CN107332777A - 一种基于树的低压电力线宽带载波通信组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于树的低压电力线宽带载波通信网络组网方法，首先利用拓扑探索帧进行网络拓扑探索，根据正常通信所要求的最小能量值维护和更新子节点集，并按照能量值的大小依次选择候选路由节点，之后为子节点集中的每个子节点分配网络地址，最后比较自身网络地址与目的节点的网络地址来进行路由选择。本发明提供的方法在一定程度上解决了低压电力线宽带载波通信网络路由效率不高的问题，并且降低了网络开销，提高了低压电力线宽带载波通信的可靠性。

Description

一种基于树的低压电力线宽带载波通信组网方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于树的低压电力线宽带载波通信组网方法。

背景技术

低压电力线宽带载波通信网络利用供电线路进行传输数据，不需要额外布线，具有充分利用现有资源、易施工、综合成本低、不受环境条件限制等优点。然而，电力线上输入阻抗变化复杂、噪声干扰导致信号衰减严重，同时用户供电范围和供电对象的经常变化以及负载加入退出的不确定性，使得低压电力线宽带载波通信网络具有很大的时变性，这些因素都会严重影响电力线载波通信的可靠性。物理层可以通过信道估计、信道编码以及调制解调方法等来改善电力线上链路通信的质量，但是仅依靠物理层和数据链路层有限的点对点通信是难以实现的，因此还需要网络层通过选择合适的路由组网算法来提高电力线通信的可靠性。

基于拓扑的最短路径算法由Dijkstra算法将电力线载波通信网络构造成一颗最小生成树，从而得到源节点和目的节点间的最短路径，在传统的路由算法中往往是表现最佳的一个，但是需要定期与邻居节点交换路由信息，并由Dijkstra算法计算最短路径，这无疑增加了网路开销，而且在节点数目较大时，这种开销将不容忽视。

基于以上问题，本发明提出一种基于树的低压电力线宽带载波通信网络组网方法，在一定程度上解决了低压电力线宽带载波通信网络路由效率不高的问题，并且降低了网络开销，提高了低压电力线宽带载波通信的可靠性。

发明内容

本发明的目的是解决电力线载波通信网络中传统路由算法开销过大、路由效率不高及多跳传输可靠性低的问题，上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于树的低压电力线宽带载波通信组网方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、以网关节点为头结点构造一棵有序树，建立与头结点能正常通信的子节点集，根据正常通信所要求的最小能量值E_min维护和更新子节点集；

S2、利用拓扑探索帧进行网络拓扑探索，按照能量值的大小依次选择候选路由节点，优先将能量值小的子节点分配为候选路由节点，如果该子节点能探索到未加入网络的节点，则该子节点成为路由节点，否则成为普通节点；然后在子节点集中选择能量值次小的子节点重复上面的过程，直到子节点集中所有的子节点都被选为候选路由节点并且执行了搜索过程；探索完成后的电力线网络在逻辑上构成树型拓扑；

S3、新加入到网络的子节点由其父节点分配网络地址；

S4、如果普通节点发送数据包到网络中的其他节点，则直接将该数据包转发给其父节点，由父节点进行转发；如果路由节点发送数据包到网络地址为D的目的节点，则判断目的节点是否是路由节点的后裔节点，如果是则发送到规定节点地址，如果不是则发送到该路由节点的父节点，由父节点进行转发。

优选地，在步骤S1中，定义网关节点的节点集为S_N＝{n₁,n₂,...,n_i,...,n_M}，n_i表示第i个节点，M表示网络中节点的个数；与节点n_i可以正常通信的子节点集定义为N_i＝{n_j|E_ij＜E_min；j＝0,1,2,...,M}，其中n_j表示第j个节点，E_ij表示n_i和n_j两个节点之间传送信号的能量值。

优选地，在步骤S3中，规定每个父节点最多可以连接C_m个子节点，子节点集中最多有R_m个路由节点，网络的最大深度为L_m，C_Skip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量，设置网关节点的网络地址为0以及网络深度Depth₀＝0；假设父节点n_k的网络深度为d，地址为A_k,如果新加入的子节点n_p是其父节点n_k的第p个普通节点，则n_k为该节点n_p分配的网络地址为：

A_p＝A_k+C_skip(d)×R_m+p,1≤p≤C_m-R_m；

如果新加入的子节点n_r是其父节点n_k的第r个路由节点，则n_k为该节点n_r分配的网络地址为：

A_r＝A_k+1+C_skip(d)×(r-1),1≤r≤R_m

其中：

优选地，在步骤S4中，该规定节点地址A_next为：

其中,“[]”表示取整数；

NA为目的节点的网络地址，A和d分别为路由节点的网络地址和深度；

C_Skip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量。

优选地，节点n_i发送数据包的流程为：

S1判断该节点n_i是否为路由节点：如果不是，则将数据包发送到其父节点；如果是，则进行步骤S2；

S2判断目的节点是否是该节点n_i的后裔节点：如果不是，则将数据包发送到其父节点，然后重复S2，此时以该父节点为发送数据包的节点n_i；如果是，则进行步骤S3；

S3判断该目的节点是否是该节点n_i的子节点：如果是，则将数据包直接发送到目的节点，数据发送成功；如果不是，则将数据包根据规定节点地址的公式发送至该地址的节点，然后进行步骤S2，此时以该节点为发送数据包的节点n_i。

附图说明

图1(a)为拓扑探索前的网络状态图

图1(b)为拓扑探索后的网络状态图

图2为树路由方法的流程图

具体实施方式

为了解决当前低压电力线宽带载波通信网络中路由算法开销过大、路由效率不高及多跳传输可靠性低的问题，本发明提供了一种基于树的低压电力线宽带载波通信网络组网方法，首先利用拓扑探索帧进行网络拓扑探索，根据正常通信所要求的最小能量值维护和更新子节点集，并按照能量值的大小依次选择候选路由节点，之后为子节点集中的每个子节点分配网络地址，最后比较自身网络地址与目的节点的网络地址来进行路由选择。本发明提供的方法在一定程度上解决了低压电力线宽带载波通信网络路由效率不高的问题，并且降低了网络开销，提高了低压电力线宽带载波通信的可靠性。

主要包括以下步骤：

步骤一、建模

将电力线载波通信网络建模表示为图G＝{S_N,S_E}，其中节点集定义为S_N＝{n₁,n₂,...,n_i,...,n_M}，n_i表示第i个节点，M表示网络中节点的个数，S_E表示节点间的边集，在初始状态下为空。与节点n_i可以正常通信的子节点集定义为N_i＝{n_j|E_ij＜E_min；j＝0,1,2,...,M}。其中n_j表示第j个节点，E_ij表示n_i和n_j两个节点之间传送信号的能量值，E_min表示保障正常通信的最小能量值。能量值是指接收节点所接收到数据信号的能量大小。节点使用相同的能量发送数据信号，信号在电力线上传输过程中逐渐衰减，因此节点间的距离越远接收到信号的能量值越小，反之越大。可以使用能量值来表示点对点的最大有效距离。能量值E可以表示为：

其中δ表示一个常数，其意义为能量计算模块的等效阻值，t1和t2表示接收信号的起始和结束时间，f(t)表示接收信号幅值随时间的变化曲线。能量值的计算也可以依靠功率谱密度经验式进行计算。功率谱密度经验公式如下：

μ(f,D)＝(0.0034D+1.0893)f+0.1295D+17.3481

其中，f表示低压电力线频率，单位KHz，D表示距离，单位为m。为了降低路由维护开销，提高点对点通信效率，在如图1(a)所示的网络模型中，我们将以网关节点为头结点构造一棵有序树，这棵树必须满足两个条件：(1)具有最短的平均路径长度，利于降低通信时延，提高包递率；(2)有序，便于路由选择。接下来的拓扑探索过程将使得这棵树满足第一个条件，地址分配策略使其满足第二个条件。

步骤二、拓扑探索和路由节点选取

使用树的广度优先搜索算法探索未知拓扑的电力线网络，优先将能量值小的节点分配为候选路由节点。如果此节点可以探索到未加入网络的节点，则其成为路由节点，否则成为普通节点，以便探测更远的距离。在拓扑探索过程中，节点间使用载波监听多址接入碰撞避免(CSMA/CA)算法来提高节点数据链路层的通信质量。拓扑探索前，网络状态如图1(a)所示。

节点n_i广播发送拓扑探索帧进行网络拓扑探索，假如某节点n_k收到拓扑探索帧并且没有加入网络，则计算节点n_i和节点n_k之间的能量值E_ik，并和正常通信所要求的最小能量值E_min进行比较，如果E_ik＞E_min则以自身的网络地址和能量值E_ik回复节点n_i。如果节点n_i收到其他节点的回复，则通知其父节点将其分配为路由节点。如图1(b)，假如有节点n_j、n_n、n_k回复了节点n_i，则n_i将节点n_j、n_n、n_k按能量值E_ij、E_in、E_ik由大到小排列并加入n_i的子节点集N_i。之后节点n_i使用树的广度优先搜索策略，优先选择子节点集N_i中能量值最小，即距离节点n_i最远的节点n_k为候选路由节点。n_k重复第一步中节点n_i的过程。如果没有收到任何未加入网络的节点的回复，则被分配为普通节点。之后在子节点集N_i中选择能量值次小的节点重复上面的过程直到子节点集N_i中所有的节点都被选为候选路由节点并且执行了搜索过程。如图1(b)，可以看出节点n_i搜索到了子节点n_j、n_n、n_k，节点n_k搜索到子节点n_m、n_p，则n_i和n_k成为路由节点并分别获得子节点集N_i＝{n_j,n_n,n_k}和N_k＝{n_m,n_p}。其他节点因没有搜索到任何未加入网络的节点成为了普通节点。探索完成后的网络如图1(b)所示将电力线网络在逻辑上构造成了树型拓扑。

步骤三、地址分配机制

当网络中的一个原有节点允许一个新节点通过它加入到网络中时，它们便形成了父子关系，子节点只能通过与其父节点通信而获取网络地址。任意父节点都分配到一块有限的地址空间，用来为其子节点分配网络地址。任意子节点进入网络与其父节点形成父子关系后，便会获得父节点为其分配的一个唯一的网络地址。规定每个父节点最多可以连接C_m个子节点，子节点集中最多可以有R_m个路由节点，网络的最大深度为L_m，对于同一个网络来说，不同节点通常具有相同的C_m、R_m和L_m。C_Skip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量。设置网关节点的网络地址为0以及网络深度Depth₀＝0。

假设父节点n_k的网络深度为d，地址为A_k。如果新加入的子节点n_p是其父节点n_k的第p个普通节点，则n_k为该节点n_p分配的网络地址为：

A_p＝A_k+C_skip(d)×R_m+p,1≤p≤C_m-R_m

如果新加入的子节点n_r是其父节点n_k的第r个路由节点，则n_k为该节点分配的网络地址为：

A_r＝A_k+1+C_skip(d)×(r-1),1≤r≤R_m

其中：

步骤四：树寻址路由机制

如果普通节点想要发送数据包到网络中的其他节点则直接将该数据包转发给其父节点，由父节点进行转发。

如果路由节点想要发送数据数据包到网络地址为NA的目的节点，已知该路由节点的网络地址和深度分别为A和d的话：首先，该路由节点会根据表达式A＜NA＜A+C_Skip(d-1)判断目的节点是否是其后裔节点；如果目的节点是其后裔节点，则下一跳节点地址A_next为：

其中,“[]”表示取整数。如果目的节点不是其后裔节点，则下一跳节点为该节点的父节点。

树寻址路由算法的流程图如图2所示，描述如下：S1、判断该节点n_i是否为路由节点：如果不是，则将数据包发送到其父节点；如果是，则进行步骤S2；S2、判断目的节点是否是该节点n_i的后裔节点：如果不是，则将数据包发送到其父节点，然后重复S2，此时以该父节点为发送数据包的节点n_i；如果是，则进行步骤S3；S3、判断该目的节点是否是该节点n_i的子节点：如果是，则将数据包直接发送到目的节点，数据发送成功；如果不是，则将数据包根据规定节点地址的公式发送至该地址的节点，然后进行步骤S2，此时以该地址的节点为发送数据包的节点n_i。

本发明提供的一种基于树的低压电力线宽带载波通信网络自动路由组网方法，包括建模、拓扑探索和路由节点选取、地址分配机制及树寻址路由机制四个方面。该方法将电力线宽带载波通信网络组织成一棵树，并通过网络地址比较进行路由选择，从而一定程度上解决了低压电力线宽带载波通信网络路由效率不高的问题，并且降低了网络开销，提高了低压电力线宽带载波通信的可靠性。

将上述方法应用于微功率电力线载波抄表网络，一个新的节点要能够加入当前的电力线载波抄表网络，当该节点接收到某个节点发送的拓扑探索帧时，回复自身的网络地址和能量值，这样该节点成为发送探索帧的路由节点的子节点，并被分配一个唯一的网络地址，从而将该节点组进当前的电力线载波抄表网络中。当该节点接收到上一跳节点发送的目的节点的网络地址时，比较自身网络地址与目的节点的网络地址来进行路由选择，从而使数据包可以正确发送到目的节点、完成抄表。

Claims (5)

1.一种基于树的低压电力线宽带载波通信组网方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、以网关节点为头结点构造一棵有序树，建立与头结点能正常通信的子节点集，根据正常通信所要求的最小能量值E_min维护和更新子节点集；

S2、利用拓扑探索帧进行网络拓扑探索，按照能量值的大小依次选择候选路由节点，优先将能量值小的子节点分配为候选路由节点，如果该子节点能探索到未加入网络的节点，则该子节点成为路由节点，否则成为普通节点；然后在子节点集中选择能量值次小的子节点重复上面的过程，直到子节点集中所有的子节点都被选为候选路由节点并且执行了搜索过程；探索完成后的电力线网络在逻辑上构成树型拓扑；

S3、新加入到网络的子节点由其父节点分配网络地址；

S4、如果普通节点发送数据包到网络中的其他节点，则直接将该数据包转发给其父节点，由父节点进行转发；如果路由节点发送数据包到网络地址为D的目的节点，则判断目的节点是否是路由节点的后裔节点，如果是则发送到规定节点地址，如果不是则发送到该路由节点的父节点，由父节点进行转发。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在步骤S1中，定义网关节点的节点集为S_N＝{n₁,n₂,...,n_i,...,n_M}，n_i表示第i个节点，M表示网络中节点的个数；与节点n_i可以正常通信的子节点集定义为N_i＝{n_j|E_ij＜E_min；j＝0,1,2,...,M}，其中n_j表示第j个节点，E_ij表示n_i和n_j两个节点之间传送信号的能量值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在步骤S3中，规定每个父节点最多可以连接C_m个子节点，子节点集中最多有R_m个路由节点，网络的最大深度为L_m，C_Skip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量，设置网关节点的网络地址为0以及网络深度Depth₀＝0；假设父节点n_k的网络深度为d，地址为A_k,如果新加入的子节点n_p是其父节点n_k的第p个普通节点，则n_k为该节点n_p分配的网络地址为：A_p＝A_k+C_skip(d)×R_m+p,1≤p≤C_m-R_m；

如果新加入的子节点n_r是其父节点n_k的第r个路由节点，则n_k为该节点n_r分配的网络地址为：

A_r＝A_k+1+C_skip(d)×(r-1),1≤r≤R_m

其中：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>k</mi> <mi>i</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>.</mo> </mrow>

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在步骤S4中，该规定节点地址A_next为：

其中,“[]”表示取整数；

NA为目的节点的网络地址，A和d分别为路由节点的网络地址和深度；

C_Skip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：节点n_i发送数据包的流程为：

S1判断该节点n_i是否为路由节点：如果不是，则将数据包发送到其父节点；如果是，则进行步骤S2；

S2判断目的节点是否是该节点n_i的后裔节点：如果不是，则将数据包发送到其父节点，然后重复S2，此时以该父节点为发送数据包的节点n_i；如果是，则进行步骤S3；

S3判断该目的节点是否是该节点n_i的子节点：如果是，则将数据包直接发送到目的节点，数据发送成功；如果不是，则将数据包根据规定节点地址的公式发送至该地址的节点，然后进行步骤S2，此时以该节点为发送数据包的节点n_i。