CN106374974B - 一种电力线载波通信帧长自适应调整方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波通信帧长自适应调整方法和装置，其中，该方法包括：步骤A：初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；步骤B：以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；步骤C：当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行步骤B；当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行步骤B；步骤D：当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]。

Description

一种电力线载波通信帧长自适应调整方法和装置

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帧长自适应调整方法和装置。

背景技术

电力线载波通信技术(power line communication，PLC)是以电力线作为信息传输媒介，进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式。电力网络分布极其广泛，电力线载波通信系统可复用现有的电力线网络而不需要额外的布网开销。但总体而言，电力线载波信道特性并不理想，具体表现为噪声显著且信号衰减非常严重，大大降低了PLC的通信可靠性。提高电力线载波通信可靠性可以从物理层角度来考虑，例如信道估计与选择、滤波设计、功率分配等方面，还可以从电力线载波通信的组网方式、路由技术等角度来考虑。

IPv6是“Internet Protocol Version 6”的缩写，被称作下一代互联网协议，它是由IETF设计的用来替代现行IPv4协议的一种新的IP协议。现在互联网大多数应用的是IPv4协议，但IPv4协议面临着地址匮乏等一系列问题。在IPv6协议的设计过程中除解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决其它一些问题，主要有端到端IP连接、服务质量(QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。

随着智能电网技术的发展，将下一代互联网核心技术IPv6与电力线载波通信网络相结合，实现电力线载波设备IP化，是电力线载波通信网络的发展方向。在智能配用电方面，随着设备数量日益庞大、信息海量增长对现有的PLC提出了更高的带宽、可靠性的要求，尤其是抗干扰能力。由于电力线载波通信网络的信道环境恶劣，主要表现在噪声、衰减等特性极为复杂多变，严重影响了PLC链路的通信质量。

在这种情况下，采用固定帧长的方式会导致一系列问题：一方面，在恶劣信道环境下，采用短帧的抗噪声干扰效果较好，而长帧的传输失败概率较大；另一方面，在较好的信道质量环境下，长帧的信道利用率高，而短帧反而信道利用率低。此外，各种新型业务的(比如视频业务)的IP数据包帧长通常大于PLC的MAC层的帧长。

因此，将IPv6技术应用于电力线载波通信网络，关键是要解决IPv6报文在电力线载波MAC层上的分片传输问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的电力线载波通信网络中IPv6报文帧长通常大于PLC的MAC层帧长，需要进行分片传输的技术问题，本发明提出了一种电力线载波通信帧长自适应调整方法和装置。

本发明的电力线载波通信帧长自适应调整方法，包括：

步骤A：初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

步骤B：以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

步骤C：当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行步骤B；

当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行步骤B；

步骤D：当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]。

本发明实施例的电力线载波通信帧长自适应调整方法，自适应地有限次逼近IPv6包分片的最佳帧长。该方法复杂度较低，并能够快速收敛获最佳帧长，高效地支持IPv6。本发明实施例的方法中，通信帧长自适应调整能根据信道的情况，实时主动地适应电力线载波信道的变化特性。

本发明的电力线载波通信帧长自适应调整装置，包括：

初始化模块，用于初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

第一发送模块，用于以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

帧长变更模块，用于当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行第一发送模块的操作；

当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行第一发送模块的操作；

范围确定模块，用于当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]。

本发明实施例的电力线载波通信帧长自适应调整装置，自适应地有限次逼近IPv6包分片的最佳帧长。该方法复杂度较低，并能够快速收敛获最佳帧长，高效地支持IPv6。本发明实施例的方法中，通信帧长自适应调整能根据信道的情况，实时主动地适应电力线载波信道的变化特性。

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为本发明实施例中电力线载波通信帧长自适应调整装置的总体结构示意图；

图2为本发明实施例中对发送帧长进行初步调整的算法流程图；

图3为本发明方法实施例一的流程图；

图4为本发明实施例中对发送帧长进行精确调整的算法流程图；

图5为本发明方法实施例二的流程图；

图6为本发明方法实施例三的流程图；

图7为本发明装置实施例的结构示意图。

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存在的电力线载波通信网络中IPv6报文帧长通常大于PLC的MAC层帧长，需要进行分片传输的技术问题，本发明提出了一种电力线载波通信帧长自适应调整方法和装置。采用改变帧长的方法可以更好地适应信道环境，得到较为理想的通信效果。

本发明实施例提出的基于IPv6的低压窄带电力线载波通信帧长自适应调整方法和装置，针对IPv6的电力线载波通信系统中，IPv6的IP数据包帧长度远大于PLC可支持的最大帧长度，因此基于IPv6的低压窄带电力线载波通信通过将IP包进行分片处理，以实现IP包在PLC网络中的传输。其中，电力线载波通信帧长自适应调整装置的总体结构如图1所示。

为了有效支持IPv6，本发明在MAC层与IP层之间引入了“适配子层”。适配子层的功能主要有：IP包分片与组合、对IP包分片的帧长度进行自适应调整、退避重传等。

在电力线载波通信帧长自适应调整过程中，为了实现快速而准确的帧长自适应控制，本发明实施例提出了两级控制的方式。第一级为“初步调整算法”用于快速确定自适应控制的帧长范围(即粗调)，第二层“精确调整算法”用于精确逼近最优的帧长(即细调)。

方法实施例一

如图2所示为本实施例中前述对发送帧长进行“粗调”，即初步调整过程的算法流程图。如图3所示，本发明实施例的电力线载波通信帧长自适应调整方法，包括：

步骤S301：初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

源节点发送IP数据包之前采用默认值或先验值的方法，来确认初始发送帧的长度。默认值为微协议数据单元MPDU的最小帧长单位，而采用先验值的方法通过侦听当前信道中其他节点发送成功的帧长度或本节点最近一次发送成功的帧长度，来确定初始帧长度。

步骤S302：以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

如果发送成功，则以相同帧长L继续发送，源节点记录每次发送成功的帧长度。如果发送失败，则将该帧进行第一次重传，并继续以相同的发送帧长进行发送。

步骤S303：当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行步骤S302；当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行步骤S302。

如果连续两次以相同的帧长L发送成功，则以2L作为帧长继续发送后续的数据。如果第二次重传失败，此时也即连续两次重传失败，则将帧长L减半进行调整作为新的帧长度，并继续发送数据包，以此递减，直到使用帧长为默认值(即最短帧长)。

步骤S304：当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]。

由于帧长是以二进制指数形式进行改变的，无论初始帧长的值怎么设定，经过i次帧长加倍，信道最佳帧长可能会处于当前帧长L_i与2L_i之间。预先设置的结束条件为：以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败，此时就能快速得到最佳帧长的取值范围，即[L_i，2L_i]，以便于进一步进行精确调整帧长。

方法实施例二

图4为本实施例为前述对发送帧长L进行“细调”，即精确调整过程的算法流程图。如图5所示，本发明实施例的电力线载波通信帧长自适应调整方法，包括：

步骤S501：对发送帧长L的取值范围进行初始化，本步骤中初始化时的帧长L为方法实施例一中“粗调”之后帧长L的取值范围[L_i，2L_i]。

步骤S502：将L的取值范围设为[L_j，L_k]，其中j＝0时L_j＝L_i，k＝0时，L_k＝2L_i；当j＝0，k＝0时，满足步骤S501中初始化时L的取值范围。

步骤S503：令发送帧长L＝L_j+m×(L_k－L_j)，m为预设的分割系数，并以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

为了更好地逼近相对最佳帧长的值，本实施例中m的值可为黄金分割系数0.618。

步骤S504：当连续两次发送成功时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k+1]，其中L_k+1＝L_j+m×(L_k－L_j)，并执行步骤S503；此时L_j不变，L_k为当前连续两次发送成功时帧长L的值。

当连续两次发送失败时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k-1]，并执行步骤S503；此时L_j不变，L_k-1为当前连续两次发送失败时帧长L上一次调整前的值。

步骤S505：当L取值范围的调整次数达到预设值时，调整结束。

如果L取值范围的调整次数没有达到预设值，则继续执行步骤S503。

本发明实施例的电力线载波通信帧长自适应调整方法，采用“初步调整算法”和“精确调整算法”(即粗调与微调)相结合的方式，自适应地有限次逼近IPv6包分片的最佳帧长。该方法复杂度较低，并能够快速收敛获最佳帧长，高效地支持IPv6。本发明实施例的方法中，通信帧长自适应调整能根据信道的情况，实时主动地适应电力线载波信道的变化特性。

方法实施例三

以下以方法实施例三具体说明方法实施例二中“细调”的流程，本实施例中，假设分割系数m为黄金分割系数0.618，如图6所示，该方法包括：

步骤S601：对发送帧长L的取值范围进行初始化，本步骤中初始化时的L为方法实施例一中“粗调”之后帧长L的取值范围[L_i，2L_i]。

步骤S602：将L的取值范围设为[L_j，L_k]，其中j＝0时L_j＝L_i，k＝0时，L_k＝2L_i；

步骤S603：令发送帧长L＝L_j+m×(L_k-L_j)，m为预设的分割系数，并以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

即帧长L＝L_j+m×(L_k-L_j)＝L_i+0.618×(2L_i-L_i)＝L_i+0.618L_i。

步骤S604：当以L_i+0.618L_i作为发送帧长连续两次发送成功时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k+1]，即本发明实施例“细调”的过程中，仅对帧长L取值范围的上限进行调整。

其中L_k+1＝L_j+m×(L_k-L_j)＝L_i+0.618×(1.618L_i-L_i)＝L_i+0.618²L_i，并执行步骤603；本领域技术人员应当了解，当经过n次调整之后，L的取值范围应当为[L_i,L_i+0.618ⁿL_i]。

当以L_i+0.618L_i连续两次发送失败时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k-1]，即将取值范围的上限恢复为上一次调整之前的值，并执行步骤S604；如果以L_i+0.618L_i作为发送帧长L即出现连续两次发送失败，则直接将帧长L的取值范围调整到初始化时的取值范围。

步骤S605：当L取值范围的调整次数达到预设值时，调整结束。如果L取值范围的调整次数没有达到预设值，则继续执行步骤S603。预设值可根据实际需求自行设置。

优选的，本发明实施例的方法中，还包括：IP数据包分片与组合。

发送节点根据方法实施例一或方法实施例二中调整后获取的帧长值，对IP数据包进行不定长分片，即分成多个微协议数据单元MPDU(Micro-PDU)传递给MAC层；而接收节点将这些MPDU重新组成IP包。

优选的，本发明实施例的方法中，还包括：退避重传控制。

在发送失败时，间隔退避时间T_Delay后以相同的帧长重新发送，

其中，T_Delay为退避时间，T₀为最小帧间间隔单位时间，即2个信号之间的最短时隙，L₀为默认最短帧长，L_i为当前发送帧长。

本发明实施例中采用的是二进制指数退避方式，当连续两次发送失败后，每次缩短以后的帧长都是原来帧长的二分之一。每次退避的时间设定为与当前所使用的帧长值成正比，短帧的退避时间段，长帧的退避时间长。退避时间与帧长的关系由下式给出：

本发明实施例通过帧长自适应调整与退避重传方式二者相结合，提高了窄带PLC在恶劣信道环境下通信的可靠性，以保证对IPv6的可靠支持。

装置实施例

如图7所示，本实施例的电力线载波通信帧长自适应调整装置包括：

初始化模块10，用于初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

第一发送模块20，用于以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

帧长变更模块30，用于当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行第一发送模块的操作；

当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行第一发送模块的操作；

范围确定模块40，用于当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]。

范围设置模块50，用于将L的取值范围设为[L_j，L_k]，其中j＝0时L_j＝L_i，k＝0时，L_k＝2L_i；

第二发送模块60，用于令发送帧长L＝L_j+m×(L_k－L_j)，m为预设的分割系数，并以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

范围调整模块70，用于当连续两次发送成功时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k+1]，其中L_k+1＝L_j+m×(L_k－L_j)，并执行第二发送模块的操作；

当连续两次发送失败时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k-1]，并执行第二发送模块的操作；

结束判断模块80，用于当L取值范围的调整次数达到预设值时，调整结束。

数据分割模块90，用于发送节点根据调整后的发送帧长L，将所述IP数据包分成多个微协议数据单元MPDU传递给MAC层；

数据组合模块100，用于接收节点接收所述多个微协议数据单元MPDU，并重新组成IP数据包。

优选的，在发送失败时，间隔退避时间T_Delay后以相同的帧长重新发送，

其中，T_Delay为退避时间，T₀为最小帧间间隔单位时间，L₀为默认最短帧长，L_i为当前发送帧长。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图7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 (6)

1.一种电力线载波通信帧长自适应调整方法，其特征在于，包括：

步骤A：初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

步骤B：以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

步骤C：当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行步骤B；

当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行步骤B；

步骤D：当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]；

还包括：

步骤E：将L的取值范围设为[L_j，L_k]，其中j＝0时L_j＝L_i，k＝0时，L_k＝2L_i；

步骤F：令发送帧长L＝L_j+m×(L_k－L_j)，m为预设的分割系数，并以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

步骤G：当连续两次发送成功时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k+1]，其中L_k+1＝L_j+m×(L_k－L_j)，并执行步骤F；

当连续两次发送失败时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k-1]，并执行步骤F；

步骤H：当L取值范围的调整次数达到预设值时，调整结束。

2.根据权利要求1所述的电力线载波通信帧长自适应调整方法，其特征在于，还包括：

发送节点根据调整后的发送帧长L，将所述IP数据包分成多个微协议数据单元MPDU传递给MAC层；

接收节点接收所述多个微协议数据单元MPDU，并重新组成IP数据包。

3.根据权利要求1所述的电力线载波通信帧长自适应调整方法，其特征在于，在发送失败时，间隔退避时间T_Delay后以相同的帧长重新发送，

其中，T_Delay为退避时间，T₀为最小帧间间隔单位时间，L₀为默认最短帧长，L_i为当前发送帧长。

4.一种电力线载波通信帧长自适应调整装置，其特征在于，包括：

初始化模块，用于初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

第一发送模块，用于以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

帧长变更模块，用于当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行第一发送模块的操作；

当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行第一发送模块的操作；

范围确定模块，用于当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]；

还包括：

范围设置模块，用于将L的取值范围设为[L_j，L_k]，其中j＝0时L_j＝L_i，k＝0时，L_k＝2L_i；

第二发送模块，用于令发送帧长L＝L_j+m×(L_k－L_j)，m为预设的分割系数，并以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

范围调整模块，用于当连续两次发送成功时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k+1]，其中L_k+1＝L_j+m×(L_k－L_j)，并执行第二发送模块的操作；

当连续两次发送失败时，则将L的取值范围调整为[L_j，L_k-1]，并执行第二发送模块的操作；

结束判断模块，用于当L取值范围的调整次数达到预设值时，调整结束。

5.根据权利要求4所述的电力线载波通信帧长自适应调整装置，其特征在于，还包括：

数据分割模块，用于发送节点根据调整后的发送帧长L，将所述IP数据包分成多个微协议数据单元MPDU传递给MAC层；

数据组合模块，用于接收节点接收所述多个微协议数据单元MPDU，并重新组成IP数据包。

6.根据权利要求4所述的电力线载波通信帧长自适应调整装置，其特征在于，在发送失败时，间隔退避时间T_Delay后以相同的帧长重新发送，

其中，T_Delay为退避时间，T₀为最小帧间间隔单位时间，L₀为默认最短帧长，L_i为当前发送帧长。