CN113949413A - 一种低压电力线载波通信系统分层组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低压电力线载波通信系统分层组网方法，包括，基于通信质量最优化理论和非交叠分簇分层路由算法，结合相应通信协议完成自动分层组网；以低压电力线载波通信网中的主站和各子站终端为网络节点，根据通信方式进行逻辑分层并建立初始路由表；对所述路由表进行基于通信质量的优化、更新及重构策略设定，直至完成分层组网和维护。本发明以低压配电台区中的主站和各子站终端为网络节点，按照通信方式进行逻辑分层，建立初始路由表，并对路由表进行基于通信质量的优化、更新及重构策略设定，该方式能够实现低压电力线载波通信的自动分层组网，有效提高网络的可靠性。

Description

一种低压电力线载波通信系统分层组网方法

技术领域

本发明涉及电力线载波通信系统分层组网的技术领域，尤其涉及一种低压电力线载波通信系统分层组网方法。

背景技术

电力线网络分支多、规模大、线路长的特点使得电力线信道受到严重的噪声干扰、信号的衰减，导致用户终端点对点通信的可靠性降低，载波系统组网的目的是提高系统传输的有效性，目前国内外对组网方式进行了深入的研究，提出了多种组网方法。

到目前为止，已经有很多人对各种动态组网方式进行了研究。如各种类蚁群算法，“逻辑拓扑结构”的方法，基于分簇的路由算法等。以上的各种方法都能够实现载波的组网，具有一定的自适应能力，但同时都有一定的局限性。类蚁群算法具有分布式计算，并列运行的优点，但同时存在盲目控索性的问题，浪费资源，组网时间会随着结点数量增加而增加，对带宽也有一定的要求。基于“逻辑拓扑结构”的组网方法具有简单易行的特点，但没有给出路由的动态重构和优化方法，抗毁性和自愈能力差。基于非交叠分簇的路由算法能够根据信道质量动态地建立起低压电力线载波通信网络内各结点之间的通信连接，并给出了路由维护、优化的具体方法，具有较强的自愈能力，但是这种组网算法的可靠性和抗毁能力有限，可能会因为通信环境的恶劣而进行频繁的路由重构，这样会给通信带来很大的通信延迟，同时其组网的信道时序控制协议比较复杂，增大了差错概率，降低了组网的速度。

电力线载波通信也存在许多不足之处。由于电力线的传输线路主要作用是用来传输电能的，所以对信号的传输并不是那么理想。电力线上关联的电器设备种类广泛并且数量众多，对载波信号具有较高的衰减，并且衰减在整个电力线传输过程中并不是均匀的。因为传输阻抗的不匹配，还会造成信号在传输过程中的反射和折射，将会产生多径效应。另外，电器设备的随机开关也会带来复杂的噪声。电力线的屏蔽性差也会使信号的传输受到较大的干扰。因此，电力线的有效传输距离很短。

在传统的电力线通信网络中，会人为设置一些固定节点作为中继，用来转发信号，增加通信距离。这些节点需要人为指定，并且需要人为设置相应的路由表项，当更换设备或者扩展网络等情况下，需要重新人为操作，耗时耗力，并且组网速度较慢，维护成本也很高。另外，随着目前电力线通信网络的发展，人们对其上承载的业务也提出了更高的要求，传统指定中继的方法不再适用。因此，动态路由的方法越来越受到关注。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种低压电力线载波通信系统分层组网方法，能够解决远距离传输无法保障高质量通信需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，基于通信质量最优化理论和非交叠分簇分层路由算法，结合相应通信协议完成自动分层组网；以低压电力线载波通信网中的主站和各子站终端为网络节点，根据通信方式进行逻辑分层并建立初始路由表；对所述路由表进行基于通信质量的优化、更新及重构策略设定，直至完成分层组网和维护。

作为本发明所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的一种优选方案，其中：进行所述自动分层组网前包括，适配低压载波通信系统的逻辑通信拓扑结构；利用IEC870-5-101协议及循环远动协议定义相应的通信协议，完成初始分层。

作为本发明所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的一种优选方案，其中：具体包括，信息以帧为基本单元传输，每帧由帧起始符、标志域、控制域、数据长度域、数据域、帧信息纵向校验域及帧结束域组成，每个域由一定字节组成；定义所述低压载波通信系统有主站和n个子站，每个子站有自己的站号，记为1，2，…，n；任意子站至少与一个其他子站通信，不存在通信孤立点，所述主站与所述子站完成一次完整通信不发生冲突的时间为T_m；组网过程中信道的通信质量不变；定义线路返回失败次数固定值F_C，当所述线路返回失败次数f小于F_C时，此路径为有效通信路径。

作为本发明所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的一种优选方案，其中：包括，在时间T_m内，所述主站向所有下级子站发送数据，所述子站向所述主站返回响应帧；所述主站分析响应帧数据，若M包数据中失败次数f≤F_C，则定义所述子站逻辑层数为1，分配逻辑地址，并记录下噪声大小和信号大小，算出信噪比；若失败次数f＞F_C，则进行下一次的分层和逻辑地址分配；若有n₁(1≤n₁≤n)个子站有效通信，则逻辑1层子站数为n₁，剩余子站数为n-n₁，若n₁＝n，即逻辑1层包括所有子站，则分层结束，否则继续分层。

作为本发明所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的一种优选方案，其中：还包括，逻辑2层的分层中，以逻辑1层的子站为中继站；所述中继站按照所述逻辑地址从低到高依次分层；所述主站向剩余n-n₁个子站发送数据，通过返回的数据分析有效通信路径，分配逻辑地址，记录信噪比；若有n₂(1≤n₂≤n-n₁)个子站有效通信，则逻辑2层的子站数为n₂，剩余子站数为n-n₁-n₂，若n₁+n₂＝n，即逻辑1和逻辑2层包括所有子站，则分层结束，否则继续分层。

作为本发明所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的一种优选方案，其中：还包括，在逻辑i(i＞1)层中，所述主站以已分层的子站为中继站向剩余的

个子站发送数据，通过返回的数据分析有效通信路径，分配逻辑地址，记录信噪比；若有

个子站有效通信，则逻辑i层有n_i个子站，剩余子站数为

若

则分层结束，否则继续分层直至所有的子站终端都分配到逻辑地址。

作为本发明所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的一种优选方案，其中：所述路由表的通信质量优化包括，对逻辑2层的所有子站终端进行路径优化，若终端只有一条路径则不改变，若终端有多条路径，则分析每条路径的信噪比，记录信噪比较大的不超过P条的通信路径；在所述逻辑2层的基础上对逻辑3层的所有终端进行优化，记录信噪比较大的不超过P条的通信路径；直到所有的路由都完成优化。

作为本发明所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的一种优选方案，其中：所述路由表的重构包括，当所述主站按照所述路由表向某一子站终端发送命令时，若所述主站与所述子站之间不止一条路径时，则优先选择信噪比较大的通信路径；若通信失败则选择信噪比次大的通信路径，直到通信成功；每一次通信，所述主站将响应帧返回的信噪比代替原来的信噪比；如果在一定时间内，所述子站的所有路径都通信失败，则所述主站确认所述子站路径不适合当前信道，删除其通信路径，对所述子站进行路由局部重构。

作为本发明所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的一种优选方案，其中：还包括，进行所述局部重构时，根据初始分层策略，所述主站向所述子站发送重构命令帧；若返回的响应帧显示通信无效，则以逻辑2层的子站为中继站向所述子站发送数据；若通信成功则记录初始路径，并进行优化；若失败则继续使用二级中继进行分层，直至通信成功；如果逻辑n层以后都不能与所述子站通信，则认为其已损坏或移出网络，所述主站删除所述子站；若所述主站按照所述路由表向多个子站终端发送命令的通信路径都失败，则所有子站重新建立路由表。

本发明的有益效果：本发明设计了一种适合低压电力线载波通信的改进动态路由自动分层组网方式，其以通信质量最优化理论和非交叠分簇分层路由算法为基础，并结合相应通信协议实现自动分层组网的目的；另一方面，本发明以低压配电台区中的主站和各子站终端为网络节点，按照通信方式进行逻辑分层，建立初始路由表，并对路由表进行基于通信质量的优化、更新及重构策略设定，该方式能够实现低压电力线载波通信的自动分层组网，有效提高网络的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的初始逻辑分层示意图；

图2为本发明一个实施例所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法的对比曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

低压电力线载波通信系统的组网方式具有的特点影响着组网的策略和实现技术，通信逻辑拓扑结构复杂多变，由于低压电力线载波通信网络受到信号传输的高衰减、强干扰的影响，以及各种电器随机的开关接入，致使通信信道随机地发生剧烈变化，通信的逻辑拓扑也会随之改变，因此，要求组网算法有很高的抗毁能力以及很强的自愈性能；实时性要求不高。

低压载波系统的作用只是周期性地读取用户的用电数据以及交换一些其他的控制信息，通信数据量小，对数据的实时性要求较低，多数时间处于空闲状态；要求硬件和组网算法尽可能地简单，由于中国电力用户数量很大，应使硬件尽可能的简单来降低投资成本，同时为了提高组网以及网络重构的速度和效率，要求通信协议及组网算法尽可能的简单；为了实现上述目的，本发明提出了一种低压电力线载波系统分层组网方式以实现更优传输性能。

参照图1，为本发明的第一个实施例，提供了一种低压电力线载波通信系统分层组网方法，具体包括：

S1：基于通信质量最优化理论和非交叠分簇分层路由算法，结合相应通信协议完成自动分层组网。其中需要说明的是：

(1)适配低压载波通信系统的逻辑通信拓扑结构

在电力系统中，台区是指一台变压器的供电区域，而变压器与用户电表之间的对应关系被称为户变关系，载波通信网络的逻辑拓扑是一种基于树形的混合型拓扑结构，对一个低压配电台区来说，变压器部分可等效为一个载波通信主站，变压器下的分支箱、表箱、电表等可等效为载波通信子站。

(2)初始分层方法

利用IEC870-5-101协议及循环远动协议定义相应的通信协议，完成初始分层；

信息以帧为基本单元传输，每帧由帧起始符、标志域、控制域、数据长度域、数据域、帧信息纵向校验域及帧结束域组成，每个域由一定字节组成；

定义低压载波通信系统有主站和n个子站，每个子站有自己的站号，记为1，2，…，n；

任意子站至少与一个其他子站通信，不存在通信孤立点，主站与子站完成一次完整通信不发生冲突的时间为T_m；

组网过程中信道的通信质量不变；

定义线路返回失败次数固定值F_C，当线路返回失败次数f小于F_C时，此路径为有效通信路径；

在时间T_m内，主站向所有下级子站发送数据，子站向主站返回响应帧；

主站分析响应帧数据，若M包数据中失败次数f≤F_C，则定义子站逻辑层数为1，分配逻辑地址，并记录下噪声大小和信号大小，算出信噪比；

若失败次数f＞F_C，则进行下一次的分层和逻辑地址分配；

若有n₁(1≤n₁≤n)个子站有效通信，则逻辑1层子站数为n₁，剩余子站数为n-n₁，若n₁＝n，即逻辑1层包括所有子站，则分层结束，否则继续分层；

逻辑2层的分层中，以逻辑1层的子站为中继站；

中继站按照逻辑地址从低到高依次分层；

主站向剩余n-n₁个子站发送数据，通过返回的数据分析有效通信路径，分配逻辑地址，记录信噪比；

若有n₂(1≤n₂≤n-n₁)个子站有效通信，则逻辑2层的子站数为n₂，剩余子站数为n-n₁-n₂，若n₁+n₂＝n，即逻辑1和逻辑2层包括所有子站，则分层结束，否则继续分层；

在逻辑i(i＞1)层中，主站以已分层的子站为中继站向剩余的

个子站发送数据，通过返回的数据分析有效通信路径，分配逻辑地址，记录信噪比；

若有

个子站有效通信，则逻辑i层有n_i个子站，剩余子站数为

若

则分层结束，否则继续分层直至所有的子站终端都分配到逻辑地址。

S2：以低压电力线载波通信网中的主站和各子站终端为网络节点，根据通信方式进行逻辑分层并建立初始路由表。参照图2，为初始分层后的路由表示意图，本步骤需要说明的是：

初始分层的路由表结构较为复杂，通信质量不高，子站终端有多条路径，需要对其进行优化来提高通信质量，完成通信质量的最优化，设定优化后的子站终端与上层终端的通信路径最多为P条。

具体的，路由表的通信质量优化包括：

对逻辑2层的所有子站终端进行路径优化，若终端只有一条路径则不改变，若终端有多条路径，则分析每条路径的信噪比，记录信噪比较大的不超过P条的通信路径；

在逻辑2层的基础上对逻辑3层的所有终端进行优化，记录信噪比较大的不超过P条的通信路径；

直到所有的路由都完成优化。

S3：对路由表进行基于通信质量的优化、更新及重构策略设定，直至完成分层组网和维护。其中还需要详细说明的是，路由表的重构包括：

当主站按照路由表向某一子站终端发送命令时，若主站与子站之间不止一条路径时，则优先选择信噪比较大的通信路径；

若通信失败则选择信噪比次大的通信路径，直到通信成功；

每一次通信，主站将响应帧返回的信噪比代替原来的信噪比；

如果在一定时间内，子站的所有路径都通信失败，则主站确认子站路径不适合当前信道，删除其通信路径，对子站进行路由局部重构；

进行局部重构时，根据初始分层策略，主站向子站发送重构命令帧；

若返回的响应帧显示通信无效，则以逻辑2层的子站为中继站向子站发送数据；

若通信成功则记录初始路径，并进行优化；

若失败则继续使用二级中继进行分层，直至通信成功；

如果逻辑n层以后都不能与子站通信，则认为其已损坏或移出网络，主站删除子站；

若主站按照路由表向多个子站终端发送命令的通信路径都失败，则所有子站重新建立路由表。

再进一步的，逻辑分层和初始化耗时包括：

设定对各终端子站进行逻辑分层时，主站与一个子站之间的通信在T_m内完成；

组网的总时间(即各逻辑层分层时间之和)为T_total；

每一逻辑层需要的时间为上层每一个站点与未分层的子站通信时间之和；

T_total计算公式为：

完成分层组网与维护。

优选地，为了实现远距离传输，获取更高通信质量，提高载波通信系统的可靠性和抗毁性，本实施例提供了一种适合低压电力线载波通信的改进动态路由自动分层组网方式，其以通信质量最优化理论和非交叠分簇分层路由算法为基础，并结合相应通信协议实现自动分层组网的目的，以低压电力线载波通信网中的主站和各子站终端为网络节点，按照通信方式进行逻辑分层，建立初始路由表，并对路由表进行基于通信质量的优化、更新及重构策略设定，该方式能够实现低压电力线载波通信的自动分层组网，有效提高网络的可靠性和鲁棒性。

实施例2

参照图2，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种低压电力线载波通信系统分层组网方法的测试对比，包括：

为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择以传统的组网方法与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，验证本发明方法所具有的真实效果。

传统的组网方法没有给出路由的动态重构和优化方法，抗毁性和自愈能力差，为验证本发明方法相对于传统方法具有较高的抗毁性和网络可靠性，本实施例中将采用传统方法和本发明方法分别对仿真平台的组网能力进行实时测试对比。

测试环境：将传统方法与本发明方法的运行程序导入仿真平台模拟运行并模拟系统组网状态，分别利用传统方法的逻辑拓扑结构操作进行测试并获得测试结果数据，采用本发明方法，则开启自动化测试设备并运用MATLB软件实现本发明方法的仿真测试，根本实验结果得到仿真数据；每种方法各测试10000组数据，计算获得每组数据的时间和误差均方根，与仿真模拟输入的实际预测值进行误差对比计算。

参照图2，实线为本发明方法输出的曲线，虚线为传统方法输出的曲线，根据图2的示意，能够直观的看出，实线与虚线随着时间的增加，呈现不同的走势，实线相较于虚线，在前期一直呈稳定的上升趋势，虽然后期有所下滑，但是波动不大，且一直在虚线的上方，并保持一定的距离，而虚线则呈现较大的波动趋势，不稳定，由此，实线的抗毁性状态一直大于虚线，即验证了本发明方法所具有的真实效果。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：包括，

基于通信质量最优化理论和非交叠分簇分层路由算法，结合相应通信协议完成自动分层组网；

以低压电力线载波通信网中的主站和各子站终端为网络节点，根据通信方式进行逻辑分层并建立初始路由表；

对所述路由表进行基于通信质量的优化、更新及重构策略设定，直至完成分层组网和维护。

2.根据权利要求1所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：进行所述自动分层组网前包括，

适配低压载波通信系统的逻辑通信拓扑结构；

利用IEC870-5-101协议及循环远动协议定义相应的通信协议，完成初始分层。

3.根据权利要求1或2所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：具体包括，

信息以帧为基本单元传输，每帧由帧起始符、标志域、控制域、数据长度域、数据域、帧信息纵向校验域及帧结束域组成，每个域由一定字节组成；

定义所述低压载波通信系统有主站和n个子站，每个子站有自己的站号，记为1，2，…，n；

任意子站至少与一个其他子站通信，不存在通信孤立点，所述主站与所述子站完成一次完整通信不发生冲突的时间为T_m；

组网过程中信道的通信质量不变；

定义线路返回失败次数固定值F_C，当所述线路返回失败次数f小于F_C时，此路径为有效通信路径。

4.根据权利要求3所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：包括，

在时间T_m内，所述主站向所有下级子站发送数据，所述子站向所述主站返回响应帧；

所述主站分析响应帧数据，若M包数据中失败次数f≤F_C，则定义所述子站逻辑层数为1，分配逻辑地址，并记录下噪声大小和信号大小，算出信噪比；

若失败次数f＞F_C，则进行下一次的分层和逻辑地址分配；

若有n₁(1≤n₁≤n)个子站有效通信，则逻辑1层子站数为n₁，剩余子站数为n-n₁，若n₁＝n，即逻辑1层包括所有子站，则分层结束，否则继续分层。

5.根据权利要求4所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：还包括，

逻辑2层的分层中，以逻辑1层的子站为中继站；

所述中继站按照所述逻辑地址从低到高依次分层；

所述主站向剩余n-n₁个子站发送数据，通过返回的数据分析有效通信路径，分配逻辑地址，记录信噪比；

若有n₂(1≤n₂≤n-n₁)个子站有效通信，则逻辑2层的子站数为n₂，剩余子站数为n-n₁-n₂，若n₁+n₂＝n，即逻辑1和逻辑2层包括所有子站，则分层结束，否则继续分层。

6.根据权利要求5所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：还包括，

在逻辑i(i＞1)层中，所述主站以已分层的子站为中继站向剩余的

个子站发送数据，通过返回的数据分析有效通信路径，分配逻辑地址，记录信噪比；

若有

个子站有效通信，则逻辑i层有n_i个子站，剩余子站数为

若

则分层结束，否则继续分层直至所有的子站终端都分配到逻辑地址。

7.根据权利要求6所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：所述路由表的通信质量优化包括，

对逻辑2层的所有子站终端进行路径优化，若终端只有一条路径则不改变，若终端有多条路径，则分析每条路径的信噪比，记录信噪比较大的不超过P条的通信路径；

在所述逻辑2层的基础上对逻辑3层的所有终端进行优化，记录信噪比较大的不超过P条的通信路径；

直到所有的路由都完成优化。

8.根据权利要求7所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：所述路由表的重构包括，

当所述主站按照所述路由表向某一子站终端发送命令时，若所述主站与所述子站之间不止一条路径时，则优先选择信噪比较大的通信路径；

若通信失败则选择信噪比次大的通信路径，直到通信成功；

每一次通信，所述主站将响应帧返回的信噪比代替原来的信噪比；

如果在一定时间内，所述子站的所有路径都通信失败，则所述主站确认所述子站路径不适合当前信道，删除其通信路径，对所述子站进行路由局部重构。

9.根据权利要求8所述的低压电力线载波通信系统分层组网方法，其特征在于：还包括，

进行所述局部重构时，根据初始分层策略，所述主站向所述子站发送重构命令帧；

若返回的响应帧显示通信无效，则以逻辑2层的子站为中继站向所述子站发送数据；

若通信成功则记录初始路径，并进行优化；

若失败则继续使用二级中继进行分层，直至通信成功；

如果逻辑n层以后都不能与所述子站通信，则认为其已损坏或移出网络，所述主站删除所述子站；

若所述主站按照所述路由表向多个子站终端发送命令的通信路径都失败，则所有子站重新建立路由表。

Images