CN107919951A - 基于tdma与csma/ca的电力线载波通信信道动态分配方法 - Google Patents

基于tdma与csma/ca的电力线载波通信信道动态分配方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107919951A
CN107919951A CN201711184394.0A CN201711184394A CN107919951A CN 107919951 A CN107919951 A CN 107919951A CN 201711184394 A CN201711184394 A CN 201711184394A CN 107919951 A CN107919951 A CN 107919951A
Authority
CN
China
Prior art keywords
channel
node
tdma
csma
power line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711184394.0A
Other languages
English (en)
Inventor
刘晓胜
邹德琴
张佳瑞
徐殿国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201711184394.0A priority Critical patent/CN107919951A/zh
Publication of CN107919951A publication Critical patent/CN107919951A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/54—Systems for transmission via power distribution lines
    • H04B3/542—Systems for transmission via power distribution lines the information being in digital form
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/003—Arrangements for allocating sub-channels of the transmission path

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Time-Division Multiplex Systems (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)

Abstract

基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，涉及通信领域。本发明是为了解决现有的电力线载波通信信道分配方法自适应性差且信道利用率低的问题。本发明所述的电力线载波通信信道动态分配方法，利用TDMA协议为通信网络中的所有节点分配信道，当信道分配完毕出现空时隙时，利用CSMA/CA协议为非主要节点分配信道。结合了TDMA和CSMA/CA的优势，在减少网络冲突的同时在网络负载实时变化的过程中，提高了信道利用率。可以应用在智能家居、楼宇自动化、轨道交通等多个领域。

Description

基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及电力线载波通信信道动态分配方法。
背景技术
目前，网络资源中输配电网络覆盖面最广，并且具备数据通信的功能。基于电力线的通信技术与其他通信方式相比，最大的优势在于连接方便、分布广泛、开发方便且不需维护。利用低压电力线网络进行通信，可以应用在智能家居、远程抄表、楼宇自动化等领域。然而，电力线通信信道及网络的拓扑结构具有很强的时变性，这就要求设计出与之相匹配的信道动态分配方法。
现有的电力线载波通信信道分配方法存在以下问题：
1、自适应性差
信道分配方法多采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance，载波帧听多路访问/冲突避免)，它能有效降低冲突发生的几率。然而，该机制采用随机退避方式，自适应性比较差，特别是随着网络设备的增加，冲突会急剧增加，网络吞吐量和效率较低，导致网络不稳定。
2、信道利用率低
采用TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)固定时隙分配机制的信道分配方法在网络负载较重时也能保持良好的自适应性，但是如果节点在自己被分配的时隙内没有发送请求，就会出现空时隙，导致信道资源浪费，信道利用率低。
发明内容
本发明是为了解决现有的电力线载波通信信道分配方法自适应性差且信道利用率低的问题，现提供基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法。
基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，
利用TDMA协议为通信网络中的所有节点分配信道，当信道分配完毕出现空时隙时，利用CSMA/CA协议为非主要节点分配信道，
所述非主要节点满足以下要求：
当前时刻属于非主时隙的主要节点帧听时段，且有数据发送需求。
所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：通信网络中所有通信节点上电后，利用CCO占据第一个时隙并周期性广播当前通信网络的状态；
步骤二：除CCO外的其他节点获取当前时刻；
步骤三：判断各个节点当前时刻是否属于主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤四，否则执行步骤五；
步骤四：判断节点是否要发送数据，是则占用信道发送数据，完成信道的分配，否则返回步骤二；
步骤五：判断各个节点当前时刻是否属于非主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤六，否则返回步骤二；
步骤六：节点对信道进行帧听，判断信道是否空闲，是则执行步骤七，否则执行步骤八；
步骤七：启动退避计数器开始倒计时，倒计时完毕时，判断是否有其他节点要占用信道，即：信道冲突，是则执行步骤八，否则占用信道发送数据，完成信道的分配；
步骤八：利用退避算法进行延时，然后返回步骤二。
步骤四完成信道的分配后，返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。
步骤七完成信道的分配后，执行步骤八进行延时，然后再返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。
本发明所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，以TDMA固定时隙分配为基础，在不影响固定时隙分配的基础上，充分利用了信道资源。结合了TDMA和CSMA/CA的优势，在减少网络冲突的同时在网络负载实时变化的过程中，将信道利用率提高了3％。
同时，本发明还具有以下优点：
1、具有良好的自适应性，在网络负载加剧或减轻时都能表现出良好的网络性能。
2、具有很强的通用性，可以应用在智能家居、楼宇自动化、轨道交通等多个领域。
3、采用退避算法可以保证网络冲突尽可能小。
本发明实现简单，通用性强，在低压电力线载波通信的各个应用领域均可投入使用。
附图说明
图1为TDMA时隙结构示意图；
图2为一个节点的时间轴示意图；
图3为基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法的流程图；
图4为三种典型的物理拓扑结构示意图。
具体实施方式
在固定时隙分配方式中，人为定义并设定一个逻辑上的主节点为CCO(CentralCoordinator，中央协调器)。CCO按照节点的入网顺序依次将时隙分配给每个节点。将某时隙被分配给的节点称为该时隙的主要节点。将节点已被分配的时隙称为该节点的主时隙。TDMA时隙的结构如图1所示。节点对应的时间轴如图2所示。
若某主要节点有发送请求，则在其主时隙到达时立刻占用信道发送数据。若在固定分配的时隙内信道空闲且主要节点没有发送请求，那么就会出现空时隙，导致信道资源浪费，信道利用率低。
在本发明所述的动态分配方法中，为了充分利用信道资源，规定在空时隙内，满足以下两个条件的非主要节点也可以竞争信道：(1)时间到达其帧听时段；(2)有发送需求。
满足条件的节点根据其优先级启动倒计时窗口，当数值减为0时，节点竞争信道，若无冲突，节点占用信道并发送数据。为了不影响后续固定时隙分配，规定节点占据且仅占据1个空时隙。若节点优先级相同而产生冲突，则采用退避算法更新帧听时刻。
参照图3对上述动态分配方法进行具体说明，所述方法包括以下步骤：
步骤一：通信网络中所有通信节点上电后，利用CCO占据第一个时隙并周期性广播当前通信网络的状态；
步骤二：除CCO外的其他节点获取当前时刻；
步骤三：判断各个节点当前时刻是否属于主时隙的主要节点帧听时段，是则节点为主要节点，执行步骤四，否则节点为非主要节点，执行步骤五；
步骤四：判断节点是否要发送数据，是则占用信道发送数据，完成信道的分配，否则返回步骤二；
步骤五：判断各个节点当前时刻是否属于非主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤六，否则返回步骤二；
步骤六：节点对信道进行帧听，判断信道是否空闲，是则执行步骤七，否则执行步骤八；
步骤七：启动退避计数器开始倒计时，倒计时完毕时，判断是否有其他节点要占用信道，即：信道冲突，是则执行步骤八，否则占用信道发送数据，完成信道的分配；
步骤八：利用退避算法进行延时，然后返回步骤二。
在步骤四完成信道的分配后，可以返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。在步骤七完成信道的分配后，可以执行步骤八，对时间进行更新，然后再返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。
上述步骤八中利用退避算法进行延时的具体方法为：
利用下式实现延时：
BC＝Int(CW×Rand())μs
其中，BC表示延长的时间，CW表示指数竞争窗口参数，Rand()边坡是产生0-1之间的任一随机数，Int表示取整函数，μs表示微秒时间单位。
上式中，CW取值范围从CWmin到CWmax之间。
CW的取值方法具体为：
初始化，取最小值CWmin；
第i次退避时(其中i为正整数)，判断CWi≥CWmax，是则取CWi＝CWmax，否则使i＝i+1，CWi增大，并利用增大后的CWi计算BC。
具体的，在初始化时，CW取值最小，当步骤七中出现冲突时，则CW增大，并获得对应的BC进行延时，即：完成一次退避。使用退避算法延时，直至数据发送成功，则初始化，CW恢复到CWmin，等待下次退避。当CW增加到CWmax时，则始终保持CWmax不变，即延时的时长不变。退避次数BPC与CW的取值关系如表1所示。
表1 BPC与CW关系
具体实施例
构建三种典型的物理网络拓扑结构，如图4所示，其中黑色实心节点为CCO。从Type(类型)1到Type 3，网络中节点的集中程度由高至低，网络结构由简单到复杂。
节点全部上电后，CCO周期性广播网络的状态，其他节点按照PRIME(Power LineIntelligent Metering Evolution，电力线智能计量发展)标准的规定通过直接注册或间接注册的方式加入网络，CCO按照子节点加入网络的顺序分别为每一个子节点分配一个单独的时隙。在组网以及组网完成后的通信过程中，若某子节点在自己的主时隙内没有发送请求，则其他到达主要节点帧听时段并有发送请求的节点可以在该空时隙内竞争信道。
设定网络中子节点的优先级由高到低分别为1、2、3。
空时隙内节点争用信道的机制如下：
子节点若检测到信道空闲，则根据自己的优先级挂起退避倒计时计数器，为了方便说明，假设该节点的优先级为3。当计数器由3减为0，该节点开始竞争信道。若此时无冲突，即无优先级相同的节点同时发送消息，那么节点占用且只占用一个空时隙发送消息。这样，就不会影响后续固定时隙的分配，或后续已分配的时隙内的通信过程。若有冲突，节点需要计算出自己的退避时间进行退避，更新自己的帧听时间。
子节点若检测到信道正忙，则直接根据下式计算出自己的退避时间进行退避
BC＝Int(CW×Rand())μs
而后等待主时隙的到来。
按照以上的方式，就可以利用CSMA/CA将空闲时隙充分利用起来，在不破坏原有TDMA协议流程及优势的前提下，提高信道的利用率。采用固定的拓扑形式进行研究，可以得出：网络中节点分布越集中(拓扑结构越简单)，信道利用率越高。

Claims (7)

1.基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，
利用TDMA协议为通信网络中的所有节点分配信道，当信道分配完毕出现空时隙时，利用CSMA/CA协议为非主要节点分配信道，
所述非主要节点满足以下要求：
当前时刻属于非主时隙的主要节点帧听时段，且有数据发送需求。
2.根据权利要求1所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：通信网络中所有通信节点上电后，利用CCO占据第一个时隙并周期性广播当前通信网络的状态；
步骤二：除CCO外的其他节点获取当前时刻；
步骤三：判断各个节点当前时刻是否属于主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤四，否则执行步骤五；
步骤四：判断节点是否要发送数据，是则占用信道发送数据，完成信道的分配，否则返回步骤二；
步骤五：判断各个节点当前时刻是否属于非主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤六，否则返回步骤二；
步骤六：节点对信道进行帧听，判断信道是否空闲，是则执行步骤七，否则执行步骤八；
步骤七：启动退避计数器开始倒计时，倒计时完毕时，判断是否有其他节点要占用信道，即：信道冲突，是则执行步骤八，否则占用信道发送数据，完成信道的分配；
步骤八：利用退避算法进行延时，然后返回步骤二。
3.根据权利要求2所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，步骤四完成信道的分配后，返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。
4.根据权利要求2所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，步骤七完成信道的分配后，执行步骤八进行延时，然后再返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。
5.根据权利要求2所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，步骤八中利用利用下式实现延时：
BC＝Int(CW×Rand())μs
其中，BC表示延长的时间，CW表示指数竞争窗口参数，Rand()边坡是产生0-1之间的任一随机数，Int表示取整函数。
6.根据权利要求5所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，CW取值范围从CWmin到CWmax之间。
7.根据权利要求6所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，CW的取值方法具体为：
初始化，取最小值CWmin；
第i次退避时，判断CWi≥CWmax，其中i为正整数，
是，则取CWi＝CWmax，
否，则使i＝i+1，CWi增大，并利用增大后的CWi计算BC。
CN201711184394.0A 2017-11-23 2017-11-23 基于tdma与csma/ca的电力线载波通信信道动态分配方法 Pending CN107919951A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711184394.0A CN107919951A (zh) 2017-11-23 2017-11-23 基于tdma与csma/ca的电力线载波通信信道动态分配方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711184394.0A CN107919951A (zh) 2017-11-23 2017-11-23 基于tdma与csma/ca的电力线载波通信信道动态分配方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107919951A true CN107919951A (zh) 2018-04-17

Family

ID=61896795

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711184394.0A Pending CN107919951A (zh) 2017-11-23 2017-11-23 基于tdma与csma/ca的电力线载波通信信道动态分配方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107919951A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109548165A (zh) * 2019-01-24 2019-03-29 重庆邮电大学 一种低时延的智能变电站无线通信机制
CN109561513A (zh) * 2019-01-29 2019-04-02 四川九洲电器集团有限责任公司 一种分布式无冲突自组网多址接入协议
CN110225593A (zh) * 2019-07-15 2019-09-10 桂林电子科技大学 一种分布式tdma协议中的随机数闲置时隙竞争方法
CN110995315A (zh) * 2019-11-27 2020-04-10 深圳市力合微电子股份有限公司 一种基于高速电力线载波的通信方法
CN111278141A (zh) * 2020-02-24 2020-06-12 西安邮电大学 一种基于LoRa组网的通信方法及系统
CN112564738A (zh) * 2020-10-27 2021-03-26 宁波三星医疗电气股份有限公司 基于宽带电力载波hplc的tdma及csma的运用方法
WO2022057479A1 (zh) * 2020-09-17 2022-03-24 华为技术有限公司 一种电力线网络流通道建立方法、装置和系统

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109548165A (zh) * 2019-01-24 2019-03-29 重庆邮电大学 一种低时延的智能变电站无线通信机制
CN109561513A (zh) * 2019-01-29 2019-04-02 四川九洲电器集团有限责任公司 一种分布式无冲突自组网多址接入协议
CN109561513B (zh) * 2019-01-29 2022-03-08 四川九洲电器集团有限责任公司 一种分布式无冲突自组网多址接入协议
CN110225593A (zh) * 2019-07-15 2019-09-10 桂林电子科技大学 一种分布式tdma协议中的随机数闲置时隙竞争方法
CN110225593B (zh) * 2019-07-15 2022-05-03 桂林电子科技大学 一种分布式tdma协议中的随机数闲置时隙竞争方法
CN110995315A (zh) * 2019-11-27 2020-04-10 深圳市力合微电子股份有限公司 一种基于高速电力线载波的通信方法
CN110995315B (zh) * 2019-11-27 2022-02-11 深圳市力合微电子股份有限公司 一种基于高速电力线载波的通信方法
CN111278141A (zh) * 2020-02-24 2020-06-12 西安邮电大学 一种基于LoRa组网的通信方法及系统
WO2022057479A1 (zh) * 2020-09-17 2022-03-24 华为技术有限公司 一种电力线网络流通道建立方法、装置和系统
CN112564738A (zh) * 2020-10-27 2021-03-26 宁波三星医疗电气股份有限公司 基于宽带电力载波hplc的tdma及csma的运用方法
CN112564738B (zh) * 2020-10-27 2022-07-29 宁波三星医疗电气股份有限公司 基于宽带电力载波hplc的tdma及csma的运用方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107919951A (zh) 基于tdma与csma/ca的电力线载波通信信道动态分配方法
KR102193063B1 (ko) 채널 액세스 방법 및 장치
CN106982467B (zh) 一种基于动态分配prach资源的接入拥塞控制方法
Khorov et al. Two-slot based model of the IEEE 802.11 ah restricted access window with enabled transmissions crossing slot boundaries
CN103354663B (zh) 无线局域网中的分布式时隙分配干扰协调方法
CN103517278B (zh) 接入公用频段的竞争方法
CN101651969A (zh) 基于时分多址(tdma)的功率控制认知mac协议的实现方法
JP2001237839A (ja) 無線パケット優先制御方法
CN111836399A (zh) 宽带载波通信网络的信道接入协议设计方法及时隙分配方法
CN109548165A (zh) 一种低时延的智能变电站无线通信机制
CN108811176A (zh) 一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法
CN109195194B (zh) 一种接入信道的方法、装置及设备
CN113068267B (zh) 一种通信卫星信道带宽资源动态分配方法及装置
CN109429347B (zh) 时隙分配方法及装置
CN105611570A (zh) 基于信道状态判断的车载自组织网mac层退避方法
Cheng et al. The collision avoidance and situation-aware media access scheme using the registered-backoff-time method for the IEEE 802.11 ah-based IoT wireless networks
Huo et al. Cluster and probability competition based MAC scheme in power line communications
CN103402263B (zh) 针对低权限通信系统的节能的频谱分配与机会接入机制
Chen et al. Parallel access scheme for wireless and power line dual-connection communication
CN111586880A (zh) 适用于tdma的动态混合接入方法及系统
CN109905922A (zh) 一种基于时隙Aloha与自适应ACB混合的大规模终端接入方法
CN104394599A (zh) 一种应用于m2m网络的csma/ca协议的设计方法
WO2023236145A1 (zh) 一种通信方法和装置
Hasi et al. Traffic Demand-based Grouping for Fairness among the RAW Groups of Heterogeneous Stations in IEEE802. 11ah IoT Networks
US20240114492A1 (en) Wireless resource scheduling method, electronic device, and storage medium

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180417

RJ01 Rejection of invention patent application after publication