CN103929823A - 基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其特征在于：该电力无线专网包括主站计算机、前置机、基站和数据采集终端，数据采集终端用于实现电力负控信息采集，多个所述数据采集终端通过无线自组网的方式与基站相连，基站与主站计算机之间采用有线链路连接，在多个所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中按照业务类型将消息分为了至少6类，每一类消息对应一种优先级，不同类型的消息在信道接入时按照优先级的高低设置有不同的等待时间间隔。本发明能够提高无线电力专网的信息传送能力，保证应急消息的实时性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信网络中的信道接入技术，具体地讲，是一种基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法。
背景技术
电力无线专网是供电企业全面掌握各个用电客户用电信息的数据支持系统，具有电力负荷实施监控、远程抄表、电能质量监测、线损分析、无功补偿管理等功能，由主站计算机和远方的数据采集终端组成。建设智能电力无线专网的重点之一是无线信道接入方式的研究，MAC协议是多个用户共享物理介质时必须遵循的控制协议，能解决如何有效的进行资源分配以提供高效的多址能力，在通信及时性和可靠性方面起关键的作用。在网络规模不断扩大、应用环境要求不断提高情况下，MAC协议在用户双方实现高效通信，提高网络的吞吐量、时延、频谱利用率、系统容量方面有较大的影响。
现有电力无线专网采用统一的轮询接入方式，在用户数少、业务量小、环境理想的情况下，轮询接入方式能够满足电力无线网的基本需求。但是随着用户数的不断增加，部分终端不能与基站直接连接，需要通过邻居终端进行中继来实现与基站的通信，如此增加了网络的复杂度和通信业务的种类。
由于在电力无线专网中存在着终端自组网，轮询接入不能满足当前要求，存在以下问题：
1)在信道接入时，基站和终端完全对等，基站不能有效的控制整个网络，从而降低了整个网络的通信速率；
2)网络中业务种类较多，且未设优先级，网络不能及时传输主站召测的电力业务；
3)当终端出现紧急情况时，轮询接入不能保证终端紧急数据的及时传输；
4)轮询组网时延过大，浪费了无线通信资源。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，通过该方法能够提高无线电力专网的信息传送能力，保证应急消息的实时性和可靠性。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其关键在于：该电力无线专网包括主站计算机、前置机、基站和数据采集终端，数据采集终端用于实现电力负控信息采集，多个所述数据采集终端通过无线自组网的方式与基站相连，基站与主站计算机之间采用有线链路连接，前置机作为所述主站计算机的接口设备，对主站计算机与基站之间的数据进行分类、汇总和分发；在多个所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中按照业务类型将消息分为了至少6类，每一类消息对应一种优先级，不同类型的消息在信道接入时按照优先级的高低设置有不同的等待时间间隔。
本方案采用无线自组网和有线网络相融合的方式，数据采集终端与基站之间通过一跳或多跳的方式进行网络自组，基站与主站计算机之间采用有线连接，在无线自组网络中，根据业务类型设置不同的优先级别，将优先级高的消息提前发送，从而保证整个网络中应急信息的实时传输，提高网络效率。
作为进一步描述，在多个所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中，消息的类型包括以下几类：
0：数据采集终端主动上传的紧急消息；
1：基站下发的消息；
2：数据采集终端发送的数据消息；
3：数据采集终端发送的在网维护消息；
4：数据采集终端发送的入网请求消息；
5：数据采集终端发送的退网请求消息；
上述6类消息对应为的优先级依次为0～5。
采用上述机制，当数据采集终端遇到紧急情况时，需要主动上报紧急消息，因此设置优先级最高，设置等待时间为0，保证应急信息的实时传输。除此之外，网络中的基站必须参与任意一次完整的信息传输通信，即任意一次完整的信息传输通信都是由基站发起或者是由基站终止的。因此，为了保证整个网络的可控性和有序性，基站下发的消息优先级次之。
在传统网络中，与网络管理消息相比，数据业务数据量大，传输时间较长，因此为了维护整个网络的稳定性，优先传输管理消息。本网络为静止网络，网络拓扑动态变化较小；并且主站对数据的实时性要求较高，在本网络中，与管理消息相比，优先传输数据业务，因此，数据采集终端发送的数据消息优先级设为2。
由于本网络为静态网络，在网维护信息较少，为了维护网络的稳定性，优先保证已接入网络终端的正常通信，因此，在网维护消息优先级较高，其次为入网消息，最后为退网消息。
再进一步描述，当数据采集终端与基站进行信道接入时，如果传输的消息类型为i,i＝0～5,则对应的等待时间为i个单位的前导时间，通过设置不同的等待时间来保证优先级高的消息提前传输。
为了便于数据的管理，在数据采集终端和基站的MAC层中，其数据帧结构包括了3个bit的优先级控制域，按照二进制顺序从000～111依次对应最大可设8个优先级。
具体传输过程中，所述数据采集终端和基站进行消息处理的步骤如下：
步骤1：MAC层按照预设的MAC帧格式组装MAC帧消息，所述MAC帧消息根据消息的类型设定了相应的优先级；
步骤2：物理层按照MAC帧中的优先级确定发送时间；
步骤3：当上一帧数据的物理帧帧尾到达时，通过CSMA/CA算法进行信道检测；
步骤4：当到达发送时间时信道仍然空闲，则发送该MAC帧消息，如果在发送时间到达前信道被占用，则MAC层需要等到下一个物理帧结束后，重新进行信道检测。
针对本方案所设计的电力无线专网而言，所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中采用了40个离散频点作为信道频点，分别为15对双工频点和10个单工频点，其中双工频点的频段为223.525MHz～224.650MHz，230.525～231.650MHz，单工频点的频段为228.075MHz～228.750MHz，相邻频道间隔为25kHz，每个频道占用带宽小于25kHz。
为了避免同频干扰，提高消息传输的稳定性，本方案所设计的电力无线专网将40个离散频点分为7个频点集合，每个频点集合包括5～6个离散频点，相邻两个基站使用不同的频点集合，各个基站按照7小区蜂窝组网结构进行异频蜂窝组网。
本发明的显著效果是：
1)保证整个网络以基站为中心，实现电力业务、无线信道资源的总体规划及精准控制；
2)基于业务分类，优先传输终端应急信息和主站信息，终端出现紧急情况后信息可以及时上报，而且主站的核心关键业务也能平稳运行；
3)采用随机竞争接入能够降低时延，提升网络的实时性，从而提高网络的效率。
附图说明
图1为本发明的网络拓扑结构图；
图2为本发明物理帧结构示意图；
图3为本发明网络节点进行消息处理的步骤流程图；
图4为本发明系统蜂窝组网时的信道分配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
图1所示，一种基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，该电力无线专网包括主站计算机、前置机、基站和数据采集终端，数据采集终端用于实现电力负控信息采集，多个所述数据采集终端通过无线自组网的方式与基站相连，基站与主站计算机之间采用有线链路连接，前置机作为所述主站计算机的接口设备，对主站计算机与基站之间的数据进行分类、汇总和分发；在多个所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中按照业务类型将消息分为了至少6类，每一类消息对应一种优先级，不同类型的消息在信道接入时按照优先级的高低设置有不同的等待时间间隔。
在实施过程中，通常MAC帧中包含了2个字节的帧控制域，如表1所示，本方案中的帧控制域分别由2bit分片标志、3bit优先级标志、1bit类型标志、5bit子类型标志、1bit智能路由标志、1bit加密标志、1bit功率管理标志、1bit重传标志和1bit预留位组成，具体如表2所示。
表1通用MAC帧格式
表2帧控制域格式
具体解释如下：
(1)分片标志域：2bit，指示了净荷分段的状态，00：没有分片；01:第一分片；10：中间分片；11：最后分片。
(2)优先级域：3bit，表示消息的优先级，按照二进制顺序从000～111依次对应最大可设8个优先级，目前网络中的消息类型设置了6种，按照优先级的高低顺序依次为：0：数据采集终端主动上传的紧急消息；1：基站下发的消息；2：数据采集终端发送的数据消息；3：数据采集终端发送的在网维护消息；4：数据采集终端发送的入网请求消息；5：数据采集终端发送的退网请求消息；
(3)帧类型子域和子类型子域：类型子域长度是1bit，子类型子域长度是5比特，类型和子类型一起确定该帧的功能；
(4)智能路由标志：1bit，1：该消息需要进行智能路由处理；0:该消息不需要进行智能路由处理；
(5)加密标记：1bit，0：没有加密；1：加密；
(6)功率管理：1bit，用于进一步开发，默认为0；
(7)重传标志位：1bit，1：该消息为重传消息；0:该消息为非重传消息。
如图3所示，本发明采用固定物理帧长结构，在MAC层和物理层采用了CSMA/CA技术和选择性RTS/CTS握手的技术，其空中帧由固定帧长的物理帧和最大等待间隔TTG构成，当数据采集终端与基站进行信道接入时，如果传输的消息类型为i,i＝0～5,则对应的等待时间为i个单位的前导时间。
图中所示的网络中每个节点(数据采集终端和基站)维护一个固定帧长以及固定最大等待间隔TTG的空中帧结构，每个TTG的大小是以前导为单位，TTG_1的长度为1个前导，TTG_2的长度为2个前导，TTG_3的长度为3个前导，以此类推。当节点需要发送信息时，根据信息的优先级选择不同的等待TTG发送信息。
如图4所示，网络中的数据采集终端和基站进行消息处理的步骤如下：
步骤1：MAC层按照预设的MAC帧格式组装MAC帧消息，所述MAC帧消息根据消息的类型设定了相应的优先级；
步骤2：物理层按照MAC帧中的优先级确定发送时间；
步骤3：当上一帧数据的物理帧帧尾到达时，通过CSMA/CA算法进行信道检测；
步骤4：当到达发送时间时信道仍然空闲，则发送该MAC帧消息，如果在发送时间到达前信道被占用，则MAC层需要等到下一个物理帧结束后，重新进行信道检测。
针对本系统而言，所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中采用了40个离散频点作为信道频点，如表3所示，分别为15对双工频点和10个单工频点，其中双工频点的频段为223.525MHz～224.650MHz，230.525～231.650MHz，单工频点的频段为228.075MHz～228.750MHz，相邻频道间隔为25kHz，每个频道占用带宽小于25kHz。
表3电力无线专网专用频点划分
| 编号 | 频点(MHz) | 备注 | 编号 | 频点(MHz) | 备注 |
| 1 | 223.525 | 双工频点，基站RX | 26 | 230.525 | 双工频点，基站TX |
| 2 | 223.675 | 双工频点，基站RX | 27 | 230.675 | 双工频点，基站TX |
| 3 | 223.725 | 双工频点，基站RX | 28 | 230.725 | 双工频点，基站TX |
| 4 | 223.850 | 双工频点，基站RX | 29 | 230.850 | 双工频点，基站TX |
| 5 | 223.950 | 双工频点，基站RX | 30 | 230.950 | 双工频点，基站TX |
| 6 | 224.025 | 双工频点，基站RX | 31 | 231.025 | 双工频点，基站TX |
| 7 | 224.125 | 双工频点，基站RX | 32 | 231.125 | 双工频点，基站TX |
| 8 | 224.175 | 双工频点，基站RX | 33 | 231.175 | 双工频点，基站TX |
| 9 | 224.225 | 双工频点，基站RX | 34 | 231.225 | 双工频点，基站TX |
| 10 | 224.325 | 双工频点，基站RX | 35 | 231.325 | 双工频点，基站TX |
| 11 | 224.225 | 双工频点，基站RX | 36 | 231.425 | 双工频点，基站TX |
| 12 | 224.475 | 双工频点，基站RX | 37 | 231.475 | 双工频点，基站TX |
| 13 | 224.525 | 双工频点，基站RX | 38 | 231.525 | 双工频点，基站TX |
| 14 | 224.575 | 双工频点，基站RX | 39 | 231.575 | 双工频点，基站TX |
| 15 | 224.650 | 双工频点，基站RX | 40 | 231.650 | 双工频点，基站TX |
| 16 | 228.075 | 单工频点 | |||
| 17 | 228.125 | 单工频点 | |||
| 18 | 228.175 | 单工频点 | |||
| 19 | 228.250 | 单工频点 | |||
| 20 | 228.325 | 单工频点 | |||
| 21 | 228.400 | 单工频点 | |||
| 22 | 228.475 | 单工频点 | |||
| 23 | 228.550 | 单工频点 | |||
| 24 | 228.675 | 单工频点 | |||
| 25 | 228.750 | 单工频点 |
如图4所示，在网络组建过程中，电力无线专网将40个离散频点分为7个频点集合，每个频点集合包括5～6个离散频点，相邻两个基站使用不同的频点集合，各个基站按照7小区蜂窝组网结构进行异频蜂窝组网。
通过图4可以看出，如果把40个离散频点划分成7个频点集合(每个集合包含5或6个频点)，每个基站使用1个频率集，基站同时使用4个频点与所辖的数据采集终端通信，每个数据采集终端只使用其中的1个频点，频点集合中剩余的1-2个频点作为备用频点，只在频点收到干扰时切换使用，此时组网方式的频率复用因子K＝7。
比如，A小区对应的小区基站同时使用4个频点(另有1-2个备用频点)，数据采集终端使用的频点可以根据实际需求进行划分，但数据采集终端同一时刻只能使用该频率集内的一个频点。对于一个频点，基站与数据采集终端之间是点对点(P2P)的通信方式，对于整个小区来说，基站与数据采集终端之间采取的是点对多点(PMP)的通信方式，从而有效降低同频干扰，保证信道接入的准确性和及时性。
最后需要说明的是，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其特征在于：该电力无线专网包括主站计算机、前置机、基站和数据采集终端，数据采集终端用于实现电力负控信息采集，多个所述数据采集终端通过无线自组网的方式与基站相连，基站与主站计算机之间采用有线链路连接，前置机作为所述主站计算机的接口设备，对主站计算机与基站之间的数据进行分类、汇总和分发；在多个所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中按照业务类型将消息分为了至少6类，每一类消息对应一种优先级，不同类型的消息在信道接入时按照优先级的高低设置有不同的等待时间间隔。
2.根据权利要求1所述的基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其特征在于：在多个所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中，消息的类型包括以下几类：
0：数据采集终端主动上传的紧急消息；
1：基站下发的消息；
2：数据采集终端发送的数据消息；
3：数据采集终端发送的在网维护消息；
4：数据采集终端发送的入网请求消息；
5：数据采集终端发送的退网请求消息；
上述6类消息对应为的优先级依次为0～5。
3.根据权利要求2所述的基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其特征在于：当数据采集终端与基站进行信道接入时，如果传输的消息类型为i,i＝0～5,则对应的等待时间为i个单位的前导时间。
4.根据权利要求1所述的基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其特征在于：在数据采集终端和基站的MAC层中，其数据帧结构包括了3个bit的优先级控制域，按照二进制顺序从000～111依次对应最大可设8个优先级。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其特征在于，所述数据采集终端和基站进行消息处理的步骤如下：
步骤1：MAC层按照预设的MAC帧格式组装MAC帧消息，所述MAC帧消息根据消息的类型设定了相应的优先级；
步骤2：物理层按照MAC帧中的优先级确定发送时间；
步骤3：当上一帧数据的物理帧帧尾到达时，通过CSMA/CA算法进行信道检测；
步骤4：当到达发送时间时信道仍然空闲，则发送该MAC帧消息，如果在发送时间到达前信道被占用，则MAC层需要等到下一个物理帧结束后，重新进行信道检测。
6.根据权利要求1—4任意一项所述的基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其特征在于：所述数据采集终端与基站组成的无线自组织网络中采用了40个离散频点作为信道频点，分别为15对双工频点和10个单工频点，其中双工频点的频段为223.525MHz～224.650MHz，230.525～231.650MHz，单工频点的频段为228.075MHz～228.750MHz，相邻频道间隔为25kHz，每个频道占用带宽小于25kHz。
7.根据权利要求6所述的基于业务分类的电力无线专网信道接入控制方法，其特征在于：电力无线专网将40个离散频点分为7个频点集合，每个频点集合包括5～6个离散频点，相邻两个基站使用不同的频点集合，各个基站按照7小区蜂窝组网结构进行异频蜂窝组网。
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