CN110661551B - 一种自适应调整信标周期时隙数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应调整信标周期时隙数的方法，在多站点入网过程中，通过将STA按是否只能作为终端节点分为两类，并计算一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值n，通过判断是否有入网请求超时，进行自动加减广播发送发现信标的站点时隙数目，可改善信标周期内信标时隙的划分，使整个信标周期内，数据发送所占比例上升，提高了数据发送的效率。

Description

一种自适应调整信标周期时隙数的方法

技术领域

本发明属于宽带电力线通信技术领域，尤其涉及一种自适应调整信标周期时隙数的方法。

背景技术

PLC(Power Line Communication，电力线通信)是指以电力线为传输媒介的一种通信方式，主要应用于远程自动抄表、配电网自动化控制、家庭内部互连、智能小区以及多媒体通信最后一公里网络接入等，具有建设速度快、投资少、无需室内布线等特点。近年来，BPL(BroadbandoverPowerLine，宽带电力线通信)相关技术的发展提高了电力线通信的数据传输速率，特别是正交频分复用技术的发展使高速PLC得以实现。在电力线广泛分布、无需额外布线、成本低廉优势下，电力线通信应用前景广阔。

在现有技术的网络组网中，其在一个信标周期内，发送每个STA(Station，站点)的信标时隙，导致一个信标周期内发送了多余控制消息，减少了用于发送数据消息的时间，即造成了信标时隙的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应调整信标周期时隙数的方法，在多站点入网过程中，根据入网时延要求确定STA广播比例，自适应调节信标时隙中所要发送的STA数量，避免造成信标时隙的浪费。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种自适应调整信标周期时隙数的方法，包括以下步骤：

获取当前网络中入网成功的STA的数量，将该数量记为M；

CCO(Central Coordiantor，中央协调器)对所有的STA进行分类，以是否只能作为终端节点为条件，将所有STA分为两类；

将只能作为终端节点的STA的数量记为N，则得到(M-N)为可广播发送信标的入网站点数目；

计算一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值n；

判断是否收到STA的入网请求超时；

如果入网请求超时，则将广播发送发现信标的站点时隙数目加1；

其中，所示M、N、n为正整数。

可选地，所述判断是否收到STA的入网请求超时之后，还包括以下步骤：

如果入网请求未超时，则程序结束，将广播发送发现信标的站点时隙数目维持不变。

可选地，所述如果入网请求超时，则将广播发送发现信标的站点时隙数目加1之后，还包括以下步骤：

当站点时隙数目大于n时，判断是否同时满足以下两个条件：条件一，根据宽带电力线通信网络实际情况，设定STA个数m，在连续m个STA入网过程中，均未出现入网站点超时情况；条件二，在连续的m个入网等待时间阈值内，网络中未出现入网站点超时情况；

如果同时满足所述两个条件，则将广播发送发现信标的站点时隙数目减1，然后返回执行所述判断是否收到STA的入网请求超时。

可选地，所述判断是否同时满足以下两个条件之后，还包括以下步骤：

如果所述两个条件有至少一个不满足时，则返回执行所述判断是否收到STA的入网请求超时。

可选地，所述计算一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值n的方法为：

设网络中STA的入网等待时间规定值为T，该网络的信标周期为t，则在每个信标周期内，STA的广播数量应满足如下公式：

(STA广播数量)÷(STA总数)≥(信标周期)÷(站点入网时间规定值)，

即STA广播数量≥(M-N)×t÷T，所述站点时隙数目的理论最小值n为符合该公式的最小整数。

所述STA判断入网请求是否超时之后，还包括：

若入网请求超时，STA在关联请求报文中使用一个新的type值；

若入网请求未超时，STA在关联请求报文中使用原type值；

所述type为报文类型字段。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提供的一种自适应调整信标周期时隙数的方法，在多站点入网过程中，通过将STA按是否只能作为终端节点分为两类，并计算一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值n，通过判断出STA入网请求超时，则进行自动将广播发送发现信标的站点时隙数目加1，可改善信标周期内信标时隙的划分，使整个信标周期内，数据发送所占比例上升，提高了数据发送的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的宽带载波通信网络协议栈基于标准的开放式系统互联(OSI)七层模型图。

图2为本发明实施例提供的宽带载波通信网络拓扑图。

图3为本发明实施例提供的信标周期的时隙划分图。

图4为本发明实施例提供的信标周期的时隙分割图。

图5至8为本发明实施例提供的一种自适应调整信标周期时隙数的方法的方法流程图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示。

宽带载波通信网络协议栈基于标准的开放式系统互联(OSI)七层模型，定义了物理层、数据链路层、应用层共3层。

其中数据链路层分为网络管理子层和媒体访问控制子层。数据链路层直接为应用层提供传输服务，也可扩展与标准TCP/IP进行对接以实现标准IP网络通信。

请参阅图2所示。

宽带载波通信网络拓扑图如图2所示，BPL的组网过程主要分为多网络网间协调、单网络组网和网络维护三个部分。

多网络网间协调：多网络网间协调具体流程如下：

1、CCO启动后，首先进行一段时间的网络监听，判断周围是否存在已处于工作的宽带载波通信网络。对于已经处于工作的宽带载波通信网络，应周期性的发送网间协调帧，以便其他后上电的CCO进行监听。

2、若在CCO监听时间内接收到邻居网络的网间协调帧，则需要根据网间协调帧中携带的SNID(Short Network Identifier，短网络标识符)和时隙等信息，按照一定的优先原则，进行协商；若没有监听到网间协调帧，则该CCO可以独立组网工作。

3、之后进行带宽协调，按照带宽协商原则将不同网络的信标时隙尽量有序的错开，既保证信标时隙的不冲突，也要保证信标时隙发送的周期性。

单网络组网：单独组网的过程，主要是CCO通过发送中央信标和安排发现信标发送，以及代理信标的发送，触发逐层级的STA的网络接入请求，来完成整个组网过程。组网过程分为三个部分，分别为CCO的组网行为、PCO(Proxy Coordinator，代理协调器)的组网行为以及STA的组网行为。

1、CCO的组网行为CCO在协调成功后开始组网，发送中央信标；CCO在中央信标中，需要安排信标TDMA(Time division multiple access，时分多址)时隙和CSMA(Carriersense multiple access，载波侦听多址)时隙。信标TDMA时隙，是用来指示CCO，PCO，或者STA发送信标。

如果有一级站点请求接入网络，CCO需要对请求接入网络的站点，通过白名单进行身份认证。之后，CCO可以将关联请求的处理结果，通过发送关联指示报文告知给STA。

当一级站点接入网络后，CCO可以安排信标时隙，让新入网的一级站点发送发现信标。发现信标的发送，可以触发新入网站点周围的二级站点发起关联入网的请求。当二级站点入网后，CCO可以安排信标时隙，让新入网二级站点发送发现信标，触发该二级站点周围的三级站点发起关联入网请求。如此循环，以便距离CCO最远的最高层级的STA站点加入网络。

2、STA的组网行为STA上电后，可能会收到多个网络(SNID不同)的报文，STA站点可以根据多网络优选标志，在多个网络中，选定一个信号更好的网络，作为本站点的接入目标网络，也可以选择初次发现的网络作为接入目标网络。

3、PCO的组网行为STA在入网成功后，如果被CCO安排发送发现信标之后，该STA可能被下一级站点选择成为下一级站点的代理站点；

当一个STA被CCO确认成为代理站点后，CCO会分配该STA的信标时隙，指示该STA发送代理信标；

当一个STA通过代理站点入网时，CCO会将关联请求的处理结果，携带在关联确认报文中发送给STA的代理站点。该代理站点在处理完成后，需要将关联确认报文中的内容，通过关联指示报文，通知给STA。

网络维护：网络维护具体流程如下：

1、组网过程中，每个站点可以根据接收的发现信标，感知自己的邻居站点，并记录下来，形成一个发现列表。站点的中继路由，就可以在自己的发现列表中进行选择。

2、如果每个站点将本站点的发现列表广播发布，则有利于形成更全面的网络拓扑信息，有利于站点寻找更合适的路由。

3、组网完成后，包括CCO和所有入网的STA，都需要定周期的发送发现列表报文，发现列表报文中携带了本站点的发现列表等信息。

4、代理站点(PCO)将本地维护的发现列表中的站点活跃信息，通过定周期的心跳检测报文，发送给CCO。

请参阅图3所示。

BPL信道访问机制

宽带载波通信网络使用基于信标帧的信道访问机制，CCO周期性地发送信标帧，信标帧中包含了CCO分配的信标周期内的信标时隙，TDMA时隙，CSMA时隙，绑定CSMA时隙等时隙的规划信息。宽带载波通信网络中的子节点，必须遵循CCO分配的时隙，进行信道访问。信标周期的时隙划分如图3所示。

一般的，信标时隙和TDMA时隙等明确分配给CCO或具体STA使用的时隙，统称为非竞争时隙(TDMA时隙)；CSMA时隙和绑定CSMA时隙等未指明使用者的时隙，需要有需求的STA竞争使用的时隙，统称为竞争时隙(CSMA时隙)。

在多个宽带载波通信网络并存且相互干扰的时候，CCO之间需要进行时隙协调。

CCO在进行信道访问时，需要考虑电力线的相线因素。不同电力线相线上的STA，与CCO进行通信时，也需要考虑电力线相线的因素。可根据自身所在的相线，选择与之对应的时隙与CCO进行通信。

CCO在时隙规划时，根据业务需要，可以分配绑定CSMA时隙，由某种业务单独占有该时隙，凡是涉及该业务的STA，可以在该绑定CSMA时隙中，竞争发送该业务的报文。

信标机制

宽带载波通信网络中有三种类型的信标帧：中央信标，代理信标和发现信标。信标帧必须在信标时隙中进行发送。信标时隙由CCO进行分配，分配时需要指明具体STA可以使用的对应时隙。其中，中央信标和代理信标在每个信标周期内都必须发送。发现信标要求每一个STA，从加入网络后每170秒时间周期内至少发送两个信标帧。STA在接收到信标帧后，一旦确定CCO指定其在某个时隙内发送信标帧，则必须在相应的时隙内，发送相应的信标帧。

中央信标

中央信标由CCO生成，在中央信标中，包含当前宽带载波通信网络的网络基准时间NTB，通过信标帧中的BTS字段，实时的通知给网络中STA。在单个宽带载波通信网络中，中央信标是定周期发送的，发送周期可自定义；在多个宽带载波通信网络共存的场景中，CCO的中央信标的发送时隙是需要按一定原则在多个宽带载波通信网络的CCO之间协调。

代理信标

代理信标由代理站点(PCO)发送，代理信标中包含了中央信标的全部时隙安排内容，并且携带了代理STA的基本属性。

代理站点必须按照中央信标中指定的信标时隙，发送代理信标。

未入网的STA，在接收到代理信标后，可以根据代理信标中的时隙安排等内容，发起加入网络的请求。

发现信标

发现信标由STA发送，发现信标必须在CCO指定给该STA的信标时隙内发送。

发现信标，主要用于发现周围可能的隐藏STA。信标中包含了用于隐藏STA加入网络的竞争时隙安排等内容。

未入网的STA，在接收到发现信标后，可以根据发现信标中的时隙安排等内容，发起加入网络的请求。

信标时隙管理

CCO，PCO，STA三个角色，对于信标中时隙的管理算法是一致的。CCO将信标周期中的时隙分配，按照统一的算法，填充到信标中的时隙分配条目，通过信标发送，通知给PCO和STA等站点。PCO和STA对于信标中的时隙分配条目的解析，同样遵照统一的算法。

如图3所示，信标周期共分为四个不同的时隙，分别为信标时隙、CSMA时隙、TDMA时隙和绑定CSMA时隙。由于本发明只涉及到信标时隙，所以这里只对信标时隙进行介绍。

整个信标周期中，信标时隙一般按照如图4所示进行分割。

请参阅图4所示。

信标时隙

中央信标时隙，必须是从0时刻起分割，如果存在多个时隙，则依次按照相线进行分割，如图4中的A，B，C分别指分割出来三个CCO的中央信标时隙。CCO需要在ABC三个相线上进行中央信标发送。

代理信标时隙在分割时，需要偏移过中央信标时隙后，开始计算。

发现信标时隙在分割时，需要偏移过中央信标时隙和代理信标时隙之后，开始计算。

本实施例提供了一种自适应调整信标周期时隙数的方法，在多站点入网过程中，可解决信标时隙的浪费问题。

具体的，该自适应调整信标周期时隙数的方法基于以下7个前提条件：

1、宽带电力线通信网络组网，是在多网络环境下，不同网络的PLC设备共同组网。

2、在每个网络中，只有一个CCO设备以及若干STA设备。

3、各网络CCO设备之间已完成SNID的协商，确定了各自网络的SNID，保证了各个宽带通信网络能够独立稳定的组网。

4、各网络之间的信标时隙按照带宽协调原则有序的错开。

5、各个网络的STA设备由相同厂商提供，同一厂商所生产的设备MAC地址是有关联的。需要说明的是，MAC地址的长度为48位(6个字节)，通常表示为12个16进制数，如：00-16-EA-AE-3C-40就是一个MAC地址，其中前6位16进制数00-16-EA代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE(电气与电子工程师协会)分配，而后6位16进制数AE-3C-40代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号。只要不更改自己的MAC地址，MAC地址在世界是惟一的。形象地说，MAC地址就如同身份证上的身份证号码，具有唯一性

6、各网络中STA设备收到各个网络的信标帧时间间隔非常小。

7、宽带电力线网络中STA设备拥有一个入网等待时间阈值。

进一步的，该自适应调整信标周期时隙数的方法的基本思路如下：

在多站点入网过程中，由于某些STA在没有新节点入网的情况下，仍然广播发送发现信标，这会导致该发现信标的广播无意义，浪费广播帧和发现信标时隙。为了尽可能的在一个信标周期内多的进行数据帧的发送，根据入网时延要求确定STA广播比例，自适应调节信标时隙中所要发送的STA时隙数量，同时保证STA顺利入网。

请参阅图5所示。

具体的，该自适应调整信标周期时隙数的方法包括以下步骤：

步骤S1、获取当前网络中入网成功的STA的数量，将该数量记为M。

步骤S2、CCO对所有的STA进行分类，以是否只能作为终端节点为条件，将所有STA分为两类。

具体的，例如类似家电STA只能作为终端节点。

步骤S3、将只能作为终端节点的STA的数量记为N，则(M-N)为可广播发送信标的入网站点数目。

步骤S4、计算一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值n。

具体的，该步骤的目的在于对该(M-N)个站点进行调整，以便最大限度的在一个信标周期内尽可能多的用于数据的传送。

步骤S5、判断是否收到STA的入网请求超时。

具体的，在入网请求报文中的type字段携带有入网等待超时信息，据此可判断是否收到STA的入网请求超时，即若STA未在入网时间规定值中成功收到信标帧，申请入网时，则在关联请求报文中会有一个新的type值，若未超时，则还是原来的type值。

步骤S6、如果入网请求超时，则将广播发送发现信标的站点时隙数目加1，第一次增加时，站点时隙数目等于n+1。

具体的，若在站点入网过程中，CCO设备所收到的STA设备发送的入网请求中，type字段显示入网时间超时，表明网络中STA设备入网超时，不符合STA设备入网要求，则将广播发送发现信标的站点时隙数目加1，即n+1。

请参阅图6所示。

进一步的，在步骤S5之后，还包括以下步骤：

步骤S7、如果入网请求未超时，则程序结束，将广播发送发现信标的站点时隙数目维持不变。

具体的，在一个超帧中让更多的STA广播信标帧，增加新节点及时入网的概率；若CCO站点未收到任何超时的STA入网请求，则维持该STA站点时隙数目。

请参阅图7所示。

进一步的，在步骤S6之后，还包括以下步骤：

步骤S8、当站点时隙数目大于n时，判断是否同时满足以下两个条件：条件一，根据宽带电力线通信网络实际情况，设定STA个数m，在连续m个STA入网过程中，均未出现入网站点超时情况；条件二，在连续的m个入网等待时间阈值内，网络中未出现入网站点超时情况；

步骤S9、如果同时满足所述两个条件，将广播发送发现信标的站点时隙数目减1，然后返回执行步骤S5。

请参阅图8所示。

进一步的，所述判断是否同时满足以下两个条件之后，还包括以下步骤：

步骤S10、如果所述两个条件有至少一个不满足时，则返回执行步骤S5。

具体的，上述步骤S4中，计算n的方法为：

网络中STA都有一个入网等待时间阈值，因此设网络中STA的入网等待时间规定值为T，该网络的信标周期为t，则在每个信标周期内，STA的广播数量应满足如下公式：

(STA广播数量)÷(STA总数)≥(信标周期)÷(站点入网时间规定值)；

即STA广播数量≥(M-N)×t÷T，由于STA广播数量为整数，所以取STA广播数量为符合该公式的最小整数，设为n。则n为一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值。

在本申请的另一实施例中，所述步骤S5之后，还包括以下步骤：

若STA入网请求超时，STA在关联请求报文中使用一个新的type值；

若STA入网请求未超时，STA在关联请求报文中使用原type值；

所述type为报文类型字段。

具体的，所述STA判断入网请求超时之后，STA在入网请求报文中的type，即报文类型字段携带入网等待超时信息，即如果入网请求超时，STA在关联请求报文中使用一个新的type值，若未超时，则还使用原来的type值。

本实施例提供的一种自适应调整信标周期时隙数的方法，在多站点入网过程中，通过将STA按是否只能作为终端节点分为两类，并计算一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值n，通过判断是否有入网请求超时，进行自动加减广播发送发现信标的站点时隙数目，可改善信标周期内信标时隙的划分，使整个信标周期内，数据发送所占比例上升，提高了数据发送的效率。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种自适应调整信标周期时隙数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取当前网络中入网成功的STA的数量，将该数量记为M；

CCO对所有的STA进行分类，以是否只能作为终端节点为条件，将所有STA分为两类；

将只能作为终端节点的STA的数量记为N，则得到(M-N)为可广播发送信标的入网站点数目；

计算一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值n；

判断是否收到STA的入网请求超时；

如果入网请求超时，则将广播发送发现信标的站点时隙数目加1；

其中，所示M、N、n为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种自适应调整信标周期时隙数的方法，其特征在于，所述判断是否收到STA的入网请求超时之后，还包括以下步骤：

如果入网请求未超时，则程序结束，将广播发送发现信标的站点时隙数目维持不变。

3.根据权利要求1所述的一种自适应调整信标周期时隙数的方法，其特征在于，所述如果入网请求超时，则将广播发送发现信标的站点时隙数目加1之后，还包括以下步骤：

当站点时隙数目大于n时，判断是否同时满足以下两个条件：条件一，根据宽带电力线通信网络实际情况，设定STA个数m，在连续m个STA入网过程中，均未出现入网站点超时情况；条件二，在连续的m个入网等待时间阈值内，网络中未出现入网站点超时情况；

如果同时满足所述两个条件，则将广播发送发现信标的站点时隙数目减1，然后返回执行所述判断是否收到STA的入网请求超时。

4.根据权利要求3所述的一种自适应调整信标周期时隙数的方法，其特征在于，所述判断是否同时满足以下两个条件之后，还包括以下步骤：

如果所述两个条件有至少一个不满足时，则返回执行所述判断是否收到STA的入网请求超时。

5.根据权利要求1所述的一种自适应调整信标周期时隙数的方法，其特征在于，所述计算一个信标周期内所需承载的广播发送发现信标的站点时隙数目的理论最小值n的方法为：

设网络中STA的入网等待时间规定值为T，该网络的信标周期为t，则在每个信标周期内，STA的广播数量应满足如下公式：

STA广播数量 ÷STA总数≥信标周期÷站点入网时间规定值和STA广播数量≥(M-N)×t÷T，所述站点时隙数目的理论最小值n为符合该公式的最小整数。

6.根据权利要求1所述的一种自适应调整信标周期时隙数的方法，其特征在于，所述STA判断入网请求是否超时之后，还包括：

若入网请求超时，STA在关联请求报文中使用一个新的type值；

若入网请求未超时，STA在关联请求报文中使用原type值；

所述type为报文类型字段。

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