CN103269239A - 一种智能电网输电线路无线接入方法 - Google Patents

Abstract

一种智能电网输电线路无线接入方法，本发明包括以下步骤：A：通信节点之间通过使用基于IEEE1588的工业同步算法或者根据杆塔的位置信息通过计算得到两个相邻通信节点之间传输所需要的时间；B：每个节点处理转发的数据包时，在IP头与MAC头之间增加1字节的区分服务字段，使MAC帧能够携带64种不同优先级的业务，以此对业务的优先级进行区分；等等。本发明的有益效果：提供了一种适用于基于IEEE802.11，适用于输电线路通信节点组成多跳无线传输网络时的无线通信的接入算法，通过采用同步机制和带有优先级的退避时间的方式，增加了网络对于高优先级业务的保证，同时通过减小退避信息的开销，提高数据链路层的效率。

Description

一种智能电网输电线路无线接入方法

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接入方法。

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，就导致高压输电节点之间的距离较远，传播时延较大。

另外一方面，输电线路通信网络作为一个工业级网络，其通信节点具有固定，业务流向明显的特点。而不同的数据对于时延，带宽的要求不一样，即需要对运行在输电线路上的通信业务进行QoS（Quality of Service，服务质量）保障。

当前很多输电线路通信网络使用无线专网技术保障通信的安全性能，当前通用技术并不能完全适应工业网络的需求，主要体现在以下几个方面：

1.通用网路的设计初衷是满足点对多点网络或者网状网的高性能通信，其MAC（Media Access Control，媒体接入控制）接入算法对于点对点网络而言，控制信息较多，信道的浪费较大，不能实现高效的信道利用率。

2.通用网络并没有提供对服务质量的保障。其对所有的服务均提供BE（BestEffort，尽最大努力）的服务，并没有体现出不同优先级的服务应该在网络中享受的有线信道接入权利。

综上所述，当前的通用网络的信道接入算法不适应工业线状多跳网络中的通信要求，因此提出一种适用于输电线路中，高效的，能够对于高优先级业务提供绝对优先服务的接入算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在高压输电线路中，设备进行线状多跳组网的时候，其传统接入算法不能满足在线监测所需要的高效、实时、优先级分明的数据传输需求。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：提出一种基于优先级的接入方法的算法，不同的站点在进行信道接入的时候，根据自己即将发送业务的优先级决定站点退避的时间，从而保障发送高优先级业务的站点对对信道的占用权利。

本发明包括以下步骤：

A：通信节点之间通过使用基于IEEE1588的工业同步算法或者根据杆塔的位置信息通过计算得到两个相邻通信节点之间传输所需要的时间。

B：每个节点处理转发的数据包时，在IP头与MAC头之间增加1字节的区分服务字段，使MAC帧能够携带64种不同优先级的业务，以此对业务的优先级进行区分。其中，最高优先级对应数值为0，最低优先级对应数值为63。

C：如果节点没有在发送数据和接受数据，则认为信道空闲，则经过一个帧间间隔(IFS)时间，便开始进行退避。每个节点进行退避时隙个数的是与当前发送业务的优先级数值相等。

D：节点在退避时间到达以后就立即发送数据，接收的站点在成功接收该数据后，经过一个IFS，回复一个应答信息(ACK)，至此，一次回话过程结束。

E：在上述过程中，如果数据发送失败，则自动进入重发机制。

所述步骤A中：测距算法可以多种多样，可以通过节点自身之间的进行无线通信，采用基于IEEE1588V2的工业级同步算法进行获取。

所述步骤A中：可以通过通信节点的位置直接建立模型进行计算，其中通信节点的位置即是高压输电杆塔的位置，其中包含了杆塔的高度信息。

所述步骤A中：在发送节点发送Beacon（信标）帧，进行同步的时候，将传输时延计算代入同步时间的计算的公式，实现节点之间的时刻一致。

所述步骤B中：在IP（Internet Protocol，因特网协议）数据报头与MAC（MediaAccess Control，媒体接入控制）数据报头的中间增加一段区分服务字段，用以进行优先级区分，其定义的功能层次为媒体接入控制层，即MAC层。

所述步骤B中：定义优先级最高的业务对应优先级数值为0，而随着优先级降低，其数值增加1。

所述步骤C中：退避时隙个数的计算是与直接与优先级数值对应的，每次退避的时隙（slot）个数是固定的，其大小等于站点即将发送业务的优先级数值。

所述步骤C中：使用不同的物理层协议，其对应的时隙的长度（T_slot）是不一致的。

所述步骤C中：节点如果没有在发送数据和接受数据，也没有进行控制新碟的等待，则认为信道空闲。

所述步骤C中：使用不同的物理层，其对应的IFS的长度（T_IFS）是不一致的。

所述步骤D中：数据发送站点在接收到ACK（acknowledgement，确认）信息后，就认为一次回话结束。

所述步骤D中：数据接收方在发送完毕ACK后，经过无线电在空中的传播时延，才认为一次会话过程完成。

所述步骤D中：接收站点在接收到发送的数据后，会经过一个IFS后，才进行ACK的应答。

所述步骤E中：发送站点在发送完数据后，若经过一段时间后，仍然没有收到ACK应答信息，则认为所发送的数据失败，需要重发。

所述步骤E中：所有的站点的退避计数器在信道被使用后都会被清除，并重新开始计算。

本发明的有益效果是：提供了一种适用于基于IEEE802.11，适用于输电线路通信节点组成多跳无线传输网络时的无线通信的接入算法，通过采用同步机制和带有优先级的退避时间的方式，增加了网络对于高优先级业务的保证，同时通过减小退避信息的开销，提高数据链路层的效率。

附图说明

图1为多跳组网拓扑；

图2为测距方式；

图3为IEEE1588V2的帧格式；

图4为BSS中的Beacon帧发送示意图；

图5为进行业务区分的帧结构；

图6为节点的接入算法工作流程图；

图7为一次成功的数据传输示意图；

图8为一次失败的数据传输示意图。

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：

一种智能电网输电线路无线接入方法，本发明包括以下步骤：

A：通信节点之间通过使用基于IEEE1588的工业同步算法或者根据杆塔的位置信息通过计算得到两个相邻通信节点之间传输所需要的时间。

B：每个节点处理转发的数据包时，在IP头与MAC头之间增加1字节的区分服务字段，使MAC帧能够携带64种不同优先级的业务，以此对业务的优先级进行区分。其中，最高优先级对应数值为0，最低优先级对应数值为63。

C：如果节点没有在发送数据和接受数据，则认为信道空闲，则经过一个帧间间隔(IFS)时间，便开始进行退避。每个节点进行退避时隙个数的是与当前发送业务的优先级数值相等。

D：节点在退避时间到达以后就立即发送数据，接收的站点在成功接收该数据后，经过一个IFS，回复一个应答信息(ACK)，至此，一次回话过程结束。

E：在上述过程中，如果数据发送失败，则自动进入重发机制。

所述步骤A中：测距算法可以多种多样，可以通过节点自身之间的进行无线通信，采用基于IEEE1588V2的工业级同步算法进行获取。

所述步骤A中：可以通过通信节点的位置直接建立模型进行计算，其中通信节点的位置即是高压输电杆塔的位置，其中包含了杆塔的高度信息。

所述步骤A中：在发送节点发送Beacon（信标）帧，进行同步的时候，将传输时延计算代入同步时间的计算的公式，实现节点之间的时刻一致。

所述步骤B中：在IP（Internet Protocol，因特网协议）数据报头与MAC（MediaAccess Control，媒体接入控制）数据报头的中间增加一段区分服务字段，用以进行优先级区分，其定义的功能层次为MAC层。

所述步骤B中：定义优先级最高的业务对应优先级数值为0，而随着优先级降低，其数值增加1。

所述步骤C中：退避时隙个数的计算是与直接与优先级数值对应的，每次退避的时隙（slot）个数是固定的，其大小等于站点即将发送业务的优先级数值。

所述步骤C中：使用不同的物理层协议，其对应的时隙的长度（T_slot）是不一致的。

所述步骤C中：节点如果没有在发送数据和接受数据，也没有进行控制新碟的等待，则认为信道空闲。

所述步骤C中：使用不同的物理层，其对应的IFS的长度（T_IFS）是不一致的。

所述步骤D中：数据发送站点在接收到ACK（acknowledgement，确认）信息后，就认为一次回话结束。

所述步骤D中：数据接收方在发送完毕ACK后，经过无线电在空中的传播时延，才认为一次会话过程完成。

所述步骤D中：接收站点在接收到发送的数据后，会经过一个IFS后，才进行ACK的应答。

所述步骤E中：发送站点在发送完数据后，若经过一段时间后，仍然没有收到ACK应答信息，则认为所发送的数据失败，需要重发。

所述步骤E中：所有的站点的退避计数器在信道被使用后都会被清除，并重新开始计算。

本发明的基本思路如下：

首先，节点之间通过点对点的通信组成多跳网络，如图1所示：通信节点1与通信节点2之间通过无线进行连接，构成一个通信域1；通信节点2与通信节点3之间形成一个通信域2等等，各个通信域之间没有相交。因此，从一个通信与内部看，只有两个节点构成点对点的网络。而这两个节点通过竞争的方式获取信道。

如果节点之间通过基于IEEE1588V2的方式进行测距，则其具体的流程如图2所示：首先站点1向站点2发送Pdelay_Req报文，而站点1发送Pdelay_Req报文的时刻被放在Pdelay_Req报文中的，记录此时的时刻数值为T1，随后，站点2收到Pdelay_Req报文，并记录下接收此信息的时间T2，T1与T2之间可能存在一定的时间误差，随后站点2将T2信息放入Pdelay_Resp报文，并回复站点1。当然，这个信息里面包含了站点2发送Pdelay_Resp报文的时间T3，而站点1在T4的时刻收到了站点2发送的Pdelay_Req报文，此时站点1根据以下公式计算出T_delay：

$T_{\mathrm{delay}}=\frac{T4+T2-T1-T3}{2}$

上述说明中的Pdelay_Req报文与Pdelay_Resp报文的帧格式如图3所示。

而在IEEE802.11中，已有通过发送beacon帧（信标帧）的方式进行同步，在一个BSS（Basic Service Set，基本服务集）中，AP（Access Point，接入点）发送beacon帧的方式如图4所示：在每一个信标帧间隔开始的时候，如果媒体忙，则AP在等待媒体空闲后发送一个信标帧，如果媒体空闲，则由AP即时发送信标帧。

对于以上情况，STA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节点之间的传输时延T_delay。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。

通过上面的步骤得到了一个同步的网络和节点之间的传输距离，是进行基于优先级的接入算法的基础。

传统的MAC帧的个数如图5所示，其在数据链路层没有进行QoS区分的标志位，为此在IP头与MAC头之间增加区分服务字段，用以标志不同的业务类型，在图5中，设置区分服务字段为1字节，其能够区分的服务类型是64种，即：优先级数值priority∈{0,63}

节点按照以下的原则进行信道空闲的判断：

1：如果节点处于发送状态，则信道空闲；

2：如果节点处于接受状态，则信道空闲。

3：如果节点进行空心信息的等待或退避，则信道空闲。

如果节点有数据发送，同时检测到信道是空闲，则在经过一个T_IFS后就开始退避，如图6所示。

节点的退避时隙数目与业务的优先级数值存在以下的对应关系：

backoff=priority

而节点退避的时间为T_backoff=backoff*T_slot=priority*T_slot

其中，T_slot为节点的定义的时隙的长度，其中

T_slot=T_CCA+T_{RxTxTurnaround}+T_delay+T_MACprocess

其中：

T_CCA是CCA（Clear Channel Assessment，信道空闲监测技术）

T_{RxTxTurnaround}是射频芯片从发送模式转换到接受模式所需要的时间

T_delay是节点之间无线电传播所需时延

T_MACprocess是MAC处理所需要的时间

T_IFS定义如下：

T_IFS=T_RXRFdelay+T_{RxTxTurnaround}+T_RXPLCPdelay+T_MACprocess

其中：

T_RXRFdelay是节点进行射频接收所需要的时间

T_RXPLCPdelay是在节点接受时，在物理汇聚子层PLCP处理数据所需要时间

节点退避时间

节点一次回话完毕后，如果监测到信道空闲的时候，先经过一个T_IFS的时间，就开始进行退避，假设源站即将发送的业务类型的优先级数值是0，其不会退避。如果即将发送的业务优先级数值是10，则就退避的时间就是10个T_slot。

退避完成后，源站就向目的站点发送数据。经过一个传播时延T_delay，数据将会到达目的站点，接受站点在经过一个T_IFS后向源站点回复一个ACK报文，

此时发送节点在接收到ACK后，就认为一次通话结束，而接受节点在发送完ACK后，需要在发送节点接收到ACK信息后，即经过delay的时间后，才认为一次会话已经完成，因此，发送节点和接受节点对会话的结束时间判断是一致的。因此，在接下来的时间里面，其进行信道竞争的起点是一样的，则就保证了对绝对优先级业务信道接入保障。

节点内部设置有一个定时器，如果在发送完数据，经过Timeout的时间后，源站点仍然没有收到目的站点发送的ACK信息，则源站点认为该次数据发送不成功，因此在Timeout的时间后，重新退避IFS的时间，并重新退避，然后再次发送数据，如图8所示，其中Timeout的定义为：

Timeout=T_IFS+T_slot+T_{PHYRXSTARTDelay}

其中：

T_{PHYRXSTARTDelay}是与物理层的特性相关的，物理层提出接受服务所需要的延时，不同的物理层存在着不同的数值。

Claims (6)

1.一种智能电网输电线路无线接入方法，其特征在于：包括以下步骤：

A：通信节点之间通过使用基于IEEE1588的工业同步算法或者根据杆塔的位置信息通过计算得到两个相邻通信节点之间传输所需要的时间；

B：每个节点处理转发的数据包时，在IP头与MAC头之间增加1字节的区分服务字段，使MAC帧能够携带64种不同优先级的业务，以此对业务的优先级进行区分；其中，最高优先级对应数值为0，最低优先级对应数值为63；

C：如果节点没有在发送数据和接受数据，则认为信道空闲，则经过一个帧间间隔时间，即IFS，便开始进行退避；每个节点进行退避时隙个数的是与当前发送业务的优先级数值相等；

D：节点在退避时间到达以后就立即发送数据，接收的站点在成功接收该数据后，经过一个IFS，回复一个应答信息，至此，一次回话过程结束；

E：在上述过程中，如果数据发送失败，则自动进入重发机制。

2.根据权利要求1所述的一种智能电网输电线路无线接入方法，其特征在于：在步骤A中：测距算法通过节点自身之间的进行无线通信，采用基于IEEE1588V2的工业级同步算法进行获取；

在所述步骤A中：通过通信节点的位置直接建立模型进行计算，其中通信节点的位置即是高压输电杆塔的位置，其中包含了杆塔的高度信息；

在所述步骤A中：在发送节点发送Beacon即信标帧，进行同步的时候，将传输时延计算代入同步时间的计算的公式，实现节点之间的时刻一致。

3.根据权利要求1所述的一种智能电网输电线路无线接入方法，其特征在于：在所述步骤B中：在因特网协议数据报头与媒体接入控制数据报头的中间增加一段区分服务字段，用以进行优先级区分，其定义的功能层次为媒体接入控制层；

在所述步骤B中：定义优先级最高的业务对应优先级数值为0，而随着优先级降低，其数值增加1。

4.根据权利要求1所述的一种智能电网输电线路无线接入方法，其特征在于：所述步骤C中：退避时隙个数的计算是与直接与优先级数值对应的，每次退避的时隙个数是固定的，其大小等于站点即将发送业务的优先级数值；

所述步骤C中：使用不同的物理层协议，其对应的时隙的长度是不一致的；

所述步骤C中：节点如果没有在发送数据和接受数据，也没有进行控制新碟的等待，则认为信道空闲；

所述步骤C中：使用不同的物理层，其对应的IFS的长度是不一致的。

5.根据权利要求1所述的一种智能电网输电线路无线接入方法，其特征在于：所述步骤D中：数据发送站点在接收到确认信息后，就认为一次回话结束；

所述步骤D中：数据接收方在发送完毕确认后，经过无线电在空中的传播时延，才认为一次会话过程完成；

所述步骤D中：接收站点在接收到发送的数据后，会经过一个IFS后，才进行ACK的应答。

6.根据权利要求1所述的一种智能电网输电线路无线接入方法，其特征在于：所述步骤E中：发送站点在发送完数据后，若经过一段时间后，仍然没有收到ACK应答信息，则认为所发送的数据失败，需要重发；

所述步骤E中：所有的站点的退避计数器在信道被使用后都会被清除，并重新开始计算。

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