CN114513231A - 一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构 - Google Patents

一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构，包括树型骨干网络，所述树型骨干网络包括网络控制器、中继节点、通信站点及多模站点，其各部分通过电力线载波通信方式连接，所述多模站点与物联终端连接构成接入网络。本发明利用电力系统现有的、覆盖范围最广的电力线载波通信构建骨干网，能够提高电力系统中现有设备的利用率，降低电力物联网的建设成本。

Description

一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构
技术领域
本发明涉及电力物联网技术领域，具体涉及一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构。
背景技术
电力线载波通信，是利用高频调制信号，将电力线作为媒介进行数据传输的一种特殊通信方式。根据电压等级可将电力线载波通信划分为高压载波(超过35kV)、中压载波(10kV)和低压载波(380/220V)三种。其中由于低压电力线载波更能满足现代通信需求，该技术已经被成功应用于远程抄表等实际工程项目之中。随着对低压电力线载波通信技术研究的不断深入及突破，电力线载波通信系统正向落地化、复杂化、智能化方向发展。
电力物联网是指对接入电网的终端提供联网服务，实现电力系统各环节万物互联、人机交互的智慧服务系统。在电力物联网建设中，作为电力系统现成的、覆盖范围最广的通信信道，采用电力线载波通信技术能最大限度降低智能通信网络的建设成本。
电力物联网的终端设备包括许多负责采集各种数据的小微传感器，为大量的传感器铺设电力线来进行通信是不理智的，因此需要设计一种新型的物联网络架构，来满足大量小微传感器接入电力物联网的需求。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构。
该架构利用电力系统现有的、覆盖范围最广的电力线载波通信构建骨干网，利用电力线载波通信和WIFI、ZigBee、NFC、Bluetooth等多种无线通信构建接入网，能提升网络的灵活性、稳定性和可扩展性并降低电力物联网的建设成本和运维成本。
本发明采用如下技术方案：
一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构，包括树型骨干网络，所述树型骨干网络包括网络控制器、中继节点、通信站点及多模站点，其各部分通过电力线载波通信方式连接，所述多模站点与物联终端连接构成接入网络。
进一步，
所述中继节点，用于所有PLC网络节点的多跳数据转发；
所述通信节点，用于作为PLC网络的末端节点；
所述多模站点，用于与物联终端连接，负责物联终端与PLC网络的接入，并根据接入物联网设备的类型选择合适的接入方式；
所述网络控制器，用于完成PLC网络的组网控制、网络维护管理、生成路由策略、通信站点及物联终端的接入认证。
进一步，所述多模站点与物联终端之间是通过电力线载波通信或无线通信连接。
进一步，所述多模站点支持通信站点和物联终端的安全接入认证功能，当通信站点或物联终端设备请求接入网络时，网络控制器根据设备信息进行安全认证，通过认证的设备允许接入PLC网络，否则拒绝入网请求。
进一步，所述每个物联终端包括通信模块，所述通信模块包括电力通信和/或一种以上的用于无线通信的无线单元。
进一步，所述网络控制器和多模站点均包括网络维护模块，所述网络维护模块的工作过程为：
网络控制器和多模站点周期性的以泛洪方式向下属节点发送询问消息，下属节点收到后回复对询问消息的确认，网络控制器和多模站点收到确认消息后即可确定该节点工作状态正常；若某节点在阈值时间内未回复确认消息，网络控制器或多模站点再次发送询问消息，若超出阈值时间仍未收到确认消息，即上报网络维护人员该节点连接异常。
进一步，所述网络控制器包括路由模块，所述网络控制器周期性的采用电力线载波通信方式收集通信站点、中继节点及多模站点上传的网络状态消息，并根据网络状态信息生成该物联网内的网络拓扑结构，当有节点需要进行数据传输时，网络控制器的路由模块根据网络拓扑结构对数据转发路径进行计算并生成路由策略，然后将路由策略下发至需要进行数据传输的节点完成数据传输过程。
进一步，一种以上的用于无线通信的无线单元包括WIFI单元、ZigBee单元、NFC单元及Bluetooth单元。
进一步，物联终端的状态分为两种，一种是当有数据需要传输时，进入数据传输状态；当无需进行数据传输时，进入休眠状态，只回复对多模站点询问消息的确认。
进一步，所述多模站点包括接入控制模块，当多个传感器的数据同时到达多模站点需要进行数据传输，此时多模站点带宽无法满足时，若业务类型不同，则根据数据的业务类型进行排序；若业务类型相同，则采取随机时隙避让机制，每个业务在规定时隙内随机避让一个时隙，当时间到达该时隙时，若多模站点信道满足传输条件则进行数据传输，否则再次进行随机时隙避让，直至数据成功传输或数据过期。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构，包括网络控制器、中继节点、通信站点、多模站点、物联终端，网络控制器、中继节点、通信站点、多模站点构成树型骨干网络并通过电力线载波通信方式相连接，多模站点和物联终端构成接入网络并通过电力线载波通信和无线通信方式相连接，网络控制器负责完成电力载波通信树型网络的组网控制、网络维护管理、生成路由策略和物联终端的接入认证等功能，中继节点负责所有PLC网络节点(包括网络控制器、通信站点和多模站点)的多跳数据转发，多模通信站点除完成电力线载波通信任务外，还负责物联终端接入网络的组网控制、网络维护管理功能，物联终端负责采集并上传数据。本发明利用电力系统现有的、覆盖范围最广的电力线载波通信构建骨干网，能够提高电力系统中现有设备的利用率，降低电力物联网的建设成本。
(2)本发明以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构中，利用电力线载波通信和WIFI、ZigBee、NFC、Bluetooth等多种无线通信方式构建物联终端到多模站点的接入网，可以根据实际的通信环境选择合适的物联终端进行接入，提高了物联网络的灵活性和稳定性。
(3)本发明以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构中，物联网络支持通信站点和物联终端设备的安全接入认证功能，会对申请入网的通信站点和物联终端进行安全匹配认证，匹配成功才能接入物联网中，提高了物联网络的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构，包括树型骨干网络(PLC网络)，所述树型骨干网络包括网络控制器、中继节点、通信站点及多模站点，其各部分通过电力线载波通信方式连接，所述多模站点与物联终端连接构成接入网络。
电力线载波通信是以电力系统现成的、覆盖范围最广的380V/220V，50Hz的交流电力线为传输媒介，电力线载波通信的调制方式为OFDM，编码方式为Turbo码；无线通信包括WIFI、ZigBee、NFC、Bluetooth等多种方式。
网络控制器，负责完成电力载波通信(PLC网络)树型骨干网络的组网控制、网络维护管理、生成路由策略和物联终端的接入认证。
中继节点，负责所有PLC网络节点，所述PLC网络节点包括网络控制器、通信站点和多模站点的多跳数据转发；
通信站点，是PLC树型网络的末端节点；
多模站点：与物联终端相连，负责物联终端到PLC网络的接入，根据接入物联网设备的类型选择合适的接入方式；
物联终端，是接入网络的末端节点，负责采集数据并上传至请求数据的通信站点。
例如：如图1所示，一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构，包括一个网络控制器、中继节点1、中继节点2、通信站点1、通信站点2、多模站点1及多模站点2，所述网络控制器分别与中继节点1、通信站点1及中继节点2通过电力线载波通信方式连接。所述中继节点1与多模站点1通过电力线载波通信连接，中继节点2分别与通信站点2及多模站点2通过电力线载波通信连接，所述多模站点1分别与物联终端1、物联终端2及物联终端3通过电力载波通信或无线通信连接，所述多模站点2分别与物联终端4及物联终端5通过电力载波通信或无线通信连接。
进一步，多模通信网络支持通信站点和物联终端设备的安全接入认证功能，当通信站点或物联终端设备请求接入网络时，请求数据包统一上传至网络控制器，网络控制器将申请接入的设备信息与网络控制器中存储的合法设备信息进行匹配认证，通过认证的设备允许接入多模通信网络，否则拒绝该设备的入网请求。
进一步，网络控制器、中继节点、通信站点、多模站点及物联终端均具有通信模块，其通信模块均包括用于PLC通信的PLC模块。
进一步，每个物联终端的通信模块包括电力线通信和多种无线通信方式中的一种或几种，也就是说物联终端可能采用单纯的电力线通信，也可能是WiFi接入，也可能是包含WiFi和电力线通信的双模终端。
进一步，网络控制器和多模站点中包括网络维护模块，网络控制器和多模站点周期性地以泛洪方式向下属节点发送信息可达询问消息，下属节点收到后回复对询问消息的确认，网络控制器和多模站点收到确认消息后即可确定该节点工作状态正常。如果某节点在规定时间内未回复确认消息，网络控制器或多模站点再次发送询问消息，若超出规定时间仍未收到确认消息，即上报网络维护人员该节点连接异常。
进一步，由于物联终端一般为电池供电的无源器件，为了节省能源，物联终端的状态分为两种，当有数据需要传输时，进入数据传输状态；当无需进行数据传输时，进入休眠状态以节省电能，只回复对多模站点询问消息的确认。
进一步，网络控制器中包括路由模块，网络控制器周期性地采用电力线载波通信方式接收通信站点、中继节点、多模站点上传的网络状态信息，并根据网络状态信息生成该物联网区域内的网络拓扑结构，当有节点需要进行新的数据传输时，网络控制器的路由模块根据网络拓扑结构对数据转发路径进行计算并生成路由策略，然后将路由策略下发至与该节点相连的中继节点或多模站点，完成数据传输过程。之后该节点在传输目的节点相同的数据时，中继节点或多模站点直接按照原有的路径进行传输，无需重新询问网络控制器生成新的路由策略。
进一步，多模站点中包括业务管理模块，多模站点根据物联终端的数据特点将业务分为时延敏感类业务(如火警传感器上传的数据)、大带宽需求类业务(如直播、监控类数据)和普通业务(如温湿度传感器上传的数据)。不同类型的业务对信道时延和带宽的要求不同，多模站点根据物联终端的业务类型为其分配合适的信道保证其数据高效传输。
进一步，多模站点包括接入控制模块，当多个传感器的数据同时到达多模站点需要进行数据传输，而多模站点的带宽无法满足这些数据同时传输时，根据数据的业务类型进行排序：时延敏感类业务优先传输、普通业务其次、大带宽需求类业务最后传输。若业务类型相同，则采取随机时隙避让机制，每个业务在规定时隙内随机避让一个时隙，当时间到达该时隙时，若多模站点信道满足传输条件则进行数据传输，否则再次进行随机时隙避让，直至数据成功传输或数据过期。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以电力线载波通信为骨干网的多模异构物联网架构，其特征在于，包括树型骨干网络，所述树型骨干网络包括网络控制器、中继节点、通信站点及多模站点，其各部分通过电力线载波通信方式连接，所述多模站点与物联终端连接构成接入网络。
2.根据权利要求1所述的多模异构物联网架构，其特征在于，
所述中继节点，用于所有PLC网络节点的多跳数据转发；
所述通信节点，用于作为PLC网络的末端节点；
所述多模站点，用于与物联终端连接，负责物联终端与PLC网络的接入，并根据接入物联网设备的类型选择合适的接入方式；
所述网络控制器，用于完成PLC网络的组网控制、网络维护管理、生成路由策略、通信站点及物联终端的接入认证。
3.根据权利要求1或2任一项所述的多模异构物联网架构，其特征在于，所述多模站点与物联终端之间是通过电力线载波通信或无线通信连接。
4.根据权利要求1所述的多模异构物联网架构，其特征在于，所述多模站点支持通信站点和物联终端的安全接入认证功能，当通信站点或物联终端设备请求接入网络时，网络控制器根据设备信息进行安全认证，通过认证的设备允许接入PLC网络，否则拒绝入网请求。
5.根据权利要求1所述的多模异构物联网架构，其特征在于，所述每个物联终端包括通信模块，所述通信模块包括电力通信和/或一种以上的用于无线通信的无线单元。
6.根据权利要求1所述的多模异构物联网架构，其特征在于，所述网络控制器和多模站点均包括网络维护模块，所述网络维护模块的工作过程为：
网络控制器和多模站点周期性的以泛洪方式向下属节点发送询问消息，下属节点收到后回复对询问消息的确认，网络控制器和多模站点收到确认消息后即可确定该节点工作状态正常；若某节点在阈值时间内未回复确认消息，网络控制器或多模站点再次发送询问消息，若超出阈值时间仍未收到确认消息，即上报网络维护人员该节点连接异常。
7.根据权利要求1所述的多模异构物联网架构，其特征在于，所述网络控制器包括路由模块，所述网络控制器周期性的采用电力线载波通信方式收集通信站点、中继节点及多模站点上传的网络状态消息，并根据网络状态信息生成该物联网内的网络拓扑结构，当有节点需要进行数据传输时，网络控制器的路由模块根据网络拓扑结构对数据转发路径进行计算并生成路由策略，然后将路由策略下发至需要进行数据传输的节点完成数据传输过程。
8.根据权利要求1所述的多模异构物联网架构，其特征在于，一种以上的用于无线通信的无线单元包括WIFI单元、ZigBee单元、NFC单元及Bluetooth单元。
9.根据权利要求1所述的多模异构物联网架构，其特征在于，物联终端的状态分为两种，一种是当有数据需要传输时，进入数据传输状态；当无需进行数据传输时，进入休眠状态，只回复对多模站点询问消息的确认。
10.根据权利要求1所述的多模异构物联网架构，其特征在于，所述多模站点包括接入控制模块，当多个传感器的数据同时到达多模站点需要进行数据传输，此时多模站点带宽无法满足时，若业务类型不同，则根据数据的业务类型进行排序；若业务类型相同，则采取随机时隙避让机制，每个业务在规定时隙内随机避让一个时隙，当时间到达该时隙时，若多模站点信道满足传输条件则进行数据传输，否则再次进行随机时隙避让，直至数据成功传输或数据过期。
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