CN104780083A - 一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法，即利用帧内路由信息，选择到中心节点信道强度距离最短的路径，保证组网时效性和网络性能。采用上述技术方案制成了一种耗时短、有较好的时效性、抗干扰能力强的基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法。在时分复用信道接入机制上，以衡量信号强度的逻辑距离为评价标准，能在组网时效性和网络性能方面取得较好的平衡，易于应用到集中抄表系统。

Description

一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法

技术领域

本发明涉及智能电网领域的高级测量体系，特别涉及一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法。

背景技术

低压电力线通信技术是采用低压电力线网络进行载波数据传输的一种通信方式，因其网络节点数量庞大、分布广泛等特点，在集中抄表系统、楼宇自动化控制等领域具有非常大的应用潜力。但不同台区网络结构各异、电力线信道高衰减、突发噪声等特点将影响通信可靠性，因此，针对网络特性良好设计的自适应组网算法对电力线通信技术的发展和集中抄表系统的应用具有至关重要的意义。

故急需一种耗时短、有较好的时效性、抗干扰能力强的基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种耗时短、有较好的时效性、抗干扰能力强的基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法。

本发明中的一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法，即利用帧内路由信息，选择到中心节点信道强度距离最短的路径，保证组网时效性和网络性能。

上述方案中，所述帧包含5个段：帧类型、源地址、下一跳地址、目的地址、数据流。当发送组网相关帧数据时，数据流段包含发送该帧的节点到中心节点的距离和路由路径信息。

上述方案中，设定节点在时间片内完成数据发送，一个节点在发送数据时，其它节点处于侦听接收数据状态，所有节点轮流占用信道发送一次数据为一个通信周期；子节点在监听到组网帧信息时，不在接下来的发送数据时间片发送组网回复帧，而是继续监听一个周期，根据帧内到中心节点距离和路由路径信息，不断比较并替换为距离最短路径。

本发明的优点和有益效果在于：本发明提供一种耗时短、有较好的时效性、抗干扰能力强的基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法。在时分复用信道接入机制上，以衡量信号强度的逻辑距离为评价标准，能在组网时效性和网络性能方面取得较好的平衡，易于应用到集中抄表系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为时分复用信道接入机制；

图2为帧数据格式；

图3为中心节点状态机；

图4为子节点状态机；

图5为200节点随机分布测试；

图6为节点并行收发数据模拟机制；

图7为200节点组网测试结果。

图中：101、节点发送数据时间片102、所有节点轮询一次的通信周期长度103、当前时间片下节点发送数据104、当前时间片下节点侦听接收数据

201、帧数据类型202、发送该帧数据的节点地址203、该帧数据下一跳节点地址204、该帧数据目标地址205、帧数据的有效负载数据段206、当帧数据作为组网帧时，表示发送该帧的节点到中心节点距离207、当帧数据作为组网帧时，表示发送该帧的节点到中心节点路由路径

301、中心节点上电状态302、中心节点空闲状态303、中心节点等待子节点组网回复帧状态304、中心节点等待子节点数据回复帧状态305、中心节点等待子节点组网修复回复帧状态

401、子节点上电状态402、子节点空闲状态403、子节点准备发送组网回复帧状态404、子节点准备发送数据回复帧状态405、子节点准备发送组网修复帧406、子节点准备发送组网、数据转发帧状态

501、低压电力线网络中单跳有效通信距离

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明是一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法，即利用帧内路由信息，选择到中心节点信道强度距离最短的路径，保证组网时效性和网络性能。

设定节点在时间片Tslice(101)内完成数据发送，一个节点在发送数据时(103)，其它节点处于侦听接收数据状态(104)，所有节点轮流占用信道发送一次数据为一个通信周期Tcycle(102)；信号强度距离表示节点间信道可靠性，距离越小，信号强度越高。

1.算法帧结构及分类

如图2所示，组网算法的网络层帧结构包括帧类型Type(201)、源地址SrcAddr(202)、下一跳地址NextAddr(203)、目的地址DstAddr(204)、数据流Data(205)共5部分。各段功能如0所示：

表1帧数据各段功能

帧分段	分段功能
		Type(帧类型)	1：组网帧2：数据帧3：网络修复帧
SrcAddr(源地址)	发送消息节点的ID
		NextAddr(下一跳地址)	发送消息节点下一跳的地址
DstAddr(目的地址)	发送消息节点目的地址
		Data(数据流)	数据流；在组网时保存要发送的路由表

其中，当Type段为2且相应数据帧是回送中心节点时，Data段保存要发送的数据包。在其它情况下，例如帧类型为组网帧或网络修复帧时，Data段保存中心节点到正在发送数据节点SrcAddr的信道强度距离Distance(206)和路由路径Jump(207)。

为了判断帧数据发送方向是上行(子节点发回中心节点)还是下行(中心节点发往子节点)以决定下一跳节点地址，将组网帧、数据帧、组网修复帧各分成请求(下行)帧和回复(上行)帧两类，一共6种帧类型。如0所示，当组网发送广播消息时，NextAddr或DstAddr地址为0xFFFF。

表2帧数据各段功能

帧类型	Type	SrcAddr	NextAddr	DstAddr	Data
						组网请求帧	1	发送节点	0xFFFF	0xFFFF	0
组网回复帧	1	发送节点	下一跳节点	0xFFFF	路由路径
						数据请求帧	2	发送节点	下一跳节点	目标节点	路由路径
数据回复帧	2	发送节点	下一跳节点	中心节点	数据包
						修复请求帧	3	发送节点	0xFFFF	目标节点	0
修复回复帧	3	发送节点	下一跳节点	中心节点	新路由路径

2.中心节点算法状态机

如图3所示，中心节点保存着到所有子节点的完整路由路径，并维护这张路由表。中心节点共有4个状态：0为空闲状态(302)；1为等待子节点的组网回复帧(303)；2为等待子节点的数据回复帧(304)；3为等待子节点的组网修复回复帧(305)。

上电后(301)，中心节点将路由表初始化成所示情况，进入状态0(302)。

表3中心节点初始化路由表

节点编号	距离	第1跳地址	第2跳地址	...	第15跳地址
						1	0	0	0	...	0
2	0	0	0	...	0
						...	...	...	...	...	0
n	0	0	0	...	0

1)组网流程：初始化完成后，中心节点发送组网请求帧到总线上，并进入状态1(303)，等待子节点转发/回送带路径信息的组网帧。在每接收到一帧有效的组网回送帧时，中心节点将路由路径存入对应节点的路由表，并判断所有节点是否已经完成组网，若未完成则保持状态1(303)并等待；若所有节点已加入路由表，则回到状态0(302)。

2)数据读写流程：当有读取子节点数据需求时，中心节点发送数据请求帧，并进入状态2(304)，等待数据回送帧。当接收到数据回送帧后，回到状态0(302)。

3)网络修复流程：在状态0(302)，若发现某节点脱离网络，则发送组网修复请求帧，进入状态3，等待修复回送帧。当接收到修复回送帧后，回到状态0(302)。在状态1(303)、2(304)、3(305)，若等待过长时间仍未收到组网/数据/修复回送帧，则认为因信道时变性导致数据丢失，进入状态0(302)，根据丢失节点情况再发送修复请求帧，再进入状态3(305)。

3.子节点算法状态机

如图4所示，子节点只保存自己到中心节点的路由路径，以便于中心节点的网络维护。但子节点要承担中继功能，需要一定容量(根据节点数而变)的缓存区域。子节点有5个状态：0为空闲状态(402)；1为发送组网回复帧或修复回复帧(403)；2为发送数据回复帧(404)；3为发送网络修复回复帧(405)；4为转发组网/数据回复帧(406)。

上电后(401)，子节点将路由表初始化成所示情况，进入状态0(402)。

表4子节点初始化路由表

节点编号	距离	第1跳地址	第2跳地址	...	第15跳地址
						当前节点	0xffff	0	0	...	0

1)组网请求的侦听及回复：初始化完成后，子节点进入状态0(402)。当收到直接或间接(由其它子节点转发)来自中心节点的组网请求帧时，将帧内的距离和到中心节点路径存入路由表，暂时选定发送该帧的节点为父节点，并进入状态1(403)；此后继续监听网络上的有效帧信息，若监听到离中心节点更近的帧路由信息，保存该帧内的距离和到中心节点路径，选择发送该帧的节点替换原父节点；由于组网消息按层级广播开来，为了保证找到节点局部范围内最优路径，当到达本节点发送时间片Tslice(101)时，节点不立即发送组网回复帧，而是继续监听网络上的有效帧信息一个通信周期Tcycle(102)，直到下一个属于自己的时间片Tslice(101)时再发送组网回复帧，并回到状态0(402)。

2)数据请求的侦听及回复：当收到中心节点的数据请求帧时，子节点进入状态2(404)，等到自己发送数据时间片时发送数据回复帧给中心节点，并回到状态0(402)。

3)网络修复：当收到中心节点发来的组网修复请求帧时，子节点知道自己已脱离网络，原路由表中路由路径不可用，故清空路由表，将接收到的帧的来源路径存入路由表，子节点进入状态3(405)，等到自己发送数据时间片时发送网络修复回复帧，并回到状态0(402)。

4)帧转发：当收到其它节点发来的组网回复帧或数据回复帧时，将组帧信息存入缓存，进入状态4(406)，等到自己发送数据时间片时再转发此帧到下一跳节点，回到状态0(402)。

具体的，如图5所示，将本发明提出的算法应用于1个中心节点(集中器)、200个子节点(用户电表)的台区情况，为了保证算法自适应性，随机生成了200节点的位置分布，其中节点间距离为信道强度提取出来的逻辑距离，单跳有效通信范围内(501)可保证通信可靠性，范围之外的数据认为无效。信道接入机制使用图1所示时分复用机制，信道传递数据时，通过图6所示遍历方式来模拟节点并行收发数据机制。

使用图3、图4状态机的算法，最终可以得到图7的网络结构：组网需要43个通信周期，平均通信长度61.72，平均通信跳数3.52。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法，其特征在于，利用帧内路由信息，选择到中心节点信道强度距离最短的路径，保证组网时效性和网络性能。

2.根据权利要求1所述的一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法，其特征在于，所述帧包含5个段：帧类型、源地址、下一跳地址、目的地址、数据流。当发送组网相关帧数据时，数据流段包含发送该帧的节点到中心节点的距离和路由路径信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于时分复用机制的高时效低压电力线通信组网算法，其特征在于，设定节点在时间片内完成数据发送，一个节点在发送数据时，其它节点处于侦听接收数据状态，所有节点轮流占用信道发送一次数据为一个通信周期；子节点在监听到组网帧信息时，不在接下来的发送数据时间片发送组网回复帧，而是继续监听一个周期，根据帧内到中心节点距离和路由路径信息，不断比较并替换为距离最短路径。