CN115833987B - 多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及通信技术领域，提供一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法及系统。所述方法包括：在多频段多网络共存组网过程中，通过通信模块在与多个网络相对应的不同频段上获取信标帧；根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算通信模块在各个网络的时钟频偏值；根据通信模块在各个网络的时钟频偏值生成对应各个网络的频偏值映射表，并保存到通信模块的非易失性存储器中；确定待加入的网络，查询通信模块中保存的频偏值映射表获取对应网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在该网络的初始频偏值进行频偏校准，进行时钟同步。本申请实现了多网络共存场景下频偏快速校准，快速实现时钟同步，可提高组网效率。
Description
技术领域
本申请涉及通信技术领域，具体地涉及一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法以及一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统。
背景技术
电力线高速载波通信（High power line communication，HPLC）是电力系统特有的一种通信方式，具有与电网天然融合的优势，是实现智能用电“最后一公里”通信接入的重要手段。目前，电力线高速载波大多采用基于洪泛算法及分簇算法的动态路由组网技术，动态路由的组网方式决定了其具有自形成、自组织等特点，网络维护过程中可根据信道质量等信息实现自调整、自恢复。然而，在自组网过程中，由于各节点之间的晶体时钟频率不尽相同，存在不同大小的频率偏差，从而导致相互之间接收不到完整的报文数据，因此，在组网之前必须对通信模块的时钟频偏进行校准，以保证通信网络的通信性能和可靠性。
现有技术中主要是针对单网络的频偏校准，未涉及多网络频偏校准的解决方案。然而，在电力通信网络系统中，一个配电变压器区域内可能会安装多个作为中心节点的CCO（Central Coordinator，中央协调器），多个CCO可能在不同的频段。图1表示一个典型的多网络共存场景，图1中，n个网络可能在不同的频段，n个网络对应n个CCO，一个网络可能有多个作为代理节点的PCO（Proxy Coordinator，代理协调器）和多个作为终端节点的通信模块STA。当CCO彼此安装距离较近时会形成多网络共存的环境，即相邻网络共用电力线作为载波信号传输通道，多网络共存时的动态路由维护过程可能出现网络切换情况。由于同一个STA在不同网络的频偏值不同，网络切换后会影响通信效果，甚至不能通信。因此，在组网过程中，需要对多网络共存场景下的STA节点频偏快速校准，进行时钟同步，使整个网络的网络基准时间（Network Time Base，NTB）达到统一。
发明内容
本申请实施例中提供了一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法及系统，解决如何在多网络共存场景下实现频偏快速校准的问题，以实现快速组网。
本申请实施例一方面提供一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，包括：
在多频段多网络共存组网过程中，通过通信模块在与多个网络相对应的不同频段上获取信标帧；
根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算通信模块在各个网络的时钟频偏值；
根据通信模块在各个网络的时钟频偏值生成对应各个网络的频偏值映射表，将通信模块对应各个网络的频偏值映射表保存到通信模块的非易失性存储器中；
确定通信模块待加入的网络；
查询通信模块中保存的频偏值映射表获取对应待加入的网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在该网络的初始频偏值进行频偏校准，使通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步。
本申请实施例中，所述通信模块为具有多个通信单元的多模通信模块，多模通信模块的多个通信单元分别对应多个通信模式。
本申请实施例中，根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算通信模块在各个网络的时钟频偏值，包括：
根据连续的信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值；
保存各通信模式下最新的频偏瞬时值形成频偏数据矩阵；
根据不同通信模式对频偏的敏感度确定各通信模式对应的频偏敏感度权重因子；
对频偏数据矩阵中的各通信模式下的频偏瞬时值赋予对应的频偏敏感度权重因子，根据该频偏数据矩阵计算多模通信模块的时钟频偏值。
本申请实施例中，根据连续的信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值，包括：
提取第n通信模式下t时刻信标帧中的信标时间戳和t-1时刻信标帧中的信标时间戳，以及获取第n通信模式下t时刻信标帧同步时对应的本地时钟值和t-1时刻信标帧同步时对应的本地时钟值；
计算第n通信模式下t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值得到信标时间差，以及计算第n通信模式下t时刻信标帧同步时对应的本地时钟值与t-1时刻信标帧同步时对应的本地时钟值的差值得到本地时钟差；
计算信标时间差与本地时钟差的差值，将该差值与本地时钟差的比值确定为第n通信模式下的频偏瞬时值。
本申请实施例中，根据信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值，还包括：
若t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值低于预设门限最低值，则舍弃t时刻信标帧；
若t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值高于预设门限最高值，则舍弃t-1时刻信标帧，将t时刻信标帧中的信标时间戳作为t-1时刻信标帧中的信标时间戳。
本申请实施例中，在多频段多网络共存组网过程中，通过通信模块在与多个网络相对应的不同频段上获取信标帧，包括：通过通信模块依次在多个频段监听信标帧，在确定当前频段监听到的信标帧不连续或组网不成功的情况下，切换到下一频段进行监听，直至监听到连续的信标帧且组网成功。
本申请实施例中，通过通信模块依次在多个频段监听信标帧，在确定当前频段监听到的信标帧不连续或组网不成功的情况下，切换到下一频段进行监听，直至监听到连续的信标帧且组网成功，包括：
在第i个频段监听信标帧，其中i的初值为1；
若判断第i个频段监听到的信标帧不连续或该频段组网不成功，则切换到第i+1个频段监听信标帧，直至监听到连续的信标帧且组网成功；
若判断第i个频段监听到的信标帧连续，则将第i个频段监听到的连续信标帧中的信标时间戳作为计算时钟频偏值的依据。
本申请实施例中，确定通信模块待加入的网络，包括：
若通信模块存储有历史组网信息，该历史组网信息包括网络标识、入网频段、入网成功次数、入网成功率及在网时间，则根据历史组网信息选择最优的网络作为通信模块待加入的网络；
若通信模块监听到信标帧的所有网络中不存在与历史组网信息中网络标识一致的网络，或者通信模块没有存储历史组网信息，则根据各个网络的网络参数评估各个网络的通信性能，将通信性能最优的网络确定为最先加入的网络，并根据通信性能排序确定各个网络的网络标识。
本申请实施例中，多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法还包括：在通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步之后，对通信模块进行入网认证。
本申请实施例中，对通信模块进行入网认证，包括：
在通信模块自身的时钟频率与待加入的第j个网络的时钟频率同步之后，向第j个网络的中央协调器发送附带有通信模块的MAC地址的入网请求报文，其中j的初值为1；
中央协调器将入网请求报文中的MAC地址与中央协调器存储的白名单进行对比；
若白名单中存在该MAC地址，则确定该通信模块入网认证成功；
若白名单中不存在该MAC地址，则在通信模块与第j+1个网络的时钟频率同步完成之后，向第j+1个网络的中央协调器发送含有通信模块的MAC地址的入网请求报文，若所有网络的中央协调器存储的白名单中都不存在该通信模块的MAC地址，则确定该通信模块在该频段入网认证失败，切换至下一频段重新监听信标帧进行组网。
本申请实施例中，多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法还包括：在多频段多网络共存组网成功之后，更新通信模块中保存的历史组网信息，并对通信模块中保存的频偏值映射表进行周期性的更新。
本申请实施例中，多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法还包括：
若网络中的通信模块需要重新入网，则查询该通信模块中保存的频偏值映射表获取对应网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块重新入网的初始频偏值进行频偏校准。
本申请实施例中，多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法还包括：
在动态路由维护过程中若通信模块启动代理变更组成新的网络拓扑，则查询该通信模块中保存的频偏值映射表获取对应变更后网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在变更后网络的初始频偏值进行频偏校准。
本申请实施例另一方面提供一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统，包括多个中央协调器、代理协调器和多个通信模块，所述通信模块用于：
在多频段多网络共存组网过程中，在与多个网络相对应的不同频段上获取对应网络的中央协调器或代理协调器发送的信标帧；
根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算该通信模块在各个网络的时钟频偏值；
根据该通信模块在各个网络的时钟频偏值生成对应各个网络的频偏值映射表，将通信模块对应各个网络的频偏值映射表保存到该通信模块的非易失性存储器中；
确定待加入的网络；
查询通信模块中保存的频偏值映射表获取对应待加入的网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在该网络的初始频偏值进行频偏校准，使通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步。
本申请实施例中，所述通信模块为多模通信模块；
所述多模通信模块包括控制单元、本地时钟以及多个通信单元，多个通信单元分别对应多个通信模式。
本申请实施例中，所述多模通信模块还包括：频偏估计单元；
所述频偏估计单元用于：
根据获取的信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值；
保存各通信模式下最新的频偏瞬时值形成频偏数据矩阵；
根据不同通信模式对频偏的敏感度确定各通信模式对应的频偏敏感度权重因子；
对频偏数据矩阵中的各通信模式下的频偏瞬时值赋予对应的频偏敏感度权重因子，根据该频偏数据矩阵计算多模通信模块的时钟频偏值。
本申请实施例中，所述通信模块还用于在自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步之后，向待加入的网络的中央协调器发送入网请求；所述中央协调器还用于对所述通信模块进行入网认证。
本申请实施例提供的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，在组网时通过待入网的通信模块形成对应所有网络的频偏值映射表并保存，在确定待加入的网络后，从保存的频偏值映射表中选择对应的频偏值作为初始频偏直接对通信模块的频偏进行校准，使通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步，使整个网络的网络基准时间达到统一，无需在尝试入网过程中反复等待信标帧进行频偏校准值计算，实现了多网络共存场景下频偏快速校准，从而快速实现网络中各个通信模块的时钟同步，以支撑快速组网，提升整个网络的通信效率和可靠性。此外，通信模块将频偏映射表存储至自身的非易失性存储器（NV）中，在台区断电或模块重启时频偏数据不会丢失，保证了数据存储的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为多网络共存场景的拓扑图；
图2为本申请实施例提供的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法的流程图；
图3为多频段多网络共存场景中多模通信模块的时间同步示意图；
图4为本申请实施例提供的估算多模通信模块时钟频偏值的流程图；
图5为本申请一个实施例提供的多频段多网络共存组网和初始频偏校准的流程图；
图6为本申请实施例提供的多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图2为本申请实施例提供的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法的流程图。如图2所示，本实施例提供的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，包括以下步骤：
步骤110，在多频段多网络共存组网过程中，通过通信模块在与多个网络相对应的不同频段上获取信标帧；
步骤120，根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算通信模块在各个网络的时钟频偏值；
步骤130，根据通信模块在各个网络的时钟频偏值生成对应各个网络的频偏值映射表，将通信模块对应各个网络的频偏值映射表保存到通信模块的非易失性存储器中；
步骤140，确定通信模块待加入的网络；
步骤150，查询通信模块中保存的频偏值映射表获取对应待加入的网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在该网络的初始频偏值进行频偏校准，使通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步。
本申请实施例提供的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，在组网时通过待入网的通信模块形成对应所有网络的频偏值映射表并保存，在确定待加入的网络后，从保存的频偏值映射表中选择对应网络的频偏值作为初始频偏直接对通信模块的频偏进行校准，使通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步，使整个网络的网络基准时间达到统一，无需在尝试入网过程中反复等待信标帧进行频偏校准值计算，实现了多网络共存场景下频偏快速校准，从而快速实现网络中各个通信模块的时钟同步，以支撑快速组网，提升整个网络的通信效率和可靠性。此外，通信模块将频偏映射表存储至自身的非易失性存储器（NV）中，在台区断电或模块重启时频偏数据不会丢失，保证了数据存储的可靠性。
在多频段多网络共存场景中，作为终端节点的通信模块可以是单模通信模块，也可以是具有多个通信单元的多模通信模块（STA）。STA应用宽带载波、窄带载波、微功率无线等通信技术，通过电力线载波信道和无线信道上传业务数据。STA可以与CCO直接通信，或通过PCO与CCO通信。本申请中的多模通信模块可以同时支持多种通信模式，例如同时支持宽带电力线载波通信、窄带电力线载波通信和微功率无线通信。多模通信模块主要采用正交频分复用（OFDM）技术，OFDM技术对频偏非常敏感，通常要求同步精度1ppm以内。现有的多模通信模块使用的是精度不高的无源晶振，时钟精度不高，会造成多模通信模块的时钟工作频率出现偏差（即频偏）。频偏会破坏OFDM信号子载波之间的正交性，导致信噪比下降的同时带来子信道间串扰，显著增加OFDM信号接收的符号误码率。因此需要对多模通信模块的时钟频偏进行准确地估算并进行快速校准，以保证多模通信网络的通信性能和可靠性。
如图3所示，多模通信模块包括分别对应n种通信模式的n个通信单元，多模通信模块用自己的时钟源作为本地时钟。作为中心节点的CCO或作为代理节点的PCO在电力载波信道周期性发送有线信标时间戳，同时在无线信道周期性发送无线信标时间戳，有线信标时间戳和无线信标时间戳均是CCO的NTB。在发现信标帧的过程中，由多模通信模块STA评估出本地NTB（即本地时钟）。网络中各子节点（STA/PCO）在收到中心节点（PCO/CCO）信标帧时会进行本地时钟校对，实现与CCO的 NTB保持同步。基于上述理论基础，本申请实施例提出一种准确估算多模通信模块时钟频偏值的方法。
如图4所示，在上述步骤120中，根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算通信模块在各个网络的时钟频偏值，包括以下子步骤；
步骤121，根据连续的信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值；
步骤122，保存各通信模式下最新的频偏瞬时值形成频偏数据矩阵；
步骤123，根据不同通信模式对频偏的敏感度确定各通信模式对应的频偏敏感度权重因子；
步骤124，对频偏数据矩阵中的各通信模式下的频偏瞬时值赋予对应的频偏敏感度权重因子，根据该频偏数据矩阵计算多模通信模块的时钟频偏值。
在上述步骤121中，提取第n通信模式下t时刻信标帧中的信标时间戳和t-1时刻信标帧中的信标时间戳，以及获取第n通信模式下t时刻信标帧同步时对应的本地时钟值和t-1时刻信标帧同步时对应的本地时钟值；计算第n通信模式下t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值得到信标时间差，以及计算第n通信模式下t时刻信标帧同步时对应的本地时钟值与t-1时刻信标帧同步时对应的本地时钟值的差值得到本地时钟差；计算信标时间差与本地时钟差的差值，将该差值与本地时钟差的比值确定为第n通信模式下的频偏瞬时值。若t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值低于预设门限最低值，则舍弃t时刻信标帧；若t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值高于预设门限最高值，则舍弃t-1时刻信标帧，将t时刻信标帧中的信标时间戳作为t-1时刻信标帧中的信标时间戳。
具体而言，多模通信模块STA监听通信模式1下中心节点CCO发送的信标帧，计算接收到的连续两帧信标帧的信标时间差Δ
bts 1
(t)及多模通信模块STA本地时钟接收连续两帧信标帧的时间差Δ
lctm 1
(t)，即Δ
bts 1
(t)=
bts 1
(t)-
bts 1
(t-1
)；Δ
lctm 1
(t)=
lctm 1
(t)-
lctm 1
(t-1
)；其中，
bts 1
(t)、
bts 1
(t-1
)为通信模式1中
t、
t-1时刻信标帧中的信标时间戳；
lctm 1
(t)、
lctm 1
(t-1
)为通信模式1中
t、
t-1时刻信标帧同步时对应的本地NTB值。设定一个信标时间有效门限值，当时间差Δ
bts 1
(t)在门限值范围内，认为信标时间有效，该值可用作频偏值估计。若时间差Δ
bts 1
(t)低于设定的门限最低值，认为STA接收到干扰的信标帧，则舍弃
bts 1
(t)、lctm 1
(t)等待下一帧信标；若时间差Δ
bts 1
(t)高于设定的门限最高值，认为STA丢失了信标帧，则舍弃
bts 1
(t-1
)和
lctm 1
(t-1
)，将
bts 1
(t)、lctm 1
(t)作为
bts 1
(t-1
)、
lctm 1
(t-1
)等待下一帧信标。通信模式1的频偏瞬时值为：Δ
f e1
(t)=(
Δbts 1
(t)-Δ
lctm 1
(t))/Δ
lctm 1
(t)。
设计一个频偏有效门限值，对估计的频偏瞬时值进行筛选，当其在频偏有效门限范围外时，剔除该值。同理，多模通信模块STA监听其它通信模式下的信标帧，并根据上述方法计算出通信模式2至通信模式n的频偏瞬时值，可以得到多模通信模块分别在n个通信模式下的频偏瞬时值，记为：Δ
f e1
(t), Δ
f e2
(t), Δ
f e3
(t), …Δ
f en
(t)。
为提高频偏估计的准确度，剔除干扰信标帧及防止丢失信标帧，设置一个信标时间有效门限，对多模通信模块的本地时钟接收连续两帧信标时间差进行筛选，满足信标时间有效门限要求的可用作频偏估计参数。为提高频偏估计的精度，增加频偏估计的迭代次数，保存前m个频偏估计瞬时值，经矩阵综合计算得到最终的多模通信模块的频偏估计值，设置一个频偏估计值有效门限，对估计的频偏异常值进行筛选，对于不满足频偏值有效门限要求的值进行剔除。
为了提高估计的准确度，设计一个移动的频偏值保存窗口，分别保存多模通信网络的n个通信模式下的最新m个频偏瞬时值，得到一组频偏数据矩阵：
；
根据不同通信模式对频偏的敏感度，提出频偏敏感度权重因子，为多模通信模块频偏估计分配不同的权重值，权重越高表示该通信模式对频偏敏感度越高，反之，权重越低表示该通信模式对频偏敏感度越低。本实施例中对应n个通信模式的频偏敏感度权重因子为[
β 1
，β 2
，…
β n ] T ，其中权重因子之和为1.0。根据引入频偏敏感度权重因子的频偏数据矩阵，可计算得到多模通信模块的频偏联合估计值Δ
f e 。引入频偏敏感度权重因子的频偏数据矩阵的计算式如下：
；
在确定多模通信模块的时钟频偏估计值后，根据该时钟频偏估计值补偿本地时钟计数器，调整锁相环分数倍频系数，将多模通信模块本地计数器偏差校准至中心节点发送信标帧的时间基准，实现多模通信的本地时钟频偏校准。
上述的估算多模通信模块时钟频偏值的方法，多模通信模块根据当前接收到的中心节点信标帧的信标时间戳和在各自通信模式下锁存的信标帧同步时刻的本地时钟值，估算出各通信模式下网络的频偏瞬时值，通过引入频偏敏感度权重因子的频偏数据矩阵联合计算得到多模通信模块的频偏值，使估算结果准确可靠，提高了时钟频偏估算的精度和准确度。
在上述步骤110中，在多频段多网络共存组网过程中，通信模块依次在多个频段监听信标帧，在确定当前频段监听到的信标帧不连续或组网不成功的情况下，切换到下一频段进行监听，直至监听到连续的信标帧且组网成功。具体的，在第i个频段监听信标帧，其中i的初值为1；若判断第i个频段监听到的信标帧不连续或该频段组网不成功，则切换到第i+1个频段监听信标帧，直至监听到连续的信标帧且组网成功；若判断第i个频段监听到的信标帧连续，则将第i个频段监听到的连续信标帧中的信标时间戳作为计算时钟频偏值的依据。
在上述步骤140中，通过以下方式确定通信模块待加入的网络：若通信模块存储有历史组网信息，例如网络标识、入网频段、入网成功次数、入网成功率、在网时间等组网关键信息，则根据入网成功次数、入网成功率和在网时间等信息进行综合判断，选择最优的网络作为通信模块需最先加入的网络，根据历史组网信息中的网络标识搜寻与该网络标识一致的网络；若通信模块监听到信标帧的所有网络中不存在与历史组网信息中网络标识一致的网络，或者通信模块没有存储历史组网信息，则根据网络信噪比、接收信号强度、跳数、是否为代理协调器等信息，实时评估各个网络的通信性能，将通信性能最优的网络确定为最先加入的网络，并根据通信性能排序确定各个网络的网络标识。
所述多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法还包括：在通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步之后，对通信模块进行入网认证。在一个实施例中，通过以下方式对通信模块进行入网认证：查询频偏值映射表获取待加入的第j个网络的频偏值进行频偏校准，完成时间同步；向第j个网络的中央协调器发送含有通信模块的MAC地址的入网请求报文，其中j的初值为1；中央协调器将入网请求报文中的MAC地址与中央协调器存储的白名单进行对比；若白名单中存在该MAC地址，则确定该通信模块入网认证成功；若白名单中不存在该MAC地址，则在通信模块与第j+1个网络的时钟频率同步完成之后，向第j+1个网络的中央协调器发送附带有通信模块的MAC地址的入网请求报文，若所有网络的中央协调器存储的白名单中都不存在该通信模块的MAC地址，则确定该多模通信模块在该频段入网认证失败，切换至下一频段重新监听信标帧进行组网。
参照图5，在一个实施例中，多频段多网络共存组网和初始频偏校准的流程如下：多模通信模块STA在频段i监听信标帧，其中i的初值为1；判断在频段i监听到的信标帧是否连续，若不连续，判断i是否小于4（多网络共存场景通常有4个频段），若i＜4，则切换到频段i+1监听信标帧，直至监听到连续的信标帧，若在i=4时（即所有频段监听到的信标帧都不连续），则结束监听；若判断频段i监听到的信标帧连续，则将监听到的连续信标帧中的信标时间戳作为计算时钟频偏值的依据，根据监听到的n个网络的信标帧计算得到STA的频偏值，生成关于频段i的n个网络的频偏值映射表，存入STA的NV中。然后，根据STA存储的历史组网信息（包括网络标识、入网频段、入网成功次数、入网成功率及在网时间）以及根据各个网络的网络参数评估各个网络的通信性能，，确定各个网络的通信性能排序，按照通信性能排序由大到小将n个网络依次标记为CCO1，CCO2...CCOn，作为各个网络的网络标识；按照网络标识顺序，将网络j的中央协调器CCOj的时钟频率作为网络j的时钟频率，其中j的初值为1；查询STA的NV中存储的频偏值映射表，直接取出频段i网络j对应的时钟频偏值进行频偏校准，与网络j进行时钟同步。时钟同步后进行入网认证，向CCOj发送附带多模通信模块的MAC地址的入网请求报文，CCOj将接收到的入网请求报文中的MAC地址与CCOj存储的白名单进行对比，以进行入网认证；若白名单中存在该MAC地址，则确定STA入网认证成功；若白名单中不存在该MAC地址，则判断j是否小于n，若j＜n，则j+1，在通信模块与第j+1个网络的时钟频率同步完成之后，向CCOj+1发送附带有STA的MAC地址的入网请求报文，若所有网络的CCO存储的白名单中都不存在STA的MAC地址（即CCOn的白名单中不存在STA的MAC地址），则确定STA在i频段入网失败，切换至下一频段i+1重新监听信标帧，重新进行组网直到STA入网成功。
在多频段多网络共存组网成功之后，更新通信模块中保存的历史组网信息，并对通信模块中保存的频偏值映射表进行周期性的更新。若网络中的通信模块需要重新入网，则查询该通信模块中保存的频偏值映射表获取对应网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块重新入网的初始频偏值进行频偏校准。举例而言，当配电变压台区发生停断电时，在恢复供电重启组网或多模通信模块离线需重新入网时，多模通信模块恢复组网成功时可以查询非易失性存储器（NV）中存储的频偏值映射表，取出对应网络的频偏值作为初始频偏值直接补偿本地时钟，无需再次等待信标帧进行频偏校准值计算，降低网络同步时间，显著提高恢复组网的速度。
在动态路由维护过程中若通信模块启动代理变更组成新的网络拓扑，则查询该通信模块中保存的频偏值映射表获取对应变更后网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在变更后网络的初始频偏值进行频偏校准。举例而言，在动态路由维护过程中，当符合代理变更（网络切换）条件时，多模通信模块启动代理变更流程组成新的网络拓扑。多模通信模块查询NV中存储的多网络频偏值映射表，直接取出对应网络频偏值作为初始频偏补偿本地时钟，避免入网前反复等待信标帧进行频偏校正造成时间浪费，实现快速代理变更。而且，多模通信模块将频偏映射表存储至自身的非易失性存储器（NV）中，在台区断电或模块重启时频偏数据不会丢失，保证了数据存储的可靠性。
本申请实施例提供的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，在组网时通过待入网通信模块形成对应所有网络的频偏值映射表并保存，按照设定的条件选择合适的CCO作为中央协调器，并进行频偏校准，查询通信模块中保存的频偏值映射表获取对应网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在该网络的初始频偏值进行频偏校准，使自身的时钟频率与网络同步。待入网通信模块完成时钟同步后，申请入网，通信模块发送入网请求报文至选择的CCO，CCO根据白名单进行入网认证，是否存在STA的MAC地址，若存在则允许此节点加入网络，发送入网确认报文给待入网通信模块，待入网通信模块收到入网回复后，入网成功。若不存在STA的MAC地址，则拒绝入网。本发明方法在待入网通信模块重新选择网络尝试入网过程中，直接从保存的频偏值映射表中选择对应网络的频偏值作为初始频偏直接对通信模块的频偏进行校准，无需再次等待信标帧进行频偏计算，实现了多网络共存场景下频偏快速校准，从而快速实现网络中各个通信模块的时钟同步，以支撑快速组网，提升整个网络的通信效率和可靠性。此外，通信模块将频偏映射表存储至自身的非易失性存储器（NV）中，在台区断电或模块重启时频偏数据不会丢失，保证了数据存储的可靠性。
举例而言，STA在频段1监听信标帧，根据设定条件选择CCO1作为中央协调器，等待连续两帧信标帧计算频偏值，设定此过程所需时间为T，若在CCO1网络入网失败，则切换至CCO2进行入网申请，继续等待连续两帧信标帧算得频偏值，此时入网前网络同步时间为2*T，同理，若切换至第N个网络才能入网成功，则入网前网络同步时间就为N*T。本发明通过维护一个多频段多网络的频偏值映射表，直接在入网前取出对应网络频偏值进行校准，仅需时间T完成网络同步，减少入网前等待频偏值计算的时间，实现网络的快速同步。
图6为本申请实施例提供的多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统的结构框图。如图6所示，本实施例提供一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统，包括n个中央协调器CCO、代理协调器PCO和m个通信模块STA，其中，通信模块3作为与其直接相连的通信模块4和通信模块5的代理协调器PCO。系统中的各个通信模块在多频段多网络共存组网过程中，在与多个网络相对应的不同频段上获取对应网络的中央协调器或代理协调器发送的信标帧；根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算该通信模块在各个网络的时钟频偏值；根据该通信模块在各个网络的时钟频偏值生成对应各个网络的频偏值映射表，将通信模块对应各个网络的频偏值映射表保存到该通信模块的非易失性存储器中；确定待加入的网络；查询通信模块中保存的频偏值映射表获取对应待加入的网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在该网络的初始频偏值进行频偏校准，使通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步。
在一个实施例中，所述通信模块为多模通信模块。多模通信模块包括控制单元、本地时钟、多个通信单元，以及频偏估计单元，多个通信单元分别对应多个通信模式。所述频偏估计单元用于根据获取的信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值；保存各通信模式下最新的频偏瞬时值形成频偏数据矩阵；根据不同通信模式对频偏的敏感度确定各通信模式对应的频偏敏感度权重因子；对频偏数据矩阵中的各通信模式下的频偏瞬时值赋予对应的频偏敏感度权重因子，根据该频偏数据矩阵计算多模通信模块的时钟频偏值。
在一个实施例中，通信模块通过以下方式确定待加入的网络：若通信模块存储有历史组网信息，例如网络标识、入网频段、入网成功次数、入网成功率、及在网时间等组网关键信息，则根据入网成功次数、入网成功率和在网时间等信息进行综合判断，选择最优的网络作为通信模块需最先加入的网络，根据历史组网信息中的网络标识搜寻与该网络标识一致的网络；若通信模块监听到信标帧的所有网络中不存在与历史组网信息中网络标识一致的网络，或者通信模块没有存储历史组网信息，则根据网络信噪比、接收信号强度、跳数、是否为代理协调器等信息，度量评估各个网络的通信性能，将通信性能最优的网络确定为最先加入的网络，并根据通信性能排序确定各个网络的网络标识。
在一个实施例中，通信模块在自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步之后，向待加入的网络的中央协调器发送入网请求；中央协调器对通信模块进行入网认证。具体为，通信模块查询自身保存的频偏值映射表获取待加入的第j个网络的频偏值进行频偏校准，完成时间同步；向第j个网络的中央协调器发送含有通信模块的MAC地址的入网请求报文，其中j的初值为1；中央协调器将入网请求报文中的MAC地址与中央协调器存储的白名单进行对比；若白名单中存在该MAC地址，则确定该通信模块入网认证成功；若白名单中不存在该MAC地址，则在通信模块与第j+1个网络的时钟频率同步完成之后，向第j+1个网络的中央协调器发送附带有通信模块的MAC地址的入网请求报文，若所有网络的中央协调器存储的白名单中都不存在该通信模块的MAC地址，则确定该多模通信模块在该频段入网认证失败，切换至下一频段重新监听信标帧进行组网。
在多频段多网络共存组网成功之后，更新通信模块中保存的历史组网信息，并对通信模块中保存的频偏值映射表进行周期性的更新。若网络中的通信模块需要重新入网，则查询该通信模块中保存的频偏值映射表获取对应网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块重新入网的初始频偏值进行频偏校准。举例而言，当配电变压台区发生停断电时，在恢复供电重启组网或多模通信模块离线需重新入网时，多模通信模块恢复组网成功时可以查询非易失性存储器（NV）中存储的频偏值映射表，取出对应网络的频偏值作为初始频偏值直接补偿本地时钟，无需再次等待信标帧进行频偏校准值计算，降低网络同步时间，显著提高恢复组网的速度。
在动态路由维护过程中若通信模块启动代理变更组成新的网络拓扑，则查询该通信模块中保存的频偏值映射表获取对应变更后网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在变更后网络的初始频偏值进行频偏校准。举例而言，在动态路由维护过程中，当符合代理变更（网络切换）条件时，多模通信模块启动代理变更流程组成新的网络拓扑。多模通信模块查询NV中存储的多网络频偏值映射表，直接取出对应网络频偏值作为初始频偏补偿本地时钟，避免入网前反复等待信标帧进行频偏校正造成时间浪费，实现快速代理变更。而且，多模通信模块将频偏映射表存储至自身的非易失性存储器（NV）中，在台区断电或模块重启时频偏数据不会丢失，保证了数据存储的可靠性。
本实施例的多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统，实现多网络共存组网和初始频偏校准的详细过程/方法以及有益效果可以参照上述实施例的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法的具体描述，此处不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，包括：
在多频段多网络共存组网过程中，通过通信模块在与多个网络相对应的不同频段上获取信标帧；
根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算通信模块在各个网络的时钟频偏值；
根据通信模块在各个网络的时钟频偏值生成对应各个网络的频偏值映射表，将通信模块对应各个网络的频偏值映射表保存到通信模块的非易失性存储器中；
确定通信模块待加入的网络；
查询通信模块中保存的频偏值映射表获取对应待加入的网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在该网络的初始频偏值进行频偏校准，使通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步；
所述通信模块为具有多个通信单元的多模通信模块，多模通信模块的多个通信单元分别对应多个通信模式；
其中，根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算通信模块在各个网络的时钟频偏值，包括：
根据连续的信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值；
保存各通信模式下最新的频偏瞬时值形成频偏数据矩阵；
根据不同通信模式对频偏的敏感度确定各通信模式对应的频偏敏感度权重因子；
对频偏数据矩阵中的各通信模式下的频偏瞬时值赋予对应的频偏敏感度权重因子，根据该频偏数据矩阵计算多模通信模块的时钟频偏值。
2.根据权利要求1所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，根据连续的信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值，包括：
提取第n通信模式下t时刻信标帧中的信标时间戳和t-1时刻信标帧中的信标时间戳，以及获取第n通信模式下t时刻信标帧同步时对应的本地时钟值和t-1时刻信标帧同步时对应的本地时钟值；
计算第n通信模式下t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值得到信标时间差，以及计算第n通信模式下t时刻信标帧同步时对应的本地时钟值与t-1时刻信标帧同步时对应的本地时钟值的差值得到本地时钟差；
计算信标时间差与本地时钟差的差值，将该差值与本地时钟差的比值确定为第n通信模式下的频偏瞬时值。
3.根据权利要求2所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，根据信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值，还包括：
若t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值低于预设门限最低值，则舍弃t时刻信标帧；
若t时刻信标帧中的信标时间戳与t-1时刻信标帧中的信标时间戳的差值高于预设门限最高值，则舍弃t-1时刻信标帧，将t时刻信标帧中的信标时间戳作为t-1时刻信标帧中的信标时间戳。
4.根据权利要求1所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，在多频段多网络共存组网过程中，通过通信模块在与多个网络相对应的不同频段上获取信标帧，包括：
通过通信模块依次在多个频段监听信标帧，在确定当前频段监听到的信标帧不连续或组网不成功的情况下，切换到下一频段进行监听，直至监听到连续的信标帧且组网成功。
5.根据权利要求4所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，通过通信模块依次在多个频段监听信标帧，在确定当前频段监听到的信标帧不连续或组网不成功的情况下，切换到下一频段进行监听，直至监听到连续的信标帧且组网成功，包括：
在第i个频段监听信标帧，其中i的初值为1；
若判断第i个频段监听到的信标帧不连续或该频段组网不成功，则切换到第i+1个频段监听信标帧，直至监听到连续的信标帧且组网成功；
若判断第i个频段监听到的信标帧连续，则将第i个频段监听到的连续信标帧中的信标时间戳作为计算时钟频偏值的依据。
6.根据权利要求5所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，确定通信模块待加入的网络，包括：
若通信模块存储有历史组网信息，该历史组网信息包括网络标识、入网频段、入网成功次数、入网成功率及在网时间，则根据历史组网信息选择最优的网络作为通信模块待加入的网络；
若通信模块监听到信标帧的所有网络中不存在与历史组网信息中网络标识一致的网络，或者通信模块没有存储历史组网信息，则根据各个网络的网络参数评估各个网络的通信性能，根据通信性能排序确定各个网络的网络标识，将通信性能最优的网络确定为最先加入的网络。
7.根据权利要求6所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
在通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步之后，对通信模块进行入网认证。
8.根据权利要求7所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，在通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步之后，对通信模块进行入网认证，包括：
在通信模块自身的时钟频率与待加入的第j个网络的时钟频率同步之后，向第j个网络的中央协调器发送附带有通信模块的MAC地址的入网请求报文，其中j的初值为1；
中央协调器将入网请求报文中的MAC地址与中央协调器存储的白名单进行对比；
若白名单中存在该MAC地址，则确定该通信模块入网认证成功；
若白名单中不存在该MAC地址，则在通信模块与第j+1个网络的时钟频率同步完成之后，向第j+1个网络的中央协调器发送含有通信模块的MAC地址的入网请求报文，若所有网络的中央协调器存储的白名单中都不存在该通信模块的MAC地址，则确定该通信模块在该频段入网认证失败，切换至下一频段重新监听信标帧进行组网。
9.根据权利要求1所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
在多频段多网络共存组网成功之后，对通信模块中保存的频偏值映射表进行周期性的更新。
10.根据权利要求9所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
若网络中的通信模块需要重新入网，则查询该通信模块中保存的频偏值映射表获取对应网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块重新入网的初始频偏值进行频偏校准。
11.根据权利要求9所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
在动态路由维护过程中若通信模块启动代理变更组成新的网络拓扑，则查询该通信模块中保存的频偏值映射表获取对应变更后网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在变更后网络的初始频偏值进行频偏校准。
12.一种多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统，包括多个中央协调器、代理协调器和多个通信模块，其特征在于，所述通信模块用于：
在多频段多网络共存组网过程中，在与多个网络相对应的不同频段上获取对应网络的中央协调器或代理协调器发送的信标帧；
根据在与多个网络相对应的不同频段上获取的信标帧计算该通信模块在各个网络的时钟频偏值；
根据该通信模块在各个网络的时钟频偏值生成对应各个网络的频偏值映射表，将通信模块对应各个网络的频偏值映射表保存到该通信模块的非易失性存储器中；
确定待加入的网络；
查询通信模块中保存的频偏值映射表获取对应待加入的网络的时钟频偏值，将该时钟频偏值作为该通信模块在该网络的初始频偏值进行频偏校准，使通信模块自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步；
所述通信模块为多模通信模块，所述多模通信模块包括多个通信单元和频偏估计单元，多个通信单元分别对应多种通信模式；
所述频偏估计单元用于：
根据获取的信标帧中的信标时间戳确定多模通信模块在各通信模式下的频偏瞬时值；
保存各通信模式下最新的频偏瞬时值形成频偏数据矩阵；
根据不同通信模式对频偏的敏感度确定各通信模式对应的频偏敏感度权重因子；
对频偏数据矩阵中的各通信模式下的频偏瞬时值赋予对应的频偏敏感度权重因子，根据该频偏数据矩阵计算多模通信模块的时钟频偏值。
13.根据权利要求12所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统，其特征在于，所述多模通信模块还包括控制单元和本地时钟。
14.根据权利要求12所述的多频段多网络共存场景的初始频偏校准系统，其特征在于，所述通信模块还用于在自身的时钟频率与待加入的网络的时钟频率同步之后，向待加入的网络的中央协调器发送入网请求；
所述中央协调器还用于对所述通信模块进行入网认证。
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