CN114124792A - 混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法及装置 - Google Patents

混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法及装置，该方法步骤包括：S01.由多个预置有双模通信模块的智能电能表作为节点，构建形成混合双模异构配电场域网；S02.混合双模异构配电场域网内各节点进行数据传输时，根据中心节点管理的全网的混合多径路由表查询所有的可用路径，并计算各可用路径的传输时延预测值；S03.控制将待发送数据通过各可用路径进行并发传输，并根据计算的各可用路径的所述传输时延预测值确定并发传输的模式。本发明具有实现方法简单、传输效率高以及实时性强等优点。

Description

混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法及装置
技术领域
本发明涉及配电场域网技术领域，尤其涉及一种混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法及装置。
背景技术
配用电场域网是智能电力物联网建设中重要组成部分，是用于解决电力物联网建设中最后一公里的通信技术问题。电力线载波(PLC)与无线通信是配电场域网建设中两种主要通信方式，其中电力线载波是利用目前广泛已架设的电力线为载体进行通信，线路建设成本低且部署方便，但在配电场域网应用过程中，由于用电负荷起伏大，并有大量散居用户，会导致线路阻抗时变性强、多径反射以及长距离线路干扰严重等问题，再加上配电变压器对载波信号的阻隔作用，使得电力线载波在配电场域网中的应用会受到制约；无线通信具有无需布线等特点，但在配电场域网面对高密度服务以及高层、地下建筑等复杂环境下，会存在信号衰减严重、通信质量不稳定等问题。
目前对于配电场域网的传输速率以及可靠性等要求在不断提升，如在智能电网建设过程中，就要求配电场域网在各种应用场景下，都能够具有较高的连通率、传输速率和可靠性，而采用单一通信方式，无论是电力线载波方式还是无线通信发方式等，都难以满足上述要求。在配电场域网中使用电力线载波与其他通信方式组合的双模式，可以弥补单一通信模式存在的缺陷，如PLC+LoRa、PLC+5G、PLC+Wi-Fi、PLC+RF以及PLC+LTE等组合模式。但是，目前基于电力线载波的双模异构配电场域网方案中，通常都是采用“一主一辅”的组网方式，即由一个网络作为主网络、另一个网络作为辅助网络，通信方式仍然是独立组网并建各自路由，也即是独立双模方式，通信时先从两个网络中选取最佳路由，然后再在选取出的网络中确定出一条传输路径，通过确定的传输路径采用单路径方式进行数据传输。由于上述电力线载波与其他通信模式本质上仍然是独立工作的，不能充分发挥两种通信模式的混合互补优势，且每次进行数据传输时仅能够通过一条传输路径进行数据传输，每次能够传输的数据量有限，且传输路径的传输压力较大，因而该类双模异构配电场域网的数据传输过程中数据传输效率以及可靠性仍不高，无法满足当前对于网络中传输速率以及可靠性的高要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、传输效率高以及实时性强的混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，步骤包括：
S01.由多个预置有双模通信模块的智能电能表作为节点，构建形成混合双模异构配电场域网，所述双模通信模块具有两种通信模式；
S02.所述混合双模异构配电场域网内各节点进行数据传输时，根据中心节点管理的全网的混合多径路由表查询所有的可用路径，并计算各可用路径的传输时延预测值，所述混合多径路由表用于维护各节点与所述中心节点之间的最优多径路由；
S03.源节点控制将待发送数据通过查询出的各所述可用路径并发传输至目的节点，并根据计算的各可用路径的所述传输时延预测值确定所述并发传输的模式。
进一步的，所述并发传输模式包括多径负载均衡传输模式、单径传输模式以及多径冗余传输模式，所述多径负载均衡传输模式中待发送数据在各所述可用路径中均衡发送，所述单径传输模式中待发送数据在指定的可用路径中发送，所述多径冗余传输模式中对传输数据包进行本地复制生成副本，并分别在最优路径和次优路径上进行传输。
进一步的，所述步骤S03中根据计算的各可用路径的所述传输时延预测值确定所述并发传输的模式包括：判断各可用路径中活跃路径数，如果活跃路径数大于预设阈值，则控制采用所述多径负载均衡传输模式，如果活跃路径数为1，控制采用所述单径传输模式，以在活跃路径上进行单径传输，如果活跃路径数为0，则控制采用所述多径冗余传输模式。
进一步的，所述步骤S02中具体按照下式计算各可用路径的传输时延预测值：
Tpa＝Tpr+Ttr+Tsw
其中，Tpa为路径预测传输时延，Tpr为节点处理时延，即为源节点分配数据时延和目的节点重排数据时延，Ttr为传输时延，即为路径所含链路传输时延之和，Tsw为路径所含中继节点转发时延。
进一步的，所述步骤S03中控制将待发送数据通过各所述可用路径进行并发传输时，根据可用路径中的活跃路径数确定各活跃路径被分配数据包数，所述活跃路径被分配数据包数具体可按照下式计算得到：
Figure BDA0003290513290000021
其中，NPa_i为第i条活跃路径被分配数据包数,m为活跃路径数，Tpa_i为第i条活跃路径预测传输时延，N为在T时间内需传送数据总包数为N。
进一步的，所述步骤S03中控制将待发送数据通过各所述可用路径进行并发传输时，根据待分配数据包的发送顺序、各条可用路径的传输时延值，将数据包在活跃路径间进行分配，包括：预先将待分配数据包按照发送顺序进行排序并设置对应的计数器，传输起始时，依次为每个活跃路径分配一个数据包，将数据包送该路径发送缓冲区，启动计数器，每当存在目标活跃路径的计数器值能被某路径传输时延值整除时，就向该目标活跃路径的发送缓冲区依次分配一个新的数据包，直至所有数据包被分配。
进一步的，构建所述混合多径路由表的步骤包括：
S201.路由开始计算前，取各节点的通信链路的邻接矩阵中最小值作为最优邻接矩阵；
S202.根据确定的所述最优邻接矩阵计算最短路径，生成最优路径；
S203.确定次优路径：从所述最优邻接矩阵中剥离所述最优路径上的链路，剥离时若待剥离链路的两节点间仍有大于当前链路度量值的另一目标通信链路度量值，则将所述最优邻接矩阵中待剥离链路的链路值替换为所述目标通信链路度量值，使用剥离完成后的最优邻接矩阵计算最短路径，生成次优路径；
S204.生成再次优路径：从当前所述最优邻接矩阵中剥离所述最优路径和所述次优路径上的链路，并计算最短路径，生成再次优路径。
进一步的，根据所述最优邻接矩阵的节点数m和链路数n，生成一个具有m个节点n条边的无向图G(m,n)，采用跳数受限最短路径算法计算所述最短路径，步骤包括：
S221.初始化：初始化网内各节点的距离、节点之间的距离，并把中心节点加入到集合P中，所述集合P为上轮迭代距离变小点的集合；
S222.在第h次迭代中，按照节点编号依次对所述集合P中的各节点i计算：
Figure BDA0003290513290000031
其中，d(i)表示节点i到中心节点的距离，d0(i)为上一次迭代完成后节点i到中心节点的距离，v(i,j)表示节点i和节点j之间边的权值，即链路度量值；若d(j)<d0(j)且节点j不在集合Q中，则把节点j加入到所述集合Q，同时从所述集合P中删除节点i，所述集合Q为本轮迭代距离变小点的集合；
S223.当所述集合Q为空或者迭代次数等于生成路径的限定边数k时，结束计算，则当前得到的d(i)为节点i到中心节点的最短距离，计算得到所述最短路径；若所述集合Q非空并且迭代次数小于所述限定边数k时，执行步骤S224；
S224.将所述集合P清空，同时把所述集合Q中的节点移至所述集合P后再清空所述集合Q，对节点i令d0(i)＝d(i)，其中i∈[1..m]，迭代次数变量增1后跳转到S222重复执行
一种混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策装置，包括：
混合双模异构配电场域网，由多个预置有双模通信模块的智能电能表作为节点构建形成，所述双模通信模块具有两种通信模式；
查询预测模块，用于所述混合双模异构配电场域网内各节点进行数据传输时，根据中心节点管理的全网的混合多径路由表查询所有的可用路径，并计算各可用路径的传输时延预测值，所述混合多径路由表用于维护各节点与所述中心节点之间的最优多径路由；
多径并发模块，用于源节点控制将待发送数据通过查询出的各所述可用路径并发传输至目的节点，并根据计算的各可用路径的所述传输时延预测值确定所述并发传输的模式。
一种混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策装置，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，其所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如上述方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过构建形成混合双模异构配电场域网，配置网内的中心节点管理全网的混合多径路由表，由混合多径路由表维护网内各节点与中心节点之间的最优多径路由，当网内源节点需要发送数据时，根据混合多径路由表查找出源节点到目的节点的所有可用路径，源节点根据各可用路径的传输时延预测值来确定并发传输至目的节点的模式，能够充分利用双模式特性实现混合双模异构场域网多径并发传输，使得能够同时通过多径实现传输，同时考虑各传输路径的传输时延，能够确保多径传输的传输效率，从而有效提高网内数据传输的传输效率以及可靠性。
2、本发明通过依据可用路径的传输时延决策多径并发模式，能够实时依据可用路径的状态动态切换适合的传输模式，确保多径并发的实时最优传输效率以及可靠性。
附图说明
图1是本实施例混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法的实现流程示意图。
图2是本实施例中双模通信模块的通信协议栈的原理示意图。
图3是本实施例中混合多径路由表创建流程示意图
图4是本发明在具体应用实施例中实现多径并发传输流程的示意图。
图5是本发明在具体应用实施例中多径传输数据包分配情况示意图。
图6是在具体应用实施例中采用本发明进行实验的实验室测试平台拓扑示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法的步骤包括：
S01.由多个预置有双模通信模块的智能电能表作为节点，构建形成混合双模异构配电场域网，双模通信模块具有两种通信模式；
S02.混合双模异构配电场域网内各节点进行数据传输时，根据中心节点管理的全网的混合多径路由表查询所有的可用路径，并计算各可用路径的传输时延预测值；混合多径路由表用于维护各节点与中心节点之间的最优多径路由；
S03.源节点控制将待发送数据通过查询出的各可用路径并发传输至目的节点，并根据计算的各可用路径的传输时延预测值确定并发传输的模式。
本实施例构建形成混合双模异构配电场域网后，配置网内的中心节点管理全网的混合多径路由表，由混合多径路由表维护网内各节点与中心节点之间的最优多径路由，当网内源节点需要发送数据时，根据混合多径路由表查找出源节点到目的节点的所有可用路径，源节点根据各可用路径的传输时延预测值来确定并发传输至目的节点的模式，能够充分利用双模式特性实现混合双模异构场域网多径并发传输，使得能够同时通过多径实现传输，同时考虑各传输路径的传输时延动态决策传输模式，能够实时确保多径传输的传输效率，从而有效提高网内数据传输的传输效率以及可靠性。
本实施例中，双模通信模块具体具有RF(射频)和HPLC(宽带电力线载波)两种通信模式，结合上述多径并发传输动态决策方法，能够充分发挥HPLC与RF两种通信模式的混合互补优势，进一步提高网内的连通率、数据传输的传输效率以及可靠性。
本实施例基于HPLC与RF的双模通信模块构建配电场域网，各节点部署后，节点移动性较小，网内节点主要与中心节点进行数据交换，节点之间数据交换量小，因此配电场域网采用集中式路由，由中心节点管理全网混合多径路由表，重点维护各节点与中心节点之间的最优多径路由，并由中心节点通过配置参数帧更新网络各节点所存储的路由表。
本实施例中，异构场域网节点的双模通信模块具体采用四层架构通信协议，通信协议栈如图2所示，包括应用层、异构网络层、数据链路层以及物理层四层，其中应用层以统一抽象的“数据通道”替代RF和HPLC端口，使其通信地位一致；异构网络层实现网络组网与维护、路由管理以及应用层报文的汇聚和分发，存贮并动态刷新混合路由表；数据链路层中定义了RF链路MAC层以及HPLC链路MAC层，其中RF链路MAC层具体为带冲突避免的载波侦听多址接入和时分多址接入控制机制，HPLC链路MAC层具体通过载波侦听多址接入和时分多址接入竞争物理信道；物理层中定义了RF链路PHY(物理层)以及HPLC链路PHY(物理层)，RF链路PHY层包括射频通信所需要的频率资源、输出功率、调制方式、数据信道编码方式和信道切换方法等，HPLC链路PHY层用于实现宽带载波信号的调制并耦合到电力线上，以及接收电力线宽带载波信号并解调为数据报文。应用层具体可通过485总线采用DL/T645协议与电能表进行通信。
本实施例中，先通过计算网内各节点间通信链路的度量值，动态维护节点的通信链路的邻接矩阵，邻接矩阵中矩阵值为节点间通信链路的度量值，通信链路包括RF链路和HPLC链路，根据网内各节点的通信链路的邻接矩阵构建混合多径路由表。具体使用滑动窗口加权平均链路度量方法(SWA)，通过对链路历史统计值和瞬时值进行加权平均，计算得到各节点间通信链路的度量值，以有效提高链路度量值的收敛速度。
在具体应用实施例中，设定滑动窗口数为4，则采用滑动窗口加权平均链路度量方法(SWA)计算链路度量值时计算公式如式(1)所示。
Figure BDA0003290513290000061
其中，βi为权值，具体可按照越靠近当前的值则所取权值越大的原则进行设置，以减轻链路信道多变的影响；SNR表示链路信噪比，体现链路当前负载及环境干扰状况；ETT为期望传输时间，用于估算链路成功传送数据包的时间。
例如按照式(1)计算链路度量值时，计算最近4个ETT的值，权值βi可依次取(0.1，0.2，0.3和0.4)，越靠近当前的值则所取权值越大，以减轻链路信道多变的影响。
本实施例各节点在网络维护周期中，具体通过接收邻居节点发送的发现列表报文，计算出与邻居节点通信成功率和时延，从本节点物理层获取链路信噪比，分别计算出本节点到邻居结点RF链路和HPLC链路的度量值。
本实施例双模异构配电场域网中，中心节点负责整个网络的组网控制、网络维护等功能，实现整个网络的通信控制。具体在一个路由周期内，中心节点通过接收网络各节点的发现列表报文、通信成功率上报报文和场强收集应答帧，计算全网中各节点间通信链路的度量值，动态维护网络节点RF链路邻接矩阵和HPLC链路邻接矩阵，矩阵值为节点间链路度量值，若两节点无通信链路，将链路度量值设置为无穷大。
中心节点基于维护的邻接矩阵即可构建混合多径路由表，由混合多径路由表来维护网内各节点与中心节点之间的最优多径路由，以使得能够实现最优多径并发传输。考虑多径传输端到端时延、包乱序率和重排序时延等因素对多径并行传输的影响，本实施例配置多径传输路径数不超过3条，同时为防止某些链路失效导致整个数据传输中断，使得多径路径之间相同链路数最少。本实施例中，构建混合多径路由表的步骤包括：
S201.路由开始计算前，取各节点的通信链路的邻接矩阵中最小值作为最优邻接矩阵；
S202.根据确定的最优邻接矩阵计算最短路径，生成最优路径；
S203.确定次优路径：从最优邻接矩阵中剥离最优路径上的链路，剥离时若待剥离链路的两节点间仍有大于当前链路度量值的另一目标通信链路度量值，则将最优邻接矩阵中待剥离链路的链路值替换为目标通信链路度量值，使用剥离完成后的最优邻接矩阵计算最短路径，生成次优路径；
S204.生成再次优路径：从当前最优邻接矩阵中剥离最优路径和次优路径上的链路，并计算最短路径，生成再次优路径。
本实施例通过上述步骤构建混合多径路由表，能够构建最优、次优、再次优3条传输路径，同时还能够使得多径路径之间相同链路数最少，防止某些链路失效导致整个数据传输中断，从而进一步提高网络中数据传输的效率以及可靠性。
在具体应用实施例中，如图3所示，本实施例混合多径路由表创建流程具体为：
路由开始计算前，首先取RF链路邻接矩阵和HPLC链路邻接矩阵对应位置最小值作为最优邻接矩阵相应位置值；
依据最优邻接矩阵，采用最短路径算法计算最优路径；
计算次优路径时，首先采用剪枝算法从最优邻接矩阵中剥离已生成的最优路径链路，剥离时，若该链路两节点间仍有大于当前链路度量值的另一通信链路度量值，则将最优邻接矩阵中该两节点链路值替换为该值，若无，则该值设置为无穷大，表示两节点无通信链路，最后用剥离完成后的最优邻接矩阵采用跳数受限最短路径算法生成次优路径；
生成再次优路径时，从最优邻接矩阵中剥离已生成的最优路径和次优路径链路后，采用最短路径算法生成再次优路径。
本实施例具体采用跳数受限最短路径算法计算最短路径，跳数受限最短路径算法为基于Bellman-Ford(贝尔曼-福特)算法并对生成的最短路径中的中继节点数进行限制形成得到。若路由中的中继节点数过多，一方面中继节点转发数据需要消耗时间，另一方面也会影响数据传输的可靠性，本实施例对生成的路由中的中继节点数进行限制，在Bellman-Ford算法的基础上进行优化，对生成的最短路径中的中继节点数，即边数进行限制。
依据最优邻接矩阵节点数m和链路数n，可生成一个具有m个节点n条边的无向图G(m,n)，m个节点分别编号为1，2，3...m，中心节点编号为1；用v(i,j)表示节点i和节点j之间边的权值，即链路度量值；用d(i)表示节点i到中心节点的距离，d0(i)为上一次迭代完成后节点i到中心节点的距离；生成路径的边数限定为k；定义集合P为上轮迭代得到的节点的集合，定义集合Q为本轮迭代得到的节点的集合。
本实施例中，采用跳数受限最短路径算法计算最短路径的详细步骤包括：
S221.初始化：初始化网内各节点的距离、节点之间的距离，并把中心节点加入到集合P中，集合P为上轮迭代距离变小点的集合；
S222.在第h次迭代中，按照节点编号依次对集合P中的各节点i计算：
Figure BDA0003290513290000081
其中，d(i)表示节点i到中心节点的距离，d0(i)为上一次迭代完成后节点i到中心节点的距离，v(i,j)表示节点i和节点j之间边的权值，即链路度量值；若d(j)<d0(j)且节点j不在集合Q中，则把节点j加入到集合Q，同时从集合P中删除节点i，集合Q为本轮迭代距离变小点的集合；
S223.当集合Q为空或者迭代次数等于生成路径的限定边数k时，结束计算，则当前得到的d(i)为节点i到中心节点的最短距离，计算得到最短路径；若集合Q非空并且迭代次数小于限定边数k时，执行步骤S224；
S224.将集合P清空，同时把集合Q中的节点移至集合P后再清空集合Q，对节点i令d0(i)＝d(i)，其中i∈[1..m]，迭代次数变量增1后跳转到S222重复执行。
上述步骤S221具体包括：首先令中心节点到本身的距离为0，其它节点到中心节点的距离为正无穷大，即d(1)＝0d(i)＝+∞,i∈[2..m]，把中心节点1加入到集合P中，迭代次数变量赋予初值1；同时设定上次迭代即第0次迭代，中心节点的距离为0，即d0(1)＝0，其它各节点的距离为正无穷，即d0(i)＝+∞,i∈(2..m)。
本实施例通过采用采用跳数受限最短路径算法计算得到的最短路径，能够尽可能的减少中继节点转发数据需要消耗时间，还能够进一步提高数据传输的可靠性。
本实施例步骤S02中还包括根据网内各节点的重要性以及数据传输频次，使用分散更新方法更新混合多径路由表，包括：按照各节点的重要程度为各节点设置对应的更新间隔时间，当目的节点达到需更新的时间或目的节点与中心节点进行数据交换时，控制更新目的节点的混合多径路由表，或存在目的链路的实时度量值与历史度量值之间的变化超过预设阈值，则控制更新与目的链路相连节点的混合多径路由表。
在具体应用实施例中，上述对各节点路由的更新具体采用最近最多使用分散更新方法，以实现混合多径路由表适时高效的更新，上述最近最多使用分散更新方法具体包括：
(1)给网内各节点设一定时器，并置相同初值，依据节点重要性，设置不同递减步进，重要性越高，递减步进越大；
(2)若某节点定时器递减为0时，更新该节点多径路由，通过新生成的最优路径向该节点发送路由更新指令，并置该节点定时器为初值；
(3)当中心节点与网络某节点进行一次数据交换后，对该节点多径路由进行更新，并置该节点定时器为初值；
(4)若某链路实时度量值与所记录的历史度量值变化超过预设比例时，更新与该链路相连节点的多径路由，并置该节点定时器为初值。
本实施例使用最近最多使用分散更新方法，可以避免路由集中更新对中心节点和网络带来的瞬时大负载，也可使重要节点和通信频次高的节点获得较高路由更新机率，网络也可实时感知网络状态的突变。
通过上述步骤构建出混合多径路由表后，当网内源节点需要发送数据时，先根据混合多径路由表查找出源节点到目的节点的所有可用路径，然后将待发送数据通过查找出的多条可用路径进行并发传输，即可实现多条路径的并行数据传输，能够有效提高配电场域网内数据传输的效率。
本实施例中，并发传输模式具体包括多径负载均衡传输模式、单径传输模式以及多径冗余传输模式，多径负载均衡传输模式中待发送数据在各可用路径中均衡发送，单径传输模式中待发送数据在指定的可用路径中发送，多径冗余传输模式中对传输数据包进行本地复制生成副本，并分别在最优路径和次优路径上进行传输。如果活跃路径数量较多，在活跃路径间使用多径负载均衡传输模式能够提高节点吞吐量和传输速率，减少链路数据拥堵，降低端到端传输时延；如果活跃路径数较少，说明此时较多的路径传输质量较差，则可在某条活跃路径上进行单径传输，避免多径传输时数据乱序造成的影响，如果活跃路径数非常少甚至为0，说明网络传输整体质量差，采用多径冗余传输模式，通过对传输数据包进行本地复制生成副本，分别在最优路径和次优路径上进行传输，可以提高端到端递交率。通过依据可用路径的传输时延、活跃路径数量决策多径并发模式，能够实时依据可用路径的状态动态切换适合的传输模式，确保多径并发的实时最优传输效率以及可靠性。
在具体应用实施例中，如图4所示，当网络源节点S向本网内某节点D发送数据时，若该节点不为中心节点，则由中心节点转发；节点S查询其到中心节点多径路由表，假定查询出有三条可用路径，路径P1为S→A→B→D，P2为S→C→D，P3为S→E→F→G→D，其中实线链路表示为HPLC链路，点线表示RF链路；节点S依据多径传输时延的预测值，采用自适应多径并发传输策略向各路径分配数据，各路径传输数据，数据最后汇集到目的节点D，D对收到数据重新排序后，送本节点应用层进行数据处理。
本实施例路径预测传输时延Tpa主要包括节点处理时延Tpr，即为源节点分配数据时延和目的节点重排数据时延，传输时延Ttr，即为路径所含链路传输时延之和，和路径所含中继节点转发时延Tsw，步骤S02中具体按照下式计算各可用路径的传输时延预测值：
Tpa＝Tpr+Ttr+Tsw (2)
其中，Tpa为路径预测传输时延，Tpr为节点处理时延，即为源节点分配数据时延和目的节点重排数据时延，Ttr为传输时延，即为路径所含链路传输时延之和，Tsw为路径所含中继节点转发时延。
针对每条路径，节点处理时延和单个节点转发时延假定相同，以下分别用10和12为例，路径P1传输时延：
Tpa_1＝Tpr+20+Tsw+32+Tsw+46＝132，
路径P2传输时延：
Tpa_2＝Tpr+24+Tsw+38＝84，
路径P3传输时延：
Tpa_3＝Tpr+18+Tsw+36+Tsw+43+Tsw+34＝177。
源节点按照上述计算出所有可用路径的传输时延预测值后，依据传输时延预测值自适应在多径负载均衡传输、单径传输、多径冗余传输三种模式间自主切换。步骤S03中根据计算的各可用路径的传输时延预测值确定并发传输的模式包括：判断各可用路径中活跃路径数，如果活跃路径数大于预设阈值，则控制采用多径负载均衡传输模式，如果活跃路径数为1，控制采用单径传输模式，以在活跃路径上进行单径传输，如果活跃路径数为0，则控制采用多径冗余传输模式。
在具体应用实施例中，自适应多径传输策略具体如下：
(1)设置路径传输时延门限值，若多径路由表中某路径传输时延预测值小于门限值时，则该路径标记为活跃路径；
(2)如果活跃路径数大于等于2，在活跃路径间采用多径负载均衡传输模式，以提高节点吞吐量和传输速率，减少链路数据拥堵，降低端到端传输时延；
(3)如果活跃路径数为1，说明此时其他路径传输质量较差，则在该活跃路径上进行单径传输，避免多径传输时数据乱序造成的影响；
(4)如果活跃路径数为0，说明网络传输整体质量差，则控制采用多径冗余传输模式，对传输数据包进行本地复制生成副本，分别在最优路径和次优路径上进行传输，以提高端到端递交率。
当采用多径负载均衡传输模式时需要确定各条传输路径(也即活跃路径)中的传输数据如何分配，本实施例步骤S03中控制将待发送数据通过各可用路径进行并发传输时，根据待分配数据包的发送顺序、各条可用路径的传输时延值，将数据包在活跃路径间进行分配，包括：预先将待分配数据包按照发送顺序进行排序并设置对应的计数器，传输起始时，依次为每个活跃路径分配一个数据包，将数据包送该路径发送缓冲区，启动计数器，每当存在目标活跃路径的计数器值能被某路径传输时延值整除时，就向该目标活跃路径的发送缓冲区依次分配一个新的数据包，直至所有数据包被分配，能够匹配各传输路径的状态实现最佳数据分配，同时减少接收端接收数据的乱序问题，从而进一步提高数据传输的效率以及可靠性。
本实施例步骤S03中控制将待发送数据通过各可用路径进行并发传输时，根据可用路径中的活跃路径数确定各活跃路径被分配数据包数，活跃路径被分配数据包数具体可按照下式计算得到：
Figure BDA0003290513290000111
其中，NPa_i为第i条活跃路径被分配数据包数,m为活跃路径数，Tpa_i为第i条活跃路径预测传输时延为，N为在T时间内需传送数据总包数为N。
在具体应用实施例中，活跃路径间数据包分配方法具体如下：
(1)依据数据包发送顺序，依次给数据包编号，设置一个计数器并置初值0，并置计数器计数单位时长与链路度量值单位相同；
(2)传输起始时，依次为每个活跃路径分配一个数据包，将数据包送该路径发送缓冲区，随后启动计数器；
(3)当计数器值能被某路径传输时延值整除时，就向该路径发送缓冲区依次分配一个新的数据包；
(4)重复第(3)步，至到所有数据包被分配，计数器停止计数并置0。
以10个数据包为例，在图3所示的3条活跃路径之间数据包分配次序如图5所示。在图5中，路径P1分配数据包依次为D1，D5，D9；路径P2分配数据包为D2，D4，D6，D8，D10；路径P3分配数据包为D3，D7。该分配方法能减轻接收节点收到数据包的乱序问题。
为验证本发明上述方法的有效性，将本发明混合双模异构场域网多径并发传输动态决策方法应用到某配电信息采集系统的智能电表上，构建基于HPLC与RF的双模异构配电场域网，并对其在该系统中的性能进行测试。在实验室搭建了如图6所示16节点菱形拓扑结构测试平台，平台各节点的智能电表均放入各自屏蔽箱中，节点之间通信由程控衰减器进行调节控制，实现阻断、开放节点链路通信功能，测试双模通信切换效果，以模拟在不同通信场景下场域网的组网等功能。得到的测试结果为：采用本发明方法的平均时间双模场域网为0.682秒，双模场域网平均抄收率99.26％，即采用本发明方法能够大大提高双模场域网的数据传输效率，增强网络实时性，从而提高双模场域网的电表抄收率。
本实施例混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策装置，其特征在于，包括：
混合双模异构配电场域网，由多个预置有双模通信模块的智能电能表作为节点构建形成，双模通信模块具有两种通信模式；
查询预测模块，用于混合双模异构配电场域网内各节点进行数据传输时，根据中心节点管理的全网的混合多径路由表查询所有的可用路径，并计算各可用路径的传输时延预测值，混合多径路由表用于维护各节点与中心节点之间的最优多径路由；
多径并发模块，用于源节点控制将待发送数据通过查询出的各可用路径并发传输至目的节点，并根据计算的各可用路径的传输时延预测值确定并发传输的模式。
本实施例混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策装置与上述混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法对应，在此不再一一赘述。
在另一实施例中，本发明混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策装置还可以为：包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行计算机程序，处理器用于执行计算机程序以执行如上述方法。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，其特征在于，步骤包括：
S01.由多个预置有双模通信模块的智能电能表作为节点，构建形成混合双模异构配电场域网，所述双模通信模块具有两种通信模式；
S02.所述混合双模异构配电场域网内各节点进行数据传输时，根据中心节点管理的全网的混合多径路由表查询所有的可用路径，并计算各可用路径的传输时延预测值，所述混合多径路由表用于维护各节点与所述中心节点之间的最优多径路由；
S03.源节点控制将待发送数据通过查询出的各所述可用路径并发传输至目的节点，并根据计算的各可用路径的所述传输时延预测值确定所述并发传输的模式。
2.根据权利要求1所述的混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，其特征在于，所述并发传输模式包括多径负载均衡传输模式、单径传输模式以及多径冗余传输模式，所述多径负载均衡传输模式中待发送数据在各所述可用路径中均衡发送，所述单径传输模式中待发送数据在指定的可用路径中发送，所述多径冗余传输模式中对传输数据包进行本地复制生成副本，并分别在最优路径和次优路径上进行传输。
3.根据权利要求2所述的混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，其特征在于，所述步骤S03中根据计算的各可用路径的所述传输时延预测值确定所述并发传输的模式包括：判断各可用路径中活跃路径数，如果活跃路径数大于预设阈值，则控制采用所述多径负载均衡传输模式，如果活跃路径数为1，控制采用所述单径传输模式，以在活跃路径上进行单径传输，如果活跃路径数为0，则控制采用所述多径冗余传输模式。
4.根据权利要求1所述的混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，其特征在于，所述步骤S02中具体按照下式计算各可用路径的传输时延预测值：
Tpa＝Tpr+Ttr+Tsw
其中，Tpa为路径预测传输时延，Tpr为节点处理时延，即为源节点分配数据时延和目的节点重排数据时延，Ttr为传输时延，即为路径所含链路传输时延之和，Tsw为路径所含中继节点转发时延。
5.根据权利要求1所述的混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，其特征在于，所述步骤S03中控制将待发送数据通过各所述可用路径进行并发传输时，根据可用路径中的活跃路径数确定各活跃路径被分配数据包数，所述活跃路径被分配数据包数具体可按照下式计算得到：
Figure FDA0003290513280000021
其中，NPa_i为第i条活跃路径被分配数据包数,m为活跃路径数，Tpa_i为第i条活跃路径预测传输时延，N为在T时间内需传送数据总包数为N。
6.根据权利要求5所述的混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，其特征在于，所述步骤S03中控制将待发送数据通过各所述可用路径进行并发传输时，根据待分配数据包的发送顺序、各条可用路径的传输时延值，将数据包在活跃路径间进行分配，包括：预先将待分配数据包按照发送顺序进行排序并设置对应的计数器，传输起始时，依次为每个活跃路径分配一个数据包，将数据包送该路径发送缓冲区，启动计数器，每当存在目标活跃路径的计数器值能被某路径传输时延值整除时，就向该目标活跃路径的发送缓冲区依次分配一个新的数据包，直至所有数据包被分配。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，其特征在于，构建所述混合多径路由表的步骤包括：
S201.路由开始计算前，取各节点的通信链路的邻接矩阵中最小值作为最优邻接矩阵；
S202.根据确定的所述最优邻接矩阵计算最短路径，生成最优路径；
S203.确定次优路径：从所述最优邻接矩阵中剥离所述最优路径上的链路，剥离时若待剥离链路的两节点间仍有大于当前链路度量值的另一目标通信链路度量值，则将所述最优邻接矩阵中待剥离链路的链路值替换为所述目标通信链路度量值，使用剥离完成后的最优邻接矩阵计算最短路径，生成次优路径；
S204.生成再次优路径：从当前所述最优邻接矩阵中剥离所述最优路径和所述次优路径上的链路，并计算最短路径，生成再次优路径。
8.根据权利要求1～6中任意一项所述的混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策方法，其特征在于，根据所述最优邻接矩阵的节点数m和链路数n，生成一个具有m个节点n条边的无向图G(m,n)，采用跳数受限最短路径算法计算所述最短路径，步骤包括：
S221.初始化：初始化网内各节点的距离、节点之间的距离，并把中心节点加入到集合P中，所述集合P为上轮迭代距离变小点的集合；
S222.在第h次迭代中，按照节点编号依次对所述集合P中的各节点i计算：
Figure FDA0003290513280000022
其中，d(i)表示节点i到中心节点的距离，d0(i)为上一次迭代完成后节点i到中心节点的距离，v(i,j)表示节点i和节点j之间边的权值，即链路度量值；若d(j)<d0(j)且节点j不在集合Q中，则把节点j加入到所述集合Q，同时从所述集合P中删除节点i，所述集合Q为本轮迭代距离变小点的集合；
S223.当所述集合Q为空或者迭代次数等于生成路径的限定边数k时，结束计算，则当前得到的d(i)为节点i到中心节点的最短距离，计算得到所述最短路径；若所述集合Q非空并且迭代次数小于所述限定边数k时，执行步骤S224；
S224.将所述集合P清空，同时把所述集合Q中的节点移至所述集合P后再清空所述集合Q，对节点i令d0(i)＝d(i)，其中i∈[1..m]，迭代次数变量增1后跳转到S222重复执行。
9.一种混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策装置，其特征在于，包括：
混合双模异构配电场域网，由多个预置有双模通信模块的智能电能表作为节点构建形成，所述双模通信模块具有两种通信模式；
查询预测模块，用于所述混合双模异构配电场域网内各节点进行数据传输时，根据中心节点管理的全网的混合多径路由表查询所有的可用路径，并计算各可用路径的传输时延预测值，所述混合多径路由表用于维护各节点与所述中心节点之间的最优多径路由；
多径并发模块，用于源节点控制将待发送数据通过查询出的各所述可用路径并发传输至目的节点，并根据计算的各可用路径的所述传输时延预测值确定所述并发传输的模式。
10.一种混合双模异构配电场域网多径并发传输动态决策装置，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，其特征在于，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如权利要求1～8中任意一项所述方法。
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