CN108964714A - 基于非对称信道的电力线通信的组网方法 - Google Patents

基于非对称信道的电力线通信的组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其包括：从中心节点开始进行逐级组网，直到所有终端节点都完成本级组网得到初始化的电力线通信网的拓扑表，该拓扑表包括所有节点的上级节点信息，上行信道质量信息和下行信道质量信息；每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息最佳的上级节点确定为最终的上级节点，并更新到所述拓扑表中。该组网方法能够以更便捷且更节约电力通信资源的方式进行电力通信组网，并且能够提供更为稳定可靠的通信网。

Description

基于非对称信道的电力线通信的组网方法
技术领域
本发明是关于电力线载波通信领域，特别是关于一种基于非对称信道的电力线通信的组网方法。
背景技术
电力线载波(简称PLC)是目前国内用电信息采集系统建设的主要通信手段，在用电信息采集系统中，利用该手段主要完成居民用户到配电变压器之间的通信，完成数据采集和费控等功能应用。
目前，市场上电力线载波通信组网大多采用动态自动中继方式。根据具体组网方案，按照电表端电力线载波通信模块的中继级别和响应时间分配地址，建立连接后进行自动监测，根据网络的情况自动进行调整，保证实时通信。然而这种方式是集中器通过对载波模块的轮询，利用排列组合的方式穷举传输出有效中继路径。具体来说，目前组网方式主要采用洪泛算法，即对任一路由节点，当收到一个非重复的广播消息时，它将此消息逐级向外扩散，最终遍历全网，实现全网信息覆盖，这种方式比较容易产生大量的重复消息，使得带宽被浪费，同时质造成大量冲突和碰撞，降低消息的传输成功率。并且该机制采用“全网监听、冲突避让”的机制，在无需了解电网的网络拓扑结构的情况下通过随机搜索的思路，逐步覆盖全网，这一技术会导致中继效率不高，而且对于无法形成链路的“孤岛”无法组网，降低了通信的可靠性。上述问题在电力线载波技术实际应用中会表现为电表抄收时间长，且成功率低的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其能够以更便捷且更节约电力通信资源的方式进行电力通信组网，并且能够提供更为稳定可靠的通信网。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于非对称信道的电力线通信的组网方法。电力线通信网包括中心节点和终端节点。该组网方法包括：从中心节点开始进行逐级组网，直到所有终端节点都完成本级组网得到初始化的电力线通信网的拓扑表，该拓扑表包括所有节点的上级节点信息，上行信道质量信息和下行信道质量信息；每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息最佳的上级节点确定为最终的上级节点，并更新到所述拓扑表中。
在一优选的实施方式中，所述从中心节点开始进行逐级组网，直到所有终端节点都完成本级组网得到初始化的电力线通信网的拓扑表具体包括步骤1～10：1，中心节点以广播的方式发送组网搜索指令；2，收到所述组网搜索指令的所有终端节点向所述中心节点发送各自的应答帧，所述应答帧中包括本节点的初始发送信号功率信息；3，所述中心节点接收应答帧，并将收到的所有应答帧的发送节点设定为一级节点，并根据所述应答帧中的初始发送信号功率信息计算各个一级节点的上行发送功率和信道质量信息，并将计算出的各个一级节点的上行发送功率和信道质量信息以及设定的节点级别信息设置于组网设置指令内，然后将该组网设置指令以广播的方式发送给各个一级节点；4，各个一级节点收到所述组网设置指令后，设置自身为一级节点并将自身的上行发送功率设置为上述计算出的各自的上行发送功率，并向所述中心节点上报自身的上行发送功率、上行信道质量信息、下行信道质量信息完成一级组网；5，完成本级组网的节点作为上级节点以广播的方式发送组网搜索指令；6，收到所述组网搜索指令的所有终端节点向所述上级节点发送其应答帧，所述应答帧中包括本节点的初始发送信号功率信息；7，所述上级节点接收应答帧，并将收到的所有应答帧的发送节点设定为其下级节点，并根据所述应答帧中的初始发送信号功率信息计算各个下级节点的上行发送功率和信道质量信息，并将计算出的各个下级节点的上行发送功率和信道质量信息以及设定的节点级别信息设置于组网设置指令内，然后将该组网设置指令以广播的方式发送给各个下级节点；8，各个下级节点收到所述组网设置指令后，设置自身为上述上级节点的下级节点并将自身的上行发送功率设置为上述上级节点计算出的各自的上行发送功率，并且向所述中心节点上报其上级节点的节点号、自身的上行发送功率、上行信道质量信息、下行信道质量信息，至此完成该级组网；9，重复上述步骤5～步骤8，直至所有终端节点都完成本级组网。
在一优选的实施方式中，根据所述应答帧中的初始发送信号功率信息计算各个下级节点的上行发送功率的算法包括：其中，Pup(i)为节点i的上行信号发送功率，P0为初始发送信号功率；αi为发送功率增益系数；SMAX为下级节点信号的接收功率最大值，SMIN为下级节点信号的接收功率最小值，Si为下级节点i信号的接收功率。
在一优选的实施方式中，所述每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息最佳的上级节点确定为最终的上级节点，并更新到所述拓扑表中包括：所述每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息较佳的上级节点作为自身的预选上级节点；对于所述预选上级节点，计算出双向信道质量信息最佳的节点作为最终的上级节点。
在一优选的实施方式中，所述每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息较佳的上级节点作为自身的预选上级节点具体包括：判断每个终端节点i与其所有的上级节点j之间的上行信道质量信息SNRup(i,j)和下行信道质量信息SNRdown(i,j)是否满足如下条件：满足条件的上级节点被认为双向信道质量信息较佳，作为预选上级节点。
在一优选的实施方式中，对于所述预选上级节点，计算出双向信道质量信息最佳的节点作为最终的上级节点的方法包括：对于预选上级节点，计算max[αSNRup(i，j)+βSNRdown(i，j)]，该最大值对应的节点即为最终确定的上级节点，其中α、β为自定义选择系数。
在一优选的实施方式中，所述电力线通信组网方法还包括：每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息仅次于最佳上级节点的节点确定为备用的上级节点，且更新到所述拓扑表中。
在一优选的实施方式中，所述电力线通信组网方法还包括：通过调整下级节点的上行信号发送功率提高其上级节点所接收到的上行信道质量。
与现有技术相比，根据本发明的基于非对称信道的电力线通信的组网方法，通过逐级完成初始化组网，且中心节点存储了到达所有节点的分级拓扑表，各终端节点存储其上级节点并设置完成各自的上行发送功率。通过调整上行信号功率，以提高上级节点所接收到的上行信号质量，确保上下级节点间可靠的双向通信。PLC组网优化后，每一级终端节点存储了该节点的最优上级节点以及备用上级节点，使通信质量达到最优。因此，所述基于非对称信道的电力线通信的组网方法更便捷且更节约电力通信资源，并且能够提供更为稳定可靠的通信网。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的基于非对称信道的电力线通信的组网方法的流程图；
图2是根据本发明一实施方式的初始化组网过程示意图；
图3是根据本发明一实施方式的初始化组网的步骤图。
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。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
为了解决电力线载波技术应用过程中表现出抄收时间长成功率低等问题，本发明研究一种基于非对称信道的电力线通信的组网方法，为智能用电和用电信息采集通信提供可靠、稳定解决方案，全面支撑用电信息采集系统通信规模化建设。
该基于非对称信道的电力线通信的组网方法的主要原理为：根据上下行信道的非对称特性，对上下级节点之间的信号功率逐级进行自适应控制，以保证PLC节点接收端的信号质量一致性。具体来说，由于电力线载波通信网络结构一般处在盲态，各载波通信节点通信能力未知且自载波通信路径选择及优化问题与一般的组合优化问题有所不同，它属于非闭合路径问题，所以低压电力线网络的拓扑结构比较复杂。载波信号在电力线信道上传输时，影响拓扑结构的主要因素可以归结为载波信道的阻抗，噪声和衰减。均匀传输线是一种理想的情况，由于接收机和发射机特性不同、阻抗失配以及线路传输线缆分支等物理因素的影响，从接收机到发射机和从发射机到接收机，相同的信道不同的传输方向的阻抗、衰减特性均不相同，即电力线传输时，两个节点之间通信信道具有非对称性。因此本发明针对PLC链路上下行信道非对称性所导致的无法双向通信的特点，在PLC组网初始化的过程中，上下级节点进行信息交互时携带信号发送功率、信噪比等参数，上级节点统计来自下级节点的信号参数，并为每个下级节点计算出满足上行通信质量的信号发送功率，并下达给各个下级节点使其调整发送功率，最终达到PLC节点接收端的信号质量一致性。
图1是根据本发明一实施方式的基于非对称信道的电力线通信的组网方法的流程图。该方法主要包括两部分S1和S2。
在S1中进行初始化组网，形成初始的拓扑表：从中心节点(如集中器)开始进行逐级组网，直到所有终端节点(如采集器)都完成本级组网得到初始化的电力线通信网的拓扑表，该拓扑表包括所有节点的上行信道质量信息和下行信道质量信息。
在S2中进行组网优化，获得优化的拓扑表：每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息最佳的上级节点确定为最终的上级节点，并更新到所述拓扑表中。
进一步地，在一优选的实施例中，假设PLC网络由1个中心节点(例如集中器)和n个终端节点(例如采集器)组成，该PLC网络的初始化组网的具体过程的示意图如图2所示，具体的步骤如图3所示：
在S101中，中心节点发送组网搜索指令：中心节点以广播的方式发送组网搜索指令，要求所接收到的终端节点与中心节点上报应答帧并与中心节点建立直接通信链路；
在S102中，收到组网搜索指令的终端节点发送应答帧：终端节点收到组网搜索指令，形成应答帧；应答帧中携带本节点的发送信号功率参数P0；
在S103中，中心节点设定一级节点以及信号参数：中心节点收到所有应答帧后，设定这些节点为一级节点；中心节点根据公式(1)为各一级节点计算其上行发送功率Pup(i)；
其中，Pup(i)为节点i的上行信号发送功率，P0为初始发送功率；αi为发送功率增益系数；SMAX为下级节点信号的接收功率最大值，SMIN为下级节点信号的接收功率最小值，Si为下级节点i信号的接收功率；
在S104中，中心节点发送组网设置指令：中心节点向各一级节点广播发送组网设置指令，指令中携带所有一级节点各自的上行发送功率Pup(i)及信道质量信息SNRup(i,j)；
在S105中，收到组网设置指令的一级节点进行自身节点的信号参数设置：一级节点i收到组网设置指令，设置其自身为一级节点并且将上行发送功率设置为Pup(i)，并上报自身的上行发送功率Pup(i)、上行信道质量信息SNRup(i,j)、下行信道质量信息SNRdown(i,j)，至此中心节点与一级节点建立直接通信链路，形成第一级组网，该第一级组网中，中心节点存储了各一级节点的上行发送功率Pup(i)、中心节点至一级节点信道质量信息SNRup(i,j)以及一级节点至中心节点的信道质量信息SNRdown(i,j)；
在S106中，完成本级组网的节点作为上级节点并发送组网搜索指令：完成本级组网的节点作为上级节点，并向其下级节点广播发送组网搜索指令；
在S107中，收到组网搜索指令的终端节点发送应答帧：收到指令的节点上报其应答帧(携带本节点自身的初始发送功率P0)；
在S108中，上级节点设定其下级节点以及其下级节点的信号参数：上级节点收到所有应答帧后，设定这些节点为其下级节点；上级节点根据公式(1)为各下级节点计算其上行发送功率Pup(i)；
在S109中，上级节点发送组网设置指令进行自身节点的信号参数设置：上级节点向下级节点广播发送组网设置指令，指令中携带所有下级节点各自的上行发送功率Pup(i)及上级节点至下级节点的信道质量信息SNRup(i,j)；
在S110中，收到组网设置指令的下级节点进行自身节点的信号参数设置：下级节点i收到组网设置指令，设置其自身为x级节点(x∈(1,…,N))并且将上行发送功率设置为Pup(i)；则上级节点与其下级节点建立直接通信链路，并向中心节点上报上级节点ID、上行发送功率Pup(i)、上级节点至该节点信道质量信息SNRup(i,j)以及该节点至上级节点的信道质量信息SNRdown(i,j)，形成第x级组网，完成本级组网；
在S111中，重复S106-S110，直到所有终端节点都完成本级组网。
PLC组网初始化完成后，中心节点存储了到达所有节点的分级拓扑表，拓扑表中包括所有节点的上行节点ID、上行发送功率Pup(i)、上级节点至该节点信道质量信息SNRup(i,j)以及该节点至上级节点的信道质量信息SNRdown(i,j)。通过调整上行信号功率，可以提高上级节点所接收到的上行信号质量，确保上下级节点间可靠的双向通信。
由于初始化组网完成后，每一个目标终端节点会形成不同的通信路径，为了缩短组网时间，需要进行优化。
优选地，PLC网络的组网优化具体过程如下步骤S201-S205：
S201：根据初始化组网形成的拓扑表，查询某一节点i存储的每一条路径的[SNRup(i,j)，SNRdown(i,j)]；
S202：该终端节点根据公式(2)选择双向SNR较好的上级节点在较好的上级节点；
S203：在较好的上级节点中，根据公式(3)再选择双向SNR最好的节点作为该节点i的优选上级节点j；
max[αSNRup(i，j)+βSNRdown(i，j)] (3)
其中α、β为选择系数，默认值均为0.5，可根据优选策略进行调整；
S204：存储次优的SNR节点作为该节点i的备用上级节点k；
S205：重复步骤1-步骤5，直到所有终端节点都完成优化组网。
PLC组网优化后，每一级终端节点存储了该节点的最优上级节点ID以及备用上级节点ID，这样中心节点就形成了所有入网节点的路由信息表。
综上，根据本发明的基于非对称信道的电力线通信的组网方法通过网络初始化，中心节点存储了到达所有节点的分级拓扑表，各终端节点存储其上级节点并设置完成各自的上行发送功率。通过调整上行信号功率，以提高上级节点所接收到的上行信号质量，确保上下级节点间可靠的双向通信。PLC组网优化后，每一级终端节点存储了该节点的最优上级节点以及备用上级节点，使通信质量达到最优。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于非对称信道的电力线通信的组网方法，电力线通信网包括中心节点和终端节点，其特征在于，该组网方法包括：
从中心节点开始进行逐级组网，直到所有终端节点都完成本级组网得到初始化的电力线通信网的拓扑表，该拓扑表包括所有节点的上级节点信息，上行信道质量信息和下行信道质量信息；以及
每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息最佳的上级节点确定为最终的上级节点，并更新到所述拓扑表中。
2.如权利要求1所述的基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其特征在于，所述从中心节点开始进行逐级组网，直到所有终端节点都完成本级组网得到初始化的电力线通信网的拓扑表包括：
步骤1，中心节点以广播的方式发送组网搜索指令；
步骤2，收到所述组网搜索指令的所有终端节点向所述中心节点发送各自的应答帧，所述应答帧中包括本节点的初始发送信号功率信息；
步骤3，所述中心节点接收应答帧，并将收到的所有应答帧的发送节点设定为一级节点，并根据所述应答帧中的初始发送信号功率信息计算各个一级节点的上行发送功率和信道质量信息，并将计算出的各个一级节点的上行发送功率和信道质量信息以及设定的节点级别信息设置于组网设置指令内，然后将该组网设置指令以广播的方式发送给各个一级节点；
步骤4，各个一级节点收到所述组网设置指令后，设置自身为一级节点并将自身的上行发送功率设置为上述计算出的各自的上行发送功率，并向所述中心节点上报自身的上行发送功率、上行信道质量信息、下行信道质量信息完成一级组网；
步骤5，完成本级组网的节点作为上级节点以广播的方式发送组网搜索指令；
步骤6，收到所述组网搜索指令的所有终端节点向所述上级节点发送其应答帧，所述应答帧中包括本节点的初始发送信号功率信息；
步骤7，所述上级节点接收应答帧，并将收到的所有应答帧的发送节点设定为其下级节点，并根据所述应答帧中的初始发送信号功率信息计算各个下级节点的上行发送功率和信道质量信息，并将计算出的各个下级节点的上行发送功率和信道质量信息以及设定的节点级别信息设置于组网设置指令内，然后将该组网设置指令以广播的方式发送给各个下级节点；
步骤8，各个下级节点收到所述组网设置指令后，设置自身为上述上级节点的下级节点并将自身的上行发送功率设置为上述上级节点计算出的各自的上行发送功率，并且向所述中心节点上报其上级节点的节点号、自身的上行发送功率、上行信道质量信息、下行信道质量信息，至此完成该级组网；以及
步骤9，重复上述步骤5～步骤8，直至所有终端节点都完成本级组网。
3.如权利要求2所述的基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其特征在于，根据所述应答帧中的初始发送信号功率信息计算各个下级节点的上行发送功率的算法包括：
其中，Pup(i)为节点i的上行信号发送功率，P0为初始发送信号功率；αi为发送功率增益系数；SMAX为下级节点信号的接收功率最大值，SMIN为下级节点信号的接收功率最小值，Si为下级节点i信号的接收功率。
4.如权利要求1所述的基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其特征在于，所述每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息最佳的上级节点确定为最终的上级节点，并更新到所述拓扑表中包括：
所述每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息较佳的上级节点作为自身的预选上级节点；以及
对于所述预选上级节点，计算出双向信道质量信息最佳的节点作为最终的上级节点。
5.如权利要求4所述的基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其特征在于，所述每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息较佳的上级节点作为自身的预选上级节点具体包括：
判断每个终端节点i与其所有的上级节点j之间的上行信道质量信息SNRup(i,j)和下行信道质量信息SNRdown(i,j)是否满足如下条件：满足条件的上级节点被认为双向信道质量信息较佳，作为预选上级节点。
6.如权利要求5所述的基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其特征在于，对于所述预选上级节点，计算出双向信道质量信息最佳的节点作为最终的上级节点的方法包括：
对于预选上级节点，计算max[αSNRup(i，j)+βSNRdown(i，j)]，该最大值对应的节点即为最终确定的上级节点，其中α、β为自定义选择系数。
7.如权利要求1所述的基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其特征在于，所述电力线通信组网方法还包括：
每个终端节点根据该拓扑表中的自身的上行信道质量信息和下行信道质量信息，选择双向信道质量信息仅次于最佳上级节点的节点确定为备用的上级节点，且更新到所述拓扑表中。
8.如权利要求2所述的基于非对称信道的电力线通信的组网方法，其特征在于，所述电力线通信组网方法还包括：
通过调整下级节点的上行信号发送功率提高其上级节点所接收到的上行信道质量。
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