CN103957570A - 一种用于电力负荷控制的网络通信系统及其路由算法 - Google Patents

一种用于电力负荷控制的网络通信系统及其路由算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电力负荷控制的网络通信系统及其路由算法，其系统包括主站计算机、前置机、基站和智能终端，多个智能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；系统将40个离散频点分为7个频点集合，相邻两个基站使用不同的频点集合，所有基站按照7小区蜂窝组网结构进行异频蜂窝组网。本发明通过无线智能终端获取电力负载信息，采用一跳或多跳的方式接入基站，可以自动实现网络接入和路由维护，实现对智能终端的统一管理，扩大信号的覆盖率及系统容量，增强通信的实时性，确保数据的安全性。

Description

一种用于电力负荷控制的网络通信系统及其路由算法
技术领域
本发明涉及网络通信系统与网络路由技术，具体地讲，是一种用于电力负荷控制的网络通信系统及其路由算法。
背景技术
电力负荷管理系统是供电企业全面地掌握各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，主要由主站计算机系统和远方的数据采集监控终端组成。
目前，电力负荷管理系统按照通信方式大致可分为有线和无线两种，无线通信方式主要包括230MHz无线专网数传电台通信、GSM全球移动通信系统短信通信、GPRS通用分组无线通信公网通信、Mobitex无线数据通信网等。GSM短信通信实时性很低；采用GPRS公网通信的费用很高，安全性、实时性又得不到保障；Mobitex是一种专用无线数据通信网络，以蜂窝为基础，遵循MASC协议，在窄带无线数据通信领域中处于世界领先地位，但是由于Mobitex工作在800MHz应用于电力领域需要向国家无线电管委会申请频点资源，所以为电力专网的使用带来不便。230MHz无线专网虽然在建设初期组网工作量大、成本较高，但是由于其采用专用信道可靠性、实时性、保密性均比公网等其他通信方式要高。所以，至今230MHz专网信道仍然是电力负荷管理系统的主流信道。
在早期用户数不是很多的情况下，230MHz无线专网不仅能很好地满足业务需求，而且采用的技术简单成熟。但随着经济的不断发展，其服务面已从原来的大电力用户扩展到广大的中、小电力用户，终端数量不断增多，需要采集的数据量也不断增大，原有的230MHz无线专网的集中控制方式已经不能满足当前任务的需要，电网的智能化和信息化迫切需要寻求一种更为高效的通信系统以及适应该系统的路由算法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的第一目的在于提供一种用于电力负荷控制的网络通信系统，通过该系统能够提高无线电力专网的信息传送能力，从而满足电力系统目前的业务需求。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种用于电力负荷控制的网络通信系统，其关键在于：包括主站计算机、前置机、基站和智能终端，智能终端用于实现电力信息采集和负控切换控制，多个所述智能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；在多个所述智能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，其中包括15对双工频点和10个单工频点，所述双工频点的频段为223.525MHz～224.650MHz和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，系统将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，所有基站按照7小区蜂窝组网结构进行异频蜂窝组网。
本系统将有线网络与无线网络相融合，同时又结合了无线自组网和小区蜂窝组网的概念，系统中的智能终端可以实现电力负荷监控、远程抄表以及电能质量监测等功能，各个智能终端通过无线自组网的形式将所监测的数据上传到基站中，各个基站再将数据传送到前置机进行分类和汇总，最后通过主站计算机进行分析和处理，主站计算机下发的控制指令经过前置机进行分发，传送到基站的控制指令再通过一跳或多跳的方式传送到相应的智能终端，实现电力负荷的远程控制，系统采用230MHz的电力通信专用频段，按照小区蜂窝组网的方式进行频点划分，从而避免无线传输过程中的同频干扰，满足大面积网络的全覆盖。
针对本系统中的无线自组网而言，所述基站可以直接与其覆盖范围内的智能终端通信，也可以通过智能终端多跳路由与其覆盖范围外的其它智能终端通信。
针对本系统中的频点划分，在每个蜂窝小区中，基站同时使用一个频点集合中的4个离散频点，智能终端选择其中一个离散频点与基站通信，所述频点集合中剩余的1～2个频点作为预留频点，当智能终端通过其它智能终端与基站通信时，两个智能终端所使用的离散频点相同。
结合上述网络系统，本发明的目的之二在于提供一种适应该系统的路由算法，以满足整个系统网络组网和数据传输的需要，具体包括以下步骤：
S1：终端入网，包括基站范围内入网和基站范围外入网；
基站范围内入网：建网初期，由基站发送大量的时间节点，智能终端随机选择时间节点接入基站，基站采用点对点入网的方式对连接成功的智能终端进行测距和注册，并在各个网络节点上形成路由链表；
基站范围外入网：当智能终端不能直接接收到基站发送的信号时，通过广播入网请求信息，并以多跳的方式选择链路最短的一个邻居节点接入基站；
S2：在网管理，系统采用“轮询+握手”的方式实现基站与智能终端中路由链表的更新；
S3：退网管理，包括智能终端主动退网和基站主动退网；
当智能终端需要主动退网时，在基站发送的时间节点中去发送竞争信号，通知基站需要退网，基站发送允许退网指令，删除该智能终端的链路信息；
当基站在在网管理过程中收不到智能终端的消息，则可主动删除该智能终端的链路信息。
通过上述方式，网络中的所有智能终端均可以维护一张到达基站的路由链表，基站也可以维护一张到达各个智能终端的路由链表，基站与智能终端通过一跳或多跳的方式实现数据传输，基站与主站计算机之间再采用有线链路相连，从而保证所有智能终端与主站计算机之间进行数据交换。
在链路维护过程中，所述路由链表中的每一条路由信息包括目的地址、下一跳地址、度量值以及序列号，所述度量值为路由跳数。
在路由选择时，当源节点需要向目的节点传输数据时，先选择路由链表中到达目的节点序列号最大的一条路由信息；如果存在相同的序列号，再选择路由信息中度量值最小的一条链路进行数据传输。
为了便于及时发现链路断开，在所述在网管理过程中，连接成功的路由链路其路由信息序列号递增2，连接失败的路由链路其路由信息序列号递增1，且连接失败的路由链路的度量值设为无穷大。
本发明的显著效果是：设计了基于230MHz的无线通信网络，通过无线智能终端获取电力负载信息，采用一跳或多跳的方式接入基站，可以自动实现网络接入和路由维护，实现对智能终端的统一管理，扩大信号的覆盖率及系统容量，增强通信的实时性，确保数据的安全性。
附图说明
图1为本发明的网络拓扑结构图；
图2为本系统进行小区蜂窝组网时的信道分配图；
图3为基站范围内的终端入网控制流程图；
图4为终端入网时的时间竞争关系图；
图5为基站范围外的终端入网控制流程图；
图6为路由链路表格信息示意图；
图7为在网终端路由信息通告过程示意图；
图8为新终端入网时的路由信息通告过程示意图；
图9为链路断开时的路由信息通告过程示意图。
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。
如图1所示，一种用于电力负荷控制的网络通信系统，包括主站计算机、前置机、基站和智能终端，智能终端用于实现电力信息采集和负控切换控制，多个所述智能终端通过无线自组网的方式与基站相连，基站可以直接与其覆盖范围内的智能终端通信，也可以通过智能终端多跳路由与其覆盖范围外的其它智能终端通信，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；在多个所述智能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，其中包括15对双工频点和10个单工频点，所述双工频点的频段为223.525MHz～224.650MHz和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，系统将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，所有基站按照7小区蜂窝组网结构进行异频蜂窝组网，针对本系统而言，其频点划分如表1所示。
表1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2所示，多个基站在进行小区蜂窝组网时，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)，在每个蜂窝小区中，基站同时使用一个频点集合中的4个离散频点，智能终端选择其中一个离散频点与基站通信，所述频点集合中剩余的1～2个频点作为预留频点，只在频点收到干扰时切换使用，当智能终端通过其它智能终端与基站通信时，两个智能终端所使用的离散频点相同，这样组网方式的频率复用因子K＝7。
比如图2所示，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)，智能终端使用的频点可以根据实际需求进行划分，但智能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，基站与智能终端之间是点对点(P2P)的通信方式，对于整个小区来说，基站与智能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。
结合上述系统，网络中各个节点在进行数据传输时的路由算法如下：
S1：首先需要进行终端入网，包括基站范围内入网和基站范围外入网；
如图3所示，基站范围内入网：建网初期，由基站发送大量的时间节点，智能终端随机选择时间节点接入基站，基站采用点对点入网的方式对连接成功的智能终端进行测距和注册，并在各个网络节点上形成路由链表，具体如下：
1)基站在网络初始化时周期性的发送信道描述信息DCD消息和时间节点信息send_slot(公布一部分可用于入网竞争的帧号)；
2)当智能终端(如图1中的A、G、H、J、E终端)能够周期性的接收到基站发送的DCD消息后，读取下行信道信息，取得帧同步，当终端收到send_slot消息后，随机选择一个时间帧，并在等待时间间隔TTG_4之后，检测信道是否被占用，若没有占用，则发送测距请求RNG-REQ，若被占用，则需要重新选择时间帧；
3)当基站接收到RNG-REQ消息后，将该智能终端加入入网轮询表，并发送带有测距信息的入网回复消息RNG-RSP；
4)智能终端在接收到RNG-RSP后，调整时延，并向基站发送注册请求REG-REQ；
5)基站根据REG-REQ中的身份识别码判断智能终端是否合法，并发送回复帧给智能终端；若身份合法，则为该智能终端分发密钥，终端完成入网，成为在网终端，基站将对其进行在网管理。
以图1中的终端A和终端J入网为例，在图4中说明其入网的竞争关系。
针对基站范围外的终端入网而言：当智能终端不能直接接收到基站发送的信号时，通过广播入网请求信息，并以多跳的方式选择链路最短的一个邻居节点接入基站，具体如图5所示：
1)当某一智能终端不能直接接收到基站的信号时，周期性的向周围广播入网请求帧Rand_access，如图1所示的新终端D；
2)当周围邻居终端收到入网请求帧Rand_access后，暂存该新终端D的路由信息，并向新终端D发送探测回复帧Rand_access_RSP(包含自身的目的地址，基站的地址，到基站的跳数)；
3)新终端D记录所有发送了探测回复帧的邻居终端的信息和同步信息，并按照路由选择原则选出最佳邻居终端作为中继终端，取得与中继终端的同步，并向中继终端发送注册请求帧RNG-REQ；
4)中继终端根据接收到到RNG-REQ后，计算出距离，并通过RNG-RSP回复给新终端D；
5)新终端D根据RNG-RSP调整时延，并向中继终端发送注册请求帧REG-REQ，该注册请求帧的最终目的地址为基站；
6)中继终端收到REG-REQ后，将该新终端D的路由信息加入路由表，并在下一帧转发该消息；
7)若对应的中继终端收到该转发的REG-REQ，则将新终端D的路由信息加入路由表，并转发该消息；若基站收到该REG-REQ，则判断该智能终端是否合法，若合法，则将路由信息加入路由表，并发送注册回复帧REG-RSP，从而完成路由链路的建立。
S2：当各个终端完成入网后，系统需要进行在网管理，本方案采用“轮询+握手”的方式实现基站与智能终端中路由链表的更新，通常采用单播轮询，在特定时间内实现智能终端与基站的点对点通信；
S3：当某些智能终端退网时，系统需要进行退网管理，这里包括智能终端主动退网和基站主动退网；
当智能终端需要主动退网时，在基站发送的时间节点中去发送竞争信号，通知基站需要退网，基站发送允许退网指令，删除该智能终端的链路信息；
当基站在在网管理过程中收不到智能终端的消息，则可主动删除该智能终端的链路信息。
如图6所述，上述过程的路由链表中的每一条路由信息包括目的地址、下一跳地址、度量值以及序列号，所述度量值为路由跳数。
通常，当源节点需要向目的节点传输数据时，先选择路由链表中到达目的节点序列号最大的一条路由信息；如果存在相同的序列号，再选择路由信息中度量值最小的一条链路进行数据传输。
在路由维护过程中，智能终端采用完全转存的方式周期性广播信息，采用递增更新的方式更新路由突发情况。当某一终端发现新邻居终端，并且和新邻居建立连接后，采用递增更新的方式向其中继终端通告其新增路由的路由信息，在本实施例中，连接成功的路由链路其路由信息序列号递增2，连接失败的路由链路其路由信息序列号递增1，且连接失败的路由链路的度量值设为无穷大，具体过程可以通过图7到图9看出，本系统各个智能终端并非移动终端，因此网络拓扑结构变化相对缓慢，通过上述方式可以很好的做到链路维护，保持整个网络畅通。
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)

1.一种用于电力负荷控制的网络通信系统，其特征在于：包括主站计算机、前置机、基站和智能终端，智能终端用于实现电力信息采集和负控切换控制，多个所述智能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；在多个所述智能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，其中包括15对双工频点和10个单工频点，所述双工频点的频段为223.525MHz～224.650MHz和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，系统将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，所有基站按照7小区蜂窝组网结构进行异频蜂窝组网。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力负荷控制的网络通信系统，其特征在于：所述基站可以直接与其覆盖范围内的智能终端通信，也可以通过智能终端多跳路由与其覆盖范围外的其它智能终端通信。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于电力负荷控制的网络通信系统，其特征在于：在每个蜂窝小区中，基站同时使用一个频点集合中的4个离散频点，智能终端选择其中一个离散频点与基站通信，所述频点集合中剩余的1～2个频点作为预留频点，当智能终端通过其它智能终端与基站通信时，两个智能终端所使用的离散频点相同。
4.如权利要求1所述的一种用于电力负荷控制的网络通信系统路由算法，其特征在于包括以下步骤：
S1：终端入网，包括基站范围内入网和基站范围外入网；
基站范围内入网：建网初期，由基站发送大量的时间节点，智能终端随机选择时间节点接入基站，基站采用点对点入网的方式对连接成功的智能终端进行测距和注册，并在各个网络节点上形成路由链表；
基站范围外入网：当智能终端不能直接接收到基站发送的信号时，通过广播入网请求信息，并以多跳的方式选择链路最短的一个邻居节点接入基站；
S2：在网管理，系统采用“轮询+握手”的方式实现基站与智能终端中路由链表的更新；
S3：退网管理，包括智能终端主动退网和基站主动退网；
当智能终端需要主动退网时，在基站发送的时间节点中去发送竞争信号，通知基站需要退网，基站发送允许退网指令，删除该智能终端的链路信息；
当基站在在网管理过程中收不到智能终端的消息，则可主动删除该智能终端的链路信息。
5.根据权利要求4所述的一种用于电力负荷控制的网络通信系统路由算法，其特征在于：所述路由链表中的每一条路由信息包括目的地址、下一跳地址、度量值以及序列号，所述度量值为路由跳数。
6.根据权利要求5所述的一种用于电力负荷控制的网络通信系统路由算法，其特征在于：当源节点需要向目的节点传输数据时，先选择路由链表中到达目的节点序列号最大的一条路由信息；如果存在相同的序列号，再选择路由信息中度量值最小的一条链路进行数据传输。
7.根据权利要求5所述的一种用于电力负荷控制的网络通信系统路由算法，其特征在于：在所述在网管理过程中，连接成功的路由链路其路由信息序列号递增2，连接失败的路由链路其路由信息序列号递增1，且连接失败的路由链路的度量值设为无穷大。
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