CN104660524A - 一种电力线通信网的信道接入控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线通信网的信道接入控制方法和系统，其中，该方法包括：主站根据发送数据的各节点的节点数，将各节点发送数据的时间窗口划分为多个时隙；各节点计算并比较其在各时隙的发送数据概率，由发送数据概率最大的节点在对应的时隙向主站发送数据。本发明的电力线通信网的信道接入控制方法和系统，通过事件驱动和概率函数相结合的方式，保证每次发送数据竞争时，网络中仅有一个节点发送数据的概率最高，故而能有效抑制或减少信道争用冲突；本发明的电力线通信网的信道接入控制方法和系统，还能有效减少数据重发的次数，故能降低电力线通信网络时延；且实现较为简单，降低系统复杂度。

Description

一种电力线通信网的信道接入控制方法和系统

技术领域

本发明涉及电力线通信领域，具体地，涉及电力线通信网的信道接入控制方法和系统。

背景技术

低压电力线通信（Low-Voltage Powerline Communications，以下简称LPLC）技术作为电力行业特有的通信技术，拥有覆盖范围广、成本低的巨大优势，广泛用于电力用户用电信息采集系统，在智能配用电领域有着巨大的应用前景。

在LPLC网络的MAC协议中目前广泛采用的仍是CSMA/CA机制。在基于时隙窗口的竞争性CSMA/CA协议中，如果有数据需要发送，通信节点首先在发送窗口内等概率随机选择一个发送时隙；之后通信节点一直侦听信道，直到侦听到该随机选择的发送时隙，如果在此侦听期间内没有其他节点使用电力线信道，节点立即发送数据；否则在信道空闲后重新选择发送时隙。CSMA/CA中定义了3种帧间隔(IFS)，其中DIFS(分布式协调IFS)用于异步帧竞争访问。

CSMA/CA协议的工作流程主要分为两个部分：

1）监听信道状态，等信道空闲维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然信道空闲，才发送数据。如果信道繁忙，则每个节点采用的基于二进制指数的随机规避时间，以减少冲突的机会。

2）送出数据前，先发送一个短帧的请求传送报文(RTS:Request to Send)给目标端，等待目标端回应（CTS:Clear to Send）报文后，才开始传送数据。利用RTS-CTS握手(handshake)程序，确保接下来传送数据帧时，不会被碰撞。

在用电信息采集系统通信应用中，现有的CSMA/CA机制存在一定的问题：当众多节点同时响应主站的查询指令并同时发送数据，容易造成多节点同时忙或闲，导致忙时节点对信道的竞争频繁，需要经过很长时间来调整时间窗口值，重传次数的增加，在较高负荷的网络中重传的增加意味着网络中信道争用的恶性循环，以致网络拥塞。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中LPLC网络中CSMA/CA机制信道竞争频繁导致通信效率差的问题，根据本发明的一个方面，提出一种电力线通信网的信道接入控制方法和系统。

根据本发明的电力线通信网的信道接入控制方法，包括：

主站根据发送数据的各节点的节点数，将各节点发送数据的时间窗口划分为多个时隙；

各节点计算并比较其在各时隙的发送数据概率，由发送数据概率最大的节点在对应的时隙向主站发送数据。

本发明的电力线通信网的信道接入控制方法，通过事件驱动和概率函数相结合的方式，保证每次发送数据竞争时，网络中仅有一个节点发送数据的概率最高，故而能有效抑制或减少信道争用冲突。

本发明的电力线通信网的信道接入控制方法，能有效减少数据重发的次数，故能降低电力线通信网络时延；且实现较为简单，降低系统复杂度。

本发明是为了克服现有技术中LPLC网络中CSMA/CA机制信道竞争频繁导致通信效率和通信质量不高的问题，根据本发明的一个方面，提出一种电力线通信网的信道接入控制系统。

根据本发明的电力线通信网的信道接入控制系统，包括：

主站，包括时隙划分模块，用于根据发送数据的各节点的节点数，将各节点发送数据的时间窗口划分为多个时隙；

节点，包括计算发送模块，用于计算并比较其在各时隙的发送数据概率，由发送数据概率最大的节点在对应的时隙向主站发送数据。

本发明的电力线通信网的信道接入控制的系统，通过事件驱动和概率函数相结合的方式，保证每次发送数据竞争时，网络中仅有一个节点发送数据的概率最高，故而能有效抑制或减少信道争用冲突。

本发明的电力线通信网的信道接入控制的系统，能有效减少数据重发的次数，故能降低电力线通信网络时延；且实现较为简单，降低系统复杂度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例的电力线通信网的信道接入控制方法的工作流程图；

图2为本发明实施例的电力线通信网的信道接入控制方法的具体步骤流程图；

图3为本发明实施例的电力线通信网的信道接入控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为了解决现有技术中LPLC网络中CSMA/CA机制信道竞争频繁导致通信效率和通信质量不高的问题，本发明提出了一种电力线通信网信道接入控制方法。

根据本发明实施例，提供了一种电力线通信网的信道接入控制方法（Event Drived Access Control,以下简称EDAC），图1为EDAC工作流程图，具体步骤如下：

步骤101：发送数据前，各节点侦听信道，通过响应主站发出的事件指令来实现对信道的接入访问；

步骤102：主站向各节点下发发现指令，各节点收到发现指令后，进行初始化过程，采用CSMA/CA的方式争用信道，向主站发送初始化应答帧；

步骤103：主站收到各节点上报的初始化应答帧后，向各节点下发分配指令，为每个节点分配逻辑编号i，并告知其节点数N，主站根据节点数N将各节点发送数据的时间窗口划分为W时隙，此时各节点进入事件等待状态，等待主站下发查询指令；

步骤104：主站向各节点下发查询指令，各节点收到查询指令后，进入事件响应状态，各节点根据下列公式计算在各时隙各自的发送数据概率，以下为节点i在第i个时隙发送数据的概率：

$P_i=\frac{(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\α}}^W}{1-{\mathrm{\α}}^W}{\mathrm{\α}}^{-i},i\∈[1,W]$

其中，α的取值由节点数N和时隙W决定：

$\mathrm{\α}=N^{-\frac{1}{W-1}}\text{;}$

步骤105：在步骤104得到的各节点在各时隙的发送数据概率值进行比较，选择发送数据概率最大值对应的节点转入步骤106；

步骤106：步骤105中发送数据概率最大值对应的节点在对应时隙向主站发送数据响应帧，并通过信道发送数据；

步骤107：待步骤106中发送数据概率最大值对应的节点将该节点内全部数据发送完毕后，该节点之外的其他节点按照发送数据概率大小的排列顺序依次向主站发送数据。待各节点将所有数据发送完毕后，各节点转入事件等待状态，重新接收主站下发的查询指令，计算并比较其在各时隙发送数据概率，其中发送数据概率最大值对应的节点在对应时隙（该节点可能与步骤105中的发送数据概率最大值对应的节点为同一节点或不同节点）向主站发送数据响应帧，进行数据发送，循环进行步骤104-107的过程。

更具体的实施例工作流程如图2所示，步骤说明如下：

步骤201：发送数据前，各节点侦听信道，通过响应主站发出的事件指令来实现对信道的接入访问；

步骤202：主站向各节点下发发现指令，各节点收到发现指令后，进行初始化过程，采用CSMA/CA的方式争用信道，向主站发送初始化应答帧；

步骤203：主站收到各节点上报的初始化应答帧后，向各节点下发分配指令，为每个节点分配逻辑编号i，并告知其节点数N，主站根据节点数N将各节点发送数据的时间窗口划分为W时隙，此时各节点进入事件等待状态，等待主站下发查询指令；

假设主站为各节点分配的逻辑编号分别为a、b、c、d……；

步骤204：主站向上述各节点下发查询指令，各节点收到查询指令后，进入事件响应状态，根据下列公式计算各节点在各时隙的发送数据概率，以下为节点i在第i个时隙发送数据的概率：

$P_i=\frac{(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\α}}^W}{1-{\mathrm{\α}}^W}{\mathrm{\α}}^{-i},i\∈[1,W]$

其中，α的取值由节点数N和时隙W决定：

$\mathrm{\α}=N^{-\frac{1}{W-1}}\text{;}$

步骤205：在步骤204得到的各节点在各时隙的发送数据概率值中，假设按照发送数据概率的大小排列，各节点的先后顺序为a、b、c、d……，此时选择发送数据概率最大的节点a转入步骤206；

步骤206：节点a在对应的时隙向主站发送数据响应帧，并通过信道发送数据；

步骤207：待节点a将该节点内全部数据发送完毕后，b、c、d……节点依次发送本节点内的数据。待各节点将所有数据发送完毕之后，各节点转入事件等待状态，重新接收主站下发的查询指令，计算并比较其在各时隙发送数据概率。按照发送数据概率大小排列，各节点的先后顺序可能为a、b、c、d……，也可能为b、a、c、d……，还有可能为c、b、a、d……，或d、a、b、c……等等，其中发送数据概率最大值对应的节点在对应时隙（在本实施例中，根据不同的节点先后顺序排列情形，该节点可能为a或b或c或d……）向主站发送数据响应帧，进行数据发送，待各节点将所有数据发送完毕之后，循环进行步骤204-207的过程。

本发明的电力线通信网的信道接入控制方法，通过事件驱动和概率函数相结合的方式，保证每次发送数据竞争时，网络中仅有一个节点发送数据的概率最高，故而能有效抑制或减少信道争用冲突。

本发明的电力线通信网的信道接入控制方法，能有效减少数据重发的次数，故能降低电力线通信网络时延；且实现较为简单，降低系统复杂度。

为了解决LPLC网络中CSMA/CA机制信道竞争频繁导致通信效率和通信质量不高的问题，本发明提出了一种电力线通信网信道接入控制系统。

根据本发明实施例，提供了一种电力线通信网的信道接入控制系统，如图3所示，该电力线通信网的信道接入控制系统包括主站和节点，其中：

主站包括时隙划分模块301，用于根据发送数据的各节点的节点数，将各节点发送数据的时间窗口划分为多个时隙；

节点包括计算发送模块302，用于计算并比较其在各时隙的发送数据概率，由发送数据概率最大的节点在对应的时隙向主站发送数据。

在本发明的电力线通信网的信道接入控制系统中，节点中的计算发送模块302具体包括：

概率计算子模块3021，用于根据下列公式计算各节点在各时隙的发送数据概率，节点i在第i个时隙发送数据的概率函数P为：

$P_i=\frac{(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\α}}^W}{1-{\mathrm{\α}}^W}{\mathrm{\α}}^{-i},i\∈[1,W]$

其中，α的取值由网络节点数N和所述时隙W决定：

$\mathrm{\α}=N^{-\frac{1}{W-1}}\text{;}$

比较发送子模块3022，用于将各节点在各时隙的发送数据概率进行比较，取其中最大值，该最大值对应的节点在对应时隙向主站发送数据。

在本发明的电力线通信网的信道接入控制系统中，节点还包括：

初始化模块303，用于接收主站下发的发现指令后，进行初始化过程，争用信道，向主站上报初始化应答帧，接收主站分配的节点逻辑编号。

在本发明的电力线通信网的信道接入控制系统中，节点还包括：

事件响应模块304，用于完成初始化过程后，接收主站下发的查询指令，进入事件响应状态。

本发明的电力线通信网的信道接入控制的系统，通过事件驱动和概率函数相结合的方式，保证每次发送数据竞争时，网络中仅有一个节点发送数据的概率最高，故而能有效抑制或减少信道争用冲突。

本发明的电力线通信网的信道接入控制的系统，能有效减少数据重发的次数，故能降低电力线通信网络时延；且实现较为简单，降低系统复杂度。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图3为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电力线通信网的信道接入控制方法，其特征在于，包括：

主站根据发送数据的各节点的节点数，将所述各节点发送数据的时间窗口划分为多个时隙；

所述各节点计算并比较其在各所述时隙的发送数据概率，由所述发送数据概率最大的节点在对应的所述时隙向所述主站发送数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各节点计算并比较其在各所述时隙的发送数据概率，由所述发送数据概率最大的节点在对应的所述时隙向所述主站发送数据，具体包括：

根据下列公式计算节点i在第i个时隙发送数据概率的函数P为：

$P_i=\frac{(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\α}}^W}{1-{\mathrm{\α}}^W}{\mathrm{\α}}^{-i},i\∈[1,W]$

其中，α的取值由节点数N和时隙W决定：

$\mathrm{\α}=N^{-\frac{1}{W-1}}\text{;}$

将所述各节点在各所述时隙的所述发送数据概率进行比较，取其中最大值，所述最大值对应的节点在对应的所述时隙向所述主站发送数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

所述各节点接收所述主站下发的发现指令后，进行初始化过程，争用信道，向所述主站上报初始化应答帧，接收所述主站分配的节点逻辑编号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

所述各节点完成所述初始化过程后，接收所述主站下发的查询指令，进入事件响应状态。

5.一种电力线通信网的信道接入控制系统，其特征在于，包括：

主站，包括时隙划分模块，用于根据发送数据的各节点的节点数，将所述各节点发送数据的时间窗口划分为多个时隙；

节点，包括计算发送模块，用于计算并比较其在各所述时隙的发送数据概率，由所述发送数据概率最大的节点在对应的所述时隙向所述主站发送数据。

6.根据权利要求5所述的电力线通信网的信道接入控制系统，其特征在于，所述计算发送模块包括：

概率计算子模块，用于根据下列公式计算所述各节点在各所述时隙的所述发送数据概率，节点i在第i个时隙发送数据的概率函数P为：

$P_i=\frac{(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\α}}^W}{1-{\mathrm{\α}}^W}{\mathrm{\α}}^{-i},i\∈[1,W]$

其中，α的取值由网络节点数N和所述时隙W决定：

$\mathrm{\α}=N^{-\frac{1}{W-1}}\text{;}$

比较发送子模块，用于将所述各节点在各所述时隙的所述发送数据概率进行比较，取其中最大值，所述最大值对应的节点在对应的所述时隙向所述主站发送数据。

7.根据权利要求5所述的电力线通信网的信道接入控制系统，其特征在于，所述节点还包括：

初始化模块，用于接收所述主站下发的发现指令后，进行初始化过程，争用信道，向所述主站上报初始化应答帧，接收所述主站分配的节点逻辑编号。

8.根据权利要求5所述的电力线通信网的信道接入控制系统，其特征在于，所述节点还包括：

事件响应模块，用于完成所述初始化过程后，接收所述主站下发的查询指令，进入事件响应状态。