CN114615706B - 一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法 - Google Patents

一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法，属于通信技术领域。该方法包括：S1：CCO形成整个网络拓扑并建立初始路由；S2：STA建立初始路由；S3：均衡网络节点介数；S4：计算节点介数权值，并根据宽带微功率动态拓扑路由策略选择中央协调器PCO，具体为：基于节点介数权值以及邻居节点间的链路质量、邻居节点的等待队列长度，综合选择PCO以形成树形网络，以及组网后的网络维护；S5：STA主动发起代理变更报文。本发明能够充分利用核心代理节点限制网络平均路径长度的同时，避免了核心代理节点的负载压力过大，使得数据流量均匀分布在网络中，增大网络的通信容量。

Description

一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法。
背景技术
用户用电信息采集系统中的智能抄表技术包含有限网络和无线网络两种，有线网络布线改线工程量大，宽带的不断增加，造成线变的越来越粗，且实体线路容易损坏，一个点位置出错就需要换掉整条线，维护起来较为困难。无线传输组网避免了布线的困难且维护起来更为简单，组网更加灵活，提高了网络的自组织性。故现有用户用电信息采集系统常采用的是无线传输的方式。
用户用电信息采集系统主要由主站、本地通信系统和连接各个设备的通信网络组成，是实现用户的用电信息采集的基础。其中，主站与集中器通过GPRS/CDMA无线公网或者光纤专网进行数据的传输，从而获得用户用电信息并对信息进行存储和分析；本地通信系统主要有集中器、电能表以及本地通信系统的双向通信网络组成。集中器收集电能表的数据然后上报到主站。
本地通信系统通常为树状结构如下图1所示，或者网状结构如图2所示。都包含一个集中器、多个电能表和通信模块。电能表中设置通信模块，则电能表既可作为站点(简称STA)也可作为通信网络的代理协调器(简称PCO)；集中器中设置通信模块，则为通信网络的中央协调器(简称CCO)。在用户用电信息采集过程中集中器负责启动信息采集业务和发送信息采集条目，PCO负责接收并转发CCO的抄表命令和主动获取并上报自己数据给CCO，STA负责获取和发送数据给相应的PCO，再由PCO依次转发给CCO。
如图1和图2所示，本地通信系统网络中包括一个CCO和多个STA。STA开始入网时直接连接到CCO下即STA和CCO直接通信，随着其他STA的入网，此时另一个STA通过当前的STA入网，则当前STA改变其角色为PCO，也就是作为另一个STA与CCO通信的中继站点。若当前站点为PCO，其下连接的所有STA此时掉线了，则当前站点的角色从PCO转变到STA。由于网络拓扑变化的随机性，PCO和STA的角色是可以互相转化的。每一个电能表都会有一个唯一的标识符(简称TEI)用于区分，集中器发起的信息采集报文也是通过寻找TEI寻找路由。
每个通信模块中具体包含了应用层(简称APP层)、数据链路层(简称DATA层)和物理层(简称PHY层)，其中数据链路层又分为NWK层和MAC层。当发送一个抄表命令帧时，数据的传输方向如下图3所示。
如图1所示，网络由1个CCO、3个PCO、N个STA组成；其中PCO3显然是网络中的核心节点，当网络中CCO同时向PCO3下的STA1～STAN下达业务报文时，到STA1的数据包沿着CCO>PCO3>STA1路径，到STAN的数据包沿着CCO>PCO3>STAN路径，其中PCO3负责数据的中继转发，如果CCO向PCO3下所有节点下达业务报文时，且PCO3的路由处理能力不足，内存等待的最大长度超过等待队列的最大长度时，PCO3将丢弃大量的数据包，引发CCO的超时重传，将引发大量的数据流量堆积在PCO3上，使得PCO3节点更加拥塞，业务不能正常下达到PCO3下的各个节点。假设PCO2与STAN之间的链路质量允许，STAN代理变更到PCO2下时，CCO到STAN业务报文存在CCO>PCO1>PCO2>STAN的路径，虽然这条链路比原本的路径多了一跳，但这是一条相对空闲的路径。该条路径是基于MD路由策略计算得到的，STAN通过代理变更到PCO2，避开核心节点PCO3，使得该路径上各个代理节点的节点度数之和最小，提高了网络的通信容量。但是如果核心节点PCO3有足够的路由处理能力，可以游刃有余的处理CCO到PCO3下所有节点的数据包中继任务，绕开核心节点PCO3将增大网络的平均距离，故应该将节点间的链路质量与拓扑结构特性以及代理节点的处理能力结合起来设计路由算法。
目前，宽带微功率网络主要应用在用户用电信息采集系统上，随着科技的发展，越来越多的智能电表加入网络，网络规模不断扩大，各种应用场景的提出和应用，需要采集的业务类型逐渐增多，网络流量不断提升，网络中日益频繁的拥塞现象对电价交易的公平性产生巨大的影响。
因此，为了实现用户用电信息采集系统并对电力用户的用电信息进行更大数据量的采集、处理和实时监控，亟需一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法，解决现有智能电网用电信息采集过程中存在的数据量不足的问题，本发明基于实际运行的宽带微功率网络中各个节点路由处理能力相同的事实，考虑均匀网络中节点介数，制约网络中节点介数较大的节点，结合实际网络场景，综合网络中链路质量与下一跳节点等待队列长度等信息。该方法能够充分利用核心代理节点限制网络平均路径长度的同时，避免核心代理节点的负载压力过大，使得数据流量均匀分布在网络中，增大网络的通信容量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法，具体包括以下步骤：
S1：中央协调器CCO形成整个网络拓扑并建立初始路由；
S2：站点STA建立初始路由；
S3：均衡网络节点介数；
S4：计算节点介数权值，并根据宽带微功率动态拓扑路由策略选择中央协调器PCO，具体为：基于节点介数权值以及邻居节点间的链路质量、邻居节点的等待队列长度，综合选择PCO以形成树形网络，以及组网后的网络维护；
S5：站点STA主动发起代理变更报文。
进一步，步骤S1中，CCO形成整个网络拓扑并建立初始路由，具体包括以下步骤：
S11：CCO上电以后，获取MAC地址，配置白名单，广播信标帧和网络通知报文，并开始等待接收站点STA的请求入网报文；
S12：CCO接收到站点STA的请求入网报文后，验证站点STA的MAC地址是否在白名单里；若在白名单允许入网，为站点STA分配唯一的标识符TEI号和安排该站点STA信标时隙，解析出初始路由信息并存储，构造并发送入网成功确认报文，反之构造并发送入网失败确认报文；
S13：站点STA入网后，CCO开始进行网络维护，向周围站点发送网络维护报文。
进一步，步骤S2中，站点STA建立初始路由，具体包括以下步骤：
S21：站点STA上电后，获取MAC地址，监听周围信号，在接收到网络通知报文和信标帧后将信息解析并存储，监听时间结束，构造发送入网请求报文，并等待接收入网确认报文；
S22：站点STA接收到CCO发送的入网成功确认报文后，解析报文中携带的标识符TEI号和初始路由信息并存储，并在安排的信标时隙里发送发现信标帧，反之收到CCO发送的入网失败报文后，放弃该网络，继续监听寻找新的网络尝试入网；
S23：站点STA入网后，将路由信息和标识符TEI号存放在网络维护报文中，向周围站点发送发现信标帧和网络维护报文。
进一步，步骤S3中，均衡网络节点介数，具体包括：均衡每个节点的介数，使得网络流量尽可能分布在网络中；网络的通信容量与网络结构中的节点介数成反比，通过减小节点介数的最大值，来提高网络通信容量。
进一步，步骤S3中，均衡网络节点介数的表达式为：
其中，λc表示临界数据包生成速率，R为节点转发速率，L为节点最大等待队列长度，Bi表示节点i的介数，N表示网络规模，D表示平均传输距离。
步骤S4中，计算节点介数权值的方法为：假设节点i的PCO为节点j，节点i的层级大于等于2，则i节点的介数权值Wb(i)为：
Wb(i)＝ki+Bi+Wb(j)
其中，ki表示i节点的度数，Bi表示节点i的介数。
进一步，步骤S4中，PCO的选择，具体包括以下步骤：
S41：选择候选PCO；
S42：节点加入PCO；
S43：由于周期性的评估发现节点与PCO之间的通信链路质量低于门限或者PCO的路由处理能力不足时，节点发起代理变更退出原来的PCO，重新选择新的PCO。
进一步，步骤S4中，宽带微功率网络采用集中式-分布的成簇管理策略，所有节点的拓扑结构变化都要发送相应报文到CCO，由CCO同意后完成相应的拓扑变化。
进一步，步骤S41中，选择候选PCO，具体包括：宽带微功率动态拓扑路由策略下的节点开机上电后，将进行网络信息的搜集，对信息进行筛选后进行节点介数权值计算，通过最终计算找出最大权值的路径，选择候选PCO。
本发明的有益效果在于：本发明能够充分利用核心代理节点限制网络平均路径长度的同时，避免了核心代理节点的负载压力过大，使得数据流量均匀分布在网络中，增大网络的通信容量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为树状网络拓扑图；
图2为网状网络拓扑图。
图3为数据采集传输方向示意图；
图4为节点选择PCO入网流程图；
图5为选择PCO的流程图；
图6为CCO选定PCO的流程图；
图7为代理变更确认报文双路径发送流程图；
图8为站点存储路由表信息结构；
图9为站点存储排序表结构；
图10为站点选择路径的排序方法。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图10，本发明提供一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法，具体包括以下步骤：
S1：中央协调器CCO形成整个网络拓扑并建立初始路由，具体包括以下步骤：
S11：CCO上电以后，获取MAC地址，配置白名单，广播信标帧和网络通知报文，并开始等待接收站点的请求入网报文。
S12：CCO接收到站点STA的请求入网报文后，验证站点的MAC地址是否在白名单里。若在白名单允许入网，为站点分配唯一的TEI号和安排该站点信标时隙，解析出初始路由信息并存储，构造并发送入网成功确认报文，反之构造并发送入网失败确认报文。
S13：站点入网后，CCO开始进行网络维护，向周围站点发送网络维护报文。
S2：站点STA建立初始路由，具体包括以下步骤：
S21：站点上电后，获取MAC地址，监听周围信号，在接收到网络通知报文和信标帧后将信息解析并存储，监听时间结束，构造发送入网请求报文，并等待接收入网确认报文。
S22：站点接收到CCO发送的入网成功确认报文后，解析报文中携带的TEI号和初始路由信息并存储，并在安排的信标时隙里发送发现信标帧，反之收到CCO发送的入网失败报文后，放弃该网络，继续监听寻找新的网络尝试入网。
S23：站点入网后，将路由信息和TEI号存放在网络维护报文中，向周围站点发送发现信标帧和网络维护报文。
S3：均衡网络节点介数。
由于宽带微功率网络具有无标度的特性，在树形拓扑结构中，使得少数度数较大的节点成为网络中核心节点，并且宽带微功率网络中数据包传输是通过网络中最短路径进行的，这导致了这些核心节点承担着网络中大部分数据包的转发工作，负载过高，拥塞现象也往往发生在这些核心节点，如何有效减轻这些核心节点的负载，使得网络流量尽可能均匀分布在网络中，是提高网络通信容量的关键之一。
从拓扑结构的角度出发，考虑到宽带微功率网络中每一个中央协调器PCO的性能理论上是一致的情况下，节点转发速率为R，节点最大等待队列长度为L，可以简化为以下公式：
即：
其中，λc表示临界数据包生成速率，R为节点转发速率，L为节点最大等待队列长度，Bi表示节点介数，N表示网络规模，D表示平均传输距离。
可以看出网络的通信容量与网络结构中的节点介数成反比，通过减小节点介数的最大值，来提高网络通信容量。但是，由于复杂的网络环境，信号干扰等因素，宽带微功率网络的拓扑一直在发生变化，节点的介数也在发生变化，节点介数的最大值只能针对某一时刻有效。基于此，我们考虑通过尽可能均衡每个节点的介数，使得网络流量尽可能分布在网络中，从而达到提高网络通信容量的目的。
S4：计算节点介数权值，并根据宽带微功率动态拓扑路由策略选择中央协调器PCO。
宽带微功率动态拓扑路由策略的核心思想在于每一个节点都维护了一组通过该节点入网，到达CCO节点之间的介数权值，基于该权值，以及与邻居节点间的链路质量、邻居节点的等待队列长度，综合选择PCO以形成树形网络，以及组网后的网络维护。PCO的选择主要按照以下三个步骤：1)选择PCO；2)节点加入PCO；3)由于周期性的评估发现节点与PCO之间的通信链路质量低于门限或者PCO的路由处理能力不足时，节点发起代理变更退出原来的PCO，重新选择新的PCO。宽带微功率网络采用集中式-分布的成簇管理策略，所有节点的拓扑结构变化都要发送相应报文到CCO，由CCO同意后完成相应的拓扑变化。
网络中，除了CCO以外，每个节点都需要维护一组参数(ki,Bi,Wb(i))，其中ki表示i节点的度数，Bi表示节点i的介数，Wb(i)表示节点i的介数权值，规定第一层的PCO的Wb(i)等于该PCO的介数。假设节点i的PCO为节点j，节点i的层级大于等于2，则i节点的介数权值为：
Wb(i)＝ki+Bi+Wb(j) (2)
通过这种计算方式，在边缘节点，便可直接得到从该边缘节点到CCO路径上的介数权值，Wb(i)越小，选作为候选代理的概率越大。
图4所示为宽带微功率网络组网阶段，STA开机上电，完成初始化以及MAC地址设置后，开始在工作频点上监听的节点入网流程。在最初建立网络时，CCO首先需要上电，完成一系列初始化工作，如白名单配置、多网络协调后，通过开始广播发送中央信标，通知周围节点此网络已经开始工作，允许白名单内的节点入网。CCO为树状网络的根节点，层级为0层，默认为第一层节点的簇头，因此第一层的节点可以直接与CCO通信而不需要中继节点进行数据转发。当第一层节点入网后，CCO将安排这些节点在TDMA时隙中的信标时隙发送代理信标，告知下一层级节点入网。
为了让宽带微功率网络支持下的用电用户信息采集系统可以更稳定，更高效的进行数据采集，宽带微功率动态拓扑路由策略下的节点开机上电后，将进行网络信息的搜集，对信息进行筛选后进行权值计算(公式(2))，通过最终计算找出最大权值的路径，选择PCO，加入网络，如图5所示。
节点选择好候选PCO后，需要开启定时器，向CCO进行汇报，告知候选PCO的TEI，MAC地址等信息，然后等待CCO答复，若该节点收到CCO答复，则加入相应簇，若在定时器超时，且没有收到CCO的答复，则其中超时重传，重新发送报文。值得注意的是，节点的角色转换，代理节点原先的角色是STA，则需要转变为PCO，担当起PCO角色的相关操作。
STA可以通过发送关联请求报文，等待CCO回应关联确认报文，加入网络；也可以通过发送代理变更请求报文，等待CCO回应代理变更确认报文，更改PCO。如图6所示，STA向CCO发送关联请求报文请求入网时，请求报文中会携带电表唯一的MAC地址，当CCO收到请求报文时，首先验证白名单，并根据权值选择公式(2)，在候选PCO中选出一个PCO。若以上流程一切正常，CCO将同意STA入网，关联确认报文中会携带分配STA入网后的TEI，所在的层级，以及其PCO的TEI，并确定发送路径，根据确定的路径发送到路径上的各个中继节点，中继节点负责完成数据包的转发并更新路由表，最终将数据包转发到达目的STA。一旦某一流程失败，CCO将拒绝节点入网，并在关联确认报文中告知其拒绝原因。
组网完成后，PCO将周期性的上报网络维护报文，周期性的评估PCO与其下子节点之间的通信链路质量，此时子站点仍然会收集其他簇头发出的信息：如抄表业务报文和代理信标帧，若评估结果低于门限时，子站点将发起代理变更请求，按照收集到的信息借助权值计算公式(2)，重新选择PCO，如图7所示。整体流程为子站点发起代理变更请求告知CCO，CCO通过权值计算对比优选出一个新的PCO，通过下发代理变更确认报文告知发起代理变更请求的子站点，代理变更确认报文将沿着目的为旧代理和新代理两条路径发送，告知旧PCO删除与此子站点的路由信息，告知新PCO添加与此站点的路由信息。
S5：站点STA主动发起代理变更报文，具体包括以下步骤：
S51：站点定周期接收到周围站点发送的网络维护报文，解析其中的TEI号、路由信息、SNR值和连接的子站点数，并存储形成一个局部的网络拓扑图；
S52：周期时间到，站点遍历局部网络拓扑图，是否存在路径比当前路径的跳数少，若存在存储路径并则跳到步骤S53，若不存在则跳转到步骤S56；
S53：站点检查选出来的路径的SNR值是否大于等于门限值，若大于等于则存储路径信息并跳转到步骤S54，反之则跳转到步骤S56；
S54：将存储的路径信息，按照路由跳数少做了一个排序，若是路由跳数一样，则根据站点连接的子站点数进行排序，若站点连接子站点数相同，则按SNR的方差进行排序；
S55：站点从排序后的路径中选择一条最佳路径，构造并发送代理变更请求报文。
S56：周期时间到，清除接收到的网络维护报文，跳转到步骤S52重新开始接收。
以上方法中，网络维护报文的字段包括：12bit的站点TEI、4bit的站点到CCO的总跳数(简写N)、(12bit的该站点的路径站点TEI+4bit的路径站点SNR)*N、8bit的广播周期、8bit的连接的子站点数目。
CCO默认TEI为1，其余站点TEI由CCO统一分配且是本网络唯一不重复的。广播周期默认为2个路由周期，可修改。跳数表示从CCO发送报文到目的站点需要经过多少个中继站点的个数，子站点数目表示该站点连接的子站点数目。
站点存储路由表信息的结构如图8所示，站点存储排序表结构如图9所示，排序表存储的是站点从路由表中筛选出来可作为新路径的信息。
站点存储路由表信息结构中每个站点占据的存储空间为4+2*N个字节，每个条目存储一条路由，路由路径经过中转站点个数最多14个，其中第一条为主路由，其余路由收集到的新路由。
当2个路由周期结束后，站点将路由表进行排序，排序方法如图10所示，图10中的M为波动值，设为0.1，可配置：最多可携带5个站点作为新代理，即最多可选择5条比当前更佳的路径，选出来的5条路径必须在同一等级，若不是同一等级则可不选足5个代理，构造并发送代理变更请求报文。代理变更请求报文格式如表1所示。
表1代理变更请求报文格式
最后说明的是，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：中央协调器CCO形成整个网络拓扑并建立初始路由；
S2：站点STA建立初始路由；
S3：均衡网络节点介数，具体包括：均衡每个节点的介数，使得网络流量尽可能分布在网络中；网络的通信容量与网络结构中的节点介数成反比，通过减小节点介数的最大值，来提高网络通信容量；
均衡网络节点介数的表达式为：
其中，λc表示临界数据包生成速率，R为节点转发速率，L为节点最大等待队列长度，Bi表示节点i的介数，N表示网络规模，D表示平均传输距离；
S4：计算节点介数权值，并根据宽带微功率动态拓扑路由策略选择中央协调器PCO，具体为：基于节点介数权值以及邻居节点间的链路质量、邻居节点的等待队列长度，综合选择PCO以形成树形网络，以及组网后的网络维护；
计算节点介数权值的方法为：假设节点i的PCO为节点j，节点i的层级大于等于2，则i节点的介数权值Wb(i)为：
Wb(i)＝ki+Bi+Wb(j)
其中，ki表示i节点的度数，Bi表示节点i的介数；
PCO的选择，具体包括以下步骤：
S41：选择候选PCO，具体包括：宽带微功率动态拓扑路由策略下的节点开机上电后，将进行网络信息的搜集，对信息进行筛选后进行节点介数权值计算，通过最终计算找出最大权值的路径，选择候选PCO；
S42：节点加入PCO；
S43：由于周期性的评估发现节点与PCO之间的通信链路质量低于门限或者PCO的路由处理能力不足时，节点发起代理变更退出原来的PCO，重新选择新的PCO；
S5：站点STA主动发起代理变更报文。
2.根据权利要求1所述的增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法，其特征在于，步骤S1中，CCO形成整个网络拓扑并建立初始路由，具体包括以下步骤：
S11：CCO上电以后，获取MAC地址，配置白名单，广播信标帧和网络通知报文，并开始等待接收站点STA的请求入网报文；
S12：CCO接收到站点STA的请求入网报文后，验证站点STA的MAC地址是否在白名单里；若在白名单允许入网，为站点STA分配唯一的标识符TEI号和安排该站点STA信标时隙，解析出初始路由信息并存储，构造并发送入网成功确认报文，反之构造并发送入网失败确认报文；
S13：站点STA入网后，CCO开始进行网络维护，向周围站点发送网络维护报文。
3.根据权利要求1所述的增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法，其特征在于，步骤S2中，站点STA建立初始路由，具体包括以下步骤：
S21：站点STA上电后，获取MAC地址，监听周围信号，在接收到网络通知报文和信标帧后将信息解析并存储，监听时间结束，构造发送入网请求报文，并等待接收入网确认报文；
S22：站点STA接收到CCO发送的入网成功确认报文后，解析报文中携带的标识符TEI号和初始路由信息并存储，并在安排的信标时隙里发送发现信标帧，反之收到CCO发送的入网失败报文后，放弃该网络，继续监听寻找新的网络尝试入网；
S23：站点STA入网后，将路由信息和标识符TEI号存放在网络维护报文中，向周围站点发送发现信标帧和网络维护报文。
4.根据权利要求1所述的增大智能电网中微功率无线网络通信容量的方法，其特征在于，步骤S4中，宽带微功率网络采用集中式-分布的成簇管理策略，所有节点的拓扑结构变化都要发送相应报文到CCO，由CCO同意后完成相应的拓扑变化。
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