CN109818780A - 一种低压宽带电力线载波通信单元及组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压宽带电力线载波通信单元及组网方法。通信单元包括处理器和宽带载波基带模块；所述处理器实现宽带电力线载波通信网络协议栈；所述宽带载波基带模块同时提供高速信道和低速信道；所述高速信道使用OFDM方式进行载波信号的调制与解调；所述低速信道使用直接扩频方式进行载波信号的调制与解调；组网时待入网站点以信道速度和信道质量为参考因素，以信道速度优先为原则或者以信道质量优先为原则在协调器的高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道。本发明减少了网络层级、提高了一次通信成功率，提升了低压宽带电力线载波传输效率。

Description

一种低压宽带电力线载波通信单元及组网方法

技术领域

本发明属低压电力线载波通信技术领域，具体涉及一种融合OFDM通信方式和扩频通信方式的通信单元以及基于该通信单元的低压配用电信息采集网络组网方法。

背景技术

电力线载波通信(Power Line Carrier Communication，PLC)技术是一种利用电力线路作为通信媒介来传输数据信息的通信方式。该技术是通过调制把原有信号变成高频信号加载到电力线上进行传输，在接收端通过滤波器将调制信号取出解调，得到原有信号，实现信息传递。通过电力线载波通信技术，电力公司可以在完成电力输送的同时获取用户用电信息甚至低压配电网的运行信息，这是其他通信技术所不具备的先天优势。因此，针对低压配用电领域的电力线载波通信技术受到了广泛关注。

从使用的频带划分，可将低压电力线载波通信分为窄带电力线载波通信(NPLC)和宽带电力线载波通信(BPLC)。窄带电力线载波通信技术的频率一般限定在40kHz～500kHz、通信速率通常为几十kbps～几百kbps，易于实现，但抗干扰能力弱、可靠性低，适合对传输实时性和通信质量要求不高的应用场景。宽带电力线通信技术的频率一般限定在2MHz～30MHz、通信速率通常在1Mbps以上，具有抗干扰能力强、可承载数据量大、组网和采集速率快等优点，适合对传输实时性和通信质量要求较高的应用场景。

目前，电力线窄带载波通信技术已经在用电信息采集系统中实现规模化应用。但随着采集系统业务功能的不断深化，电力线载波通信技术承担的不仅仅是通信连接的作用，更多的是要支持电网运行状态感知的需求，这对电力线载波通信的通信速率、覆盖范围、传输效率等方面都提出了更高的要求。因此，在低压配用电的信息采集领域，宽带电力线载波通信技术迎来了很好的发展机遇。

宽带电力线载波多采用正交频分复用技术(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)，将高速数据流调制到多个并行的子载波上传输，具有较高的频谱利用率，较强的带宽扩展性和抗频率选择性衰落等优势。但在实际使用时，宽带电力线载波的宽频带引入了更多的噪声能量，较高的通信速率则需要更高的信噪比来支撑，而多频点传输又将有限的信号发射功率分散到各子载波上，从而导致了在高噪声环境下，宽带电力线载波存在信号衰减快，单跳有效通信距离短等问题，一定程度上限制了宽带电力线载波技术的应用和推广。比如，一些老旧小区，线路老化，信道环境恶劣，宽带电力线载波信号不可达；一些偏远农村地区，供电半径长，宽带电力线载波通信成功率不高或网络层级过多，传输效率有待提高。

为提升宽带电力线载波的适应性，能够满足更多的电力通信业务需求，目前有人提出采用硬件拓展方式将宽带电力线载波和窄带电力线载波相结合，在宽带电力线载波信号不可达的地方，采用窄带电力线载波进行桥接，以达到延长宽带电力线载波网络覆盖半径的目的。然而，电力线环境是动态变化的，如何选定桥接节点的位置存在较大难度，同时，窄带电力线载波通信速率较低，用其作为宽带电力线载波网络的桥接，将影响整个网络的数据传输效率。

因此，如何使低压宽带电力线载波在保证一定通信速率的情况下，获得更远的单跳通信距离，提升传输效率，是目前需要研究和解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种低压宽带电力线载波通信单元，并在此基础上，提出一种低压配用电信息采集网络组网方法，减少了网络层级、提高了一次通信成功率，提升了低压宽带电力线载波传输效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种低压宽带电力线载波通信单元，包括处理器和宽带载波基带模块；所述处理器实现宽带电力线载波通信网络协议栈；所述宽带载波基带模块同时提供高速信道和低速信道；所述高速信道使用OFDM方式进行载波信号的调制与解调；所述低速信道使用直接扩频方式进行载波信号的调制与解调。

作为一种实施方式，所述低压宽带电力线载波通信单元还包括模拟前端和信号耦合电路；模拟前端包括高速信道模拟前端和低速信道模拟前端；

所述高速模拟前端用于对高速信道输入/出的信号进行滤波和整形；

所述低速模拟前端用于对低速信道输入/出的信号进行滤波和整形；

所述信号耦合电路用于对输入/出的信号进行阻抗匹配、信号耦合及强弱电隔离。

作为一种实施方式，所述高速信道的工作频段限定在2MHz～12MHz，传输速率为10Mbps；所述低速信道的工作频段限定在12MHz～22MHz，传输速率为1Mbps。

作为一种实施方式，所述高速模拟前端在输出方向依次包括信号放大模块和功率控制模块，在输入方向依次包括信号滤波模块和增益控制模块；

所述低速模拟前端在输出方向依次包括信号放大模块和功率控制模块，在输入方向依次包括信号滤波模块和增益控制模块。

作为一种实施方式，所述低压宽带电力线载波通信单元还包括与处理器连接的存储器，所述存储器用于存储系统档案、路由信息、通信单元参数。

作为一种实施方式，所述处理器通过数据总线和控制总线与所述宽带载波基带模块进行信号交互，包括控制信号和反馈信号。

本发明还提出一种适用于低压配用电信息采集网络的组网方法，所述信息采集网络包括协调器和各组网站点，协调器和站点均集成有前述低压宽带电力线载波通信单元；所述协调器用于发送发现信标，触发各站点进行入网请求，从而完成组网。

作为一种实施方式，所述协调器根据中央信标指定的TDMA时隙，通过低压宽带电力线载波通信单元中的高速信道和低速信道同时向外发送发现信标，向周围探测待入网站点；

待入网站点接收到协调器发送的发现信标后，在协调器的高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道，然后根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，向所述协调器发起关联请求报文；

所述协调器接收到关联请求报文后，对所述待入网站点进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的工作信道告知所述待入网站点；

所述待入网站点接收到关联确认报文后，根据关联确认报文更新自身信息，入网成功。

作为一种实施方式，待入网站点以信道速度和信道质量为参考因素，以信道速度优先为原则或者以信道质量优先为原则在协调器的高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道。

作为一种实施方式，所述协调器包括中央协调器和代理协调器，站点至少包括一级站点和二级站点；

待入网一级站点接收到中央协调器发送的发现信标后，在中央处理器的高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道，然后根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，向所述中央协调器发起关联请求报文；

所述中央协调器接收到关联请求报文后，对所述待入网一级站点进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的工作信道告知所述待入网一级站点；

所述待入一级网站点接收到关联确认报文后，根据关联确认报文更新自身信息，入网成功，并成为所述中央协调器的一级站点；

所述一级站点入网后，所述中央协调器通过中央信标重新安排发现信标的发送时隙，让使用所述一级站点向外发送发现信标，向周围探测其下一级待入网站点；

已入网的一级站点按照中央信标给定的TDMA时隙，通过其高速信道和低速信道同时向外发送发现信标；

二级待入网站点接收到各一级站点发送的发现信标后，在各一级站点中选择一个站点作为其代理协调器并在所述代理协调器的高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道，二级待入网站点根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，通过所述代理协调器向中央协调器发起关联请求报文；

所述中央协调器收到待入网二级站点的关联请求报文后，对待入网二级站点进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过其相应的通信信道告知该待入网二级站点的代理协调器；

所述代理协调器收到关联确认报文后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的通信信道告知待入网二级网站点；

待入网二级网站点接收到其代理协调器发送的关联确认报文后，根据关联确认报文更新自身信息，入网成功，并成为中央协调器的二级站点。

作为一种实施方式，各级站点选择工作路由的方法为：

S1，各站点低压宽带电力线载波通信单元中的处理器接收到发现信标后，判断通信单元中的存储器中当前路由表是否为空；

如果为空，则为本站点创建路由信息，包括路径信息、信道类型、信道质量等级，不进行后续程序；

如果不为空，则进行后续路径层级对比；

S2，对比接收信标的路径信息和当前路由表记载的路径信息，选择路径层级低的路径作为优选路由，更新存储器中的当前路由表，不进行后续程序；如果二者路径层级相同，则进行后续信道类别对比；

S3，对比接收发现信标的信道类别和当前路由表记载的信道类别，选择高速信道作为优选路由，更新存储器中的当前路由表，不进行后续程序；如果二者信道类别相同，则进行后续中继深度对比；

S4，判断本站点的中继深度，如果中继深度＜1，表示本站点为一级站点，不进行后续程序；如果中继深度≥1，表示本站点至少为二级站点，则对本站点对应的上一级站点其协调器之间的信道类别进行对比；

S5，对比本站点的上一级站点与其协调器之间的级信道类别和当前路由表记载的本站点的上一级站点与其协调器之间的信道类别，选择上一级站点与其协调器之间为为高速信道一方作为优选路由，更新储器中的当前路由表，然后，结束评估流程；如果二者信道类别仍然相同，则对本站点与其上一级站点之间的信道质量等级进行对比；

S6，处理器对比本站点与其上一级站点之间的信道质量等级和当前路由记载的本站点与其上一级站点之间的信道质量等级，选择信道质量等级高的一方作为优选路由，更新存储器中的当前路由表，然后，结束评估流程；如果二者信道质量等级相同，则表示参与对比的两个路由情况相近，可不做任何处理，退出评估流程。

作为一种实施方式，所述信道质量等级的划分方法如下：

S1，宽带载波基带模块中的信道质量检测子模块采用傅里叶变换的方法计算获得接收信号的信噪比Snr，

S2，信噪比计算完成后，宽带载波基带模块通过中断反馈信号告知处理器，处理器从宽带载波基带模块的信噪比寄存器中读取信噪比Snr；

S3，处理器根据以下公式计算信道质量估值RSSI：

RSSI(dBm)＝C+10*B+M+S

其中：

C表示信道接收通道的噪声基准；B表示带宽增益系数；M表示噪声偏移量；S表示信道信噪比，取值即为步骤S2中从寄存器中读取的信噪比数值Snr；

S4，处理器根据RSSI值把信道质量估值分为三个等级，作为信道质量评估依据：

level2(-70≤RSSI＜0)

RSSI_Level＝level1(-100≤RSSI＜-70)

level0(-170＜RSSI＜-100)

其中，level2表示信道质量最好，level0表示信道质量最差。

作为一种实施方式，已入网站点切换工作信道的方法为：

已入网站点实时监测自己与其所属协调器之间的工作信道质量；

若所述已入网站点与其所属协调器之间的当前工作信道是高速信道，并且信道质量等级低于level1，则所述已入网站点将其与所属协调器之间的工作信道由高速信道切换成低速信道，并通过所述低速信道向其所属的协调器发送工作信道切换请求帧；

若所述已入网站点与其所属的协调器之间的当前工作信道是低速信道，并且信道质量等级高于level1，则所述已入网站点将其与所属的协调器之间的工作信道由低速信道切换成高速信道，并通过所述高速信道向其所属的协调器发送信道切换请求帧；

所属协调器收到所述信道切换请求帧后，更新路由列表中所述已入网站点的信道信息，生成信道切换请求确认报文并通过相应工作信道告知所述已入网站点，完成信道切换。

作为另一种实施方式，已入网站点切换工作信道的方法为：

已入网站点实时监测自己与其所属协调器之间的工作信道质量；

若所述已入网站点与其所属协调器之间的当前工作信道是高速信道，并且信道质量低于第一阈值的，则所述已入网站点将其与所属协调器之间的工作信道由高速信道切换成低速信道，并通过所述低速信道向其所属的协调器发送工作信道切换请求帧；

若所述已入网站点与其所属的协调器之间的当前工作信道是低速信道，并且信道质量等级高于第二阈值的，则所述已入网站点将其与所属的协调器之间的工作信道由低速信道切换成高速信道，并通过所述高速信道向其所属的协调器发送信道切换请求帧；

所属协调器收到所述信道切换请求帧后，更新路由列表中所述已入网站点的信道信息，生成信道切换请求确认报文并通过相应工作信道告知所述已入网站点，完成信道切换；

所述第二阈值与所述第一阈值之间应预留足够回滞余量，避免信道频繁切换，影响通信效率。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1、本发明所述通信单元在兼容现有低压宽带电力线载波高速信道的同时，通过引入扩频通信技术构建低压宽带电力线载波低速信道，从而可根据应用场景，灵活选择高速信道或低速信道进行通信，有效提高低压宽带电力线载波的单跳传输距离。

2、由于两个信道的工作频段相互独立、互不干扰，本发明能够以此实现高速信道和低速信道的融合，配合组网方法，可减少网络层级结构，同时，本发明根据通道环境情况动态切换信道的机制，可提高一次通信成功率，从而有效提升网络传输效率。

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。

附图说明

图1为本发明一个实施例的低压宽带电力线载波通信单元结构简图；

图2为本发明一个实施例的低压宽带电力线载波通信单元结构详图；

图3为本发明一个实施例的低压配用电信息采集网络组网示意图，其中包括了一级站点入网过程；

图4为本发明一个实施例的低压配用电信息采集网络组网示意图，其中包括了二级站点入网过程；

图5为典型低压配用电物理拓扑结构示意图；

图6为基于传统低压宽带电力线载波技术完成组网后的最优逻辑拓扑结构示意图；

图7为采用本发明方法完成组网后的最优逻辑拓扑结构示意图；

图8为本发明中低压配用电信息采集网络各站点信道切换过程示意图；

图9为本发明中工作信道选择流程图；

图10为本发明一个具体实例所示的集中器到智能电表的电力线物理拓扑结构示意图；

图11至图13为具体实例中各站点的路由示意图；

图14为具体实例中低压用电信息采集网络组网完成后的逻辑拓扑结构示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

图1和图2为本发明所述低压宽带电力线载波通信单元，包括处理器、与处理器连接的存储电路、宽带载波基带模块、模拟前端以及载波信号耦合电路。所述宽带载波基带模块同时提供高速信道和低速信道，宽带载波基带模块中还设置有信道质量检测子模块。模拟前端包括高速信道模拟前端和低速信道模拟前端。所述高速信道与高速模拟前端相连，所述低速信道与低速模拟前端相连。高速信道和低速信道分别通过其各自的模拟前端电路以及耦合电路与电力线相连，完成信号的发送与接收。

所述处理器作为通信单元的CPU处理器，利用程序实现宽带电力线载波通信网络协议栈。

所述存储器主要有Flash和FRAM构成存储子系统，用于存储系统档案、路由信息、通信单元参数等。

所述处理器通过数据总线和控制总线与所述宽带载波基带模块进行信号交互，包括控制信号和反馈信号，

作为一种优选的实施方式，所述宽带载波基带模块基于FPGA的专用ASIC芯片实现，在专用ASIC芯片中实现高速信道、低速信道以及信道质量检测子模块。

所述高速信道的工作频段限定在2MHz～12MHz，传输速率为10Mbps，使用OFDM方式进行载波信号的调制与解调，可获得更高的频谱利用率。

所述低速信道的工作频段限定在12MHz～22MHz，传输速率为1Mbps，使用直接扩频(DS)方式进行载波信号的调制与解调，可获得更远的单跳传输距离。

所述信道质量检测子模块用于获得高速信道和低速信道的信噪比，并提供给处理器，作为评估信道质量、进行信道环境判断和网络优化决策的依据之一。

所述高速模拟前端主要用于对高速信道输入/出信号进行滤波和整形，其在输出方向依次包括信号放大模块和功率控制模块，在输入方向依次包括信号滤波模块和增益控制模块。

所述低速模拟前端主要用于对低速信道输入/出信号进行滤波和整形，其在输出方向依次包括信号放大模块和功率控制模块，在输入方向依次包括信号滤波模块和增益控制模块。

所述高速模拟前端和所述低速模拟前端通过信号耦合模块与电力线连接，完成电力线载波信号收发。

所述信号耦合模块主要用于对输入/出的载波信号进行阻抗匹配、信号耦合及强弱电隔离。

本发明在所述低压宽带电力线载波通信单元中引入扩频通信技术，在宽带频段构建满足1Mbps传输容量需求的低压宽带电力线载波低速通信通道，同时配合兼容传统低压宽带电力线载波的高速通信通道，形成一种支持多通道多调制方式的低压宽带电力线载波通信单元。

基于前述低压宽带电力线载波通信单元，本发明还提出一种适用于低压配用电信息采集网络的组网方法，所述信息采集网络包括协调器和各组网站点(STA)，协调器包括中央协调器(CCO)和代理协调器(PCO)，各协调器和站点均集成有所述低压宽带电力线载波通信单元。

所述中央协调器用于发送中央信标、安排发现信标的发送，触发逐层级的站点进行入网请求，从而完成整个组网过程。

下面以一级站点、二级站点的入网过程为例，阐述本发明提出的组网过程。

结合图3，一级站点的入网过程如下：

S1，所述中央协调器上电后分别通过所述低压宽带载波通信单元中的所述高速信道和所述低速信道监听所述信息采集网络中的协调帧，若监听到协调帧，说明本地有其他中央协调器在进行组网，则根据协调帧参与网络协调，协调内容包括网络ID号、工作频点、组网开始时间等；协调成功后，向站点发送中央信标，开始组网；若在监听时间内始终未收到所述协调帧，说明本地没有其他中央协调器在进行组网，则监听结束后，向站点发送中央信标，开始组网；

S2，所述中央协调器据所述中央信标指定的本周期的TDMA时隙，通过其集成的低压宽带电力线载波通信单元中的高速信道和低速信道同时向外发送发现信标，向周围探测其一级站点；

S3，待入网站点接收到中央协调器发送的发现信标后，根据不同的适用环境和相应的工作信道选择原则在高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道，然后根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，向所述中央协调器发起关联请求报文。

在选择工作信道时，待入网站点可以根据其接收信标帧的传输速度(即信道类型)、信道质量等因素对高速信道和/或低速信道进行综合评价，在综合评价的基础上进行工作信道选择。其中，可以以传输速度作为选择工作信道时优先考虑的因素，也可以将其他因素作为有限考虑的因素。

例如，如图3所示，假定待入网站点A距离中央协调器较近，能够收到所述中央协调器分别从其高速信道和低速信道发送的发现信标，根据传输速度优先原则，选择高速信道作为其工作信道。假定待入网站点B距离中央协调器较远，只收到了所述中央协调器的低速信道发现信标，其选择低速信道作为其工作信道。

S4，所述中央协调器接收到关联请求报文后，对所述待入网站点进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的通信信道告知所述待入网站点；

S5，所述待入网站点接收到关联确认报文后，根据关联确认报文更新自身信息，包括网络ID号、路由信息、站点属性等，入网成功，并成为所述中央协调器的一级站点。

如图4所示，二级站点的入网过程如下：

S6，所述一级站点入网后，所述中央协调器可以通过中央信标重新安排发现信标时隙，让所述一级站点向外发送发现信标，向周围探测其下一级待入网站点；

S7，已入网的一级站点按照中央信标的时隙要求，通过其高速信道和低速信道同时向外发送发现信标；

例如，已入网的一级站点A与其上一级的中央协调器之间的工作信道是高速信道，但其可以通过自身集成的低压宽带电力线载波通信单元中的高速信道和低速信道同时向外发送发现信标。已入网的一级站点B与其上一级的中央协调器之间的工作信道是低速信道，但其可以通过自身集成的低压宽带电力线载波通信单元中的高速信道和低速信道同时向外发送发现信标。

S8，二级待入网站点接收到各一级站点发送的发现信标后，仍然根据不同的适用环境和相应的工作信道选择原则在各接收发现信标的信道中选择一个作为工作信道，并进而在各一级站点中选定一个站点作为其代理协调器，二级待入网站点根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，通过所述代理协调器向中央协调器发起关联请求报文。

此时，在选择工作信道和代理协调器时，二级待入网站点可以根据其接收信标帧的的传输路径层级、传输速度、信道质量等因素进行综合评价，根据具体适用环境和传输策略，可以以传输路径为优先考虑因素，也可以以其他因素作为优选因素。例如，作为选择方式之一，二级待入网站点可以先看传输路径，优选路径层级低的信道作为其工作信道，该路径中对应的上级站点作为其代理协调器；如果路径层级相同，则看本级站点与上级站点之间的传输速度(信道类型)，优选高速信道作为工作信道；如果传输速度也相同，则看上一级站点(如果有)传输速度(信道类型)，优选高速信道对应的路径。

例如，假定待入网二级站点C收到了一级站点A通过其高速信道和低速信道发送的发现信标，同时还收到了一级站点B通过其高速信道和低速信道发送的发现信标，此时，待入网二级站点C根据所述工作信道选择原则，选择已入网一级站点A作为其代理协调器，且选定高速信道为其工作信道。

假定待入网二级站点D因为距离或者环境因素，只能收到已入网一级站点B的高速信道和低速信道发送的发现信标，待入网二级站点D收到所述已入网一级站点B通过其高速信道和低速信道发送的发现信标后，根据工作信道选择原则，待入网二级站点D只能选择所述一级站点B作为其代理协调器，并且优选高速信道为工作信道。

假定待入网二级站点E收到所述已入网一级站点B的低速信道发现信标，根据评估原则，选择所述已入网站点B作为所述待入网站点E的代理协调器，通信通道为低速信道。

在上述过程中，工作信道和代理协调器的选定可以看作是同步完成的，下级站点根据信道选择原则确定了其具体的工作信道，此时，其相应的代理协调器也就确定了。

S9，所述中央协调器收到待入网二级站点的关联请求报文后，对待入网二级站点进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过其相应的通信信道告知该待入网二级站点的代理协调器(即该待入网二级站点选定的作为其代理协调器的已入网一级站点)。

S10，所述代理协调器收到关联确认报文后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的通信信道告知待入网二级网站点。此处，代理协调器需要根据中央协调器的关联确认报文，确认它向中央协调器发送的关于其所属二级站点的关联请求已经被允许，同时，也要把这个关联确认报文再次发给其所属二级站点。

S11，待入网二级网站点接收到其代理协调器发送的关联确认报文后，根据关联确认报文更新自身信息，入网成功，并成为中央协调器的二级站点。

根据实际需要可以设置三级站点以及其他多级站点，三级站点以及其他多级站点入网过程与所述二级站点入网过程相同，不再赘述。

图5～图7为所述组网方法的一个典型实例。图5所示为典型低压配用电物理拓扑结构，假定所述高速通道的单跳有效传输距离都为d＝8，所述低速通道的单跳有效传输距离都为d＝12。如图6所示，传统低压宽带电力线载波仅支持所述高速通道，完成组网后的最优逻辑拓扑结构为四层网络。如图7所示，采用本发明所述高速通道和低速通道相互配合的组网方法，完成组网后的最优逻辑拓扑结构为二层网络。可以看出，采用本发明所述组网方法，可以有效减少网络层级，提升网络传输效率。

工作信道选择原则的一个具体实施例如图8所示，具体流程如下：

S1，各站点低压宽带电力线载波通信单元中的处理器接收到发现信标后，启动信道评估流程，判断通信单元中的存储器中当前路由表是否为空；

如果为空，表示该站点尚未记录路由信息，则为该站点创建路由信息，包括路径信息、信道类型(信道类型是指该信道是高速信道还是低速信道)、信道质量等级等，结束评估流程；

如果不为空，表示该站点已记录路由信息，则进行路径层级对比；

S2，处理器对比接收信标的路径信息和当前路由表记载的路径信息，选择路径层级低的一方作为优选路由，更新通信单元存储器中的当前路由表，然后，结束评估流程；如果二者路径层级相同，则进行信道类别(即信道速度)对比；

S3，处理器对比接收信标信道类别和当前路由表记载的信道类别，选择高速信道一方作为优选路由，更新通信单元存储器中的当前路由表，然后，结束评估流程；如果二者信道类别相同，则进行下一步；

S4，处理器判断站点的中继深度，如果中继深度＜1，表示站点为一级站点，无需进行后续流程，结束评估流程；如果中继深度≥1，表示站点至少为二级站点，具备后续评估条件，则进行该站点的上一级协调器的信道类别对比；

S5，处理器对比接收信标中记载的上一级站点的上一级信道类别和当前路由表记载的上一级站点的的上一级信道类别，选择上一级站点的的上一级信道为高速信道的一方作为优选路由，更新通信单元存储器中的当前路由表，然后，结束评估流程；如果二者信道类别仍然相同，则进行信道质量等级对比；

S6，处理器对比接收信标信道质量等级和当前路由记载的信道质量等级，即对比本站点和其上一级站点之间的信道质量等级，选择信道质量等级高的一方作为优选路由，更新通信单元存储器中的当前路由表，然后，结束评估流程；如果二者信道质量等级相同，则表示参与对比的两个路由情况相近，可不做任何处理，退出评估流程。

在上述过程中，当路由确定后，在该具体路由中，位于本级站点的上一级站点即为本站点的代理协调器。

所述信道质量是以信道质量等级来划分的，信道质量等级由低压宽带电力线载波通信单元中的处理器根据信道质量子模块提供的相应信道的信噪比Snr计算获取，具体方法如下：

S1，宽带载波基带模块中的信道质量检测子模块采用傅里叶变换的方法计算获得接收信号的信噪比Snr，即有效信号功率Ps和噪声功率Pn的比值；

S2，信噪比计算完成后，宽带载波基带模块通过中断反馈信号告知处理器，处理器从宽带载波基带模块的信噪比寄存器中读取信噪比Snr数值；

S3，处理器根据以下公式计算信道质量估值RSSI：

RSSI(dBm)＝C+10*B+M+S

其中：

C表示信道接收通道的噪声基准，是个固定常量，高速信道默认取值-170，低速信道默认取值-150。C的取值与外围硬件电路(模拟前端及耦合电路)有关，必要时可根据实际测试情况确定；

B表示带宽增益系数(BW_Gain)，接收载波信号的带宽不同对应不同的增益系数；B的估值计算公式为：B＝(W/16)*5.698，其中W是载波信号的带宽标识，不同数值代表不同的调制带宽，其取值范围为(10～16)；

M表示噪声偏移量，是个固定常量，由基带芯片通道设计决定，高速信道取值4.0，低速信道取值6.0；

S表示信道信噪比，取值即为步骤S2中从寄存器中读取的信噪比Snr数值；

因此，高速信道和低速信道的信道质量计算公式分别如下：

RSSI_H(dBm)＝-170+10.0*(W/16)*5.698+4.0+Snr；(高速信道)

RSSI_L(dBm)＝-150+10.0*(W/16)*5.698+6.0+Snr；(低速信道)

RSSI值以dBm为单位，取值范围(-170～0)，其中，RSSI值越大表示信道质量越好；上述仅仅为一个实施例，其各项参数可以根据实际应用环境调整。

S4，处理器根据信道质量估值RSSI把信道质量分为三个等级：

level2(-70≤RSSI＜0)

RSSI_Level＝level1(-100≤RSSI＜-70)

level0(-170＜RSSI＜-100)

其中，level2表示信道质量最好，主要适用于高速信道；level0表示信道质量最差，要适用于低速信道；level1质量一般，可以适用于高速也可以适用于低速，设置level1的主要目的是为了信道动态切换时做回滞区间，避免频繁切换。前述作为评判质量等级的参数可以根据实际应用环境调整。

结合图9，本发明还同时提出一种针对上述信息采集网络中站点工作信道的动态调整或者切换方法，具体步骤如下：

T1，已入网站点(包括一级站点、二级站点、代理协调器)实时监测自己与上一级协调器(包括中央协调器和代理协调器)之间的工作信道质量；

T2，若当前所述已入网站点与其上一级协调器之间的工作信道是高速信道，并且信道质量等级低于等级1(Level1)，则所述已入网站点将其与上一级协调器之间的工作信道由高速信道切换成低速信道，并按照中央信标制定的CSMA时隙，通过所述低速信道向其上一级协调器发送工作信道切换请求帧；

T3，若当前所述已入网站点与其上一级协调器之间的工作信道是低速信道，并且信道质量等级高于等级1(Level1)，则所述已入网站点将其与所述上一级协调器之间的工作信道由低速信道切换成高速信道，并按照中央信标制定的CSMA时隙，通过所述高速信道向所述上一级协调器发送信道切换请求帧；

T4，上一级协调器收到所述信道切换请求帧后，更新路由列表中所述已入网站点的信道信息，生成信道切换请求确认报文并通过相应工作信道告知所述已入网节点，完成信道切换；

T5，在网络维护过程中，所述中央协调器可以根据其下一级代理协调器的发现列表信息，获知所述已入网站点的工作信道切换信息并及时更新；

在前述过程中，所述等级1(Level)作为信道质量的回滞区间，避免信道频繁切换，影响通信效率。

综上所述，这样网络中站点可以实时监测信道质量，在信道环境变差的情况下及时切换到低速通道，提高一次通信成功率；在确认信道环境改善后及时切换到高速通道，提高通信速率，从而能够更好地适应电力线动态变化的环境。

结合图10～图14，本发明给出一个典型低压电力线载波抄表实例。典型电压电力线载波抄表网络由集中器和智能电表组成，其中集中器和智能电表中集成了所述低压宽带电力线载波通信单元，集中器安装在低压配电变压器侧，智能电表安装在低压配电变压器所辖区域内的用户侧。假定：

(1)集中器到智能电表的电力线物理拓扑结构如图10所示；

(2)该电力线物理拓扑结构中，高速通道的单跳有效传输距离都为d＝8，低速通道的单跳有效传输距离都为d＝12；

(3)集中器中已下载变压器台区所辖范围内的所有表计档案信息，并且其通信单元的存储器中已保存所有表计档案信息；

根据所述组网方法，上述实例的组网具体过程如下：

T1，集中器通过通信单元的高速信道和低速信道同时发送发现信标，探测其周围的一级站点；

T2，待入网智能电表接收到所述发现信标后，进行评估并选定一个信道，根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，向集中器发起关联请求报文。

T3，集中器接收到关联请求报文后，根据存储的电表档案信息，对待入网的智能电表进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的信道告知给待入网的智能电表；

T4，待入网的智能电表接收到关联确认报文后，根据关联报文更新自身信息，包括网络ID号、路由信息、站点属性等，入网成功，成为集中器的一级站点。

图10所示实例中：

智能电表1收到来自集中器的高速信道发现信标和低速信道发现信标，根据所述信道评估及选择方法，选择高速信道作为优选路径。

同理，智能电表2选择高速信道作为优选路径。

智能电表3只能收到来自集中器的低速信道发现信标，根据所述信道评估及选择方法，只能选择低速信道作为其路径。

同理，智能电表4、智能电表5、智能电表6、智能电表7均选择低速信道作为其路径。

因此，智能电表1和智能电表2成为集中器的一级站点，采用高速信道；智能电表3、智能电表4、智能电表5、智能电表6、智能电表7成为集中器的一级站点，采用低速信道。

T5，一级站点发现周期结束后，集中器可以重新安排信标时隙，让已入网的一级站点发送发现信标，向周围探测二级站点；

T6，已入网的一级站点智能电表按照信标时隙要求，通过高速信道和低速信道同时发送发现信标；

T7，待入网智能电表接收到发现信标后，进行评估并选定一个已入网智能电表作为其代理站点，并根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，通过代理站点向集中器发起关联请求报文；

T8，集中器接收到关联请求报文后，根据存储的电表档案信息，对待入网的智能电表进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的信道告知给待入网智能电表的代理站点；

T9，待入网智能电表的代理站点接收到关联确认报文后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的信道告知给待入网智能电表；

T10，待入网智能电表接收到关联确认报文后，根据关联报文更新自身信息，包括网络ID号、路由信息、站点属性等，入网成功，成为集中器的二级站点；

如图11所示，智能电表8能够接收到智能电表1的低速信道发现信标、智能电表2的低速信道发现信标、智能电表4的低速信道发现信标和智能电表4的高速信道发现信标，分别定义为路由A、路由B、路由C、路由D。

假定待入网的智能电表8依次收到上述四个发现信标，并且路由A的低速信道信号质量等级为level1，路由B的低速信道信号质量等级为level2。根据所述信道评估及选择方法，路由B将替代路由A，进一步，路由D将替代路由B，最终，智能电表8优选路由D，即选择智能电表4作为代理站点，采用高速信道；

如图12所示，智能电表9能够接收到智能电表2的低速信道发现信标和智能电表6的高速信道发现信标，分别定义为路由A、路由B。

假定待入网的智能电表9依次收到上述两个发现信标。根据所述信道评估及选择方法，路由B将替代路由A，智能电表9优选路由B，即选择智能电表6作为代理站点，采用高速信道；

如图13所示，智能电表10只能够接收到智能电表4的低速信道发现信标，定义为路由A，即智能电表10选择智能电表4作为代理站点，采用低速信道。

因此，智能电表8为集中器的二级站点，优选路由D，代理站点为智能电表4；智能电表9为集中器的二级站点，优选路由B，代理站点为智能电表6；智能电表10为集中器的二级站点，路由A，代理站点为智能电表4.

T11，二级站点发现周期结束后，集中器检查电表档案信息，发现所有电表已完成入网，没有待入网站点，组网结束。

如图14所示，最终组网完成后的逻辑拓扑结构为两层网络。

本发明通过分析低压宽带电力线载波通信的技术特点，提出的支持多通道多调制方式的低压宽带电力线载波通信单元，在兼容现有低压宽带电力线载波高速通道的同时，提供一种满足一定传输容量需求的低压宽带电力线载波低速通道，有效提高低压宽带电力线载波的单跳传输距离，同时，通过高速通道和低速通道的融合，可降低网络层级结构、提高通信成功率，进而提升网络传输效率。

Claims (10)

1.低压宽带电力线载波通信单元，其特征在于，包括处理器和宽带载波基带模块；所述处理器实现宽带电力线载波通信网络协议栈；所述宽带载波基带模块同时提供高速信道和低速信道；所述高速信道使用OFDM方式进行载波信号的调制与解调；所述低速信道使用直接扩频方式进行载波信号的调制与解调。

2.如权利要求1所述的低压宽带电力线载波通信单元，其特征在于，还包括模拟前端和信号耦合电路；模拟前端包括高速信道模拟前端和低速信道模拟前端；

所述高速模拟前端用于对高速信道输入/出的信号进行滤波和整形；

所述低速模拟前端用于对低速信道输入/出的信号进行滤波和整形；

所述信号耦合电路用于对输入/出的信号进行阻抗匹配、信号耦合及强弱电隔离。

3.如权利要求2所述的低压宽带电力线载波通信单元，其特征在于，所述高速信道的工作频段限定在2MHz～12MHz，传输速率为10Mbps；所述低速信道的工作频段限定在12MHz～22MHz，传输速率为1Mbps。

4.一种适用于低压配用电信息采集网络的组网方法，其特征在于，所述信息采集网络包括协调器和各组网站点，协调器和站点均集成有权利要求1至3中任意一项所述的低压宽带电力线载波通信单元；

所述协调器用于发送发现信标，触发各站点进行入网请求，从而完成组网。

5.如权利要求4所述的组网方法，其特征在于，

所述协调器根据中央信标指定的TDMA时隙，通过低压宽带电力线载波通信单元中的高速信道和低速信道同时向外发送发现信标，向周围探测待入网站点；

待入网站点接收到协调器发送的发现信标后，在协调器的高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道，然后根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，向所述协调器发起关联请求报文；

所述协调器接收到关联请求报文后，对所述待入网站点进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的工作信道告知所述待入网站点；

所述待入网站点接收到关联确认报文后，根据关联确认报文更新自身信息，入网成功。

6.如权利要求5所述的组网方法，其特征在于，所述协调器包括中央协调器和代理协调器，站点至少包括一级站点和二级站点；

待入网一级站点接收到中央协调器发送的发现信标后，在中央处理器的高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道，然后根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，向所述中央协调器发起关联请求报文；

所述中央协调器接收到关联请求报文后，对所述待入网一级站点进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的工作信道告知所述待入网一级站点；

所述待入一级网站点接收到关联确认报文后，根据关联确认报文更新自身信息，入网成功，并成为所述中央协调器的一级站点；

所述一级站点入网后，所述中央协调器通过中央信标重新安排发现信标的发送时隙，让使用所述一级站点向外发送发现信标，向周围探测其下一级待入网站点；

已入网的一级站点按照中央信标给定的TDMA时隙，通过其高速信道和低速信道同时向外发送发现信标；

二级待入网站点接收到各一级站点发送的发现信标后，在各一级站点中选择一个站点作为其代理协调器并在所述代理协调器的高速信道和低速信道中选择一个信道作为工作信道，二级待入网站点根据收到的信标帧指示的CSMA时隙，通过所述代理协调器向中央协调器发起关联请求报文；

所述中央协调器收到待入网二级站点的关联请求报文后，对待入网二级站点进行身份认证，通过认证后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过其相应的通信信道告知该待入网二级站点的代理协调器；

所述代理协调器收到关联确认报文后，进行关联处理，生成关联确认报文并通过相应的通信信道告知待入网二级网站点；

待入网二级网站点接收到其代理协调器发送的关联确认报文后，根据关联确认报文更新自身信息，入网成功，并成为中央协调器的二级站点。

7.如权利要求5所述的组网方法，其特征在于，各级站点选择工作路由的方法为：

S1，各站点接收到发现信标后，判断存储器中当前路由表是否为空；

如果为空，则为本站点创建路由信息，包括路径信息、信道类型、信道质量等级，不进行后续步骤；

如果不为空，则进行步骤S2；

S2，对比接收信标的路径信息和当前路由表记载的路径信息，选择路径层级低的路径作为优选路由，更新存储器中的当前路由表，不进行后续步骤；如果二者路径层级相同，则进行步骤S3；

S3，对比接收发现信标的信道类别和当前路由表记载的信道类别，选择高速信道作为优选路由，更新存储器中的当前路由表，不进行后续步骤；如果二者信道类别相同，则进行步骤S4；

S4，判断本站点的中继深度，如果中继深度＜1，表示本站点为一级站点，不进行后续程序；如果中继深度≥1，表示本站点至少为二级站点，则进行步骤S5；

S5，对比本站点的上一级站点与其协调器之间的级信道类别和当前路由表记载的本站点的上一级站点与其协调器之间的信道类别，选择上一级站点与其协调器之间为高速信道一方作为优选路由，更新储器中的当前路由表，然后，结束工作路由选择；如果二者信道类别仍然相同，则进行步骤S6；

S6，对比本站点与其上一级站点之间的信道质量等级和当前路由记载的本站点与其上一级站点之间的信道质量等级，选择信道质量等级高的一方作为优选路由，更新存储器中的当前路由表，然后，结束工作路由选择；如果二者信道质量等级相同，则直接结束工作路由选择。

8.如权利要求7所述的组网方法，其特征在于，所述信道质量等级的划分方法如下：

S1，检测获得信道的信噪比Snr，

S2，根据以下公式计算信道质量估值RSSI：

RSSI＝C+10*B+M+Snr

其中：

C表示信道接收通道的噪声基准；B表示带宽增益系数；M表示噪声偏移量；

S3，根据信道质量估值RSSI，按下述方式将信道质量分为三个等级：

9.如权利要求8所述的网方法，其特征在于，

已入网站点实时监测自己与其所属协调器之间的工作信道质量；

若所述已入网站点与其所属协调器之间的当前工作信道是高速信道，并且信道质量等级低于level1，则所述已入网站点将其与所属协调器之间的工作信道由高速信道切换成低速信道，并通过所述低速信道向其所属的协调器发送工作信道切换请求帧；

若所述已入网站点与其所属的协调器之间的当前工作信道是低速信道，并且信道质量等级高于level1，则所述已入网站点将其与所属的协调器之间的工作信道由低速信道切换成高速信道，并通过所述高速信道向其所属的协调器发送信道切换请求帧；

所属协调器收到所述信道切换请求帧后，更新路由列表中所述已入网站点的信道信息，生成信道切换请求确认报文并通过相应工作信道告知所述已入网站点，完成信道切换。

10.如权利要求5、6或者7所述任意一组网方法，其特征在于，

已入网站点实时监测自己与其所属协调器之间的工作信道质量；

若所述已入网站点与其所属协调器之间的当前工作信道是高速信道，并且信道质量低于第一阈值的，则所述已入网站点将其与所属协调器之间的工作信道由高速信道切换成低速信道；

若所述已入网站点与其所属的协调器之间的当前工作信道是低速信道，并且信道质量高于第二阈值的，则所述已入网站点将其与所属的协调器之间的工作信道由低速信道切换成高速信道。