CN111464435B - 一种面向物联网的电力载波通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向物联网的电力线载波通信方法，其网络层协议包括：携带控制域、地址域、路由域、扩展域和帧载荷的帧结构；兼容多种网络拓扑的数据服务；支持多种网络维护服务；支持在线离线检测服务；本发明提供的网络层协议既满足电力线载波物联网应用的网络层的主要功能和性能需求，又适用于不同网络规模和网络拓扑结构的场景，并可以灵活扩展，非常契合物联网应用的实际需求。

Description

一种面向物联网的电力载波通信方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种面向物联网的电力载波通信方法。
背景技术
电力线载波的多层通信协议架构一般包括：应用层、网络层、MAC层和物理层，网络层位于应用层与MAC层之间，起到承上启下的作用；网络层功能是为应用层主要提供端到端的数据传输服务，并为子网内的节点建立和维护路由，并负责数据传输过程中的路由控制。现有技术中物联网应用具有场景多变，包括网络规模跨度大、网络拓扑形态各异、即使同一应用场景也会随物联网应用的深化而不断演进。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中存在的问题，提出一种面向物联网的电力载波通信方法，既能够覆盖现有物联网应用的功能需求，又可根据具体应用场景进行灵活剪裁，同时又保留一定的可扩展空间，以应对未来功能演进需求。
本发明提出的一种面向物联网的电力载波通信方法，其网络层协议包括：携带控制域、地址域、路由域、扩展域和帧载荷的帧结构；兼容多种网络拓扑的数据服务；支持多种网络维护服务；支持在线离线检测服务。
优选地，所述控制域包括帧类型、地址类型、路由方式和扩展域类型的指示；所述地址域兼容完整的MAC地址和短地址；所述路由域兼容源路由和盲中继两种路由方式；所述扩展域预留协议向后兼容的空间，以应对物联网应用多样性的特点。
优选地，所述帧类型包括数据帧、命令帧、命令应答帧和命令确认帧；所述数据帧用于传输数据，提供数据服务的业务帧；所述命令帧用于网络维护的各种业务，并由主节点发送，所述命令帧的形式为命令码+数据域，所述业务包括路由发现帧、获取节点信息帧、配置节点信息帧、搜集邻居节点信息帧、终止转发；所述命令应答帧作为对命令帧的反馈，与命令帧配合使用，并由从节点发，其形式为命令码+数据域， 所述命令应答帧包括路由发现回复帧、获取节点信息回复帧、搜集邻居节点信息回复帧和心跳回复帧；所述命令确认帧用于对命令帧的收到确认，与命令帧配合在一起使用，并由从节点发送。
优选地，所述数据服务包括单播的发送、接收和转发，广播的发送、接收和转发，源路由的发送、接收和转发，盲中继的发送、接收和转发；其中，单播帧的目的地址为特定的目标地址发送，只有子网内的目标节点收到的单播后才会上报给应用层，其他节点收到则忽略此帧，同时如果满足转发条件，子网内的其他节点也要转发单播帧；广播帧的目的地址需使用特定的广播地址来发送，除广播帧的发送节点外，子网内的其他节点均会将收到的广播上报给应用层，同时如果满足转发条件，子网内的其他节点也要转发广播帧；采用源路由方式发送时，发起节点根据目标地址从路由表中检索路由，并将路由信息写入帧头的路由域，子网内其他节点收到后，如果非目的节点，并且也不是在帧头路由域中指定的中继节点，则忽略此帧，如果非目的节点，但却是帧头路由域指定的中继节点，则转发此帧，如果是目的节点，则将帧载荷上报应用层；采用盲中继方式发送时，发起节点结合网络实际情况，在帧头路由域中添加盲中继生命周期及转发阈值，子网内其他节点收到后，如果非目的节点，且不满足帧头中的转发条件，则忽略此帧，如果非目的节点，但是满足帧头中的转发条件，转发条件为生命周期大于0，且接收信号强度落在转发阈值范围之内，则进行转发，如果是目的节点，则将帧载荷上报应用层。
优选地，所述网络维护服务包括路由建立、路由更新和路由修复；其中，路由建立是通过网络层利用命令帧、回复帧和确认帧来完成组网和路由的建立，所使用的命令帧类型组合有多种，在组网前已获取到待组网节点白名单的情况下，可使用路由发现和配置节点信息命令帧及其回复帧的组合来完成组网和路由的建立，如果组网前无任何先验信息，可使用获取节点信息和配置节点信息命令帧及其回复帧的组合来完成组网和路由的建立；路由更新通过网络层利用命令帧、回复帧完成路由更新，所使用的命令帧类型组合包括使用路由发现命令帧来完成，采用获取节点信息命令帧及其回复帧来完成；网络层在数据传输过程中，如果发现某条路径不通，可马上进行路由修复，路由修复时可使用路由发现命令帧来完成。
优选地，在线离线检测服务包括，从节点周期性向主节点单播发送心跳命令帧，主节点周期性检查从节点心跳命令帧的接收情况，如果收到从节点的心跳帧，则判断该从节点在线；反之，如果在规定时间内一直没有收到某个从节点的心跳帧，则判断该从节点离线。
本发明的有益效果包括：本发明方法提供的网络层协议既满足电力线载波物联网应用的网络层的主要功能和性能需求，又适用于不同网络规模和网络拓扑结构的场景，并可以灵活扩展，非常契合物联网应用的实际需求。
附图说明
图1、本发明实施例的面向物联网的高速电力线载波通信网络层协议构成。
图2、本发明实施例的网络层协议的帧结构格式的示意图。
图3、本发明实施例的网络层协议帧头各域的说明。
图4、本发明实施例的四种帧类型的说明。
图5、本发明实施例的网络层提供的数据服务项的说明。
图6、本发明实施例的网络层协议提供的网络维护服务项的说明。
图7、本发明实施例的网络层协议提供的心跳机制的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。
本发明实施例的组网及建立路由的总体流程示意图如图1所示，主要包含以下四个特征：携带控制域与扩张域灵活、可扩展的帧结构；兼容多种网络拓扑的数据服务；支持多种网络维护服务；支持在线离线检测服务。
图2所示为本发明实施例的网络层协议的帧结构格式，完整的网络层协议帧格式包括：帧头和载荷数据；其中帧头包括：控制域、地址域、路由域、扩展域；载荷数据为要传输的信息数据内容。
图3所示为本发明实施例的网络层协议帧头各域的说明。
1）控制域：帧类型、地址类型、路由方式、扩展域类型的指示。
2）地址域：兼容完整的MAC地址和短地址。
3）路由域：兼容源路由和盲中继两种路由方式。
4）扩展域：预留协议向后兼容的空间，以应对物联网应用多样性的特点。
图4所示为本发明实施例的网络层协议中四种帧类型的说明。
1）数据帧：用于传输数据，提供数据服务的业务帧。
2）命令帧：用于网络维护的各种业务中，并由主节点发送。命令码+数据域，并可扩展。例如：路由发现帧、获取节点信息帧、配置节点信息帧、搜集邻居节点信息帧、终止转发。详细介绍各自命令帧的功能。
3）命令帧：用于网络维护的各种业务中，并由主节点发送。命令码+数据域，并可扩展。例如：路由发现帧、获取节点信息帧、配置节点信息帧、搜集邻居节点信息帧、终止转发。详细介绍各自命令帧的功能。
4）命令应答帧：作为对命令帧的反馈，一般与命令帧配合在一起使用，并由从节点发送。命令码+数据域，并可扩展。例如：路由发现回复帧、获取节点信息回复帧、搜集邻居节点信息回复帧、心跳回复帧。
图5所示为本发明实施例的网络层提供的数据服务项的说明，包括单播和广播的发送、接收和转发；源路由的发送、接收和转发；盲中继的发送、接收和转发。
1）单播的发送、接收和转发。单播帧的目的地址为特定的目标地址发送；只有子网内的目标节点收到的单播后才会上报给应用层，其他节点收到则忽略此帧。同时如果满足转发条件，子网内的其他节点也要转发单播帧。
2）广播的发送、接收和转发。广播帧的目的地址需使用特定的广播地址来发送；除广播帧的发送节点外，子网内的其他节点均会将收到的广播上报给应用层，同时如果满足转发条件，子网内的其他节点也要转发广播帧。
3）源路由发送、接收和转发。采用源路由方式发送时，发起节点根据目标地址从路由表中检索路由，并将路由信息写入帧头的路由域。子网内其他节点收到后，如果非目的节点，并且也不是在帧头路由域中指定的中继节点，则忽略此帧。如果非目的节点，但却是帧头路由域指定的中继节点，则转发此帧。如果是目的节点，则将帧载荷上报应用层。
4）盲中继的发送、接收和转发。采用盲中继方式发送时，发起节点结合网络实际情况，在帧头路由域中添加盲中继生命周期及转发阈值。子网内其他节点收到后，如果非目的节点，且不满足帧头中的转发条件，则忽略此帧。如果非目的节点，但是满足帧头中的转发条件（生命周期大于0，且接收信号强度落在转发阈值范围之内），则进行转发。如果是目的节点，则将帧载荷上报应用层。
图6所示为本发明实施例的网络层提供的网络维护服务项的说明，包括路由建立、路由更新、路由修复。
1）路由建立。网络层利用命令帧、回复帧和确认帧来完成组网和路由的建立，所使用的命令帧类型组合可以有多种。例如在组网前已获取到待组网节点白名单的情况下，可使用路由发现和配置节点信息命令帧及其回复帧的组合来完成组网和路由的建立。如果组网前无任何先验信息，可使用获取节点信息和配置节点信息命令帧及其回复帧的组合来完成组网和路由的建立。
2）路由更新。网络层利用命令帧、回复帧完成路由的更新，所使用的命令帧类型组合可以有多种。例如使用路由发现命令帧来完成。也可采用获取节点信息命令帧及其回复帧来完成。
3） 路由修复。网络层在数据传输过程中，如果发现某条路径不通，可马上进行路由修复，路径修复时可使用路由发现命令帧来完成。
图7所示为本发明实施例的网络层协议提供的心跳机制的说明。心跳机制就是网络层通过心跳机制来获取各个从节点的在线离线情况的机制。
1）从节点方面：周期性向主节点单播发送心跳命令帧。
2）主节点方面：周期性检查从节点心跳命令帧的接收情况，如果收到从节点的心跳帧，则判断该从节点在线；反之，如果在规定时间内一直没有收到某个从节点的心跳帧，则判断该从节点离线。
由于本发明提供的网络层协议采用一种携带控制域与扩张域的灵活、可扩展的帧结构、兼容多种网络拓扑的数据服务、支持多种网络维护服务等，因此既能满足电力线载波的网络层的主要功能和性能需求，又适用于不同网络规模和网络拓扑结构的场景，并可以灵活扩展，这些都非常契合物联网应用的实际需求。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例和附图仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其做出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (3)

1.一种面向物联网的电力载波通信方法，其特征在于，网络层协议包括：携带控制域、地址域、路由域、扩展域和帧载荷的帧结构；兼容多种网络拓扑的数据服务；支持多种网络维护服务；支持在线离线检测服务；
所述数据服务包括单播的发送、接收和转发，广播的发送、接收和转发，源路由的发送、接收和转发，盲中继的发送、接收和转发；
其中，单播帧的目的地址为特定的目标地址发送，只有子网内的目标节点收到的单播后才会上报给应用层，其他节点收到则忽略此帧，同时如果满足转发条件，子网内的其他节点也要转发单播帧；
广播帧的目的地址需使用特定的广播地址来发送，除广播帧的发送节点外，子网内的其他节点均会将收到的广播上报给应用层，同时如果满足转发条件，子网内的其他节点也要转发广播帧；
采用源路由方式发送时，发起节点根据目标地址从路由表中检索路由，并将路由信息写入帧头的路由域，子网内其他节点收到后，若不是目的节点，并且也不是在帧头路由域中指定的中继节点，则忽略此帧，若不是目的节点，但却是帧头路由域指定的中继节点，则转发此帧，若是目的节点，则将帧载荷上报应用层；
采用盲中继方式发送时，发起节点结合网络实际情况，在帧头路由域中添加盲中继生命周期及转发阈值，子网内其他节点收到后，若不是目的节点，且不满足帧头中的转发条件，则忽略此帧，若不是目的节点，但是满足帧头中的转发条件，转发条件为生命周期大于0，且接收信号强度落在转发阈值范围之内，则进行转发，若是目的节点，则将帧载荷上报应用层；
所述网络维护服务包括路由建立、路由更新和路由修复；其中，路由建立是通过网络层利用命令帧、回复帧和确认帧来完成组网和路由的建立，所使用的命令帧类型组合有多种，在组网前已获取到待组网节点白名单的情况下，可使用路由发现和配置节点信息命令帧及其回复帧的组合来完成组网和路由的建立，如果组网前无任何先验信息，可使用获取节点信息和配置节点信息命令帧及其回复帧的组合来完成组网和路由的建立；路由更新通过网络层利用命令帧、回复帧完成路由更新，所使用的命令帧类型组合包括使用路由发现命令帧来完成，采用获取节点信息命令帧及其回复帧来完成；网络层在数据传输过程中，如果发现某条路径不通，可马上进行路由修复，路由修复时可使用路由发现命令帧来完成；
在线离线检测服务包括，从节点周期性向主节点单播发送心跳命令帧，主节点周期性检查从节点心跳命令帧的接收情况，如果收到从节点的心跳帧，则判断从节点在线；反之，如果在规定时间内一直没有收到某个从节点的心跳帧，则判断从节点离线。
2.如权利要求1所述的面向物联网的电力载波通信方法，其特征在于，所述控制域包括帧类型、地址类型、路由方式和扩展域类型的指示；所述地址域兼容完整的MAC地址和短地址；所述路由域兼容源路由和盲中继两种路由方式；所述扩展域预留协议向后兼容的空间，以应对物联网应用多样性的特点。
3.如权利要求2所述的面向物联网的电力载波通信方法，其特征在于，所述帧类型包括数据帧、命令帧、命令应答帧和命令确认帧；所述数据帧用于传输数据，提供数据服务的业务帧；所述命令帧用于网络维护的各种业务，并由主节点发送，所述命令帧的形式为命令码+数据域，所述业务包括路由发现帧、获取节点信息帧、配置节点信息帧、搜集邻居节点信息帧、终止转发；所述命令应答帧作为对命令帧的反馈，与命令帧配合使用，并由从节点发，其形式为命令码+数据域， 所述命令应答帧包括路由发现回复帧、获取节点信息回复帧、搜集邻居节点信息回复帧和心跳回复帧；所述命令确认帧用于对命令帧的收到确认，与命令帧配合在一起使用，并由从节点发送。
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