CN104993847B - 一种动态可重构电力线载波通信组网方法和载波通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态可重构电力线载波通信组网方法，当网络出现局部通信障碍时，局部通信障碍区边缘的中继从节点变为边缘从节点，边缘从节点包括处于畅通网络的左岸节点和处于局部通信障碍区的右岸节点，左岸节点判断来自主节点发出的命令帧中重传次数字段值达到最大预设值后，主动调整切换通信方式与频组以适合当前通信环境，并向右岸节点发起中继转发事务，同时右岸节点和局部通信障碍区中从节点从全部预设的通信方式和频组上进行中继转发，消除局部通信障碍。本发明还提供一种执行上述方法的载波通信模块。本发明能消除通信障碍区，适应低压电网结构复杂、干扰种类多、时变大、规律性差的恶劣通信环境，实现主从节点间可靠、较高速率的通信。

Description

一种动态可重构电力线载波通信组网方法和载波通信模块

技术领域

本发明涉及低压电力线载波通信领域，尤其涉及一种用于低压电力集中抄表系统中的动态可重构电力线载波通信组网方法和载波通信模块。

背景技术

低压电力线载波（Power Line Carrier，PLC）通信是以低压配电线（380V/220V）电力线作为信息传输媒介进行数据传输的一种特殊通信方式。

国外各大公司纷纷推出PLC调制解调芯片，其中主要有美国Intellon公司、西班牙DS2公司的芯片，但都不适合中国国情，不适合国内低压配电网时变、强干扰的通信环境。

我国低压集中抄表系统面临的主要问题包括以下几个方面：

1.通信终端量大面广

低压载波集中抄表系统是非常复杂的通信系统。一个通信单元（台变范围）有几百个甚至上千个终端，而一个系统中更有几万甚至几十万个终端。特别是载波电能表应用之后，增加了通信终端的数量，对系统的可靠运行极为不利。

2.连续的信号采集和数据传送

电能表的工作是连续的，要求系统24小时不间断地采集脉冲信号，大大提高了系统抗干扰的要求。

3.线路环境恶劣，信号衰减严重

目前我国对限制电器设备对电网的污染没有强制标准，导致低压电网被污染严重。每个台变的线路负载、分支节点、线路范围也不尽相同。

4.数据源抗干扰性差，电磁兼容性差异较大

系统的基础数据来自电能表，而不同厂家的产品质量差异较大，导致电磁兼容不过关，抗干扰能力差。

因此，虽然电力线载波通信在国内电力用户低压集中抄表系统（电力用户用电信息采集系统）中得到了较为广泛的应用。但由于国内居民用户的低压电网结构复杂、干扰种类多样，且时变大，规律性差，因而对电力线载波通信的性能造成了很大影响，成为了亟待解决的问题。

目前国内外载波芯片厂商采用了扩频通信等技术试图解决上述问题，但因为通信环境恶劣，未能抓住关键问题等因素，而不能从根本上解决问题。

国内低压电网环境的特点是结构复杂、干扰强度大而多变；单一技术或者几项技术的固定应用方式无法应对这一复杂的环境。

我国相关专利及产品存在的缺点：

1.专利号201210584521.7，专利名称低压电力线载波通信电路。该专利的发明涉及一种低压电力线载波通信电路，该电路包括载波控制电路、过零检测电路和信号耦合电路，所述的载波控制电路与信号耦合电路之间连接有信号放大滤波电路和接收滤波电路，该发明电路简单，增加了信号放大滤波电路和限流电路。但该专利没有考虑载波信道出现时变干扰时该如何处理，更没有通过动态重构主从节点的通信状态与所用频组，进而激活整个组网状态的重构，从而避开干扰，保证通信的畅通。

2.深圳芯珑电子技术有限公司设计的DM630 FSK/PSK双模多频率载波专利产品采用了双模多频方式：双模指的是PSK和FSK调制方式；多频指的是上述两种调制方式采用不同的频点。该深圳芯珑公司的专利中，两种调制方式是独立同时工作的，两种频点也被同时使用。其主要目的是实现与现有的FSK和PSK制式产品的互联互通，用户在采购和招标时不再需要因为制式不同而分别采购。另外，该深圳芯珑公司的专利中只支持两种频点。因此，该深圳芯珑公司的专利既不能在感知到出现通信障碍区后，自主发起动态重构过程，在从节点中选出关口节点，自适应调整通信频组，消除障碍区；也不支持多种频组、多种工作状态，以及这些频组与状态的动态重构组合。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种动态可重构电力线载波通信组网方法和载波通信模块，以解决现有技术存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种动态可重构电力线载波通信组网方法，所述电力线载波通信组网网络包括主节点和位于电力线载波通信组网网络各层级的从节点，所述主节点和从节点均为部署于电力线载波通信装置中的载波通信模块；所述从节点在逻辑上包括边缘从节点、用于对命令帧或响应帧进行放大和中继转发的中继从节点，中继从节点在一次交互事务中为非目标从节点；从节点通过解析命令帧的中继级数字段值，确定在网络中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑位置，再通过解析接收到的来自其它从节点的响应帧中的中继级数字段值判断自身是否为边缘从节点；若在多次交互事务中，中继从节点收到的响应帧中的中继级数字段值均为较小数值时，中继从节点确定为边缘从节点，或者从节点频繁作为命令帧的目标节点、很少中继转发命令帧和响应帧、收到的响应帧中的中继级数字段值都为较小数值时，所述从节点也确定为边缘从节点；

所述电力线载波通信组网包括以下步骤：（1）主节点通过向从节点发起数据交互事务，主节点和从节点进行路由学习和组网过程；（2）当网络出现局部通信障碍时，局部通信障碍区边缘的中继从节点变为边缘从节点，所述边缘从节点包括处于畅通网络的左岸节点和处于局部通信障碍区的右岸节点，所述左岸节点判断来自主节点发出的命令帧中的重传次数字段值达到最大预设值后，主动调整切换通信方式与频组以适合当前通信环境，并向右岸节点发起中继转发事务，同时右岸节点和局部通信障碍区中的从节点将从全部预设的通信方式和频组上进行中继转发，消除局部通信障碍；当网络局部通信障碍消除后，左岸节点和右岸节点恢复为中继从节点。

步骤（1）包括：a、数据交互的发起方主节点，向指定的从节点即目标从节点发送请求数据或者询问状态的命令帧；b、中继从节点对命令帧进行放大、中继和转发，命令帧每次被中继节点转发时，中继级数字段值从预设网络最大级数值开始逐级减1，直到目标节点收到此命令帧，或者命令帧因中继级数字段值减到0而被抛弃，中继从节点同时依据该中继级数字段值确定在网络拓扑中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑层数；c、目标从节点接收到此命令帧后，执行相应操作，根据结果拼装响应帧，用0值作为响应帧中的中继级数字段值初始值，并发送该响应帧到电网中；d、各中继从节点接收到此响应帧后进行放大、中继和转发，保证主节点能接收到响应帧；在从目标节点向主节点被中继节点中继转发时，响应帧的中继级数字段值逐级加1；中继从节点接收到的响应帧在中继级数字段值增加到预设网络最大级数值时被丢弃；e、主节点接收到响应帧后进行处理并根据预先设计的逻辑确定是否结束本次事务；当主节点在一次交互事务中发现目标从节点未在规定时间内返回响应帧后，将重发同一命令帧，并将命令帧中设置的重传次数字段值加1，直到重传若干次后，重传次数字段值大于预设最大重传次数值时，才放弃本次通信交互事务。

所述左岸节点和右岸节点称为关口节点，关口节点在通信障碍区中至少存在一对。

关口节点所使用的通信方式和频组可以随着通信环境的不断变化而动态改变，当左岸节点发现原有通信方式与频组不可用时，会尝试并调整为适合当前环境特点的通信方式与频组，所述通信方式与频组若与初始使用的、与畅通网络区使用的通信方式与频组相同，即恢复到初始状态，调整回中继节点的角色，通信障碍区消失；关口节点也可以通过人为静态设定，实施变换通信方式与频组。

所述预设网络最大级数、判断是否为边缘从节点时使用的较小数值、预设最大重传次数均为可调整数值。

一种载波通信模块，包括载波芯片，所述载波芯片连接电源、存储器、本地接口、收发状态指示模块；载波芯片将输出信号经信号输出放大电路放大后，通过信号耦合电路进入低压电力线信道中传输，信号耦合电路将从低压电力线信道中接收的信号进行变换，经接收滤波电路消除高频干扰后输出到信号输出处理电路，最后输出到载波芯片；所述载波芯片执行如下电力线载波通信组网方法：

当载波通信模块作为电力线载波通信组网网络的主节点时，向从节点发起数据交互事务，进行路由学习和组网过程；

当载波通信模块作为电力线载波通信组网网络的从节点时，与主节点进行数据交互事务，进行路由学习和组网过程；从节点在逻辑上包括边缘从节点、用于对命令帧或响应帧进行放大和中继转发的中继从节点，中继从节点在一次交互事务中为非目标从节点；从节点通过解析主节点发送的命令帧的中继级数字段值，确定在网络中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑位置，再通过解析接收到的来自其它从节点的响应帧中的中继级数字段值判断自身是否为边缘从节点；若在多次交互事务中，中继从节点收到的响应帧中的中继级数字段值均为较小数值时，中继从节点确定为边缘从节点，或者从节点频繁作为命令帧的目标节点、很少中继转发命令帧和响应帧、收到的响应帧中的中继级数字段值都为较小数值时，所述从节点也确定为边缘从节点；当网络出现局部通信障碍时，局部通信障碍区边缘的中继从节点变为边缘从节点，所述边缘从节点包括处于畅通网络的左岸节点和处于局部通信障碍区的右岸节点，所述左岸节点判断来自主节点发出的命令帧中的重传次数字段值达到最大预设值后，主动调整切换通信方式与频组以适合当前通信环境，并向右岸节点发起中继转发事务，同时右岸节点和局部通信障碍区中的从节点将从全部预设的通信方式和频组上进行中继转发，消除局部通信障碍；当网络局部通信障碍消除后，左岸节点和右岸节点恢复为中继从节点。

主节点部署于集中器中，从节点部署于智能电表或采集器中。

一种载波通信模块，作为动态可重构电力线载波通信组网网络的主节点的应用。

一种载波通信模块，作为动态可重构电力线载波通信组网网络的从节点的应用。

本发明在电力线载波通信组网网络出现局部障碍区时通过构建关口节点，即左岸节点和右岸节点，并通过关口节点自适应调整通信频组，消除障碍区（孤岛），避开干扰，保证通信的畅通，能够适应国内居民用户的低压电网结构复杂、干扰种类多样、时变大、规律性差的恶劣通信环境，实现主从节点间可靠、较高速率的通信。

附图说明

图1为本发明的关口节点的应用场景示意图。

图2为本发明的从节点的工作状态机状态切换图。

图3为本发明的从节点的工作流程图。

图4为本发明的主节点的工作状态机状态切换图。

图5为本发明的主节点的工作流程图。

图6为本发明的载波通信模块的功放及耦合电路。

图7为本发明的载波通信模块的接收滤波电路。

图8为本发明的载波通信模块的信号接收处理电路。

图9为本发明的载波通信模块的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明根据几十年来在电力载波通信应用中积累的经验，结合通信技术与理论研究的最新突破；基于多种工作方式的结合，多种频组的结合，并能在设备运行过程中通过软件定义来自适应动态选择、设置上述频组与方式构成的运行方案。即，通过打“组合拳”，从而能真正适应现场多变的干扰环境，“规避”干扰，实现可靠、较高速率的通信。

本发明提供一种动态可重构电力线载波通信组网方法。

电力线载波通信组网网络包括主载波节点（以下简称主节点）和位于电力线载波通信组网网络各层级的从载波节点（以下简称从节点），主节点和从节点均为部署于电力线载波通信装置中的载波通信模块。主节点一般以三相载波通信模块的形态出现，从节点一般以单相载波通信模块的形态出现。本发明是作用于上述两种载波通信模块的通信与组网技术。

本实施例是针对配电网末端居民区中一台变压器下由智能集中器（可能有多个）和智能电表（或者采集器，后面均以智能电表统称，一般是多个）构成的通信网络。主节点部署于集中器中，从节点部署于智能电表或者采集器中。

从节点在逻辑上包括边缘从节点和中继从节点，中继从节点用于对命令帧或响应帧进行放大和中继转发的，中继从节点在一次交互事务中为非目标从节点。从节点通过解析命令帧的中继级数字段值，确定在网络中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑位置，再通过解析接收到的来自其它从节点的响应帧中的中继级数字段值判断自身是否为边缘从节点；若在多次交互事务中，中继从节点收到的响应帧中的中继级数字段值均为较小数值时，中继从节点确定为边缘从节点，或者从节点频繁作为命令帧的目标节点、很少中继转发命令帧和响应帧、收到的响应帧中的中继级数字段值都为较小数值时，所述从节点也确定为边缘从节点。

对上述中继级数和边缘节点解释如下：

电力用户用电信息采集系统的低压电网环境中，每个集中器下的智能电表构成通信网络的一条分支，其逻辑拓扑结构可以看作以变压器下集中器为核心的放射状模型。而在通信交互过程中，数据帧具有类似“冲击波”式的传递特征：即，数据帧首先向周边节点“扩散”，之后再向更大的外缘扩散。只是此冲击波会被中间的中继节点放大信号，最终截止的原因并不是信号能量的衰减，而是信号被中继放大中引入的频偏等干扰而失真所造成的。截止时的级数就是通信网络可以支持的中继级数。从主节点到目的从节点的命令帧以及由从节点到主节点的响应帧都具有上述特性。

为实现该特性，数据帧格式中定义“中继级数”字段，称之为RN字段，使用4个bit位（可扩展）。当主机点发送命令帧时，其RN字段数值初始化为网络支持的最大级数值（MaxRN），每次被中继节点转发时，此数值会减1，直到目标节点收到此命令帧，或者在中继节点时因为RN字段数值减到0而被抛弃；目标节点收到命令帧后，在拼装响应帧时，用0值作为响应帧中的RN初始值，此响应帧在从目标节点向主节点发送途中，被中继节点接收到而转发时，此数值会加1。主节点将收到此响应帧，或者在中间节点时因为RN增加到最大级数值MaxRN而被抛弃。

需要注意的是：

1）中继级数是与每次主节点与目标节点的交互事务关联的，因为通信信道是时变的，每次通信交互时，每个从节点的中继级数都可能发生变化。举例来说：假定当前通信网络的最大级数值MaxRN为8，如果某从节点接收到来自主节点的命令帧中的RN值为5，则该节点在本次事务中的中继级数为5。下一个交互事务中，同样是该从节点，若接收到来自主节点的命令帧中的RN值为4，则该节点在本次事务中的中继级数为4。

2）从节点判断自身是否在当前通信网络的边缘需要通过解析若干次交互事务中响应帧中的中继级数字段RN的数值来判断。因为某次交互事务中的目标从节点可能距离本判断从节点通信距离较近，而其它交互事务中的目标从节点可能距离本判断从节点通信距离较远。需要说明的是：边缘节点是一个相对的逻辑概念，并非一定是物理网络的边缘：a、在由主、从节点构成的通信网络安装完毕，刚开始运行时，主、从节点均处于中继路由的学习阶段，边缘节点的角色逐渐向网络的外缘扩散，开始的边缘节点在一段时间后会变成处于网络逻辑拓扑结构中的中继节点；b、在通信网络系统正常运行一段时间后，当通信网络中的某一片区域因为通信环境发生变化，出现通信不畅时（称之为通信“障碍区”，可能为通信“孤岛”），位于此障碍区边缘的原中继节点就变为边缘节点的角色，而在一段时间后，若障碍区消失，边缘节点的角色又恢复为中继节点的角色。这些，都是通过解析其中继转发的目标节点响应帧中的RN值来判定的。

举例来说：假定当前通信网络的最大级数值MaxRN为8，如果某从节点接收到来自主节点的命令帧中的RN值为5，则该节点在本次事务中的中继级数为5。下一个交互事务中，同样是该从节点，若接收到来自主节点的命令帧中的RN值为4，则该节点在本次事务中的中继级数为4。若该节点接收到某次交互事务中来自目标节点的响应帧中RN值为1，不能直接判断此节点为边缘节点，只有接收到多次交互事务中来自目标节点的响应帧中RN值为1左右的较小数值时，才能确定此从节点为边缘节点。

上述最大级数值MaxRN、判断是否为边缘节点时使用的较小数值等均为可动态调整、可配置的数值。载波模块的组网协议将根据现场环境以及用户设置而调整此数值。

可以看出，从节点的“边缘节点”角色是变化的：1）开始阶段的边缘节点会随着信息传递“冲击波”向外缘扩散，逐渐有更多新边缘节点加入当前通信网络而逐渐变为“中间节点”，失去边缘节点的角色。2）网络正常运行阶段，因为通信环境发生时变，而出现通信障碍区时，原来的中继节点有可能变为边缘节点，当障碍区消失后，边缘节点又可能变为中继节点。每个时刻的边缘节点具有本发明所申明的多模多频组技术中变换频组保证通信通道畅通的职责。

边缘节点在通信通道正常时不会经常变换通信方式与频组，只有在特定时刻根据需要实施上述变换，这是通过解析、判断数据帧中的重传次数字段实现的，称之为RT字段，使用3个bit位（可扩展）。当主节点在一次交互事务中发现目标从节点未在规定时间内返回响应帧后，将重发同一命令帧，并将数据帧中的RT值加1，直到重传若干次后，RT的数值大于预设最大重传次数值（MaxRT）时，才放弃本次通信交互事务。预设最大重传次数为可动态调整、可配置的数值。

若边缘节点接收到的来自主节点命令帧中的RT值大于某预设数值（RTthreshold）时，则判断出通信通道通信环境恶劣或者已发生变化，目标节点不可达，将触发变换通信方式与频组的动作，实现干扰的智能动态规避，尝试以其它方式与频组连接更外缘的目标节点。

电力线载波通信组网包括以下步骤：

（1）主节点通过向从节点发起数据交互事务，主节点和从节点进行路由自学习和组网具体过程如下：

a、数据交互的发起方主节点，向指定的从节点即目标从节点发送请求数据或者询问状态的命令帧；

b、中继从节点对命令帧进行放大、中继和转发，命令帧每次被中继节点转发时，中继级数字段值从预设网络最大级数值开始逐级减1，直到目标节点收到此命令帧，或者命令帧因中继级数字段值减到0而被抛弃，中继从节点同时依据该中继级数字段值确定在网络拓扑中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑层数；

c、目标从节点接收到此命令帧后，执行相应操作，根据结果拼装响应帧，用0值作为响应帧中的中继级数字段值初始值，并发送该响应帧到电网中；

d、各中继从节点接收到此响应帧后进行放大、中继和转发，保证主节点能接收到响应帧；在从目标节点向主节点被中继节点中继转发时，响应帧的中继级数字段值逐级加1；中继从节点接收到的响应帧在中继级数字段值增加到预设网络最大级数值时被丢弃；

e、主节点接收到响应帧后进行处理并根据预先设计的逻辑确定是否结束本次事务；当主节点在一次交互事务中发现目标从节点未在规定时间内返回响应帧后，将重发同一命令帧，并将命令帧中设置的重传次数字段值加1，直到重传若干次后，重传次数字段值大于预设最大重传次数值时，才放弃本次通信交互事务。

（2）当网络出现局部通信障碍时，局部通信障碍区边缘的中继从节点变为边缘从节点，所述边缘从节点包括处于畅通网络的左岸节点和处于局部通信障碍区的右岸节点，所述左岸节点判断来自主节点发出的命令帧中的重传次数字段值达到最大预设值后，主动调整切换通信方式与频组以适合当前通信环境，并向右岸节点发起中继转发事务，同时右岸节点和局部通信障碍区中的从节点将从全部预设的通信方式和频组上进行中继转发，消除局部通信障碍；当网络局部通信障碍消除后，左岸节点和右岸节点恢复为中继从节点。

本发明中，将上述实施变换通信方式与频组的边缘从节点称为关口载波节点，简称为关口节点。关口节点及相关通信组网技术具有如下特征：1）关口载波节点是成对出现的，出现通信障碍区时，才会存在关口节点，我们称一对关口节点中，存在于障碍区的关口节点为“右岸节点”，称存在于畅通通信网络中的关口节点为“左岸节点”；2）构建一对关口节点之间通信通道的事务是由左岸节点发起的，当其在通信过程中，通过前述的动态自学习过程发现自身已经由中间中继节点变为边缘节点后，将主动发起尝试其它方式与频组中继转发命令帧的事务。在本发明中，采用真实线性调频，具有一定程度的容忍度，在一定范围内即可同步上。所有从节点均在全部预设的方式和频组上接收命令帧，会提高信息接收的等效信噪比。因此，右岸节点虽然不能从原有方式和频组接收到命令帧，但能从另一方式和频组接收到命令帧。而且，右岸节点将以此方式和频组中继转发来自目标节点的响应帧。3）上述通过动态自学习而构建的关口节点对在一片通信障碍区中不止一个对，可能存在多对，都为此通信障碍区服务。4）关口节点所使用的通信方式和频组可以随着通信环境的不断变化而动态改变，当左岸节点发现原有方式与频组不可用时，会尝试并调整为适合当前环境特点的通信方式与频组，通信方式与频组若与初始使用的、与畅通网络区使用的通信方式与频组相同，即恢复到初始状态，调整回中继节点的角色，通信障碍区消失；因此，可以看出，无论中继节点角色还是边缘节点、关口节点角色，都是相对的逻辑概念。5）当关口节点恢复为中间中继节点角色时，我们称之为通信障碍区消失。可以看出，所谓通信障碍区消失也是一个逻辑概念。6）在电力用户用电信息采集系统的安装现场，在部署智能电表与从载波节点的过程中，对于明显的处于通信孤岛中的从节点，本发明支持通过人为静态设定的方式，将其中的某些从节点设置为实施变方式变频组通信的节点。即，该节点不是通过自动学习的方法主动将自身设置为关口节点，而是被动的由安装人员设置为关口节点，此类关口节点将一直保持关口节点的角色，直至被人为更改为非关口节点。

关口节点的应用场景示意如图1所示。图中由关口载波节点和普通载波从节点组成，这些节点共同构成了若干信道环境，如信道环境x、信道环境y、信道环境z，本发明的特点在于能够为不同信道环境动态自适应选择不同工作方式及频点，以适应低压电网复杂多变的环境，应对各种干扰，尤其确保关口载波节点之间的可靠通信，解决遇到的通信障碍区（孤岛）问题。

本发明提供一种载波通信模块，其硬件结构如图9所示，包括载波芯片，所述载波芯片连接电源、存储器、本地接口、收发状态指示模块；载波芯片将输出信号经信号输出放大电路放大后，通过信号耦合电路进入低压电力线信道中传输，信号耦合电路将从低压电力线信道中接收的信号进行变换，经接收滤波电路消除高频干扰后输出到信号输出处理电路，最后输出到载波芯片；信号输出放大电路和信号耦合电路构成功放及耦合电路，如图6所示，实现输出信号的放大以及信号与220V交流电力线的耦合；接收滤波电路与信号接收处理电路实现了接收信号的滤波与后端处理，接收滤波电路如图7所示，信号接收处理电路如图8所示；载波芯片是硬件部分的核心，其中运行的硬件与软件逻辑也是整个模块的核心。载波芯片承载了本发明描述的管理控制逻辑与中继组网逻辑，并实现了信号、数据、数据包的相互转换。所述载波芯片执行如下电力线载波通信组网方法：

当载波通信模块作为电力线载波通信组网网络的主节点时，向从节点发起数据交互事务，进行路由学习和组网过程；

当载波通信模块作为电力线载波通信组网网络的从节点时，与主节点进行数据交互事务，进行路由学习和组网过程；从节点在逻辑上包括边缘从节点、用于对命令帧或响应帧进行放大和中继转发的中继从节点，中继从节点在一次交互事务中为非目标从节点；从节点通过解析主节点发送的命令帧的中继级数字段值，确定在网络中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑位置，再通过解析接收到的来自其它从节点的响应帧中的中继级数字段值判断自身是否为边缘从节点；若在多次交互事务中，中继从节点收到的响应帧中的中继级数字段值均为较小数值时，中继从节点确定为边缘从节点，或者从节点频繁作为命令帧的目标节点、很少中继转发命令帧和响应帧、收到的响应帧中的中继级数字段值都为较小数值时，所述从节点也确定为边缘从节点；当网络出现局部通信障碍时，局部通信障碍区边缘的中继从节点变为边缘从节点，所述边缘从节点包括处于畅通网络的左岸节点和处于局部通信障碍区的右岸节点，所述左岸节点判断来自主节点发出的命令帧中的重传次数字段值达到最大预设值后，主动调整切换通信方式与频组以适合当前通信环境，并向右岸节点发起中继转发事务，同时右岸节点和局部通信障碍区中的从节点将从全部预设的通信方式和频组上进行中继转发，消除局部通信障碍；当网络局部通信障碍消除后，左岸节点和右岸节点恢复为中继从节点。

载波通信模块部署于集中器、智能电表或采集器等电力线载波通信装置中。电力线载波通信组网网络中，主节点部署于集中器中，从节点部署于智能电表或采集器中。

本发明提供的一种载波通信模块，作为动态可重构电力线载波通信组网网络的主节点的应用。

本发明提供的一种载波通信模块，作为动态可重构电力线载波通信组网网络的从节点的应用。

本发明的从节点的工作状态机如图2所示，工作流程图如图3所示，其工作状态切换过程如下：

（1）初始状态下，从节点从存储区获取预设的通信环境参数，进入到学习组网通信状态，随着边缘节点不断向外扩散，从节点可能会从边缘节点转换成中间中继节点。

（2）在数据收发正常的情况下，从节点进入并维持中继节点通信状态，实现数据的交互。

（3）当处于中继节点通信状态的从节点感知到通信环境发生变化，出现通信障碍区时，会切换到关口节点通信状态，不断切换调整通信方式与频组，以适应时变的通信环境，并实现数据交互。

（4）处于关口节点通信状态的从节点有可能会调整为与最初使用的、与非通信障碍区相同的方式与频组，即，恢复到初始状态，调整回中间中继节点的角色。

（5）处于学习组网通信状态、中继节点通信状态、关口节点通信状态下的从节点均可通过系统复位回到初始状态。

本发明的主节点的工作状态机如图4所示，工作流程图如图5所示，其工作状态切换过程如下：

（1）初始状态下，主节点从存储区中获取预设的通信环境参数，进入到学习组网通信状态。

学习组网通信状态下，主节点向每个从节点发送命令帧，激活全网动态学习过程。

（2）学习组网过程执行完成之后，主节点进入到主从通信状态中，根据任务需要向不同的从节点周期性发送命令帧，并定时接收响应帧，实现数据交互。

（3）当主节点感知到出现通信障碍区时，会进入到局部区域重学习组网通信状态，在该状态下，主节点通过调整命令帧中RN与RT的数值，激活局部区域边缘节点的学习组网过程，通过调整为合适的方式与频点解决通信障碍区的问题。

（4）通过局部区域重学习组网通信状态完成局部区域学习组网之后，通信障碍区问题得以解决，主节点回到主从通信状态。

（5）处于学习组网通信状态、局部区域重学习组网通信状态下的主节点，均可通过系统复位回到初始状态。

本发明的具体工作过程如下：

1、初始组网阶段（装置在现场安装部署完毕，整个系统加电后，系统正常运行阶段之前）

（1）主载波节点发起数据交互事务，从被离线注册进来的列表中选择从节点，开始一对一的通信，从而激活了系统范围内中继、路由学习过程。

（2）数据传递由里层向外层逐步扩散。

（3）当主载波节点发现有不可达的从载波节点时（出现通信障碍区），通过调整数据包中重传次数字段的数值，激活边缘从节点（此处的边缘是逻辑概念，是相对于通信障碍区而定义的）实施工作状态与通信频组的重构，构建关口节点，规避干扰，消除通信障碍区。

（4）上述用于消除障碍区的关口节点也可以在系统部署施工阶段，被人员静态设置。

2、系统正常运行阶段（初始组网已经结束，整个系统开始正常运行）

（1）每次都是由主载波节点发起数据交互事务，根据任务需要选择列表中的从节点，进行一对一通信。

（2）当主载波节点发现有不可达的从载波节点时（出现通信障碍区），通过调整数据包中重传次数字段的数值，激活边缘从节点实施工作状态与通信频组的重构，构建关口节点，规避干扰，消除通信障碍区。

（3）装置提供多种工作状态与多个频组供动态重构时使用。每次重构后都会持续使用一段时间，当因为通信环境的时变而再次出现障碍区时，会重构使用其它的频组（可以是最初使用的频组）。另外，通信障碍区的出现位置也是不确定、不假定的。

上述关于本发明的实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种动态可重构电力线载波通信组网方法，其特征在于：所述电力线载波通信组网网络包括主节点和位于电力线载波通信组网网络各层级的从节点，所述主节点和从节点均为部署于电力线载波通信装置中的载波通信模块；所述从节点在逻辑上包括边缘从节点、用于对命令帧或响应帧进行放大和中继转发的中继从节点，中继从节点在一次交互事务中为非目标从节点；从节点通过解析命令帧的中继级数字段值，确定在网络中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑位置，再通过解析接收到的来自其它从节点的响应帧中的中继级数字段值判断自身是否为边缘从节点；若在多次交互事务中，中继从节点收到的响应帧中的中继级数字段值均为较小数值时，中继从节点确定为边缘从节点，或者从节点频繁作为命令帧的目标节点、很少中继转发命令帧和响应帧、收到的响应帧中的中继级数字段值都为较小数值时，所述从节点也确定为边缘从节点；

所述电力线载波通信组网包括以下步骤：（1）主节点通过向从节点发起数据交互事务，主节点和从节点进行路由学习和组网过程；（2）当网络出现局部通信障碍时，局部通信障碍区边缘的中继从节点变为边缘从节点，所述边缘从节点包括处于畅通网络的左岸节点和处于局部通信障碍区的右岸节点，所述左岸节点判断来自主节点发出的命令帧中的重传次数字段值达到最大预设值后，主动调整切换通信方式与频组以适合当前通信环境，并向右岸节点发起中继转发事务，同时右岸节点和局部通信障碍区中的从节点将从全部预设的通信方式和频组上进行中继转发，消除局部通信障碍；当网络局部通信障碍消除后，左岸节点和右岸节点恢复为中继从节点。

2.根据权利要求1所述的动态可重构电力线载波通信组网方法，其特征在于：步骤（1）包括：a、数据交互的发起方主节点，向指定的从节点即目标从节点发送请求数据或者询问状态的命令帧；b、中继从节点对命令帧进行放大、中继和转发，命令帧每次被中继节点转发时，中继级数字段值从预设网络最大级数值开始逐级减1，直到目标节点收到此命令帧，或者命令帧因中继级数字段值减到0而被抛弃，中继从节点同时依据该中继级数字段值确定在网络拓扑中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑层数；c、目标从节点接收到此命令帧后，执行相应操作，根据结果拼装响应帧，用0值作为响应帧中的中继级数字段值初始值，并发送该响应帧到电网中；d、各中继从节点接收到此响应帧后进行放大、中继和转发，保证主节点能接收到响应帧；在从目标节点向主节点被中继节点中继转发时，响应帧的中继级数字段值逐级加1；中继从节点接收到的响应帧在中继级数字段值增加到预设网络最大级数值时被丢弃；e、主节点接收到响应帧后进行处理并根据预先设计的逻辑确定是否结束本次事务；当主节点在一次交互事务中发现目标从节点未在规定时间内返回响应帧后，将重发同一命令帧，并将命令帧中设置的重传次数字段值加1，直到重传若干次后，重传次数字段值大于预设最大重传次数值时，才放弃本次通信交互事务。

3.根据权利要求1所述的动态可重构电力线载波通信组网方法，其特征在于：所述左岸节点和右岸节点称为关口节点，关口节点在通信障碍区中至少存在一对。

4.根据权利要求3所述的动态可重构电力线载波通信组网方法，其特征在于：关口节点所使用的通信方式和频组可以随着通信环境的不断变化而动态改变，当左岸节点发现原有通信方式与频组不可用时，会尝试并调整为适合当前环境特点的通信方式与频组，所述通信方式与频组若与初始使用的、与畅通网络区使用的通信方式与频组相同，即恢复到初始状态，调整回中继节点的角色，通信障碍区消失；关口节点也可以通过人为静态设定，实施变换通信方式与频组。

5.根据权利要求2所述的动态可重构电力线载波通信组网方法，其特征在于：所述预设网络最大级数、判断是否为边缘从节点时使用的较小数值、预设最大重传次数均为可调整数值。

6.一种载波通信模块，其特征在于：包括载波芯片，所述载波芯片连接电源、存储器、本地接口、收发状态指示模块；载波芯片将输出信号经信号输出放大电路放大后，通过信号耦合电路进入低压电力线信道中传输，信号耦合电路将从低压电力线信道中接收的信号进行变换，经接收滤波电路消除高频干扰后输出到信号输出处理电路，最后输出到载波芯片；所述载波芯片执行如下电力线载波通信组网方法：

当载波通信模块作为电力线载波通信组网网络的主节点时，向从节点发起数据交互事务，进行路由学习和组网过程；

当载波通信模块作为电力线载波通信组网网络的从节点时，与主节点进行数据交互事务，进行路由学习和组网过程；从节点在逻辑上包括边缘从节点、用于对命令帧或响应帧进行放大和中继转发的中继从节点，中继从节点在一次交互事务中为非目标从节点；从节点通过解析主节点发送的命令帧的中继级数字段值，确定在网络中由主节点到从节点传递方向中所处的逻辑位置，再通过解析接收到的来自其它从节点的响应帧中的中继级数字段值判断自身是否为边缘从节点；若在多次交互事务中，中继从节点收到的响应帧中的中继级数字段值均为较小数值时，中继从节点确定为边缘从节点，或者从节点频繁作为命令帧的目标节点、很少中继转发命令帧和响应帧、收到的响应帧中的中继级数字段值都为较小数值时，所述从节点也确定为边缘从节点；当网络出现局部通信障碍时，局部通信障碍区边缘的中继从节点变为边缘从节点，所述边缘从节点包括处于畅通网络的左岸节点和处于局部通信障碍区的右岸节点，所述左岸节点判断来自主节点发出的命令帧中的重传次数字段值达到最大预设值后，主动调整切换通信方式与频组以适合当前通信环境，并向右岸节点发起中继转发事务，同时右岸节点和局部通信障碍区中的从节点将从全部预设的通信方式和频组上进行中继转发，消除局部通信障碍；当网络局部通信障碍消除后，左岸节点和右岸节点恢复为中继从节点。

7.根据权利要求6所述的载波通信模块，其特征在于：主节点部署于集中器中，从节点部署于智能电表或采集器中。