收到的有效数据而更新，发送指针随着成功发送的数据而更新；主、从中继控制器各自记录一个上、下行时间戳，执行丢弃策略对收到的数据进行处理；从中继控制器通过指令中主、从中继对编号判断是否是该对应主中继控制器发送的信息，如果不是则缓存该指令并启动定时器；若在预定时间内没有收到对应主中继控制器对该指令的中继信息则将自己接收的数据转发出去，否则缓存池发送指针执行跳跃。

在载波信号能够可靠传输的各段距离内预配置一对具有中继功能的路灯控制器，作为主中继控制器和从中继控制器，交叉覆盖可中继范围内一定数量的路灯控制器，各主中继控制器同时工作，从中继选择对应主中继出现故障或者接收不到数据时工作，两者协调处理实现动态中继效果。通过丢弃策略丢弃各个主中继控制器发送的重复数据、过期数据及判断是否不再中继无效数据。从中继控制器解决主中继控制器出现故障及主中继控制器接收不到有效数据的问题。路灯控制器及中继控制器通过载波侦听和避让算法共享电力线信道，并且根据逻辑ID信息判断中继方向。

该方法具体包括：

首先按照信号质量最差的情况下在每段载波信号可靠传输的距离内预配置一具有主中继功能的路灯控制器，另一具有从中继功能的路灯控制器。集中器给终端控制器发送指令为下行通信，反之为上行通信，按照从近到远依次为终端控制器分配逻辑ID编号，并为每组主、从中继控制器分配编号对。

主、从中继控制器建立一数据缓存池，数据缓存池具有一个发送指针和一个接收指针，接收指针随着接收到的有效数据而更新，发送指针随着已经成功发送的数据而更新，其中发送指针具有指针跳跃行为，该行为确保过期数据不被重复发送降低了线路上冲突的可能性并提高通信实时性，发送指针和接收指针在缓存池无有效数据时进行指针回位行为。

正常通信过程中，主、从中继控制器始终执行丢弃策略对收到的数据进行处理。首先通过帧校验将校验出错数据丢弃；其次主、从中继控制器各自将接收到数据中的时间戳分别对比本地保存的上、下行时间戳，如果不大于本地保存时间戳值则直接丢弃，否则根据上下行数据分别处理，如果是上行数据，比较帧中源ID是否大于本地ID，如果大于表明本地路灯控制器在源路灯控制器之前，等待中继操作，对于下行数据，判断目的ID是否大于本地ID，如果大于则说明本地控制器在目的控制器之前，需要进行中继转发数据。在主、从中继控制器进行下行中继操作前判断是否接收到目标控制器响应该指令的上行回复数据，如果收到则丢弃保存的无效数据；最后对于丢弃策略中不进行丢弃的数据包根据帧中目的地址、帧间时序判断是否需要直接回复，或者是否需要添加上所属的中继对编号进行等待中继操作。

从中继控制器接收到指令，通过指令中主、从中继对编号判断是否是该对应主中继控制器发送的信息，如果不是则将该指令进行缓存并启动定时器，若在预定时间内没有收到对应主中继控制器对该指令的中继信息则将自己接收的数据中继出去，反之缓存池发送指针执行跳跃行为。

各主中继控制器可能会在可通信范围内交叉覆盖一定数量的路灯控制器，主中继控制器之间通过载波侦听和避让算法来进行中继操作，中继控制器随机延时Random|Logic(ID)（<20ms）+t之后侦听信道是否空闲，如果是则发送数据出去，否则将数据放入缓冲池中并根据随机算法再次随机避让一段时间再发送，该方法同样适用于从中继控制器。另外在响应广播指令时，终端控制器同时回复也会造成信道冲突，因此每个控制器根据自己的Logic(ID)（逻辑ID）信息，各自延时Logic(ID)*T，其中T为每个终端控制器从接收到发送所需时间，延时时间到侦听信道是否空闲，如果是则发送数据出去，否则将数据放入缓冲池中并根据随机算法随机避让一段时间Random|Logic(ID)*10（<100ms）+t再发送。

该中继方法具有静态中继易实现的特点又具有动态中继的灵活性，静态体现在预配置主、从中继对，动态体现在中继线路的选择可以根据电力线通信质量变化而变化，在线路质量好的情况下可直接传送至多个主、从中继控制器，所有接收到新数据的主中继控制器，自动选择随机延时最小的首先将数据中继出去；并且从中继可以直接取代出错的主中继，而不需要重新进行路径寻址。该中继方法依据每次取最快到达目的终端的路径进行中继，能够满足路灯系统对实时性、可靠性、成功率的要求。

附图说明

图1是电力线载波路灯控制系统设备布局框图；

图2是主中继控制器通信流程图；

图3为从中继控制器下行通信流程图；

图4为从中继控制器上行通信流程图。

具体实施方式

在基于电力线载波技术的路灯控制系统中，当由于通信距离长或某一段通信不畅时，利用通信正常的某一路灯控制器作为中继控制器以完成通信。作为中继的路灯控制器均匀覆盖整条路灯线路，保证整条线路在通信质量最差的情况下无通信盲点，中继控制器的增多，会造成通信信道一直占用增加通信时延，本文的中继方法有效的解决了上述问题。本发明与现有技术相比，安装于现场的任何一个路灯控制器都可被配置为中继控制器，这样不仅施工方便而且可以节省单独安装中继器的费用，最重要的是该中继方法在系统安装调试时可以根据现场实测的线路质量及载波信号质量灵活配置中继，一旦配置完成各个中继控制器同时协调工作，每一数据帧将选择最快的中继到达目标控制器，增强了系统的实时性。

本方法的详细介绍如下：

1.考虑到线路质量的时变性，按照信号质量最差的情况下在每段载波信号可靠传输的距离内预配置一路灯控制器具有主中继功能，另一路灯控制器具有从中继功能，从中继具有冗余保护功能以增强系统可靠性。路灯控制器和中继控制器统称为终端控制器，并由集中器统一管理控制。集中器给终端控制器发送指令为下行通信，反之为上行通信，按照从近到远依次为终端控制器分配逻辑ID编号，并为每组主、从中继控制器分配对编号。

2.主、从中继控制器都建立数据缓存池，对有效数据进行缓存和保护，防止数据冲突而造成对有效数据的破坏，数据缓存机制一方面有效保证了丢弃策略的正确执行，另一方面为随机避让的执行提供保障。数据缓存池具有一个发送指针和一个接收指针，接收指针随着接收到的有效数据而更新，发送指针随着已经成功发送的数据而更新，其中发送指针具有指针跳跃行为，该行为确保过期数据不被重复发送降低了线路上冲突的可能性并提高通信实时性，发送指针和接收指针在缓存池无有效数据时进行指针回位行为。

每个中继控制器都维持有一个数据缓冲池，该缓冲池同时具有一个帧发送指针和帧接收指针，该缓冲池对通过校验、通过时间戳等验证的有效数据进行缓存，确保在丢弃策略、随机避让执行过程中新到的有效数据不被丢弃，并且当数据缓冲池中有效数据变成过期数据时，通过帧发送指针的跳跃行为将该帧丢弃，减少重复数据发送。

3.上行或下行通信过程中，主、从中继控制器始终执行丢弃策略对收到的数据进行处理，通过帧校验将校验出错数据直接丢弃；主、从中继控制器各自记录一个上、下行时间戳，上行回复数据中的时间戳赋值为对应下行指令中的时间戳，终端控制器将接收到数据中的时间戳分别对比本地保存的上、下行时间戳，如果不大于本地保存值则直接丢弃，即丢弃重复数据；主、从中继控制器进行下行中继操作前判断是否接收到目标控制器响应该指令的上行回复数据，如果收到则丢弃保存的无效数据；对于丢弃策略中不进行丢弃的数据包根据帧中目的地址、帧间时序判断是否需要直接回复，或者是否需要添加上所属的中继对编号进行中继操作。

4.通过逻辑ID信息判断中继方向，执行丢弃策略丢弃无效数据，提高信道利用率。对于上行数据，判断帧中源ID是否大于本地ID，如果大于表明本地路灯控制器在源路灯控制器之前，等待中继操作。对于下行数据，判断目的ID是否大于本地ID，如果大于则说明本地控制器在目的控制器之前，需要进行中继转发数据。

5.从中继控制器接收到一个新指令后，通过指令中主、从中继对编号判断是否是该对应主中继控制器发送的信息，如果不是则将该指令进行缓存并启动定时器，若在1s内没有收到对应主中继控制器对该指令的中继信息则将自己接收的数据中继出去，反之缓存池发送指针执行跳跃行为。

6.各主、从中继控制器使整条链路无通信盲点，但也可能造成通信质量好的情况下，在各中继控制器可通信的范围内交叉覆盖一定数量的路灯控制器，主中继控制器通过载波侦听和避让算法共享电力线信道，每个中继控制器随机延时Random|Logic(ID)（<20ms）+t，已知市电为正弦波，频率50Hz，周期为20ms，终端控制器从应用层传送数据到物理层须经过一个过零点，所需时间<10ms，须等到一个新的过零点才可将物理层数据耦合到电力线，因此确保终端控制器正常耦合到数据线至少需要两个过零信号，即一个周期20ms，因此t为基准时间20ms。为避免产生的随机数相同，使随机算法产生的随机数Random与逻辑ID按位与操作Random|Logic(ID)，由于执行一个基本操作所需最少时间为10ms，因此将产生的随机数*10ms得到随机时延，即Random|Logic(ID)*10（<100ms）+t为避让时延，延时时间到侦听信道是否空闲，如果是则发送数据出去，否则将数据放入缓冲池中并根据随机算法再次随机避让一段时间再发送。

7.终端控制器通过载波侦听和避让算法共享电力线信道，每个控制器根据自己的Logic(ID)（逻辑ID）信息，各自延时Logic(ID)*T，其中T为每个终端控制器从接收到发送所需时间，延时时间到侦听信道是否空闲，如果是则发送数据出去，否则将数据放入缓冲池中并根据随机算法随机避让一段时间Random|Logic(ID)*10（<100ms）+t再发送。

如图1所示为电力线载波路灯控制系统设备布局框图。以安置10个路灯控制器为例进行说明。集中器安装在配电箱旁边，从三相电力线取电进行正常工作，集中器上A、B、C三相上的3个载波模块分别接入A、B、C三相电力线进行通信。该集中器所管辖的10个路灯控制器依次交错安装在三相电力线上（例如控制器1装在A相、控制器2装B相、控制器装C相），只有同一相上的路灯控制器间可相互通信。本发明中继方法单独实施于A、B、C三相的每一相上。

主、从中继设置及选取方法如下：主、从中继控制器都是从已经安装好的路灯控制器中选取的，每个路灯控制器都有2个拨码开关，即有四种工作状态，选择其中三种状态分别代表该控制器具有主中继功能、从中继功能或不具有中继功能；安装图1所示的方式安装完设备后，选取距离集中器500m处的控制器为1号主中继，400m处的控制器为1号从中继，向后依次以500m为一段载波信号可靠传输距离，每一段距离内都配置一对主、从中继。

由于工程施工不考虑路灯控制器本身物理ID与集中器的位置关系，即工程施工过后，路灯控制器是无序安装的，需要根据路灯控制器的物理ID和灯杆的ID统计两者之间的对应关系并以此获得路灯控制器距集中器的距离信息，然后将路灯控制器由近到远依次分配逻辑ID，例如距离集中器最近的路灯控制器分配逻辑ID为1，依次类推，该逻辑ID保存于载波模块的flash中。

如图2所示为主中继控制器通信流程图。主中继通信过程中，当收到一有效数据帧后首先根据帧中的源ID信息将数据分为上行数据和下行数据,然后分别进行处理。下行数据的源ID信息为0xfffa、0xfffb、0xffc，即0xfffa为集中器A相载波模块ID，B相为0xfffb，C相为0xfffc；上行数据的源ID信息为分配给每个路灯控制器的唯一逻辑ID，下行数据处理时，首先根据帧中时间戳与本地存储的下行时间戳进行对比，其中本地上、下行时间戳初始化值为0年0月0日0时0分0秒，若是新数据即帧中时间戳大于本地保存的时间戳则首先将本地时间戳更新为帧中时间戳，更新时间戳的目的是确保下一次收到新的命令后该方法能够继续正确执行，然后根据帧中的目的ID标识判断出本数据帧是广播还是单播，若是广播即目的ID为0xffff，则首先进行随机避让然后进行载波侦听若信道空闲则直接进行中继，若信道忙则继续随机避让直到该帧成功发送为止；若是单播则需要判断帧中目的ID与本地ID是否相等，若相等则直接响应，若帧中的目的ID大于地ID则将该数据帧向后中继，中继之前仍需进行随机避让和载波侦听避免信道冲突，若果在中继完成之前已经收到终端设备的响应信息，则缓冲池发送指针执行跳跃行为，该帧成为过期数据帧不再发送。上行数据处理时，首先对比帧中时间戳与本地上行时间戳，若帧中时间戳大于本地时间戳则首先更新本地时间戳为帧中时间戳，然后对比帧中源ID与本地ID,若源ID大于本地ID则通过随机避让和载波侦听机制将该数据帧成功中继出去。

如图3所示为从中继控制器下行通信流程图。从中继通信过程中，收到一帧有效数据后同样根据帧中的源ID信息将数据分为上行数据和下行数据，然后分别进行处理。当根据帧中时间戳信息判断出该帧需要处理时，首先更新本地下行时间戳为帧中时间戳然后根据帧中目的ID信息，判断该帧是广播（0xffff）还是单播，若是单播则继续对比帧中目的ID与本地ID，若相等则直接送入底板处理，若不相等并且帧中目的ID大于本地ID则继续判断帧中的主从对标号，若主从对标号与自己的主从对标号一致则将该数据送入缓冲池并开启定时器定时1S，当定时器定时结束后若收到与自己对应的主中继对该数据的中继信息，则通知缓冲池的发送指针，当发送到该数据帧时执行跳跃行为；若定时器定时结束后没有收到与自己对应的主中继对该数据的中继信息，则缓冲池发送指针在发送该数据帧时不执行跳跃，将该数据帧中继出去。若帧中的目的ID为广播，同样判定帧中主从对标识是否与自己的一致，若不一致则将该帧放入缓冲池并启动定时器定时1S，接下来处理过程与单播时一致。

如图4所示为从中继控制器上行通信流程图。当判断出帧中时间戳大于本地保存的时间戳后，将本地上行时间戳更新为帧中时间戳，然后判断帧中源ID是否大于本地逻辑ID，如果是则继续判断帧中主、从中继对标识是否与自己的主从对标识一致，若一致则丢弃该帧，若不一致则将该帧放入缓冲池并开启定时器定时1S，接下来处理过程与图2所述一致。

Claims (4)

1.一种用于带状拓扑的低压电力线载波通信中继方法，其特征在于，在载波信号传输的每段电力线内预配置一对主中继控制器和从中继控制器，按照与集中器从近到远依次为终端控制器分配逻辑ID编号，并为每组主、从中继控制器分配编号对；主、从中继控制器建立一数据缓存池，数据缓存池具有一个发送指针和一个接收指针，接收指针随着接收到的有效数据而更新，发送指针随着成功发送的数据而更新；主、从中继控制器各自记录一个上、下行时间戳，执行丢弃策略对收到的数据进行处理；从中继控制器通过指令中主、从中继编号对判断是否是从中继控制器对应的主中继控制器发送的信息，如果不是则缓存该指令并启动定时器；若从中继控制器在预定时间内没有收到对应主中继控制器对该指令的中继信息则将自己接收的数据转发出去，否则缓存池发送指针执行跳跃；所述主、从中继控制器各自记录一个上、下行时间戳具体为，上行回复数据中的时间戳赋值为对应下行指令中的时间戳，各控制器接收到控制命令将接收到数据中的时间戳分别对比本地保存的上、下行时间戳，如果不大于本地保存时间戳值则丢弃处理，所述执行丢弃策略对收到的数据进行处理具体包括：首先通过帧校验将校验出错数据丢弃，其次主、从中继控制器各自将接收数据中的时间戳分别对比本地保存的上、下行时间戳，如果不大于本地保存时间戳值则直接丢弃，否则分别对上、下行数据进行中继操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对上、下行数据进行中继操作包括：如果是上行数据，比较帧中源ID是否大于本地ID，如果大于，等待中继操作；对于下行数据，判断目的ID是否大于本地ID，如果大于则对数据进行中继转发。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在主、从中继控制器进行下行中继操作前判断是否接收到目标控制器响应指令的上行回复数据，如果收到则丢弃保存的无效数据，对不丢弃的数据根据帧中目的地址、帧间时序判断是否需要直接回复。

4.根据权利要求1－3其中之一所述的方法，其特征在于，对交叉覆盖范围内的路灯控制器，中继控制器共享电力线信道，每个中继控制器随机延时Random| Logic(ID) +t之后侦听信道是否空闲，如果信道空闲则发送数据，否则将数据放入数据缓冲池，其中，t为基准时间，Random| Logic(ID)为随机数与控制器的逻辑ID按位与操作。