CN110311805B - 一种基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，包括单模载波节点、单模无线节点、全双模节点和半双模节点，各节点按设定组网方式组成所述多源通讯网络，所述多源通讯网络包括多个子网，各子网间无重叠，所述设定组网方式包括以下步骤：1)基于采集系统数据库信息，生成初始网络模型；2)通过台区分区及相位识别对所述初始网络模型进行调整和切换，生成最终网络模型。与现有技术相比，本发明具有实现微功率无线和电力线通讯的双模融合、节点通信可靠性高等优点。

Description

一种基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络

技术领域

本发明涉及一种用电信息采集网络，尤其是涉及一种基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络。

背景技术

随着低压集抄系统建设的开展，市场上涌现出多种多样的低压本地数据通讯技术，这些方案有不同的技术特点，在不同的应用场景里面的采集效果也有差异，制约着数据采集的覆盖率，影响低压集抄建设的效果和应用。

双模通信是众多数据采集通信技术的一种，曾用“双模异构”来表示此通信技术，其具体的含义是电力线载波通信技术和微功率无线通信技术的混合技术，同时利用了两种技术的优点，相互克服了两种技术的缺点。双模通信理论上具备了电力线载波和微功率无线通信两种技术的优点，相互克服了两种技术的缺点，传输的可靠性与稳定性得到提升。但实际应用情况却不尽然，要想发挥两种技术的优势，对混合组网、信道调度的技术要求比较高；当前阶段国内的主要双模方案厂家基本都以一种技术为主，另一种技术作为补充或桥接的作用。

现有的通讯方案均将所有采集节点同类处理，采用单一的组网方式，并未针对电能表、水表、气表、热表进行甄别利用。

目前的双模通讯技术大多采用一种技术为主，另一种技术作为补充或桥接，或者两张通讯网络同时运行的方式，存在以下问题：

1.单一的通讯技术存在通讯不稳定、抗干扰能力弱、点对点通讯距离近、易受电力线或者环境影响、无法实现接线异常自动识别等缺点。

2.简单的电力线通讯和无线通讯进行拼凑，无法真正意义上做到双模融合、混合组网，无法真正发挥两种通讯技术的优势，通讯效率、通讯稳定性和覆盖率无法实现质的提升。

3.采用单一的组网方式，不针对电能表、水表、气表、热表进行甄别利用，造成多源采集特征不能充分利用，组网效率仍存在提升空间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的讯不稳定、抗干扰能力弱、点对点通讯距离近、易受电力线或者环境影响、无法实现接线异常自动识别等缺陷而提供一种基于微功率无线及电力线通讯(PLC)的多源通讯网络。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，包括单模载波节点、单模无线节点、全双模节点和半双模节点，各节点按设定组网方式组成所述多源通讯网络，所述多源通讯网络包括多个子网，各子网间无重叠，

所述设定组网方式包括以下步骤：

1)基于采集系统数据库信息，生成初始网络模型；

2)通过台区分区及相位识别对所述初始网络模型进行调整和切换，生成最终网络模型。

进一步地，所述全双模节点中，微功率无线和载波同时发送和同时接收，

所述半双模节点中，微功率无线和载波同时接收但分时发送。

进一步地，根据电、水、热、气表的节点特征，以位置集中器的表计视为一个子网。

进一步地，所述多源通讯网络包括主节点、从节点和中继节点，所述主节点为全双模节点。

进一步地，所述台区分区具体为：根据各节点的时间偏移量进行台区划分。

进一步地，同一台区内，i节点收到广播命令的接收时间与过零点的时间偏差ΔT_i满足：

ΔT_i≤T_max+t_c

其中，T_max为本台区最大偏移阈值，t_c为固有偏移。

进一步地，进行台区分区时，对待区分的各节点收到广播命令的接收时间与过零点的时间偏差ΔT_i进行升序排列，将前N个时间偏差ΔT_i对应的节点划分为该台区节点，N为台区节点数目。

进一步地，以多次时间偏移量的最大似然估计值作为台区划分依据。

进一步地，所述相位识别具体为：

主节点发送相位识别命令至目标从节点，获取目标从节点收到广播命令的接收时间与过零点的时间偏差ΔT_i，判断ΔT_i是否在0±200us内，若是，则目标从节点所处交流电相位与主节点发送信息的相位相同。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明设置有单模载波节点、单模无线节点、全双模节点和半双模节点，可以充分实现微功率无线和电力线通讯的双模融合。

2、本发明利用电、水、热、气表的节点特征减小规模，把位置集中器的表计视为一个子网，由于该子网中环境相对固定且简单，可以适当提高无线的通信速率并适当降低无线发送功率。

3、本发明设计基于多数据源拓扑信息的网络切换和选择，实现网络重构，提高网络通信的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为台区区分和相位信息示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，包括单模载波节点、单模无线节点、全双模节点和半双模节点，各节点按设定组网方式组成所述多源通讯网络。所述多源通讯网络包括主节点、从节点和中继节点，所述主节点为全双模节点。如图1所示的混合组网结构中，主节点为全双模节点，节点2和节点7为单模载波节点，节点5和节点8为单模无线节点，节点3和节点6为全双模节点，节点4和节点9为半双模节点。为了简化网络维护工作，在网络中节点之间不支持载波和无线双信道。全双模节点中，微功率无线和载波同时发送和同时接收；半双模节点中，微功率无线和载波同时接收但分时发送。

组网过程由一个主节点发起，一个主节点组织的网络只使用一个无线信道，启动后随机选择无线信道进行侦听，当该信道长时间空闲时，采用该信道，否则重新选择信道，直到找到空闲无线信道，启动无线组网。为简化问题，信道规划根据两种信道速率进行适配。

多源通讯网络包括多个子网，各子网间无重叠。

1、基于电、水、热、气表的节点特征的子网设计

(1)子网设计

电、水、热、气表大都以单元、楼层、用户为单位进行安装的特点，其空间、电力线环境具备相关性，为充分利用双模中无线的通信能力，把位置集中器的表计视为一个子网。由于该子网中环境相对固定且简单，可以适当提高无线的通信速率并适当降低无线发送功率。在表箱内形成一个无线的高速子网。则该层级子网可以使用与上级子网相同的无线信道。电力线通讯组网以子网为单位进行聚类，避免重复组网导致的时域和频域浪费。

(2)子网组网过程

①组织子网主节点子网。

·主节点发出组网命令(SelfTime＝0)，接收到N个从节点；

·依次对N个节点执行子网组网命令，并得到N个节点的子网。属于子网主节点的节点进行聚类，子网之间不能重叠。

·重复以上步骤，直到没有新的子网主节点。

②从节点子网

·聚类子网不是表箱子网，是正常速率下的中继子网。

·主节点发命令让从节点去执行从节点子网建立过程。建立过程与主节点子网建立过程类似。

·主节点在命令结束后读取从节点的子网信息。

2、基于多数据源拓扑信息的网络切换和选择

采集系统中存在水表、气表、热表及电能表的很多位置、用户及编号信息，基于数据库信息的数据分析，搭建初步的网络规模和拓扑信息，从而形成初始的网络模型。不过由于管理及信道特性，此时网络模型还不准确，需要借助通信系统的自动识别、边缘计算、大数据分析和似然估计进行调整和切换。

本发明采用的设定组网方式包括以下步骤：

1)基于采集系统数据库信息，生成初始网络模型；

2)通过台区分区及相位识别对所述初始网络模型进行调整和切换，生成最终网络模型。

(1)台区区分

台区负载导致交流电相位偏移，不同台区的偏移将会明显大于本台区内节点的偏移量。将相位偏移角度等效为时间偏移，一般同台区的时间偏差不会超过200ms。依据台区的这一区分特征，结合电力线载波通信，提出台区区分算法。

本台区电力线载波通信主模块在某固定相位点φ广播发送台区区分命令，一般φ＝0为电压过零点。收到广播命令的i节点将计算接收时间与过零点的时间偏差。在一次台区区分通讯中有

其中T₀,T_i分别为主节点发送时刻和从节点接收时刻相对过零点的偏移。一般主节点选在过零时刻发送命令，所以如果认为T₀＝0，则T_i和ΔT_i都可以认为是从节点i接收时刻相对过零点的偏移。Δt为主从节点之间实际偏移量，t_s为随机偏移。t_p为交流电相别带来的偏移，实际区分过程将对取值0ms，6.7ms，13.3ms进行尝试，在分析过程中相当于增加常数，所以这里可假设同相，即t_p＝0。t_c为固有偏移，主要是从节点等硬件的处理延迟造成的，如前假设t_c可认为是常数。如果预设本台区最大偏移阈值为T_max，则

ΔT_i≤T_max+t_c (2)

满足(2)的皆为与主节点同台区的节点，其余皆为非同台区节点。

在某些实施例中，可采用另一种台区划分方式：若已知同台区节点数目为N，并保证同台区节点全部可连通，还可以升序排列{ΔT_i}为{ΔT_is}。则{ΔT_is}的对应的前N个节点即为本台区节点。

以上方法从理论可以达到台区区分的目的，但是由于t_s的随机性，导致单次区分过程置信度较低。下面进一步提出改进算法提高区分精确度。

由(1)式，得

t_s＝ΔT_i-Δt-t_c (3)

假设t_s服从正态分布(μ,σ²)，那么n次交互统计之后得到关于ΔT_i的极大似然函数为

求L(ΔT_i,μ,σ²)的极大值可等效为求ln L(ΔT_i,μ,σ²)的极值，即

由(5)式得ΔT_i的极大似然估计为

又

所以

即n次偏移的最大似然估计值即为n次时间偏移的均值。根据极大似然估计原理，区分次数n越多，式(8)越趋于稳定，也即是台区区分结果越准确。

(2)基于电力线载波通讯的相位识别

电力线载波通信主节点在某确定象限，例如A相，定向发送相位识别命令至未知相位的从节点，从节点由上一节的区分保证处于本台区。根据第一节的方法计算出从节点的偏移ΔT_i或

计算不加入相别的预设，即不考虑t_p，(1)式变为

若偏差在0±200us以内，则认为目标从节点所处交流电相位与主节点发送信息的相位相同，本例中即是A相。当偏差等于6.7ms±200us或13.3ms±200us时，则认为目标从节点所处交流电相位与主节点发送相位相差2π/3或4π/3，本例中即是B相或C相，如图2所示。

由此可以将待测电能表进行初步划分，确定电能表的相位信息。相位信息作为组网策略的关键选择因子，搭建基于相位信息的分相组网策略。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，其特征在于，包括单模载波节点、单模无线节点、全双模节点和半双模节点，各节点按设定组网方式组成所述多源通讯网络，所述多源通讯网络包括多个子网，各子网间无重叠，根据电、水、热、气表的节点特征，以位置集中器的表计视为一个子网，在表箱内形成一个无线的高速子网，该层级子网使用与上级子网相同的无线信道，所述电力线通讯组网以子网为单位进行聚类，所述多源通讯网络包括主节点、从节点和中继节点，所述主节点为全双模节点，所述子网的组网过程包括由主节点发出命令执行的组织子网主节点子网建立过程和从节点子网建立过程；

所述设定组网方式包括以下步骤：

1）基于采集系统数据库信息，生成初始网络模型；

2）通过台区分区及相位识别对所述初始网络模型进行调整和切换，生成最终网络模型。

2.根据权利要求1所述的基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，其特征在于，所述全双模节点中，微功率无线和载波同时发送和同时接收，

所述半双模节点中，微功率无线和载波同时接收但分时发送。

3.根据权利要求1所述的基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，其特征在于，所述台区分区具体为：根据各节点的时间偏移量进行台区划分。

4.根据权利要求3所述的基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，其特征在于，同一台区内，i节点收到广播命令的接收时间与过零点的时间偏差ΔT_i满足：

ΔT_i≤T_max+t_c

其中，T_max为本台区最大偏移阈值，t_c为固有偏移。

5.根据权利要求3所述的基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，其特征在于，进行台区分区时，对待区分的各节点收到广播命令的接收时间与过零点的时间偏差ΔT_i进行升序排列，将前N个时间偏差ΔT_i对应的节点划分为该台区节点，N为台区节点数目。

6.根据权利要求4所述的基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，其特征在于，以多次时间偏移量的最大似然估计值作为台区划分依据。

7.根据权利要求1所述的基于微功率无线及电力线通讯的多源通讯网络，其特征在于，所述相位识别具体为：

主节点发送相位识别命令至目标从节点，获取目标从节点收到广播命令的接收时间与过零点的时间偏差ΔT_i，判断ΔT_i是否在0±200us内，若是，则目标从节点所处交流电相位与主节点发送信息的相位相同。

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