CN113472694B - 一种绑定csma时隙信道访问方法及电力载波通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种绑定CSMA时隙信道访问方法及电力载波通信方法，绑定CSMA时隙信道访问方法包括时隙分配机制以及CCO、STA、PCO运行机制，绑定CSMA时隙设置为允许符合设定组网规模条件的单网络使用。在一个信标周期内，符合设定组网规模条件的单网络节点使用绑定CSMA时隙进行报文传输，其它节点使用CSMA时隙进行报文传输。本发明可充分利用已有的绑定CSMA时隙进行指定报文的传输，高优先级报文或紧急报文，可使用绑定CSMA时隙实现高优先级、高时效、安全传输，同时可通过绑定CSMA时隙的分配及使用，减少冲突，节省载波侦听时间和退避时间，可大大缩减电力载波节点的响应时间，提高电力载波节点的响应速度。

Description

一种绑定CSMA时隙信道访问方法及电力载波通信方法
技术领域
本发明涉及电力载波通信技术领域，特别是一种绑定CSMA时隙信道访问方法及电力载波通信方法。
背景技术
宽带载波通信网络一般形成以中央协调器(CCO)为中心、以代理协调器(PCO)为中继代理、连接所有站点(STA)的多级关联的树形网络，如图1所示。宽带低压电力载波(HPLC)一个信标周期划分为信标时隙、TDMA时隙、CSMA时隙和绑定CSMA时隙，如图2所示，其中信标时隙和TDMA时隙统称为非竞争时隙，CSMA时隙和绑定CSMA时隙为竞争时隙。
CSMA时隙在分割时，需要进行均衡分割。在信标时隙中通知的CSMA时隙，只指明了归属于某个相线的总的时隙长度。每个相线的时隙总长度之和，构成了整个CSMA时隙的长度。整个CSMA时隙，需要按照相线的个数，进行均衡分割。均衡分割是指，将每个相线的时隙，按照“CSMA时隙大小”的门限进行分割，将分割后的每个相线的时隙，按照一定的算法进行排列，使得最终的每个相线的时间片，在整个CSMA时隙中的分布，达到相对的均衡。
信道访问规则：
CSMA时隙和绑定CSMA时隙中，站点必须通过信道竞争，冲突避免后，才能占用信道，进行报文发送。因此在发送报文前，需要先进行载波侦听，如果信道空闲，则进行报文发送，如果信道非空闲，则进行信道竞争。在CSMA时隙中发送的报文，必须保证能够在相应的CSMA时隙中传送完成，不能跨越时隙，尤其保证不能跨越到信标时隙和TDMA时隙等非竞争时隙中。在CSMA时隙中进行信道竞争时，需要进行基本的冲突判断和避免，并且通过虚拟载波侦听机制(VCS)对信道状态进一步预判。
虚拟载波侦听(VCS)，是主要用在CSMA时隙中的一种时隙预判机制，每个节点都需要支持。VCS机制根据报文传输时间以及帧间隔确定，采用VCS定时器以及定时器到期后的信道状态实现。其中VCS定时器时长计算方法和到期后状态如表1所示。
表1
事件 VCS定时器时长 VCS定时器到期后信道状态
检测到冲突 扩展帧间间隔 空闲
检测到前导 扩展帧间间隔 空闲
解析到SOF的帧控制 帧长*10us 空闲
解析到选择确认 竞争帧间间隔 空闲
在CSMA时隙里，导致冲突的原因基本上是多个站点，退避在一个较小甚至完全重叠的时刻，进行了报文发送，导致冲突。此时，一般通过CSMA/CA退避算法进行信道竞争，算法流程图如图3所示，包括以下步骤：
a)初始化NB为0，BE为minBE，PE根据报文优先级初始化，进入步骤b)。
b)通过公式计算退避时间：BackOffTime＝(Rand(2BE-1)+PE)*SLOT_TIME，并设置BackOffTimer，进入步骤c)。
c)若BackOffTimer溢出前未接收到来自物理层“接收机信号接收开始状态原语”，切换物理层为发射机，启动MPDU帧的发送发送，进入步骤e)，否则进入步骤d)。
d)若BackOffTimer溢出前收到来自物理层的“接收机信号接收开始状态原语”，暂停BackOffTimer定时器，直到报文接收结束，然后继续BackOffTimer运行，并进入步骤c)。
e)若该MPDU帧发送成功，则本次数据发送结束。若该MPDU帧发送失败，则NB加1，若NB>maxNB，则发送失败；否则，BE＝min(BE++，MaxBE)，进入步骤b)。
可见，宽带低压电力载波通信使用竞争CSMA时隙只有约1/3时间可以使用，在1/3时间内如果节点数量较多，还需要VCS侦听和退避，发送效率较低。且遇到紧急事件时，高优先级报文也无法得到高时效传输。
当前，HPLC电力载波技术对于绑定CSMA时隙没有明确规定使用方法，绑定CSMA时隙未能得到很好的利用。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可充分利用已有的绑定CSMA时隙进行指定报文的传输，实现高优先级报文或紧急报文的高优先级、高时效、安全传输，同时可减少冲突，节省载波侦听时间和退避时间，大大缩减电力载波节点的响应时间，提高电力载波节点的响应速度的绑定CSMA时隙信道访问方法及电力载波通信方法。
本发明采用如下技术方案：
一种绑定CSMA时隙信道访问方法，用于电力载波通信，包括以下运行机制：
①时隙分配机制：设置为允许符合设定组网规模条件的单网络使用，通过中央协调器CCO为站点STA分配时隙，每个STA节点分配两个时隙，每个时隙又分为用于请求或指示的REQ/IND时隙和用于回复或确认的REP/CNF时隙；
②CCO运行机制：CCO启动组网后，开始对附近网络进行侦听，如果收到STA节点申请使用绑定CSMA时隙请求、并满足单网络且组网规模符合设定组网规模条件，或者CCO自身需要使用绑定CSMA时隙，则启用绑定CSMA时隙，CCO通过持续发送信标BCN进行绑定CSMA时隙的分配，分配结束后，CCO通过绑定CSMA时隙进行业务下发或数据召测；否则不启用绑定CSMA时隙；
③STA运行机制：STA组网后根据自身需求判断是否上送申请使用绑定CSMA时隙请求，如需要申请使用绑定CSMA时隙，则通过CSMA时隙上送请求；且无论有无上送请求均需要在接收BCN时判断CCO是否启用绑定CSMA时隙，如果CCO启用绑定CSMA时隙，则根据自身层级和所处相位实时调整自己的绑定CSMA时隙；在收到CCO的下发业务或数据召测时，根据CCO下发业务或召测数据的时隙判断CCO使用的时隙策略，CCO通过绑定CSMA时隙下发业务或召测数据时，STA通过绑定CSMA时隙进行转发或回复,CCO通过CSMA时隙下发业务或召测数据时，STA通过CSMA时隙进行转发或回复；
④PCO运行机制：CCO通过BCN进行绑定CSMA时隙的分配、CCO通过绑定CSMA时隙下发业务或召测数据以及STA通过绑定CSMA时隙转发或回复时，代理转发节点PCO也启用绑定CSMA时隙，通过层层转发实现CCO与STA之间的通信。
进一步地，所述STA需要上报高优先级的报文时，先通过CSMA时隙上报CCO告知其有高优先级报文需要上送，告知内容包括报文间隔和持续次数，CCO收到请求后，通过BCN进行绑定CSMA时隙的分配，并在分配结束后启用绑定CSMA时隙进行固定间隔的持续召测，直至达到持续次数。
进一步地，所述设定组网规模条件为层级数和/或节点数大于设定的层级数阈值或节点数阈值。
进一步地，所述设定组网规模条件为层级数至少4层、节点数大于50个节点。
进一步地，当绑定CSMA时隙需要重新分配时，CCO通过BCN重新分配时隙，重新分配过程中，CCO停止使用绑定CSMA时隙，并在重新分配完成后重启业务并使用新的分配方案。
进一步地，所述CCO通过BCN为STA分配时隙过程设置有固定的时隙分配时间，时隙分配时间定时结束后再启动业务。
进一步地，所述时隙分配时间持续5秒。
进一步地，所述CCO在下发请求或者指示后，对于没有回复或确认的STA，设置了超时重发机制。
进一步地，所述超时重发机制根据STA节点的层级不同对应设置不同的重发次数，并根据重发次数进行时隙分配。
一种电力载波通信方法，将宽带低压电力线载波的一个信标周期划分为信标时隙、TDMA时隙、CSMA时隙和绑定CSMA时隙，根据上述的绑定CSMA时隙信道访问方法，在一个信标周期内，符合设定组网规模条件的单网络节点使用绑定CSMA时隙进行报文传输，其它节点使用CSMA时隙进行报文传输。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
第一，本发明的绑定CSMA时隙信道访问方法，可允许符合设定组网规模条件的单网络节点使用绑定CSMA时隙，保证在一个信标周期内，符合设定组网规模条件的单网络节点使用绑定CSMA时隙进行报文传输，而其它节点使用CSMA时隙进行报文传输，可充分利用已有的绑定CSMA时隙进行上行和下行指定报文的传输，高优先级报文或者需要紧急发送的报文，可以使用绑定CSMA时隙实现高优先级、高时效、安全的传输，同时可以通过绑定CSMA时隙的分配及使用，减少冲突，节省了载波侦听时间和退避时间，可大大缩减电力载波节点的响应时间，提高电力载波节点的响应速度。
第二，CCO通过BCN为STA分配时隙，并根据STA层级及所处相位进行分配，可避免冲突；且分配时隙过程设置有固定的时隙分配时间，时隙分配时间定时结束后再启动业务，可确保时隙分配完成。
第三，CCO在下发请求或者指示后，对于没有回复或确认的STA，设置了超时重发机制，可确保报文可靠传输。
附图说明
图1是基本宽带低压电力载波(HPLC)组网示意图，图中示出了CCO、PCO和STA节点；
图2是一个信标周期总体时隙划分示意图；
图3是CSMA/CA退避算法流程图；
图4是单网络组网结构示意图，图中示出了节点设备标识TEI；
图5是绑定CSMA时隙的时隙分配结构示意图；
图6是CCO运行机制流程图；
图7是STA运行机制流程图；
图8是CCO通过BCN进行绑定CSMA时隙的分配以及CCO通过绑定CSMA时隙进行数据召测过程的数据传输结构示意图；
图9是CCO通过BCN进行绑定CSMA时隙的分配以及CCO通过绑定CSMA时隙进行数据召测过程的流程示意图；
图10是STA请求使用绑定CSMA时隙过程的数据传输结构示意图；
图11是STA请求使用绑定CSMA时隙过程的流程示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
参照图1至图11，本发明的一种绑定CSMA时隙信道访问方法，用于电力载波通信，包括以下运行机制：
①时隙分配机制：绑定CSMA时隙设置为允许符合设定组网规模条件的单网络使用,从CCO到具体STA节点的路由上，中央协调器CCO通过BCN为每个站点STA均分配两个时隙，每个时隙又分为用于请求或指示的REQ/IND时隙和用于回复或确认的REP/CNF时隙，如图5所示。
②CCO运行机制：CCO启动组网后，首先开始对附近网络进行侦听，如果收到STA节点申请使用绑定CSMA时隙请求、并满足单网络且组网规模符合设定组网规模条件，或者CCO自身需要使用绑定CSMA时隙，则启用绑定CSMA时隙；否则不启用绑定CSMA时隙，如图6所示。本实施例中，设定组网规模条件为层级数至少4层、节点数大于50个节点。
如果启用绑定CSMA时隙，CCO通过持续发送信标BCN进行绑定CSMA时隙的实时分配，并设置有持续5秒的固定的时隙分配时间，5秒后开始启用绑定CSMA时隙进行业务下发或数据召测。当绑定CSMA时隙需要重新分配时，CCO通过BCN重新分配时隙，重新分配过程中，CCO停止使用绑定CSMA时隙，并在重新分配完成后重启业务并使用新的分配方案。
CCO在下发请求或者指示后，对于没有回复或确认的STA，设置了超时重发机制。超时重发机制根据STA节点的层级不同对应设置不同的重发次数，并根据重发次数进行时隙分配。
③STA运行机制：STA组网后根据自身需求判断是否上送申请使用绑定CSMA时隙请求，如需要申请使用绑定CSMA时隙，则通过CSMA时隙上送请求；且无论有无上送请求均需要在接收BCN时判断CCO是否启用绑定CSMA时隙，如果CCO启用绑定CSMA时隙，则根据自身层级和所处相位实时调整自己的绑定CSMA时隙；在收到CCO的下发业务或数据召测时，根据CCO下发业务或召测数据的时隙判断CCO使用的时隙策略，CCO通过绑定CSMA时隙下发业务或召测数据时，STA通过绑定CSMA时隙进行转发或回复,CCO通过CSMA时隙下发业务或召测数据时，STA通过CSMA时隙进行转发或回复，如图7所示。
④PCO运行机制：CCO通过BCN进行绑定CSMA时隙的分配、CCO通过绑定CSMA时隙下发业务或召测数据以及STA通过绑定CSMA时隙转发或回复时，代理转发节点PCO也启用绑定CSMA时隙，通过层层转发实现CCO与STA之间的通信。
本实施例的绑定CSMA时隙适用于节点多、层级深的单网络组网使用。HPLC目前最多支持15层级深度的组网，每个节点均有自己的唯一设备标识TEI，如图4所示。CCO对于某个STA或PCO进行具体业务下发或者数据召测时，根据具体尾端节点的层级进行时隙分配。
如图8、图9所示，CCO通过BCN进行绑定CSMA时隙的分配，代理转发节点PCO通过层层转发最后将绑定CSMA时隙分配转发给STA，STA收到时隙分配后开始启用绑定CSMA时隙；CCO通过绑定CSMA时隙进行关键数据的召测REQ或者下发IND，STA收到后也通过绑定CSMA时隙进行回复REP或者确认CNF。
如图10、图11所示，为上行STA请求使用绑定CSMA时隙流程。当STA需要持续上报某个高优先级的报文时(紧急事件：停电或者拉闸等；或者分钟采集/96点采集等)，先通过CSMA时隙上报CCO告知其有高优先级报文需要上送，告知内容包括报文间隔和持续次数，CCO收到请求后，通过BCN按照图5进行绑定CSMA时隙的分配，并在分配结束后，启用绑定CSMA时隙进行固定间隔的持续召测，直至达到持续次数。
本发明的一种电力载波通信方法，用于宽带低压电力线载波通信，将宽带低压电力线载波的一个信标周期划分为信标时隙、TDMA时隙、CSMA时隙和绑定CSMA时隙，根据上述的绑定CSMA时隙信道访问方法，在一个信标周期内，符合设定组网规模条件的单网络节点使用绑定CSMA时隙进行报文传输，其它节点使用CSMA时隙进行报文传输，可充分利用已有的绑定CSMA时隙进行上行和下行指定报文的传输。
本发明中涉及的相关技术术语的名词解释：
HPLC：宽带低压电力载波；
CSMA-CA：带冲突避免的载波侦听多址(Carrier sense multiple access withcollision avoidance)；
LEVEL：层级；
BCN：信标(beacon)；
CCO：中央协调器(Central Coordinator)；
PCO：代理转发节点(Proxy Coordinator)；
STA：站点(Stattion)；
REQ：请求(request)；
IND：指示(indication)；
ACK：确认(acknowledge)；
CNF：确认(confirm)；
REP：回复(reply)；
TEI：终端设备标识(Terminal Equipment Identifier)；
VCS：虚拟载波侦听；
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中，设定组网规模条件为层级数至少5层、节点数大于60个节点。CCO通过BCN进行绑定CSMA时隙的实时分配时，时隙分配时间持续6秒。
上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种绑定CSMA时隙信道访问方法，用于电力载波通信，其特征在于，包括以下运行机制：
①时隙分配机制：设置为允许符合设定组网规模条件的单网络使用，通过中央协调器CCO为站点STA分配时隙，每个STA节点分配两个时隙，每个时隙又分为用于请求或指示的REQ/IND时隙和用于回复或确认的REP/CNF时隙；
②CCO运行机制：CCO启动组网后，开始对附近网络进行侦听，如果收到STA节点申请使用绑定CSMA时隙请求、并满足单网络且组网规模符合设定组网规模条件，或者CCO自身需要使用绑定CSMA时隙，则启用绑定CSMA时隙，CCO通过持续发送信标BCN进行绑定CSMA时隙的分配，分配结束后，CCO通过绑定CSMA时隙进行业务下发或数据召测；否则不启用绑定CSMA时隙；
③STA运行机制：STA组网后根据自身需求判断是否上送申请使用绑定CSMA时隙请求，如需要申请使用绑定CSMA时隙，则通过CSMA时隙上送请求；且无论有无上送请求均需要在接收BCN时判断CCO是否启用绑定CSMA时隙，如果CCO启用绑定CSMA时隙，则根据自身层级和所处相位实时调整自己的绑定CSMA时隙；在收到CCO的下发业务或数据召测时，根据CCO下发业务或召测数据的时隙判断CCO使用的时隙策略，CCO通过绑定CSMA时隙下发业务或召测数据时，STA通过绑定CSMA时隙进行转发或回复,CCO通过CSMA时隙下发业务或召测数据时，STA通过CSMA时隙进行转发或回复；
④PCO运行机制：CCO通过BCN进行绑定CSMA时隙的分配、CCO通过绑定CSMA时隙下发业务或召测数据以及STA通过绑定CSMA时隙转发或回复时，代理转发节点PCO也启用绑定CSMA时隙，通过层层转发实现CCO与STA之间的通信。
2.如权利要求1所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，其特征在于，所述STA需要上报高优先级的报文时，先通过CSMA时隙上报CCO告知其有高优先级报文需要上送，告知内容包括报文间隔和持续次数，CCO收到请求后，通过BCN进行绑定CSMA时隙的分配，并在分配结束后启用绑定CSMA时隙进行固定间隔的持续召测，直至达到持续次数。
3.如权利要求1所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，其特征在于，所述设定组网规模条件为层级数和/或节点数大于设定的层级数阈值或节点数阈值。
4.如权利要求3所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，其特征在于，所述设定组网规模条件为层级数至少4层、节点数大于50个节点。
5.如权利要求1所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，其特征在于，当绑定CSMA时隙需要重新分配时，CCO通过BCN重新分配时隙，重新分配过程中，CCO停止使用绑定CSMA时隙，并在重新分配完成后重启业务并使用新的分配方案。
6.如权利要求1或5所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，其特征在于，所述CCO通过BCN为STA分配时隙过程设置有固定的时隙分配时间，时隙分配时间定时结束后再启动业务。
7.如权利要求6所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，其特征在于，所述时隙分配时间持续5秒。
8.如权利要求1所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，其特征在于，所述CCO在下发请求或者指示后，对于没有回复或确认的STA，设置了超时重发机制。
9.如权利要求8所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，其特征在于，所述超时重发机制根据STA节点的层级不同对应设置不同的重发次数，并根据重发次数进行时隙分配。
10.一种电力载波通信方法，其特征在于，将宽带低压电力线载波的一个信标周期划分为信标时隙、TDMA时隙、CSMA时隙和绑定CSMA时隙，根据权利要求1至9任一所述的绑定CSMA时隙信道访问方法，在一个信标周期内，符合设定组网规模条件的单网络节点使用绑定CSMA时隙进行报文传输，其它节点使用CSMA时隙进行报文传输。
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Application publication date: 20211001

Assignee: Nanjing Weiming Technology Co.,Ltd.

Assignor: Jiayuan Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980003832

Denomination of invention: A method for binding CSMA time slot channel access and power carrier communication

Granted publication date: 20220322

License type: Common License

Record date: 20240402

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