CN114143250A - 一种基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法及其抄表方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法，所述异构网络系统以宽带载波协议栈为主，微功率无线协议栈为辅，并加以混合Mesh路由协议构建而成；所述异构网络系统在宽带载波方式未能成功入网，或者在代理变更未完成时，通过宽带载波与无线形成的混合拓扑路径进行通信，在节点以载波方式重新入网或者代理变更完成后，继续使用宽带载波路径进行通信。本发明依托宽带载波协议栈为主，融合低速微功率无线协议栈为辅，将宽带载波通信方案与低速微功率无线通信方案中的物理层形成优劣势互补，并结合混合Mesh路由协议，提高了网络的容错性，减轻了网络拥塞，最终形成一条稳定的通信链路，达到任意节点在任意时刻都能正常通信。

Description

一种基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法及其抄表 方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及了通信融合体系结构和异构网络的混合路由算法。

背景技术

在新兴业务场景下，对通信可靠性、通信速率提出更高要求。典型的双向互动服务包括大客户业务、居民用户业务、移动营销业务、分布式发电和储能业务和电动汽车运营业务等。双向互动服务的基础是电网中广泛分布的智能终端设备，包括智能电表、电能信息采集终端、电动汽车充电桩和分布式发电监测系统等。双向互动业务信息通信的需求既包括用户侧设备“向上”的数据采集信息，也包括双向互动服务平台“向下”的负荷控制和需求侧管理等信息。

目前，最常用的本地通信方案有电力线载波通信方案、微功率无线通信方案、RS-485通信方案、M-Bus通信方案、CAN通信方案等。载波通信方案与微功率无线通信方案目前是市场上的主流方案。

一、载波通信方案

1、电力线载波通信是一种使用电力线进行数据传输的通信技术，利用现有的电网作为信号的传输介质，使电网在传输电力的同时可以进行数据传输。根据所使用频段的不同低压电力线载波通信一般分为窄带电力线载波通信和宽带电力线载波通信，两者主要体现在通信速率、抗噪声干扰和通信距离等几个方面的差异。

宽带载波通信参数如下：

载波频段：0.7～12MHz(支持频段可调)

通信速率：PLC速率最高达2Mbps

调制方式：BPSK/QPSK/8QAM/16QAM/64QAM/256QAM

接收动态范围：-70dBm～25dBm

窄带载波通信参数如下：

载波频段：303.13kHz～357.81kHz

通信速率：5.6kbps～45kbps(forG3-PLC)

调制方式：OFDM

输入信号的动态范围：10uVrms～1Vrms

2、载波通信方案在实际应用中的常见问题

低压电力线噪声在低频区域的噪声幅度较高，而随着频率的升高，噪声幅度有降低的趋势，但频率继续升高到中频400Khz之后，降低的趋势将变缓。同时由于各类电力、电器设备的工作频率覆盖几乎全载波通信频带(10khz到20Mhz)，即窄带、宽带载波通信均可能出现相同通信频率的干扰噪声，导致实际应用通信效果受影响。载波通信同时也受到电设备负载变化的影响，由于阻抗的变化，进而影响载波通信距离及稳定性，最终导致个别时间段载波通信单元通信不畅。

在传输距离方面，目前窄带电力线载波通信技术常用FSK技术进行模拟信号调制，宽带通信技术一般使用OFDM技术进行模拟信号调制。通信单元的功耗在有限情况下，FSK将发射功率集中到单点频率上，OFDM技术将发射功率分散到各频率上，在高噪声环境下，多频点发送降低了点对点的有效通讯距离。当窄带电力线载波通信点对点传输的相同位置，宽带电力线载波通信可能需要一甚至多级转发。

二、微功率无线通信方案

无线通信就是在信息传输过程中不需要依靠线缆介质，而是通过无线传输的形式实现信息传输。通过电磁波传输，不像电力线载波通信受电力谐波影响，因此传输距离远，而且无线通信有较好的适应性和扩展性，维护方便等特点。但是便捷的无线网络也存在不足，随着城镇化进展，在特定的楼宇应用场景下传输距离受限，随着生活中无线电子设备的增多，容易受到外界的多种因素干扰，稳定性相比载波通信较差。

微功率无线通信参数如下：

无线频段：工作于470MHz～510MHz

通信速率：10kbps

调制方式：GFSK

另一个典型的无线网络是ZigBee，ZigBee技术特点主要包括以下几点：首先工作频段灵活。功耗低。成本低，协议栈简单，降低了研发成本。数据传输速率低，只有10kb/s～250kb/s，专注于低数据量传输应用。网络容量适中，每个ZigBee网络最多可支持255个设备。传输距离较远，有效覆盖范围100～750m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。

三、当前市场上常见的双模通信方案架构分析

1、宽带双模双网方案

以某厂商A为代表，其与另一厂商B合作的宽带与微功率无线双协议栈方案中，以厂商B提供载波方案，厂商A提供无线方案，两个方案应用层合二为一，网络层独立，形成融合通信体系，应用于配电物联网。类似于手机的双卡双待模式，协议栈之间完全独立，通信时要么用宽带载波协议栈进行通信，要么用微功率无线协议栈进行通信，在一次完整的通信链路中使用的通信介质只能选择其一，载波协议栈不通的时候切换到无线协议栈进行通信，或者无线协议栈不通的时候，使用载波协议栈进行通信。

虽然能满足大部分场景，增强了通信方案的可靠性，但是在某些特殊场景时，比如载波协议栈在链路前半部分可以正常通信，后半部分链路受用户使用的电器负载影响而导致载波不通，因此整个链路在载波协议栈上是无法正常通信的。而如果这时恰好无线协议栈在通信链路前半部分受小区物业对讲机或者无线停车桩等影响导致不通，在链路后半部分是稳定的、不受影响的，但是在整个无线链路上也是不通的。在这种情况下，由于双模双网协议栈在整个通信链路的某一跳上没有选择合适的通信方式，双模双网方案仍然无法有效解决此种类型的问题。因此，只有结合前半部分的载波通信与后半部分的无线通信才能通信成功。

案例分析背景介绍：由于电力的“发、输、变、配、用”经历各个环节，本地通信方案主节点以台区变电站为中心，本地从节点按照分支配电线路依次展开，在输电线路上形成层级关系，这种在地理位置上的层级关系基本与载波网络和无线网络上的层级关系近似一致，但是由于输电线缆的类型，表箱安装位置，楼宇房屋错落分布等，实际中载波拓扑网络与无线拓扑网络基本不会是一致的，甚至是差别很大。同一个从节点在载波网络中属于3级节点，但是在无线网络中可能属于1级或者2级节点。

参见图1所示，举例1，假如载波拓扑和无线拓扑是对等的：中心节点A到D1，载波拓扑路径A→B1→C1→D1，无线拓扑A≈B1≈C1≈D1，假设C1到D1载波不通，A到B1无线不通，只有将载波与无线拓扑路径融合才能解决当前载波通信与无线通信故障，即：A→B1→C1≈D1。而B1到C1优先选择用宽带载波，是因为宽带载波的通信速率高。

举例2，假如载波拓扑和无线拓扑不对等：中心节点A到叶子节点D3的载波拓扑路径是A→B1→C2→D3,无线拓扑路径是A≈B2≈C2≈D3，假设C2到D3由于某种原因载波方式无法通信，恰好A到B2的无线方式无法通信，因此只有重新整合路径选择如下路径才能通信：A→B1用载波通信，B1到C2用载波通信，C2到D3用无线通信，即：A→B1→C2≈D3才能修复当前通信故障。B1到C2仍然优选选择载波通信。

2、窄带双模单网方案

以某厂商C窄带单网双模为例，应用层、网络层只有一个，有两个物理层，通过数据链路层之下的适配层进行调度，对网络层透明，即网络层不关注是哪种通信方式收发成功的或者通信失败的，由适配层选择合适的通信方式。这种方案可行的原因之一是窄带载波通信速率25kbps，无线通信速率10kbps，载波与无线的通信速率接近，差距不大，因此可以近乎一致的使用两种通信方式，这也是当前宽带载波方案中无法使用10kbps的无线物理层做单网双模方案的原因。自适应选择通信方式的策略，也就是在当前通信路径上的节点优先用上次通信成功的方式，如果使用上次的通信方式是未收到目的节点的确认帧，会切换另一种通信方式进行尝试，假如仍然通信失败，则切换其它拓扑路径，如果其它通信路径也在某一跳环节上通信失败，则最终无法进行通信。

此方案尝试发送的报文次数多，导致效率偏低，而且在实际应用当中，载波拓扑与无线拓扑在特殊情况下是不对等的，如图2所示，是理想环境下的拓扑场景，能满足一些简单的台区环境，并能提高通信成功率，但是当某一跳上载波和无线都无法进行通信时，无法有效利用两种通信方式形成的异构网络拓扑。此种方案同样存在无法将拓扑路径有效结合的情况。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法，在本发明的异构网络系统中对载波协议栈与无线协议栈中的通信体系结构进行有效融合，形成通信融合体系结构和异构网络的混合路由算法，是实际应用当中面对复杂环境的有效解决措施。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法，所述异构网络系统以宽带载波协议栈为主，微功率无线协议栈为辅，并加以混合Mesh路由协议构建而成；所述异构网络系统在宽带载波方式未能成功入网，或者在代理变更未完成时，通过宽带载波与无线形成的混合拓扑路径进行通信，在节点以载波方式重新入网或者代理变更完成后，继续使用宽带载波路径进行通信。

进一步的，所述无线协议栈优化，包括以下物理层参数的调整：

1)提高无线通信速率：20Kbps—50Kbps；

2)不再进行跳频，缩短前导字符到25字节；

3)增加支持的包长度：512字节—1k字节；

4)提高CSMA性能。

进一步的，所述混合Mesh路由协议的策略如下：

当源节点需要向目的节点发送数据时，它首先查找自己的路由表，如果存在到目的节点的路由，则进行转发；否则，源节点首先把数据发送到根节点；

由于根节点掌握整个Mesh网络内的所有节点信息，故在根节点处，根节点通过查找路由表和桥接表判断是发往网内还是发往网外的节点，并根据不同的情况选择发送回网络还是发往邻居网络；

当根节点发现目的节点在网络内，则打上个标记，然后通过下行路由把数据发送给目的节点；

目的节点收到数据后，知道源节点在网络内，向源节点发起PREQ路由请求，从而建立双向路由，然后两节点将按这一路由进行传输。

进一步的，所述混合拓扑路径的多径路由树的建立过程如下：

1)首先由配置为网关的IGW周期性地广播IGW_N，目的地址为全网广播地址，其级别为0，路由权值也为0；

2)当中间节点收到多个IGW_N后，计算到IGW的路由开销，选取路由开销最小的节点作为默认父节点，并且其级别值+1；

如果收到的IGW_N中存在与默认父节点同一级别的节点，则将该节点设置为备份父节点；如果不存在，则将其他IGW_N忽略；

根据选择的父节点建立到达IGW的一条或多条路由；

3)中间节点单播P_N消息给父节点，包括默认父节点与备份父节点，父节点收到P_N后，将中间节点注册在子节点列表中，并建立到达该子节点的路由。

4)父节点单播C_N消息给自己的父节点，包括默认父节点与备份父节点，通知到达子节点的路由；

5)重复步骤4，直到到达IGW，这样就建立了网关IGW到网内节点的多条路由；

所述IGW_N表示网关通告，结构如下表：

PK_Type

IGW Addr

Broadcast Addr

Sequence ID

level

TTL

Metric

PK_Type：报文类型，

IGW_Addr：网关地址，

Broadcast Addr：广播地址，

Sequence ID：序列ID，

Level：级别，

TTL：生存时间，

Metric：路由权值，

所述P_N表示父节点通告，结构如下表：

PK_Type

Dest Addr

Src Addr

TTL

Metric

Dest Addr：父节点地址，

Src Addr：在此为子节点地址，

所述C_N表示子节点通告，结构如下表：

PK_Type

Dest Addr

Child Addr

Src Addr

TTL

Metric

Dest Addr：父节点地址，

Child Addr：发送节点地址，

Src Addr：源节点地址。

进一步的，本发明还提供了一种基于融合通信体系的异构网络系统的抄表方法，包括以下步骤：

1)首先CCO上电后根据集中器下发的白名单管理模块入网，当CCO完成组网后，集中器启动抄表任务；所述CCO有三类抄表方式，分别为单纯HPLC抄表、历史泛洪路径抄表和载波无线泛洪抄表；

2)CCO收到集中器抄表数据帧，查询数据库发现节点HPLC在网，则通过单纯HPLC抄表，成功则上报集中器，如果任务失败或者节点当前不在网，查询记录是否存在历史洪泛路径抄表，如果有，则通过历史洪泛路径抄表，如果通过历史洪泛路径抄表再次抄读失败，则继续通过载波无线泛洪抄表抄读；如果没通过历史洪泛路径抄表抄读过，则启动历史洪泛路径抄表任务；

3)CCO发起自定义扩展帧格式的洪泛广播抄表命令，网内所有节点根据CCO的广播命令进行转发，节点在转发过程中对自扩展的帧格式追加转发节点的地址还有转发的方式和接收报文的方式以及信号强度值，并对转发次数-1，直到报文传递到目标节点或者转发次数耗尽。

4)如果目标节点收到广播命令帧，并继续等待一定的时间，继续收集其它节点转发来的广播报文，根据收到的广播报文，通过混合Mesh路由协议进行排序，选择最优路径，对路径进行逆转，启动单播回复，从节点存储此路径，以便事件上报时使用。

5)CCO根据收到的单播报文，回复集中器数据，并更新路径及抄表策略权重，对三个抄表方式进行排序，以便下次进行再次抄表；

PLC为Power Line Communication的简写，表示电力线通信；

CCO为Central Coordinator的简写，表示中央协调器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明依托宽带载波协议栈为主，融合低速微功率无线方案为辅，将宽带载波通信方案与低速微功率无线通信方案中的物理层形成优劣势互补，并结合混合Mesh路由协议，提了高网络的容错性，减轻了网络拥塞，最终形成一条稳定的通信链路，达到任意节点在任意时刻都能正常通信。

附图说明

图1为载波与无线双模双网协议栈拓扑图。

图2为载波与无线双模单网协议栈拓扑图。

图3为微功率无线协议栈的示意图。

图4为宽带载波协议栈的结意图。

图5为本发明的融合宽带载波协议栈与微功率无线协议栈体系示意图。

图6为WLAN Mesh网络拓扑示意图。

图7为按需路由模式示意图。

图8为树形路由模式示意图。

图9为本发明的混合Mesh路由模式示意图。

图10为多路径树的建立示意图。

图11为多路径树结构示意图。

图12为本发明的多径路由树建立过程示意图。

图13本发明的分组投递率仿真示意图。

图14本发明的平均端到端时延仿真示意图。

图15本发明的路由开销仿真示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“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；术语“第一”、“第二”、“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，此外，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，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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：

在融合体系结构时，考虑到未来台区节点数量规模越来越大，超过1000+节点，而微功率无线协议栈的组网瓶颈在500+，以及组网策略慢等缺点，因此不进行无线协议栈组网，而是以宽带载波协议栈为主，微功率无线协议栈为辅，并加以混合Mesh路由协议构建而成，即在宽带载波方式未能成功入网，或者在代理变更未完成时，通过载波与无线形成的混合拓扑路径进行通信，在节点重新入网或者代理变更完成后，继续使用宽带载波路径进行通信，保证通信高效率。混合Mesh路由协议的形成以泛洪的原理为基础。

参见图3、图4及图5所示，在当前以宽带载波通信方案为主的情况下，并兼容当前宽带互联互通协议规范，在此基础上融合微功率无线方案通信体系结构，形成异构网络。

所述无线协议栈的优化中，由于无线协议栈部分不进行国网互联互通测试，可适当调整无线物理层参数。

(1)适当提高无线通信速率到20Kbps甚至更高到50Kbps。

(2)不再进行跳频，缩短前导字符到25字节，提高点对点通信成功率。

(3)增加支持的包长度，至少512字节甚至到1k字节，满足并发抄表。

(4)提高CSMA性能。

本实施例中的混合Mesh路由协议即一种按需路由与树形路由相结合的HWMP路由协议，在WLANMesh网络中，节点类型可以分为四类：Mesh节点(MeshPoint，MP)、Mesh接入点(MeshAP，MAP)、Mesh入口点(MeshPortalPoint，MPP)和工作站(Station，STA)，如图6所示。

MP：MP是WLANMesh网络服务的完全参与者，在两个相邻的MP节点间建立对等链路。

MAP：MAP与WLAN中的AP功能类似，为STA提供接入服务。

MPP：Mesh网络的入口与出口点，是与有线网络连的网关。

STA：在WLANMesh网络之外，通过MAP与Mesh网络相连。

HWMP是802.11s草案标准中规定的默认路由协议，是Ad Hoc网络与生成树的路由协议的结合。它既具有先应式路由的寻路快速的特点，又兼具反应式路由灵活的特点，是一种既适用于骨干网结构又适用于Ad Hoc网络的路由协议。HWMP分为两部分：基于树的路由协议和按需路由协议。这两个协议的结合允许MP自身完成最优路由的发现与维护，也可以依赖基于根节点的的树形来快速建立到根节点的路径。HWMP是以按需路由为主、树形路由为辅的混合Mesh路由协议。在网络没有配置根节点的情况下，所有的节点使用按需路由方式；如果网络中存在根节点，则其他MP事先维护到达根节点的路由，如此便可以生成并维护一棵先应式的距离向量路由树，又称预先树或路由树。

所述按需路由：

在HWMP的按需路由部分，协议使用AODV机制中的RREQ和RREP来建立两个MP之间的路由。AODV原来是一种基于第三层即IP层的按需路由协议，但为了针对WLANMesh网络的特点，HWMP对它进行修改，使其能很好地在MAC层上工作，并把由IP寻址改为MAC地址寻址。为区别第三层的路由机制，在第二层用路径(Path)代替路由，即用路径请求PREQ(PathRequest)和路径回复PREP(PathReply)分别代替RREQ和RREP。

当源节点S需要向目的节点D发送数据时，它先查找自己的路由表，如果不存在到D的路由，则发起目的地址为D的PREQ路由请求。

PREQ通过广播发送，当中继节点接收到PREQ时，如果中继节点路由表中不存在到S的路由，则建立到S的一条反向路由，否则更新路由。

当目的节点D收到PREQ时，D产生一条到达S的路由，并沿该路由单播返回一个PREP消息。

该路由上的中继节点接收到PREP时，则建立一条到达目的节点D的路由。这样，就可以在源节点与目的节点之间建立双向路由，如图7所示。

所述树形路由：

当WLANMesh网络中存在一个配置成根节点的MP(MPP)时，其它的MP先应式地维护到达该根节点的路由。MPP通过根节点通告RANN(RootAnnouncement)来发布自己成为根节点的消息，消息中包含了距离度量和一个序列号，距离度量值为0。直接接收到该通告消息的MP先更新自己的路由表，然后将自己设为根的子节点并更新与链路相关的值，最后使用更新后的距离度量对RANN进行重广播。因此，每个MP节点都对RANN中的距离度量进行更新，然后对邻居进行广播转发到根节点的累计开销，最后形成一个树形拓扑，即路由树，如图8所示。

在树形路由模式下，网内所有数据的转发都需要经过根节点，例如S与D进行通信时，S首先根据上行路由到达根节点R，R掌握着整个网络所有节点的信息，然后通过下行路由将数据发送到D。

所述混合路由：

HWMP的按需路由与树形路由两种模式并不是独立的，节点可以同时工作在两种模式下，即混合路由模式。

当源节点需要向目的节点发送数据时，它首先查找自己的路由表，如果存在到目的节点的路由，则进行转发；否则，源节点首先把数据发送到根节点。

由于根节点掌握整个Mesh网络内的所有节点信息，故在根节点处，根节点通过查找路由表和桥接表判断是发往网内还是发往网外的节点，并根据不同的情况选择发送回网络还是发往邻居网络。

当根节点发现目的节点在网络内，则打上个标记，然后通过下行路由把数据发送给目的节点。

目的节点收到数据后，知道源节点在网络内，向源节点发起PREQ路由请求，从而建立双向路由，然后两节点将按这一路由进行传输，如图9所示。

在WMN网络的骨干网中，MR可以通过一跳或多跳与IGW连接从而接入到Internet网络中。按照MR节点到IGW的远近关系可以直观地对MR进行分级，如图10所示。节点的级别值越小，表明节点离网关IGW越近，IGW的级别设为0。在IGW覆盖范围内的MR设其级别为1，而在1级MR覆盖范围内其它MR级别为2。以此类推，从而形成一个分级网络结构。

在WMN中，每个网内节点都需要建立到达网关的一条路径，因此以网关为根节点构成生成树。为了提高网络的容错性，在HTMRP中路由树的构建与以往有所不同，在这里节点可以有多个父节点，从而构成一个多径路由树结构，如图11所示。为了防止路由环路，节点只选取级别比自已小的节点作为父节点，而不选取同一级别或级别比自已高的节点为父节点。

所述多径路由树的建立是通过三种控制报文来完成的：

网关通告IGW_N(Internet Gateway Notification)

PK_Type

IGW Addr

Broadcast Addr

Sequence ID

level

TTL

Metric

PK_Type：报文类型

IGW_Addr：网关地址

Broadcast Addr：广播地址

Sequence ID：序列ID

Level：级别

TTL：生存时间

Metric：路由权值

父节点通告P_N(Parent Notification)

PK_Type

Dest Addr

Src Addr

TTL

Metric

Dest Addr：父节点地址

Src Addr：在此为子节点地址

子节点通告C_N(Child Notification)

PK_Type

Dest Addr

Child Addr

Src Addr

TTL

Metric

Dest Addr：父节点地址

Child Addr：发送节点地址

Src Addr：源节点地址

参见图12所示，所述多径路由树的建立过程如下：

1)首先由配置为网关的IGW周期性地广播IGW_N，目的地址为全网广播地址，其级别为0，Metric值也为0。

2)当中间节点收到多个IGW_N后，计算到IGW的路由开销，选取路由开销最小的节点作为默认父节点，并且其级别值+1。如果收到的IGW_N中存在与默认父节点同一级别的节点，则将该节点设置为备份父节点；如果不存在，则将其他IGW_N忽略。根据选择的父节点建立到达IGW的一条或多条路由。

3)中间节点单播P_N消息给父节点(包括默认父节点与备份父节点)，父节点收到P_N后，将中间节点注册在子节点列表中，并建立到达该子节点的路由。

4)父节点单播C_N消息给自己的父节点(包括默认父节点与备份父节点)，通知到达子节点的路由。

5)重复步骤4，直到到达IGW。这样就建立了网关IGW到网内节点的多条路由。

具体说明该多径路由树的建立过程：

IGW首先通过IGW_N来宣告自己成为网关，其级别和Metric值均为0。然后接收到IGW_N的MR设置其级别为1，并增加一条到达IGW的可用路由。MR1、MR2和MR3将分别增加路由{MR1→IGW}、{MR2→IGW}和{MR3→IGW}。在增加路由之后，级别为1的MR将通过一个父节点通告P_N来通知IGW，使IGW成为其父节点。然后节点计算到达IGW的路由开销，并添加到IGW_N，继续广播IGW_N通告。

当MR收到级别为1的MR转发的IGW_N通告，将设置其级别为2，如MR4和MR5。然后级别为2的MR可能会收到多个节点发来的IGW_N，这时MR将根据接收到的IGW_N计算到达IGW的路由开销。MR将选择到达IGW路由开销最小的节点作为默认父节点，然后将与父节点同一级别、路由开销稍大的节点作为备份父节点。

例如，MR4将MR1作为默认父节点，MR2作为备份父节点，并添加两条路由{MR4→MR1→IGW}和{MR4→MR2→IGW}到自己的路由表中。同样，MR5将MR2作为默认父节点，MR3作为备份父节点，并添加两条路由{MR5→MR2→IGW}和{MR5→MR3→IGW}。MR7将MR4作为默认父节点，MR5作为备份父节点，并添加三条路由{MR7→MR4→MR1→IGW}、{MR7→MR5→MR2→IGW}和{MR7→MR5→MR3→IGW}到路由表中，如表所示。以MR4为例，MR4单播P_N给MR1和MR2，收到P_N通告的MR1和MR2分别将MR4注册到自己的子节点列表中，并建立到达MR4的一条反向路由。在这之后，MR1和MR2分别单播一个C_N消息给父节点(IGW)，根据C_N建立到达MR4的两条路由。MR5的处理流程与MR4一样。

当路由建立完成后，网络将进入到一个比较稳定的状态。

在WMN中，并不是到某一节点的路由条数越多越好，路由条数越多，维护的开销越大。因此，在HTMRP中，可以通过限制下一跳集合元素的个数n值来限制路径的条数，设n的最大值为q，即{max(n)＝q}，这表示下一跳集合最多只有q个，其中q≥1。

混合Mesh路由协议设计的目的一是为了提高网络的容错性，二是减轻网络拥塞。因此本实施例分别在节点链路质量突变与网络负载增加两种情况下进行HWMP仿真，并与AODV和HTMRP进行对比。

本文用以下三个仿真参数对其进行性能评估：

分组投递率为接收端应用层实际收到的分组总数除以源节点应用层发送的分组总数。通过观察分组投递率，还可以反映网络所支持的最大吞吐量，如图13。

平均端到端时延包括路由发现阶段由于缓存而造成的时延、在接口队列中排除等待的时延、在MAC层的中断时延和电磁波传播的时间在内的所有时延，如图14。

路由开销是路由包与数据包的比例，是一个归一化取值，如图15。

实施例2：

本实施例提供了一种基于融合通信体系的异构网络系统的抄表方法，包括以下步骤：

1)首先CCO上电后根据集中器下发的白名单管理模块入网，当CCO完成组网后，集中器启动抄表任务；所述CCO有三类抄表方式，分别为单纯HPLC抄表、历史泛洪路径抄表和载波无线泛洪抄表；

2)CCO收到集中器抄表数据帧，查询数据库发现节点HPLC在网，则通过单纯HPLC抄表，成功则上报集中器，如果任务失败或者节点当前不在网，查询记录是否存在历史洪泛路径抄表，如果有，则通过历史洪泛路径抄表，如果通过历史洪泛路径抄表再次抄读失败，则继续通过载波无线泛洪抄表抄读；如果没通过历史洪泛路径抄表抄读过，则启动历史洪泛路径抄表任务；

3)CCO发起自定义扩展帧格式的洪泛广播抄表命令，网内所有节点根据CCO的广播命令进行转发，节点在转发过程中对自扩展的帧格式追加转发节点的地址还有转发的方式和接收报文的方式以及信号强度值，并对转发次数-1，直到报文传递到目标节点或者转发次数耗尽。

4)如果目标节点收到广播命令帧，并继续等待一定的时间，继续收集其它节点转发来的广播报文，根据收到的广播报文，通过混合Mesh路由协议进行排序，选择最优路径，对路径进行逆转，启动单播回复，从节点存储此路径，以便事件上报时使用。

5)CCO根据收到的单播报文，回复集中器数据，并更新路径及抄表策略权重，对三个抄表方式进行排序，以便下次进行再次抄表；

PLC为Power Line Communication的简写，表示电力线通信；

CCO为Central Coordinator的简写，表示中央协调器。

在兼容宽带互联互通标准的条件下，在应用层进行扩展自定义帧格式，参见表1、表2及表3中的内容，用于支持新增的混合路由算法功能。

字节数1	1	1	1	6
					命令标识符	泛洪请求标识符	路径成本	剩余跳数	目的地址

表1泛红发现请求帧载荷域

表2泛红发现应答帧载荷域

表3泛洪发现路由记录表

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法，其特征在于：所述异构网络系统以宽带载波协议栈为主，微功率无线协议栈为辅，并加以混合Mesh路由协议构建而成；所述异构网络系统在宽带载波方式未能成功入网，或者在代理变更未完成时，通过宽带载波与无线形成的混合拓扑路径进行通信，在节点以载波方式重新入网或者代理变更完成后，继续使用宽带载波路径进行通信。

2.根据权利要求1所述的基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法，其特征在于：所述无线协议栈优化，包括以下物理层参数的调整：

1)提高无线通信速率：20Kbps-50Kbps；

2)不再进行跳频，缩短前导字符到25字节；

3)增加支持的包长度：512字节-1k字节；

4)提高CSMA性能。

3.根据权利要求1或2所述的基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法，其特征在于，所述混合Mesh路由协议的策略如下：

当源节点需要向目的节点发送数据时，它首先查找自己的路由表，如果存在到目的节点的路由，则进行转发；否则，源节点首先把数据发送到根节点；

由于根节点掌握整个Mesh网络内的所有节点信息，故在根节点处，根节点通过查找路由表和桥接表判断是发往网内还是发往网外的节点，并根据不同的情况选择发送回网络还是发往邻居网络；

当根节点发现目的节点在网络内，则打上个标记，然后通过下行路由把数据发送给目的节点；

目的节点收到数据后，知道源节点在网络内，向源节点发起PREQ路由请求，从而建立双向路由，然后两节点将按这一路由进行传输。

4.根据权利要求3所述的基于融合通信体系的异构网络系统的构建方法，其特征在于：所述混合拓扑路径的多径路由树的建立过程如下：

1)首先由配置为网关的IGW周期性地广播IGW_N，目的地址为全网广播地址，其级别为0，路由权值也为0；

2)当中间节点收到多个IGW_N后，计算到IGW的路由开销，选取路由开销最小的节点作为默认父节点，并且其级别值+1；

如果收到的IGW_N中存在与默认父节点同一级别的节点，则将该节点设置为备份父节点；如果不存在，则将其他IGW_N忽略；

根据选择的父节点建立到达IGW的一条或多条路由；

3)中间节点单播P_N消息给父节点，包括默认父节点与备份父节点，父节点收到P_N后，将中间节点注册在子节点列表中，并建立到达该子节点的路由。

4)父节点单播C_N消息给自己的父节点，包括默认父节点与备份父节点，通知到达子节点的路由；

5)重复步骤4，直到到达IGW，这样就建立了网关IGW到网内节点的多条路由；

所述IGW_N表示网关通告，结构如下表：

PK_Type IGW Addr Broadcast Addr Sequence ID level TTL Metric

PK_Type：报文类型，

IGW_Addr：网关地址，

Broadcast Addr：广播地址，

Sequence ID：序列ID，

Level：级别，

TTL：生存时间，

Metric：路由权值，

所述P_N表示父节点通告，结构如下表：

PK_Type Dest Addr Src Addr TTL Metric

Dest Addr：父节点地址，

Src Addr：在此为子节点地址，

所述C_N表示子节点通告，结构如下表：

PK_Type Dest Addr Child Addr SrcAddr TTL Metric

Dest Addr：父节点地址，

Child Addr：发送节点地址，

Src Addr：源节点地址。

5.一种基于融合通信体系的异构网络系统的抄表方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先CCO上电后根据集中器下发的白名单管理模块入网，当CCO完成组网后，集中器启动抄表任务；所述CCO有三类抄表方式，分别为单纯HPLC抄表、历史泛洪路径抄表和载波无线泛洪抄表；

2)CCO收到集中器抄表数据帧，查询数据库发现节点HPLC在网，则通过单纯HPLC抄表，成功则上报集中器，如果任务失败或者节点当前不在网，查询记录是否存在历史洪泛路径抄表，如果有，则通过历史洪泛路径抄表，如果通过历史洪泛路径抄表再次抄读失败，则继续通过载波无线泛洪抄表抄读；如果没通过历史洪泛路径抄表抄读过，则启动历史洪泛路径抄表任务；

3)CCO发起自定义扩展帧格式的洪泛广播抄表命令，网内所有节点根据CCO的广播命令进行转发，节点在转发过程中对自扩展的帧格式追加转发节点的地址还有转发的方式和接收报文的方式以及信号强度值，并对转发次数-1，直到报文传递到目标节点或者转发次数耗尽。

4)如果目标节点收到广播命令帧，并继续等待一定的时间，继续收集其它节点转发来的广播报文，根据收到的广播报文，通过混合Mesh路由协议进行排序，选择最优路径，对路径进行逆转，启动单播回复，从节点存储此路径，以便事件上报时使用。

5)CCO根据收到的单播报文，回复集中器数据，并更新路径及抄表策略权重，对三个抄表方式进行排序，以便下次进行再次抄表；

PLC为Power Line Communication的简写，表示电力线通信；

CCO为Central Coordinator的简写，表示中央协调器。

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