CN110839213A - 一种广播方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种广播方法和系统，在包括业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关的输电网络中，广播节点为接入网关或接入节点，对应的，转发节点为接入节点或汇聚节点，所述汇聚节点为一个或多个，在广播时进行主动广播和转发，广播节点主动发送广播帧，转发节点主动转发广播帧。本发明还提出一种广播系统，输电网络的业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关中配置有网络协议，根据网络协议建立网络数据连接，所述网络协议实现所述的广播方法。本发明定义主动的广播过程，利于节点的及时接入或者紧急的广播控制信令；本发明提出的两个方案适用于不同场景，可以有效的处理各种主动广播。

Description

一种广播方法和系统
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，涉及输电网中电力设备无线传感器网络中的广播技术，为一种广播方法和系统。
技术背景
输电网作为电力系统的主动脉，承担长距离，大容量电能输送的重要功能。因此需要对输电网进行有效监控，收集相关数据，例如对于杆塔的监控，对于变电站的监控等。具体的，这类数据由传感器获得，传感器为终端数据来源，传感器包括无线传感器和有线传感器，无线传感器又包括微功耗和低功耗传感器。
在输电网中，汇聚节点收集传感器的终端数据后发送给接入节点。一个接入节点可以通过有线和/或无线连接一个或者多个汇聚节点，如图1所示的树状网络或图2所示的多跳网络。汇聚节点支持简单的边缘计算。汇聚节点可以对传感器发送反馈信息。汇聚节点可以对接入节点发送边缘计算结果。
接入节点通过接入网关连接到中心计算站(服务器)。一个接入网关可以通过有线和/或无线连接一个或者多个接入节点。接入节点支持复杂的边缘计算。接入节点可以对汇聚节点发出反馈信息。接入节点可以对接入网关发送边缘计算结果。
对于无线传感器网络，接入节点和接入网关之间可以采用3G/4G/NB-IoT等技术进行传输，传感器接入节点和汇聚节点之间采用LoRa/WiFi/Bluetooth等技术连接，汇聚节点和传感器之间采用LoRa/WiFi/Bluetooth/Zigbee等技术连接。
现有技术没有包括接入网关到接入节点这一链路，也没有考虑主动发送广播。只有周期性广播，方法如下：
·接入节点周期性发送广播帧(BC)，汇聚节点收到广播帧(BC)后在广播信道的不同时隙上转发广播帧(BC)，逐步覆盖整个网络。
·将广播信道分成若干个时隙，接入节点在广播信道上周期发送广播帧(BC)，广播帧包含整个网络的频点以及广播时隙等基本参数。
·汇聚节点在广播信道上监测，若收到广播帧(BC)，则对广播帧(BC)进行解析，并将自身的地址写入广播帧(BC)的转发节点地址字段，修改广播帧(BC)。随机退避一段时间后，汇聚节点在控制信道上发送接入请求，接入节点给汇聚节点分配转发广播帧(BC)的时隙，汇聚节点在被分配的时隙转发修改的广播帧(BC)。
·业务终端节点在广播信道上监测，若收到接入节点的广播帧或汇聚节点转发的修改的广播帧，记录帧内的信息，随机退避一段时间后在控制信道上发送接入请求给对应的接入节点或者汇聚节点，业务终端不进行广播帧的转发。
·每个汇聚节点在每个广播周期内只转发一次广播信息，即在第一次成功收到广播信息后。
·广播帧的MAC层负载字段结构如下字段组成：
接入节点地址(A_Address)字段为接入节点设备的地址，长度为2个字节。
转发节点地址(R_Address)字段为当前转发节点设备的地址，长度为2个字节。
数据字段(Data)为广播帧传输的数据，长度为0到251个字节。
现在电力设备无线传感器网络协议中定义了周期性的广播过程用于新的汇聚节点和接入节点接入以及广播其他控制信令。但是，没有定义主动的广播过程，不利于节点的及时接入或者紧急的广播控制信令。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有电力设备无线传感器网络协议中，周期式的广播方式不利于新汇聚节点及接入节点的及时快速加入，对临时增加的广播信息会根据广播周期延时才能发送，而不能立即发出。
本发明的技术方案为：一种广播方法，在包括业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关的输电网络中，进行周期性广播或主动广播，广播节点为接入网关或接入节点，对应的，转发节点为接入节点或汇聚节点，所述汇聚节点为一个或多个，当有新的汇聚节点或接入节点接入输电网络，或有紧急广播控制信令时，采用主动广播，主动广播时广播节点主动发送广播帧，转发节点主动转发广播帧，其余使用周期性广播。
作为一种优选实现方式，方案一，所述主动广播时，广播节点主动发送广播帧，广播帧包含转发节点地址，转发节点收到广播帧后在广播信道的不同时隙上转发广播帧，逐步覆盖整个网络，具体为：
将广播信道分成若干个时隙，广播节点在广播信道上主动发送广播帧，广播帧包含整个网络的频点以及广播时隙等基本参数，主动发送的广播周期为0；
转发节点在广播信道上监测，若收到广播帧，则对广播帧进行解析，并将自身的地址写入广播帧的转发节点地址字段，修改广播帧；随机退避一段时间后，转发节点在控制信道上发送接入请求，广播节点给转发节点分配转发广播帧的时隙，转发节点在被分配的时隙转发修改的广播帧；
业务终端节点在广播信道上监测，若收到广播帧，记录帧内的信息，随机退避一段时间后在控制信道上发送接入请求，业务终端不进行广播帧的转发；
每个转发节点主动转发接收到的广播节点主动发送的广播帧，如果转发失败，则丢弃该广播帧。
进一步的，对于多跳路由情景，当转发节点或者业务终端收到广播帧后，对广播帧进行解析，并在控制信道发送控制信道上行帧请求接入网络，其中控制信道上行帧的目标地址为广播节点地址，根据多跳广播过程记录的各转发节点地址逆向上行传输，多跳路由中的各转发节点依次转发控制信道上行帧，控制信道上行帧的数据字段不断添加经过转发的转发节点的地址，直到到达广播节点；
其中，根据中间转发的转发节点解析控制信道上行帧的数据字段所包含的地址信息，建立相应的路由表，广播节点收到控制信道上行帧后，对控制信道上行帧进行解析，得到到达目标节点的路由表，并通过发送确认帧告知接入节点或者汇聚节点或者业务终端节点，该路径建立成功，完成路由表的建立。
作为另一种优选实现方式，方案二，所述主动广播时，广播节点主动发送广播帧，广播帧里不包含转发节点地址，转发节点收到广播帧后在广播信道的不同时隙上转发广播帧，逐步覆盖整个网络，具体为：
将广播信道分成若干个时隙，转发节点在广播信道上主动发送广播帧，广播帧包含整个网络的频点以及广播时隙等基本参数，主动发送的广播周期为0；
转发节点在广播信道上监测，若收到广播帧，对广播帧进行解析，随机退避一段时间后，转发节点在控制信道上发送接入请求，广播节点给转发节点分配转发广播帧的时隙，转发节点在被分配的时隙转发修改或者不修改的广播帧，所述修改指将自身的地址写入广播帧的转发节点地址字段；
业务终端节点在广播信道上监测，若收到广播帧，记录帧内的信息，随机退避一段时间后在控制信道上发送接入请求，业务终端不进行广播帧的转发；
每个转发节点主动转发接收到的接入节点主动发送的广播帧，如果转发失败，则丢弃该广播帧。
在上述另一种优选实现方式下，进一步的，对于多跳路由情景，当转发节点或者业务终端收到广播帧后，对广播帧进行解析，并在控制信道发送控制信道上行帧请求接入网络，其中控制信道上行帧的目标地址为广播节点地址，本地地址为自己的地址，多跳路由中的各转发节点依次转发控制信道上行帧，控制信道上行帧的数据字段不断添加经过转发的汇聚节点或者接入节点的地址，直到到达广播节点；
其中，根据中间转发的转发节点解析控制信道上行帧的数据字段所包含的地址信息，建立相应的路由表，广播节点收到控制信道上行帧后，对控制信道上行帧进行解析，得到到达目标节点的路由表，并通过发送确认帧告知接入节点或者汇聚节点或者业务终端节点，该路径建立成功，完成路由表的建立。
本发明还提出一种广播系统，输电网络包括业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关，所述业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关中配置有网络协议，根据网络协议建立网络数据连接，所述网络协议实现上述的广播方法。
本发明具有以下有益效果：
1)定义主动的广播过程，利于节点的及时接入或者紧急的广播控制信令。现有技术单纯的周期性广播并不能满足某些要求快速响应的场合，本发明提出的主动广播方法和系统不影响原有的周期性广播，在原有的周期性广播的基础上，如果需要，系统就可以通过接入节点和/或汇聚节点直接主动发送和转发广播帧。本发明首次提出了再输电网络中实行两种广播方式的方案。
2)本发明两个主动广播方案适用于不同场景，可以有效的处理各种主动广播，相比方案一，方案二的广播帧不包含转发地址，可以不修改广播帧直接转发，方案一适合时间要求不紧急的广播，例如要求增加接入终端的机会。方案二适合时间要求紧急的广播，例如紧急情况广播。
附图说明
图1为现有技术输电网络的树状网络示意图。
图2为现有技术输电网络的多跳网络示意图。
图3为本发明广播方法实施例一的示意图。
图4为本发明广播方法实施例二的示意图。
具体实施方式
下面具体说明本发明的实施。
本发明的广播方法在包括业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关的输电网络中，广播节点为接入网关或接入节点，对应的，转发节点为接入节点或汇聚节点，所述汇聚节点为一个或多个，当有新的汇聚节点或接入节点接入输电网络，或有紧急广播控制信令时，采用主动广播，主动广播时广播节点主动发送广播帧，转发节点主动转发广播帧，其余使用周期性广播。
本发明优选提供了两种实现方案。
方案一：沿用现有广播架构。
如图3所示，广播节点可以是接入网关，也可以是接入节点。对应的，转发节点可以是接入节点，也可以是汇聚节点(一个或多个)。接入节点主动发送广播帧(BC)，转发节点收到广播帧(BC)后在广播信道的不同时隙上转发广播帧(BC)，逐步覆盖整个网络。
将广播信道分成若干个时隙，接入节点在广播信道上主动发送广播帧，广播帧包含整个网络的频点以及广播时隙等基本参数，主动发送的广播周期为0。
转发节点在广播信道上监测，若收到广播帧，则对广播帧进行解析，并将自身的地址写入广播帧的转发节点地址字段，修改广播帧。随机退避一段时间后，转发节点在控制信道上发送接入请求，广播节点给转发节点分配转发广播帧的时隙，转发节点在被分配的时隙转发修改的广播帧。
业务终端节点在广播信道上监测，若收到广播帧，记录帧内的信息，随机退避一段时间后在控制信道上发送接入请求，业务终端不进行广播帧的转发。
每个汇聚节点主动转发接收到的接入节点主动发送的广播帧。如果转发失败，则丢弃该广播帧。
方案一的广播帧的MAC层负载字段结构如下字段组成：
广播节点地址(A_Address)字段为接入节点设备的地址，长度为2个字节。
转发节点地址(R_Address)字段为当前转发节点设备的地址，长度为2个字节。
数据字段(Data)为广播帧传输的数据，长度为0到251个字节。对于其中的广播周期以200ms的时间长度为单位；广播周期为0的时候表示是主动发送的非周期的广播。数据字段如下表。
方案一的组网过程为：
广播节点主动在广播信道发送广播帧，将网络的基本参数填充在广播帧的数据字段。
转发节点在广播信道上进行扫描，监听广播信号。若转发节点成功接收到广播信号，则修改广播帧中的转发节点地址字段，并随机退避一段时间在控制信道上进行接入过程。然后该设备在广播信道上根据分配的时隙转发修改的广播帧。这个转发和广播周期没有任何关系。
业务终端节点在广播信道上进行扫描，如果业务终端节点成功接收到广播信号，则随机退避一段时间在控制信道上进行接入过程。
此过程使得新添加的汇聚节点或业务终端节点能够及时的发现网络，并增加网络的覆盖范围。
对于多跳路由情景，方案一的对应实现如下：
当转发节点或者业务终端收到广播帧后，对广播帧进行解析，并在控制信道发送控制信道上行帧(UP_Random)请求接入网络，其中控制信道上行帧(UP_Random)的目标地址为广播节点地址，下一跳地址为根据广播过程记录的上一跳(汇聚节点或者接入节点)地址，汇聚节点或者接入节点依次转发控制信道上行帧(UP_Random)，直到到达广播节点，即根据多跳广播过程记录的各转发节点地址逆向上行传输至广播节点，控制信道上行帧(UP_Random)的数据字段不断添加经过转发的汇聚节点或者接入节点的地址。
中间转发的汇聚节点或者接入节点解析控制信道上行帧(UP_Random)的数据字段所包含的地址信息，建立相应的路由表。广播节点收到控制信道上行帧(UP_Random)后，对控制信道上行帧(UP_Random)进行解析，得到到达目标汇聚节点或者业务终端节点的路由表，并通过发送确认帧(ACK)告知接入节点或者汇聚节点或者业务终端节点，该路径建立成功。以上过程完成了路由表的建立。
方案二：修改现有的广播流程和广播帧。
如图4所示，广播节点可以是接入网关，也可以是接入节点。对应的，转发节点可以是接入节点，也可以是汇聚节点(一个或多个)。广播帧里不包含转发节点地址，接入节点主动发送广播帧(BC)，转发节点收到广播帧(BC)后在广播信道的不同时隙上转发广播帧(BC)，逐步覆盖整个网络。
将广播信道分成若干个时隙，接入节点在广播信道上主动发送广播帧，广播帧包含整个网络的频点以及广播时隙等基本参数，主动发送的广播周期为0。
转发节点在广播信道上监测，若收到广播帧，对广播帧进行解析，随机退避一段时间后，转发节点在控制信道上发送接入请求，广播节点给转发节点分配转发广播帧的时隙，转发节点在被分配的时隙转发修改或者不修改的广播帧，所述修改指将自身的地址写入广播帧的转发节点地址字段。
业务终端节点在广播信道上监测，若收到广播帧，记录帧内的信息，随机退避一段时间后在控制信道上发送接入请求，业务终端不进行广播帧的转发。
每个汇聚节点主动转发接收到的接入节点主动发送的广播帧。如果转发失败，则丢弃该广播帧。
方案二的广播帧的MAC层负载字段结构如下字段组成：
广播节点地址(A_Address)字段为接入节点设备的地址，长度为2个字节。
数据字段(Data)为广播帧传输的数据，长度为0到251个字节。对于其中的广播周期以200ms的时间长度为单位；广播周期为0的时候表示是主动发送的非周期的广播。数据字段如下表。
参数描述 序号 DATA length长度(Bytes)
网络层参数 1 1
时间戳 2 4
广播周期 3 1
组网侧控制信道频点编号 4 1
组网侧业务信道频点编号 5 1
接入网侧业务1信道频点编号 6 1
接入网侧业务2信道频点编号 7 1
方案二的组网过程为：
广播节点主动在广播信道发送广播帧，将网络的基本参数填充在广播帧的数据字段。
转发节点在广播信道上进行扫描，监听广播信号。若转发节点成功接收到广播信号，随机退避一段时间在控制信道上进行接入过程。然后该设备在广播信道上根据分配的时隙转发广播帧。这个转发和广播周期没有任何关系。
业务终端节点在广播信道上进行扫描，如果业务终端节点成功接收到广播信号，则随机退避一段时间在控制信道上进行接入过程。
此过程使得新添加的汇聚节点或业务终端节点能够及时的发现网络，并增加网络的覆盖范围。
对于多跳路由情景，方案二的实现为：
当转发节点或者业务终端收到广播帧后，对广播帧进行解析，并在控制信道发送控制信道上行帧(UP_Random)请求接入网络，其中控制信道上行帧(UP_Random)的目标地址为广播节点地址，本地地址为自己的地址，汇聚节点或者接入节点依次转发控制信道上行帧(UP_Random)(控制信道上行帧(UP_Random)的数据字段不断添加经过转发的汇聚节点或者接入节点的地址)直到到达广播节点。
中间转发的汇聚节点或者接入节点解析控制信道上行帧(UP_Random)的数据字段所包含的地址信息，建立相应的路由表。广播节点收到控制信道上行帧(UP_Random)后，对控制信道上行帧(UP_Random)进行解析，得到到达目标汇聚节点或者业务终端节点的路由表，并通过发送确认帧(ACK)告知接入节点或者汇聚节点或者业务终端节点，该路径建立成功。以上过程完成了路由表的建立。
本发明还提供对应上述广播方法的广播系统，输电网络包括业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关，所述业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关中配置有网络协议，根据网络协议建立网络数据连接，所述网络协议实现上述的广播方法。

Claims (6)

1.一种广播方法，其特征是在包括业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关的输电网络中，进行周期性广播或主动广播，广播节点为接入网关或接入节点，对应的，转发节点为接入节点或汇聚节点，所述汇聚节点为一个或多个，当有新的汇聚节点或接入节点接入输电网络，或有紧急广播控制信令时，采用主动广播，主动广播时广播节点主动发送广播帧，转发节点主动转发广播帧，其余使用周期性广播。
2.根据权利要求1所述的一种广播方法，其特征是所述主动广播时，广播节点主动发送广播帧，广播帧包含转发节点地址，转发节点收到广播帧后在广播信道的不同时隙上转发广播帧，逐步覆盖整个网络，具体为：
将广播信道分成若干个时隙，广播节点在广播信道上主动发送广播帧，广播帧包含整个网络的频点以及广播时隙等基本参数，主动发送的广播周期为0；
转发节点在广播信道上监测，若收到广播帧，则对广播帧进行解析，并将自身的地址写入广播帧的转发节点地址字段，修改广播帧；随机退避一段时间后，转发节点在控制信道上发送接入请求，广播节点给转发节点分配转发广播帧的时隙，转发节点在被分配的时隙转发修改的广播帧；
业务终端节点在广播信道上监测，若收到广播帧，记录帧内的信息，随机退避一段时间后在控制信道上发送接入请求，业务终端不进行广播帧的转发；
每个转发节点主动转发接收到的广播节点主动发送的广播帧，如果转发失败，则丢弃该广播帧。
3.根据权利要求2所述的一种广播方法，其特征是对于多跳路由情景，当转发节点或者业务终端收到广播帧后，对广播帧进行解析，并在控制信道发送控制信道上行帧请求接入网络，其中控制信道上行帧的目标地址为广播节点地址，根据多跳广播过程记录的各转发节点地址逆向上行传输，多跳路由中的各转发节点依次转发控制信道上行帧，控制信道上行帧的数据字段不断添加经过转发的转发节点的地址，直到到达广播节点；
其中，根据中间转发的转发节点解析控制信道上行帧的数据字段所包含的地址信息，建立相应的路由表，广播节点收到控制信道上行帧后，对控制信道上行帧进行解析，得到到达目标节点的路由表，并通过发送确认帧告知接入节点或者汇聚节点或者业务终端节点，该路径建立成功，完成路由表的建立。
4.根据权利要求1所述的一种广播方法，其特征是所述主动广播时，广播节点主动发送广播帧，广播帧里不包含转发节点地址，转发节点收到广播帧后在广播信道的不同时隙上转发广播帧，逐步覆盖整个网络，具体为：
将广播信道分成若干个时隙，转发节点在广播信道上主动发送广播帧，广播帧包含整个网络的频点以及广播时隙等基本参数，主动发送的广播周期为0；
转发节点在广播信道上监测，若收到广播帧，对广播帧进行解析，随机退避一段时间后，转发节点在控制信道上发送接入请求，广播节点给转发节点分配转发广播帧的时隙，转发节点在被分配的时隙转发修改或者不修改的广播帧，所述修改指将自身的地址写入广播帧的转发节点地址字段；
业务终端节点在广播信道上监测，若收到广播帧，记录帧内的信息，随机退避一段时间后在控制信道上发送接入请求，业务终端不进行广播帧的转发；
每个转发节点主动转发接收到的接入节点主动发送的广播帧，如果转发失败，则丢弃该广播帧。
5.根据权利要求4所述的一种广播方法，其特征是对于多跳路由情景，当转发节点或者业务终端收到广播帧后，对广播帧进行解析，并在控制信道发送控制信道上行帧请求接入网络，其中控制信道上行帧的目标地址为广播节点地址，本地地址为自己的地址，多跳路由中的各转发节点依次转发控制信道上行帧，控制信道上行帧的数据字段不断添加经过转发的汇聚节点或者接入节点的地址，直到到达广播节点；
其中，根据中间转发的转发节点解析控制信道上行帧的数据字段所包含的地址信息，建立相应的路由表，广播节点收到控制信道上行帧后，对控制信道上行帧进行解析，得到到达目标节点的路由表，并通过发送确认帧告知接入节点或者汇聚节点或者业务终端节点，该路径建立成功，完成路由表的建立。
6.一种广播系统，其特征是输电网络包括业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关，所述业务终端节点、汇聚节点、接入节点和接入网关中配置有网络协议，根据网络协议建立网络数据连接，所述网络协议实现权利要求1-5任一项所述的广播方法。
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