CN113556151B - 一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，通过软硬件相结合，结合频偏值所在范围和信噪比，对硬件频偏值的可靠性进行判定，结合频偏值所在范围和最近连续多个频偏值的两两差值，对软件频偏值的可靠性进行判定，可确保使用的频偏值足够可靠、有效，在没有改变现有协议规约的条件下，通过连续频偏值的判断，提高了频偏调整的准确性、可靠性及鲁棒性。通过增加硬件频偏值，使节点能够在只接收到一个信标帧的情况下加入网络，可提高组网效率及大部分节点的入网速度。通过对软件频偏值的精准调节，节点在信标帧个数不多的情况下也可积极快速入网，不但提高了接收报文的能力，也提高了组网速度，使网络能够快速收敛。

Description

一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法

技术领域

本发明涉及电力载波通信技术领域，特别是一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，物联网的广泛应用，促使着信息技术产业的一次次重大发展。电力物联网是物联网在智能电网中的应用，它有效整合通信和电力系统的基础设施资源，实现电力系统核心信息采集、感知、处理、通信、存储、加密等新型化信息化功能，赋予了新型电力系统更广阔的发展空间。

电力线高速载波通信（High Power line communication，HPLC）,是智能电网通信技术的一个重要分支，它利用现有的公用电力网电源线作为物理媒介进行信息的传输。相比于其他通信技术，电力线高速载波通信具有无需额外布线、不受阻挡的特点，被称为物联网“最后1公里”接入技术。

电力线高速载波通信现场环境最常见的一种拓扑类型——树形网络，如图1所示，主要由主节点、父节点和子节点组成。主节点上电后会周期性地发送信标帧，信标帧中包含了主节点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。节点加入网络之后，也会根据主节点的安排周期性地发送信标帧，信标帧用于网络的管理，高速载波通信的信道访问机制也是基于信标帧。主节点周期性的发送信标帧，下面的子节点在接收信标帧后会选择加入网络，加入网络后根据主节点的时隙安排，也会周期性地发送信标帧，未加入网络的节点侦听到信标帧后，会选择主节点或者其他的节点作为父节点加入网络，此时被选作为父节点的节点角色也变成了父节点。最终，形成以主节点为核心，若干父节点和若干子节点的树形网络拓扑。

目前HPLC常用的组网方式是一种基于洪泛网络的动态路由组网技术，组网方式具有自形成和自组织等特点，网络维护过程中还能够自调整、自恢复。然而，在自组网过程中，由于各节点之间的晶体时钟频率不尽相同，或多或少存在不同大小的频率偏值，从而导致相互之间接收不到完整的报文数据，所以组网之前需要根据情况做一定的频偏调整。频偏值可以根据发送和接收信标中的时间戳进行计算，从而知道自己的与其他节点之间的频率偏差。在组网完成网络维护过程中，为提高信道的使用率，减少信道冲突，使全网站点对时隙分配有统一的理解和使用，各节点会实时的进行时钟同步，使整个网络的网络基准时间（Network Time Base， NTB）达到统一。由于时钟同步的存在，容易导致某一时刻信标中携带的信标时间戳与上一次的存在较大差异，从而使计算得到的频偏值失真，不是两节点之间真正的频偏值。

由于节点之间频偏的存在，大多数厂家通过接收多次信标的方式，使计算的频偏值更加可靠，频偏调整更加精准。但是，这种方式会导致组网效率大大降低，组网速度太慢，不能很好的进行网络收敛，业务报文也不能及时的进行传输。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可提高频偏调整的准确性、可靠性及鲁棒性，提高组网效率及组网速度，实现快速入网，使网络能够快速收敛的应用于电力线高速载波通信的快速组网方法。

本发明采用如下技术方案：

一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，包括以下步骤：

步骤1，主节点周期性的发送信标帧，待入网的节点接收信标帧，准备加入网络；

步骤2，判断接收到的信标帧个数是否为1，若为1，则进入步骤3，否则，进入步骤4；

步骤3，获取硬件频偏值，并结合硬件频偏值所在范围和信噪比是否大于对应信噪比阈值，判断硬件频偏值是否可靠；若硬件频偏值在允许的合理范围内，且信噪比大于与允许的合理范围相对应的第一信噪比阈值，则无需调节频偏值，直接进入步骤8；否则，继续判断硬件频偏值是否在设定的有效范围内，若在设定的有效范围内，且信噪比大于与有效范围相对应的第二信噪比阈值，则判定为频偏值可靠，进入步骤7，否则，判定为频偏值不可靠，返回步骤1，继续侦听信标帧；

步骤4，判断收到的信标帧个数是否大于1，若大于1，根据接收到的信标帧携带的时间戳信息，计算软件频偏值，并记录最近计算得到的N个频偏值，然后进入步骤5；否则，返回步骤1，继续侦听信标帧；

步骤5，判断软件频偏值是否在允许的合理范围内，若软件频偏值在允许的合理范围内，则无需调节频偏值，直接进入步骤8；否则，进入步骤6；

步骤6，判定N个软件频偏值的两两差值是否不超过设定的差值阈值，N≥2，若不超过设定的差值阈值，则判定为计算的软件频偏值可靠，进入步骤7；否则返回步骤1，继续侦听信标帧；

步骤7，调节频偏值，节点根据当前有效的频偏值进行调节，使自身的时钟频率与网络同步，然后进入步骤8；

步骤8，选择父节点，节点根据收到的信标帧情况，按照设定的条件选择合适的父节点，作为入网请求报文的下一跳路由节点，然后进入步骤9；

步骤9，申请入网，节点发送入网请求报文至选择的父节点，父节点根据自身的上行路由表，逐级将入网请求传输至主节点，然后进入步骤10；

步骤10，主节点允许此节点加入网络，发送入网确认报文给待加入网络的节点，然后进入步骤11；

步骤11，待入网节点收到入网回复，入网成功。

优选地，所述步骤3中，硬件频偏值的允许的合理范围为[-2，2]ppm，第一信噪比阈值为60dB。

优选地，所述步骤3中，硬件频偏值的设定的有效范围为[-60，60]ppm，第二信噪比阈值为80dB。

优选地，所述步骤5中，软件频偏值的允许的合理范围为[-2，2]ppm。

优选地，所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤6.1，判断最近的两个软件频偏值的差值是否不超过相对应的第一差值阈值，若满足条件，则判定为频偏值可靠，进入步骤7；否则进入步骤6.2；

步骤6.2，判断最近的三个软件频偏值的两两差值是否不超过相对应的第二差值阈值，若满足条件，则判定为频偏值可靠，进入步骤7；否则，返回步骤1，继续侦听信标帧。

优选地，所述第一差值阈值为1～3ppm，第二差值阈值为4～6ppm。

优选地，所述步骤8中，节点选择父节点的设定的条件综合节点与周围节点的信噪比、层级、通信率信息设定。

优选地，已入网的节点实时与自己的父节点进行时钟同步，以实现整个网络的时钟同步。

优选地，所述硬件频偏值根据底层报文的收、发时间计算获得，然后写入寄存器中，通过读取寄存器值获取硬件频偏值。

优选地，所述软件频偏值是根据连续接收的两个信标帧中携带的时间戳进行计算获得，计算公式如下：

其中，

为计算得到的软件频偏值，

为节点物理层接收到信标帧时的时间戳，

为节点接收的相同节点上一个信标的

，

为信标时间戳，

为上一个信标中的

。

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，本发明的快速组网方法采用软件与硬件相结合的方式，在没有改变现有协议规约的条件下，通过连续频偏值的判断，提高了频偏调整的准确性、可靠性及鲁棒性。通过增加硬件频偏值，使节点能够在只接收到一个信标帧的情况下加入网络，提高了组网的效率，大大提高了大部分节点的入网速度。通过对软件频偏值的精准调节，节点在信标帧个数不多的情况下也可积极快速入网，在保证可靠性及网络稳定的前提下，不但提高了接收报文的能力，也提高了组网的速度，使网络能够快速收敛。

第二，本发明结合频偏值所在范围和信噪比，对硬件频偏值的可靠性进行判定，可确保使用的硬件频偏值足够可靠、有效，提高频偏调节的可靠性，使频偏调节更加精确。

第三，本发明结合频偏值所在范围和最近连续多个频偏值的两两差值，对软件频偏值的可靠性进行判定，可避免使用由于节点加入网络后的时钟同步所导致的具有较大偏差的频偏值，确保使用的软件频偏值足够可靠、有效，提高频偏调节的可靠性，使频偏调节更加精确。

附图说明

图1是电力线高速载波通信网络基本拓扑结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的应用于电力线高速载波通信的快速组网方法流程图；

图3是基于本发明的应用于电力线高速载波通信的快速组网方法搭建的远程抄表现场模拟环境。

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2，本发明的一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，包括以下步骤：

步骤1，主节点周期性的发送信标帧，待入网的节点接收信标帧，准备加入网络。

步骤2，判断接收到的信标帧个数是否为1，若为1，则进入步骤3，否则，进入步骤4。

步骤3，获取硬件频偏值，并结合硬件频偏值所在范围和信噪比是否大于对应信噪比阈值，判断硬件频偏值是否可靠；若硬件频偏值在允许的合理范围[-2，2]ppm内，且信噪比大于与允许的合理范围相对应的第一信噪比阈值60dB，则无需调节频偏值，直接进入步骤8；否则，继续判断硬件频偏值是否在设定的有效范围[-60，60]ppm内，若在设定的有效范围内，且信噪比大于与有效范围相对应的第二信噪比阈值80dB，则判定为频偏值可靠，进入步骤7，否则，判定为频偏值不可靠，返回步骤1，继续侦听信标帧。

所述硬件频偏值根据底层报文的收、发时间计算获得，然后写入寄存器中，通过读取寄存器值获取硬件频偏值。

步骤4，判断收到的信标帧个数是否大于1，若大于1，根据接收到的信标帧携带的时间戳信息，计算软件频偏值，并记录最近计算得到的三个频偏值，然后进入步骤5；否则，返回步骤1，继续侦听信标帧。

所述软件频偏值是根据连续接收的两个信标帧中携带的时间戳进行计算获得，计算公式如下：

其中，

为软件计算得到的频偏值，

为节点物理层接收到信标帧时的时间戳，

为节点接收的相同节点上一个信标的

，

为信标时间戳，信标时间戳，由CCO生成，嵌入在信标报文中，通过信标帧实时通知给网络中的节点，

为上一个信标中的

。

步骤5，判断软件频偏值是否在允许的合理范围[-2，2]ppm内，若软件频偏值在允许的合理范围内，则无需调节频偏值，直接进入步骤8；否则，进入步骤6。

步骤6，通过判断软件频偏值的两两差值是否不超过设定的差值阈值，来判定计算的软件频偏值是否可靠，具体包括以下步骤：

步骤6.1，判断最近的两个软件频偏值的差值是否不超过相对应的第一差值阈值2ppm，若满足条件，则判定为计算的软件频偏值可靠，进入步骤7；否则进入步骤6.2；

步骤6.2，判断最近的三个软件频偏值的两两差值是否不超过相对应的第二差值阈值5 ppm，若满足条件，则判定为频偏值可靠，进入步骤7；否则，返回步骤1，继续侦听信标帧。

步骤7，调节频偏值，节点根据当前有效的频偏值进行调节，使自身的时钟频率与网络同步，然后进入步骤8。

步骤8，选择父节点，节点根据收到的信标帧情况，按照设定的条件选择合适的父节点，作为入网请求报文的下一跳路由节点，然后进入步骤9；节点选择父节点的设定的条件综合节点与周围节点的信噪比、层级、通信率等信息设定，可根据实际情况灵活设定，并不会影响组网。

步骤9，申请入网，节点发送入网请求报文至选择的父节点，父节点根据自身的上行路由表，逐级将入网请求传输至主节点，然后进入步骤10。

步骤10，主节点允许此节点加入网络，发送入网确认报文给待加入网络的节点，然后进入步骤11。

步骤11，待入网节点收到入网回复，入网成功。

步骤12，已入网的节点实时与自己的父节点进行时钟同步，以实现整个网络的时钟同步。同时，在节点入网后的频偏调节，只使用软件频偏值，不使用硬件频偏值。

参照图3，是基于本发明的应用于电力线高速载波通信的快速组网方法搭建的远程抄表现场模拟环境，由1个集中器、1个主节点、若干衰减器、600个节点和电能表组成。集中器是远程集中抄表系统的中心管理设备和控制设备，主节点嵌入在集中器中，能够将集中器下发的电力规约（例如DL/T645.2007和DL/T698.45）报文传输至电力线上。每个电能表中嵌入节点，节点能够接收电力线传输的报文，并通过电力规约与电能表进行交互。现实环境由于距离或者噪声，导致节点间存在一定的信号衰减，衰减器的目的就是为了模拟现实环境。

经过该远程抄表现场模拟环境的多次验证，由于节点在接收一个信标帧时，就可以通过硬件频偏值进行入网，约60%的节点可以满足这个条件进行快速入网。大约25%的节点能够在接收到2个信标，计算出一个软件频偏值的情况下快速入网，约10%的节点在接收到3～5个信标帧时入网，还有剩下的5%节点在接收8个信标内入网成功。大大提高了组网的效率。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中，硬件频偏值的允许的合理范围为[-5，5]ppm，第一信噪比阈值为55dB。硬件频偏值的设定的有效范围为[-60，60]ppm，第二信噪比阈值为70dB。软件频偏值的允许的合理范围为[-5，5]ppm。两个软件频偏值的差值对应的第一差值阈值为3ppm，三个软件频偏值的两两差值对应的第二差值阈值为6ppm。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中，硬件频偏值的允许的合理范围为[-3，3]ppm，第一信噪比阈值为50dB。硬件频偏值的设定的有效范围为[-60，60]ppm，第二信噪比阈值为60dB。软件频偏值的允许的合理范围为[-3，3]ppm。两个软件频偏值的差值对应的第一差值阈值为1ppm，三个软件频偏值的两两差值对应的第二差值阈值为4ppm。

上述仅为本发明的三个具体实施方式，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 (8)

1.一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，主节点周期性的发送信标帧，待入网的节点接收信标帧，准备加入网络；

步骤2，判断接收到的信标帧个数是否为1，若为1，则进入步骤3，否则，进入步骤4；

步骤3，获取硬件频偏值，并结合硬件频偏值所在范围和信噪比是否大于对应信噪比阈值，判断硬件频偏值是否可靠；若硬件频偏值在允许的合理范围内，且信噪比大于与允许的合理范围相对应的第一信噪比阈值，则无需调节频偏值，直接进入步骤8；否则，继续判断硬件频偏值是否在设定的有效范围内，若在设定的有效范围内，且信噪比大于与有效范围相对应的第二信噪比阈值，则判定为频偏值可靠，进入步骤7，否则，判定为频偏值不可靠，返回步骤1，继续侦听信标帧；

步骤4，判断收到的信标帧个数是否大于1，若大于1，根据接收到的信标帧携带的时间戳信息，计算软件频偏值，并记录最近计算得到的N个频偏值，然后进入步骤5；否则，返回步骤1，继续侦听信标帧；

步骤5，判断软件频偏值是否在允许的合理范围内，若软件频偏值在允许的合理范围内，则无需调节频偏值，直接进入步骤8；否则，进入步骤6；

步骤6，判定N个软件频偏值的两两差值是否不超过设定的差值阈值，N≥2，若不超过设定的差值阈值，则判定为计算的软件频偏值可靠，进入步骤7；否则返回步骤1，继续侦听信标帧；

步骤7，调节频偏值，节点根据当前有效的频偏值进行调节，使自身的时钟频率与网络同步，然后进入步骤8；

步骤8，选择父节点，节点根据收到的信标帧情况，按照设定的条件选择合适的父节点，作为入网请求报文的下一跳路由节点，然后进入步骤9；

步骤9，申请入网，节点发送入网请求报文至选择的父节点，父节点根据自身的上行路由表，逐级将入网请求传输至主节点，然后进入步骤10；

步骤10，主节点允许此节点加入网络，发送入网确认报文给待加入网络的节点，然后进入步骤11；

步骤11，待入网节点收到入网回复，入网成功；

所述硬件频偏值根据底层报文的收、发时间计算获得，然后写入寄存器中，通过读取寄存器值获取硬件频偏值；

所述软件频偏值是根据连续接收的两个信标帧中携带的时间戳进行计算获得，计算公式如下：

其中，Fd为计算得到的软件频偏值，RxClk为节点物理层接收到信标帧时的时间戳，LastRxClk为节点接收的相同节点上一个信标的RxClk，Bts为信标时间戳，LastBts为上一个信标中的Bts。

2.如权利要求1所述的一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，其特征在于，所述步骤3中，硬件频偏值的允许的合理范围为[-2，2]ppm，第一信噪比阈值为60dB。

3.如权利要求1或2所述的一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，其特征在于，所述步骤3中，硬件频偏值的设定的有效范围为[-60，60]ppm，第二信噪比阈值为80dB。

4.如权利要求1所述的一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，其特征在于，所述步骤5中，软件频偏值的允许的合理范围为[-2，2]ppm。

5.如权利要求1或4所述的一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，其特征在于，所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤6.1，判断最近的两个软件频偏值的差值是否不超过相对应的第一差值阈值，若满足条件，则判定为频偏值可靠，进入步骤7；否则进入步骤6.2；

步骤6.2，判断最近的三个软件频偏值的两两差值是否不超过相对应的第二差值阈值，若满足条件，则判定为频偏值可靠，进入步骤7；否则，返回步骤1，继续侦听信标帧。

6.如权利要求5所述的一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，其特征在于，所述第一差值阈值为1～3ppm，第二差值阈值为4～6ppm。

7.如权利要求1所述的一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，其特征在于，所述步骤8中，节点选择父节点的设定的条件综合节点与周围节点的信噪比、层级、通信率信息设定。

8.如权利要求1所述的一种应用于电力线高速载波通信的快速组网方法，其特征在于，已入网的节点实时与自己的父节点进行时钟同步，以实现整个网络的时钟同步。

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