CN105072034A - 一种电力线载波通信网络路由方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波通信网络路由方法和系统，其中，该方法包括：步骤A：发送节点向各邻居节点广播发送分布式协调功能协议DCF中的发送请求帧RTS；步骤B：所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS；步骤C：所述发送节点向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点转发数据包；步骤D：如果所述发送节点接收到所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点返回的确认字符ACK，则发送成功；步骤E：接收到所述数据包的节点依次重复所述步骤A-D，直至所述数据到达目的节点。

Description

一种电力线载波通信网络路由方法和系统

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，具体地，涉及一种电力线载波通信网络路由方法和系统。

背景技术

电力线载波通信(PowerlineCommunications，简称PLC)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，在电力用户用电信息采集系统领域得到广泛应用。由于电力线载波信道的多变性，PLC网络的拓扑时常变换且不可预测，造成链路的建立和断开。而基于逻辑拓扑结构的路由协议通过主动或者按需的方式探测路由线路并在每个节点保存相应的路由表信息。但是这种路由协议在大规模网络环境应用下会造成控制包广播风暴的问题。如何在动态环境下寻找合适的路由，成为亟待解决的问题。

在基于电力线载波通信的用电信息采集系统应用中，由于电力线载波通信的传输距离有限，需要通过中继方式保证抄表覆盖范围，对于农村、城乡结合部等低密度住宅不能做到全覆盖，实施难度很大；而且低压电力线窄带载波速率低，实时性差，无法满足远程预付费，远程拉合闸的需求。PLC通信系统所承载的电力用户用电数据信息较为敏感，对通信可靠性有着极高的要求。因此，在现有的用电信息采集系统中，如何在动态的载波信道环境下寻找合适的路由，这已成为亟待解决的紧迫问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的用电信息采集系统通信可靠性不高的问题，本发明提出了一种电力线载波通信网络路由方法和系统。

本发明的电力线载波通信网络路由方法，包括：

步骤A：发送节点向各邻居节点广播发送分布式协调功能协议DCF中的发送请求帧RTS；

步骤B：所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS；

步骤C：所述发送节点向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点转发数据包；

步骤D：如果所述发送节点接收到所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点返回的确认字符ACK，则发送成功；

步骤E：接收到所述数据包的节点依次重复所述步骤A-D，直至所述数据到达目的节点。

本发明的电力线载波通信网络路由方法，通过向各邻居节点发送RTS，将最先回复CTS的邻居节点作为下一跳的节点，其他节点不再向发送节点回复CTS，有效减少了数据转发过程的信令消息量，提高了转发效率；同时通过各节点分别计算各自的转发延迟时间，根据转发延迟时间的长短，确定最先向发送节点回复CTS的邻居节点，通过转发延迟控制有效减少了各邻居节点之间的路由冲突。而且通过邻居节点向发送节点回复ACK的方式，确认数据包是否发送成功，大大降低了丢包率。

本发明的电力线载波通信网络路由系统，包括：

广播发送模块，用于发送节点向各邻居节点广播发送分布式协调功能协议DCF中的发送请求帧RTS；

广播回复模块，用于所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS；

数据转发模块，用于所述发送节点向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点转发数据包；

成功发送模块，用于如果所述发送节点接收到所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点返回的确认字符ACK，则发送成功；

数据到达模块，用于接收到所述数据包的节点依次重复所述步骤A-D，直至所述数据到达目的节点。

本发明的电力线载波通信网络路由系统，通过向各邻居节点发送RTS，将最先回复CTS的邻居节点作为下一跳的节点，其他节点不再向发送节点回复CTS，有效减少了数据转发过程的信令消息量，提高了转发效率；同时通过各节点分别计算各自的转发延迟时间，根据转发延迟时间的长短，确定最先向发送节点回复CTS的邻居节点，通过转发延迟控制有效减少了各邻居节点之间的路由冲突。而且通过邻居节点向发送节点回复ACK的方式，确认数据包是否发送成功，大大降低了丢包率。

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为本发明实施例一的方法流程图；

图2为本发明实施例二的方法流程图；

图3为本发明实施例三的方法流程图；

图4为本发明实施例四的系统结构示意图；

图5为本发明实施例的发送节点的工作流程示意图；

图6为本发明实施例的邻居节点的工作流程示意图。

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存在的用电信息采集系统通信可靠性不高的问题，本发明提出了一种电力线载波通信网络路由方法和系统。本发明在电力线载波通信网络路由方法中引入竞争性来选择下一跳的节点并向该节点转发数据包。

实施例一

如图1所示，本发明的电力线载波通信网络路由方法，包括：

步骤S101：发送节点向各邻居节点广播发送分布式协调功能协议DCF中的发送请求帧RTS；

发送节点(包括源节点或中间转发的节点)广播DCF协议中的RTS帧，并等待邻居节点的回复。

步骤S102：所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS；

具有最小转发延迟时间的节点最先向发送节点回复CTS帧，即赢得了路由竞争，其余邻居节点收到前述具有最小转发延迟时间的节点广播发送的CTS帧，就取消自身计时器，放弃路由竞争。

步骤S103：所述发送节点向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点转发数据包；

发送节点确定最先回复CTS帧的邻居节点为下一跳的节点，开始向该邻居节点转发数据包，发送节点自身则依然携带数据包不丢弃。

步骤S104：如果所述发送节点接收到所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点返回的确认字符ACK，则发送成功；

如果所述发送节点未收到确认字符ACK，则向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点重新发送所述数据包；

当下一跳的节点(即路由竞争成功的邻居节点)成功收到数据包后，要向发送节点回复ACK帧，表明正确接收数据。发送节点收到ACK确认包之后，才认为数据包成功转发，本地删除数据包，否则认为数据包丢失，要重新发送数据包。由于载波信道的不可靠性，丢包率往往较高，故引入ACK包是为了确保数据包成功发送。

如果重新发送所述数据包的次数超过预设的最大阈值，则转到步骤S101，发送节点重新向各邻居节点广播发送所述RTS。

步骤S105：接收到所述数据包的节点依次重复所述步骤S101-S104，直至所述数据到达目的节点。

步骤S101-S104的数据包转发过程不断重复，直至数据包到达目的节点。

本发明的电力线载波通信网络路由方法，通过向各邻居节点发送RTS，将最先回复CTS的邻居节点作为下一跳的节点，其他节点不再向发送节点回复CTS，有效减少了数据转发过程的信令消息量，提高了转发效率；同时通过各节点分别计算各自的转发延迟时间，根据转发延迟时间的长短，确定最先向发送节点回复CTS的邻居节点，通过转发延迟控制有效减少了各邻居节点之间的路由冲突。而且通过邻居节点向发送节点回复ACK的方式，确认数据包是否发送成功，大大降低了丢包率。

实施例二

本实施例对步骤S101的过程进行详细说明，如图2所示，包括：

步骤S201：发送节点在发送所述数据包之前，缓存所述数据包并监听信道状态；

步骤S202：如果信道空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS，则所述发送节点将自身和目的节点的位置信息加入到RTS中，并向各邻居节点广播发送所述RTS。

若信道空闲时间达到DIFS，则发送节点将自身和目的节点的位置信息放入RTS帧首部，并向各邻居节点广播发送。

实施例三

本实施例对步骤S102的过程进行详细说明，如图3所示，包括：

步骤S301：各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，

$T_{CTS\_REQ}=T_{SIFS}+T_{MAX}\×P,P={\mathrm{\ω}}_1\×\frac{V_{SNR}}{V_{SNR\_MAX}}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{rand\left(N\right)}{N},$

其中，T_MAX是一个常数值，代表节点最长等待时间(即最长转发延迟时间)，ω₁、ω₂分别是链路质量参数和随机数的权重，V_SNR为本节点所收到的发送节点的信噪比，V_{SNR_MAX}为信噪比值的上限，为固定常数，rand(N)是一个随机函数，产生0到N之间的随机数，其中N可自行设置，T_SIFS为可设定的固定值，即最小帧间间隔，P为延迟发送概率。

收到广播的各邻居节点根据转发延迟规则计算T_{CTS_REQ}，该值越小的节点越容易赢得路由竞争。这个延迟时间取决于邻居节点与发送节点之间载波链路的质量。

步骤S302：各邻居节点在各自的T_{CTS_REQ}内侦听信道，当信道空闲时广播发送所述发送控制帧CTS；

步骤S303：当侦听到其他邻居节点发送的CTS时，则不再发送CTS。

各邻居节点若在T_{CTS_REQ}时间内检测到信道空闲，则广播发送CTS帧，表明自己赢得路由竞争；相反，若在T_{CTS_REQ}时间内侦听到其他邻居节点广播发送的CTS，表明自己路由竞争失败，则不再广播发送CTS。

发送节点可能会收到多个CTS，比如各邻居节点互相侦听不到对方的CTS，所以都会向发送节点发送自己的CTS。但是发送节点只将数据包发送至CTS最先到达的邻居节点，其余邻居节点如果收到不是发给自己的数据包，则认为路由竞争失败，放弃转发。

以下对发送节点的工作过程进行简要说明，但未包含发送节点的全部工作流程，更详细的工作过程参见上述实施例一至实施例三，如图5所示，包括：

步骤1：缓存待发送的数据包，并监听信道状态；

步骤2：如果信道空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS，则将自身和目的节点的位置信息加入到RTS中，并向各邻居节点广播发送所述RTS。

步骤3：具有最小转发延迟时间的节点最先向发送节点回复CTS帧，即赢得了路由竞争，发送节点将最先回复CTS帧的邻居节点为下一跳的节点；

步骤4：发送节点向步骤3中确定的下一跳节点转发数据包；

步骤5：发送节点判断是否接收到下一跳节点回复的确认字符ACK，如果收到则转入步骤6，如果没收到则转入步骤7；

步骤6：发送成功，删除本地缓存的数据包；

步骤7：发送失败，重新向前述的下一跳节点发送数据包。

以下对发送节点的邻居节点的工作过程进行简要说明，但未包含发送节点的全部工作流程，更详细的工作过程参见上述实施例一至实施例三，如图6所示，包括：

步骤1：接收发送节点广播的RTS帧；

步骤2：计算各自的T_{CTS_REQ}；

步骤3：各邻居节点在各自的T_{CTS_REQ}时间内侦听信道，判断是否侦听到其他邻居节点广播的CTS帧，如果侦听到CTS帧则转入步骤4，如果未侦听到CTS帧则转入步骤5：

步骤4：侦听到其他邻居节点广播的CTS的节点路由竞争失败，不广播CTS，结束流程；

步骤5：未侦听到其他邻居节点广播的CTS的节点，则路由竞争成功；

步骤6：步骤5中路由竞争成功的节点广播发送CTS，并接收发送节点发来的数据包；

步骤7：判断是否成功接收到数据包，如果是则结束流程，如果不是则转入步骤8；

步骤8：重新接收发送节点发送的数据包。

实施例四

本发明还提出了一种电力线载波通信网络路由系统，如图4所示，包括：

广播发送模块10，用于发送节点向各邻居节点广播发送分布式协调功能协议DCF中的发送请求帧RTS；

广播回复模块20，用于所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS；

数据转发模块30，用于所述发送节点向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点转发数据包；

成功发送模块40，用于如果所述发送节点接收到所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点返回的确认字符ACK，则发送成功；

数据到达模块50，用于接收到所述数据包的节点依次重复所述步骤A-D，直至所述数据到达目的节点。

在上述技术方案中，所述成功发送模块40还用于，如果所述发送节点未收到确认字符ACK，则向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点重新发送所述数据包；

在上述技术方案中，如果重新发送所述数据包的次数超过预设的最大阈值，则转到广播发送模块的操作，重新广播发送所述RTS。

在上述技术方案中，所述广播发送模块10包括：

缓存监听子模块101，用于发送节点在发送所述数据包之前，缓存所述数据包并监听信道状态；

信息发送子模块102，用于如果信道空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS，则所述发送节点将自身和目的节点的位置信息加入到RTS中，并向各邻居节点广播发送所述RTS。

在上述技术方案中，所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}包括：

各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，

$T_{CTS\_REQ}=T_{SIFS}+T_{MAX}\×P,P={\mathrm{\ω}}_1\×\frac{V_{SNR}}{V_{SNR\_MAX}}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{rand\left(N\right)}{N},$

其中，T_MAX是一个常数值，代表节点最长等待时间，ω₁、ω₂分别是链路质量参数和随机数的权重，V_SNR为本节点所收到的发送节点的信噪比，V_{SNR_MAX}为信噪比值的上限，为固定常数，rand(N)是一个随机函数，产生0到N之间的随机数，其中N可自行设置，T_SIFS为可设定的固定值，即最小帧间间隔，P为延迟发送概率。

在上述技术方案中，所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS包括：

各邻居节点在各自的T_{CTS_REQ}内侦听信道，当信道空闲时广播发送所述发送控制帧CTS；

当侦听到其他邻居节点发送的CTS时，则不再发送CTS。

本发明的电力线载波通信网络路由系统，通过向各邻居节点发送RTS，将最先回复CTS的邻居节点作为下一跳的节点，其他节点不再向发送节点回复CTS，有效减少了数据转发过程的信令消息量，提高了转发效率；同时通过各节点分别计算各自的转发延迟时间，根据转发延迟时间的长短，确定最先向发送节点回复CTS的邻居节点，通过转发延迟控制有效减少了各邻居节点之间的路由冲突。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图6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。而且通过邻居节点向发送节点回复ACK的方式，确认数据包是否发送成功，大大降低了丢包率。

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 (12)

1.一种电力线载波通信网络路由方法，其特征在于，包括：

步骤A：发送节点向各邻居节点广播发送分布式协调功能协议DCF中的发送请求帧RTS；

步骤B：所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS；

步骤C：所述发送节点向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点转发数据包；

步骤D：如果所述发送节点接收到所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点返回的确认字符ACK，则发送成功；

步骤E：接收到所述数据包的节点依次重复所述步骤A-D，直至所述数据到达目的节点。

2.根据权利要求1所述的电力线载波通信网络路由方法，其特征在于，所述步骤D还包括：如果所述发送节点未收到确认字符ACK，则向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点重新发送所述数据包。

3.根据权利要求2所述的电力线载波通信网络路由方法，其特征在于，如果重新发送所述数据包的次数超过预设的最大阈值，则转到步骤A，重新广播发送所述RTS。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的电力线载波通信网络路由方法，其特征在于，所述步骤A包括：

发送节点在发送所述数据包之前，缓存所述数据包并监听信道状态；

如果信道空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS，则所述发送节点将自身和目的节点的位置信息加入到RTS中，并向各邻居节点广播发送所述RTS。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的电力线载波通信网络路由方法，其特征在于，所述步骤B中所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}包括：

各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，

$T_{CTS\_REQ}=T_{SIFS}+T_{MAX}\×P,P={\mathrm{\ω}}_1\×\frac{V_{SNR}}{V_{SNR\_MAX}}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{rand\left(N\right)}{N},$

其中，T_MAX是一个常数值，代表节点最长等待时间，ω₁、ω₂分别是链路质量参数和随机数的权重，V_SNR为本节点所收到的发送节点的信噪比，V_{SNR_MAX}为信噪比值的上限，为固定常数，rand(N)是一个随机函数，产生0到N之间的随机数，其中N可自行设置，T_SIFS为可设定的固定值，即最小帧间间隔，P为延迟发送概率。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的电力线载波通信网络路由方法，其特征在于，所述步骤B中具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS包括：

各邻居节点在各自的T_{CTS_REQ}内侦听信道，当信道空闲时广播发送所述发送控制帧CTS；

当侦听到其他邻居节点发送的CTS时，则不再发送CTS。

7.一种电力线载波通信网络路由系统，其特征在于，包括：

广播发送模块，用于发送节点向各邻居节点广播发送分布式协调功能协议DCF中的发送请求帧RTS；

广播回复模块，用于所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS；

数据转发模块，用于所述发送节点向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点转发数据包；

成功发送模块，用于如果所述发送节点接收到所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点返回的确认字符ACK，则发送成功；

数据到达模块，用于接收到所述数据包的节点依次重复所述步骤A-D，直至所述数据到达目的节点。

8.根据权利要求7所述的电力线载波通信网络路由系统，其特征在于，所述成功发送模块还用于，如果所述发送节点未收到确认字符ACK，则向所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点重新发送所述数据包。

9.根据权利要求8所述的电力线载波通信网络路由系统，其特征在于，如果重新发送所述数据包的次数超过预设的最大阈值，则转到广播发送模块的操作，重新广播发送所述RTS。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的电力线载波通信网络路由系统，其特征在于，所述广播发送模块包括：

缓存监听子模块，用于发送节点在发送所述数据包之前，缓存所述数据包并监听信道状态；

信息发送子模块，用于如果信道空闲时间达到分布式帧间间隙DIFS，则所述发送节点将自身和目的节点的位置信息加入到RTS中，并向各邻居节点广播发送所述RTS。

11.根据权利要求7-9任意一项所述的电力线载波通信网络路由系统，其特征在于，所述各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}包括：

各邻居节点计算各自的转发延迟时间T_{CTS_REQ}，

$T_{CTS\_REQ}=T_{SIFS}+T_{MAX}\×P,P={\mathrm{\ω}}_1\×\frac{V_{SNR}}{V_{SNR\_MAX}}+{\mathrm{\ω}}_2\×\frac{rand\left(N\right)}{N},$

其中，T_MAX是一个常数值，代表节点最长等待时间，ω₁、ω₂分别是链路质量参数和随机数的权重，V_SNR为本节点所收到的发送节点的信噪比，V_{SNR_MAX}为信噪比值的上限，为固定常数，rand(N)是一个随机函数，产生0到N之间的随机数，其中N可自行设置，T_SIFS为可设定的固定值，即最小帧间间隔，P为延迟发送概率。

12.根据权利要求7-9任意一项所述的电力线载波通信网络路由系统，其特征在于，所述具有最小T_{CTS_REQ}的邻居节点向所述发送节点回复发送控制帧CTS包括：

各邻居节点在各自的T_{CTS_REQ}内侦听信道，当信道空闲时广播发送所述发送控制帧CTS；

当侦听到其他邻居节点发送的CTS时，则不再发送CTS。