CN115915291A - 多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法，包括：无线汇聚节点对接收的任意数据包的类型进行检测，检测到为手持移动终端的预分配时隙请求后，无线接入节点周期性持续下发预分配时隙，手持移动终端在任意预分配时隙位置上传数据；检测到为高优先级数据包，在未被预分配占用的时隙位置优先转发给无线接入节点；检测到为低优先级数据包，在避让高优先级数据后再转发给无线接入节点。本发明还公开一种多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信系统。本发明采用预分配时隙降低手持移动终端数据传输延时，提高操作效率；采用传输优先级保证了告警、状态跳变等重要数据始终优先传递，避免在高并发时重要数据出现高延迟。

Description

多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法及系统。

背景技术

2020年国家电网采用以LoRa技术作为物理层，以《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》、《输变电设备物联网微功率无线网通信协议》等规范为基础，构建输变电物联网无线通信解决方案，支撑传感器终端全面接入、数据汇集及在线管理。

《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》基于时分复用技术，一台在网终端如需进行数据发送，需经过资源申请(上行)，资源分配(下行)，数据发送(上行)三个步骤，每一个步骤分别在不同通信帧内，即进行一次数据发送需经历3个数据通信帧长，如出现中继级联情况则相应通信时间成倍数增加，对移动终端等需人为参与的应用场景，用户体验较差。

多级无线拓扑时，接入节点的带宽小于大量汇聚节点带宽之和，在某一时间段传感器上传数据过多(局放、三合一传感器等传感器单次传递数据量大)时，接入节点的时隙资源被占满，接地线数据同大量传感器数据被存在汇聚节点的缓存队列内，将会造成额外的数据传输延时。

此外，现有无线通信方法只适用于传感器数据采集，控制终端不同于传感器，不仅需要上传数据，还需要命令下达及接收结果反馈，完成控制、校验等方面的操作任务，对应答的实时性要求高。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够降低手持终端及传感器告警数据的交互延时，提高效率的多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)无线汇聚节点接收到任意数据包时，对任意数据包的类型进行检测，检测到为手持移动终端的预分配时隙请求后，转发给无线接入节点，无线接入节点周期性持续下发预分配时隙，经由无线汇聚节点下发给手持移动终端，手持移动终端在任意预分配时隙位置上传数据；

(2)无线汇聚节点检测到任意数据包的类型为无线传感器、无线控制器的高优先级数据包，则在未被预分配占用的时隙位置优先转发给无线接入节点；

(3)无线汇聚节点检测到任意数据包的类型为无线传感器、无线控制器的低优先级数据包，则在避让高优先级数据后再转发给无线接入节点。

在步骤(1)中，所述预分配时隙具体包括：

(1a)预分配时隙的请求过程：手持移动终端经过上行随机竞争信道URCH向附近的可连接的无线汇聚节点请求发送数据的时隙资源；无线汇聚节点分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给请求手持移动终端；手持移动终端在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送预分配时隙请求；请求经无线汇聚节点转发至无线接入节点；无线接入节点做预分配时隙应答，应答经无线汇聚节点转发给手持移动终端；

(1b)预分配时隙的使用过程：无线接入节点周期性持续下发预分配时隙；当手持移动终端需要传递数据时，在最近的预分配时隙位置上传数据；

(1c)预分配时隙的注销过程：当无线接入节点收到手持移动终端向新的无线汇聚节点申请预分配时隙时，无线接入节点通知前一个无线汇聚节点注销预分配时隙，并将该时隙预分配给新的无线汇聚节点；设定预分配超时时间，当无线接入节点计时达到超时时间仍未收到手持移动终端的用户数据，则发起注销手持移动终端时隙，在超时时间内收到用户数据则重置计时。

所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2a)无线汇聚节点检测无线传感器或无线控制器发送的上行数据包，若为高优先级数据包则存入高优先级队列；数据包MAC层协议的PDU格式中定义的Priority字段，字段值为1则指高优先级，用于传递状态位跳变数据或告警数据；

(2b)无线汇聚节点始终优先为高优先级队列申请发送资源；

(2c)无线汇聚节点经过上行随机竞争信道URCH向无线接入节点请求发送数据时隙资源；无线接入节点分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给无线汇聚节点；无线汇聚节点在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送高优先级数据包；无线接入节点在收到无线汇聚节点的数据包后，向无线汇聚节点发送接收应答包；

(2d)无线汇聚节点将接收应答包发送给上传数据的无线传感器或无线控制器。

所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3a)无线汇聚节点检测无线传感器或无线控制器发送的上行数据包，若为低优先级数据包则存入低优先级队列；数据包MAC层协议的PDU格式中定义的Priority字段，字段值为0则指低优先级，用于传递状态位跳变数据或告警数据；

(3b)当高优先级队列为空时，无线汇聚节点为低优先级队列内数据包申请资源；

(3c)无线汇聚节点经过上行随机竞争信道URCH向无线接入节点请求发送数据时隙资源；无线接入节点分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给无线汇聚节点；无线汇聚节点在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送低优先级数据包；无线接入节点在收到无线汇聚节点的数据包后，向无线汇聚节点发送接收应答包；

(3d)无线汇聚节点将接收应答包发送给上传数据的无线传感器或无线控制器。

本发明的另一目的在于提供一种多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法的系统，包括：

无线接入节点，用于接收无线汇聚节点数据，通过有线网络接入平台层服务器，无线接入节点内置边缘代理模块，上行与平台层服务器进行数据交互，下行做消息应答和预分配时隙管理；

多个无线汇聚节点，用于接收无线传感器、手持移动终端、无线控制器的数据包，并按优先级将数据包转发到无线接入节点；

无线传感器，内部装配有无线通信模组的传感器，按周期将采集监测的数据上传到无线汇聚节点；

手持移动终端，用于经由无线汇聚节点、无线接入节点与平台层服务器进行数据交互；

无线控制器，内部装配有无线通信模组，用于接收无线汇聚节点转发的控制命令，进行所控制的开关的闭合与断开；监测并反馈开关状态；

无线传感器、手持移动终端、无线控制器均与无线汇聚节点之间进行无线通信数据交互，多个无线汇聚节点连接到无线接入节点完成数据转发；无线接入节点经过安全隔离网关与电网内网的平台层服务器通讯。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明采用预分配时隙降低手持移动终端数据传输延时，使用中提高操作效率；第二，本发明采用传输优先级保证了告警、状态跳变等重要数据始终优先传递，避免在高并发时重要数据出现高延迟。

附图说明

图1是既有数据上传时隙分配过程示意图；

图2是预分配时隙改进方案示意图；

图3是输变电物联网网络拓扑示意图。

具体实施方式

如图3所示，一种多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)无线汇聚节点4接收到任意数据包时，对任意数据包的类型进行检测，检测到为手持移动终端1的预分配时隙请求后，转发给无线接入节点5，无线接入节点5周期性持续下发预分配时隙，经由无线汇聚节点4下发给手持移动终端1，手持移动终端1在任意预分配时隙位置上传数据；

(2)无线汇聚节点4检测到任意数据包的类型为无线传感器2、无线控制器3的高优先级数据包，则在未被预分配占用的时隙位置优先转发给无线接入节点5；

(3)无线汇聚节点4检测到任意数据包的类型为无线传感器2、无线控制器3的低优先级数据包，则在避让高优先级数据后再转发给无线接入节点5。

在步骤(1)中，所述预分配时隙具体包括：

(1a)预分配时隙的请求过程：手持移动终端1经过上行随机竞争信道URCH向附近的可连接的无线汇聚节点4请求发送数据的时隙资源；无线汇聚节点4分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给请求手持移动终端1；手持移动终端1在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送预分配时隙请求；请求经无线汇聚节点4转发至无线接入节点5；无线接入节点5做预分配时隙应答，应答经无线汇聚节点4转发给手持移动终端1；

(1b)预分配时隙的使用过程：无线接入节点5周期性持续下发预分配时隙；当手持移动终端1需要传递数据时，在最近的预分配时隙位置上传数据；

(1c)预分配时隙的注销过程：当无线接入节点5收到手持移动终端1向新的无线汇聚节点4申请预分配时隙时，无线接入节点5通知前一个无线汇聚节点4注销预分配时隙，并将该时隙预分配给新的无线汇聚节点4；设定预分配超时时间，当无线接入节点5计时达到超时时间仍未收到手持移动终端1的用户数据，则发起注销手持移动终端1时隙，在超时时间内收到用户数据则重置计时。

所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2a)无线汇聚节点4检测无线传感器2或无线控制器3发送的上行数据包，若为高优先级数据包则存入高优先级队列；数据包MAC层协议的PDU格式中定义的Priority字段，字段值为1则指高优先级，用于传递状态位跳变数据或告警数据；

(2b)无线汇聚节点4始终优先为高优先级队列申请发送资源；

(2c)无线汇聚节点4经过上行随机竞争信道URCH向无线接入节点5请求发送数据时隙资源；无线接入节点5分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给无线汇聚节点4；无线汇聚节点4在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送高优先级数据包；无线接入节点5在收到无线汇聚节点4的数据包后，向无线汇聚节点4发送接收应答包；

(2d)无线汇聚节点4将接收应答包发送给上传数据的无线传感器2或无线控制器3。

所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3a)无线汇聚节点4检测无线传感器2或无线控制器3发送的上行数据包，若为低优先级数据包则存入低优先级队列；数据包MAC层协议的PDU格式中定义的Priority字段，字段值为0则指低优先级，用于传递状态位跳变数据或告警数据；

(3b)当高优先级队列为空时，无线汇聚节点4为低优先级队列内数据包申请资源；

(3c)无线汇聚节点4经过上行随机竞争信道URCH向无线接入节点5请求发送数据时隙资源；无线接入节点5分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给无线汇聚节点4；无线汇聚节点4在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送低优先级数据包；无线接入节点5在收到无线汇聚节点4的数据包后，向无线汇聚节点4发送接收应答包；

(3d)无线汇聚节点4将接收应答包发送给上传数据的无线传感器2或无线控制器3。

如图3所示，本系统包括：

无线接入节点5，用于接收无线汇聚节点4数据，通过有线网络接入平台层服务器7，无线接入节点5内置边缘代理模块，上行与平台层服务器7进行数据交互，下行做消息应答和预分配时隙管理；

多个无线汇聚节点4，用于接收无线传感器2、手持移动终端1、无线控制器3的数据包，并按优先级将数据包转发到无线接入节点5；

无线传感器2，内部装配有无线通信模组的传感器，按周期将采集监测的数据上传到无线汇聚节点4；

手持移动终端1，用于经由无线汇聚节点4、无线接入节点5与平台层服务器7进行数据交互；

无线控制器3，内部装配有无线通信模组，用于接收无线汇聚节点4转发的控制命令，进行所控制的开关的闭合与断开；监测并反馈开关状态；

无线传感器2、手持移动终端1、无线控制器3均与无线汇聚节点4之间进行无线通信数据交互，多个无线汇聚节点4连接到无线接入节点5完成数据转发；无线接入节点5经过安全隔离网关6与电网内网的平台层服务器7通讯。

以下结合图1至3对本发明作进一步的说明。

无线汇聚节点4与无线接入节点5在接收转发数据时，根据数据的实时性分为三种优先级：预分配时隙、优先响应转发、普通发送。不同优先级采用不同的方法调度及传递数据。

(1)预分配时隙方案

无线传感器2只需周期性、间歇式上传数据，实时性要求不高，相对固定的传输延时并不影响实际使用，但该方案对手持移动终端1在现场的应用不够友好，低效率的数据交互和波动范围很大的通信延时将严重影响操作人员工作效率。图1是一个正常的时隙分配的过程。无线传感器2经过上行随机竞争信道(URCH)向无线汇聚节点4请求发送数据时隙资源；无线汇聚节点4分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道(DCCH)反馈给请求无线传感器2；无线传感器2在被分配的上行共享信道(USCH)时隙处发送数据。3次交互分别在不同通信帧内，即进行一次数据上传至少需经历3个通信帧长，如出现中继级联情况则通信时间相应会倍数增加。

为解决这一问题，需有效减少每一次数据发送所需步骤，做到需发即发。为此，可以采用预分配时隙的方法。对于实时性要求高的手持移动终端1，从无线汇聚节点4与无线接入节点5上实现相应终端无需发送时隙资源请求，始终下发时隙资源，消除延时占比最长的资源分配时间。

对于实时性要求高的手持移动终端1，基于原有规范的时分多址方案提出预分配固定时隙的方法，手持移动终端1向无线汇聚节点4一次申请后，申请被转发至无线接入节点5，直至注销前无线汇聚节点4及无线接入节点5始终下发时隙资源，消除每一次数据发送所需的重复申请与下发延时，缩短数据发送时间。

为了与已有规范兼容，申请预分配时隙的请求与反馈定义在上行与下行共享信道，新增一种用户指令，作为用户指令而不是调度请求发送。创建预分配时隙的过程如图2所示，手持移动终端1需要一次竞争时隙上传一条申请预分配的用户指令并等待无线汇聚节点4反馈，无线汇聚节点4收到指令后会在每个周期持续下发分配时隙，所有的其他用户数据均可在分配的时隙发送。手持移动终端1申请预分配时隙在向无线汇聚节点4注册入网后完成，申请的时隙资源在手持移动终端1离线、被注销或达到设定的租约时间周期之前时隙资源一直有效。手持移动终端1需要注销时隙时，直接在下发的时隙资源处发送注销指令，接收到反馈后时隙注销成功。

采用该方案理论上可使单级延时最小，且兼容对实时性不敏感的既有无线传感器2的随机竞争请求模式。但移动作业中，手持移动终端1依次会在经过的N个无线汇聚节点4各申请一个预分配时隙时，无线接入节点5下行通道便会有N个预分配时隙被申请，严重占用接入节点的时域资源。在实际应用中，为减少接入节点在预分配时隙的资源消耗，需及时注销不再使用的时隙，或者设定单次租约时间以防发呆的设备长期无意义地占用有限的信道时频资源。因此，无线接入节点5也需有发起注销时隙的功能：通过下行共享信道发送注销指令，在上行共享信道收到反馈信息后，停止预分配时隙的下发。由此可设计两种注销策略，具体注销策略设计作为无线接入节点5的可选参数，在启动时根据需要调配。

1)无线汇聚节点4变更时注销：当无线接入节点5收到手持移动终端1向新无线汇聚节点4申请预分配时隙时，无线接入节点5可通知前一个无线汇聚节点4注销预分配时隙，并将该时隙预分配给新的无线汇聚节点4。

2)超时时间注销：设定预分配超时时间，当无线接入节点5计时达到超时时间仍未收到手持移动终端1的用户数据则发起注销终端时隙，在超时时间内收到用户数据则重置计时。

(2)优先响应转发

《组网协议》的树状网络拓扑导致网络的最大上行吞吐受限于无线接入节点5的下行通道，无论网络上存在多少个无线汇聚节点4，最终数据需要转发到无线接入节点5，这就导致无线汇聚节点4在转发数据时，如果无线网络上转发的数据量较大，就会导致数据在网络中拥堵。大量数据缓存在无线汇聚节点4，等待网络空闲时才可向无线接入节点5推送，以至于部分数据的延迟变大。

数据转发优先级是为了让一些无线传感器2数据在网络即使比较拥挤时也可以及时转发出去，无线汇聚节点4在转发数据时，优先转发高优先级无线传感器2的数据，当高优先级数据发送结束再转发低优先级的数据。

MAC层上行数据包PDU格式中定义Priority字段指定传输优先级。1为高优先级，用于传递状态位跳变数据或告警数据；0为低优先级，用于传递日常传感器监测数据。无线汇聚节点4优先转发该位为1的数据包，当组包分片重组后，应保留该标识，转发数据时，也需要传递该标识。

手持移动终端1使用时采用预分配时隙方法；无线传感器2的告警数据、状态跳变为高优先级，普通监测数据为低优先级；无线控制器3采用高优先级。

在无线汇聚节点4实现中构建两个先入先出队列，分别为高优先级队列，低优先级队列。接收到的无线传感器2数据根据优先级存入对应队列。在上传数据时，优先为高优先级队列里数据申请时隙资源。

无线汇聚节点4与无线接入节点5在接收转发数据时，根据数据的实时性分为三种优先级：预分配时隙、优先响应转发、普通发送。不同优先级采用不同的方法传递数据。

无线网络信道资源向移动终端倾斜，提高优先级，申请后在租约时间内预留固定时频资源，手持移动终端1使用前通过向无线接入节点5申请预分配固定时隙的方法，解决竞争时隙导致的数据收发延时高的问题。

多级无线汇聚节点4转发时，无线传感器2告警数据或者开关状态跳变采用高优先级发送，周期性监测数据采用低优先级发送。

综上所述，本发明采用预分配时隙降低手持移动终端1数据传输延时，使用中提高操作效率；本发明采用传输优先级保证了告警、状态跳变等重要数据始终优先传递，避免在高并发时重要数据出现高延迟。

Claims (5)

1.一种多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

(1)无线汇聚节点接收到任意数据包时，对任意数据包的类型进行检测，检测到为手持移动终端的预分配时隙请求后，转发给无线接入节点，无线接入节点周期性持续下发预分配时隙，经由无线汇聚节点下发给手持移动终端，手持移动终端在任意预分配时隙位置上传数据；

(2)无线汇聚节点检测到任意数据包的类型为无线传感器、无线控制器的高优先级数据包，则在未被预分配占用的时隙位置优先转发给无线接入节点；

(3)无线汇聚节点检测到任意数据包的类型为无线传感器、无线控制器的低优先级数据包，则在避让高优先级数据后再转发给无线接入节点。

2.根据权利要求1所述的多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述预分配时隙具体包括：

(1a)预分配时隙的请求过程：手持移动终端经过上行随机竞争信道URCH向附近的可连接的无线汇聚节点请求发送数据的时隙资源；无线汇聚节点分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给请求手持移动终端；手持移动终端在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送预分配时隙请求；请求经无线汇聚节点转发至无线接入节点；无线接入节点做预分配时隙应答，应答经无线汇聚节点转发给手持移动终端；

(1b)预分配时隙的使用过程：无线接入节点周期性持续下发预分配时隙；当手持移动终端需要传递数据时，在最近的预分配时隙位置上传数据；

(1c)预分配时隙的注销过程：当无线接入节点收到手持移动终端向新的无线汇聚节点申请预分配时隙时，无线接入节点通知前一个无线汇聚节点注销预分配时隙，并将该时隙预分配给新的无线汇聚节点；设定预分配超时时间，当无线接入节点计时达到超时时间仍未收到手持移动终端的用户数据，则发起注销手持移动终端时隙，在超时时间内收到用户数据则重置计时。

3.根据权利要求1所述的多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2a)无线汇聚节点检测无线传感器或无线控制器发送的上行数据包，若为高优先级数据包则存入高优先级队列；数据包MAC层协议的PDU格式中定义的Priority字段，字段值为1则指高优先级，用于传递状态位跳变数据或告警数据；

(2b)无线汇聚节点始终优先为高优先级队列申请发送资源；

(2c)无线汇聚节点经过上行随机竞争信道URCH向无线接入节点请求发送数据时隙资源；无线接入节点分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给无线汇聚节点；无线汇聚节点在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送高优先级数据包；无线接入节点在收到无线汇聚节点的数据包后，向无线汇聚节点发送接收应答包；

(2d)无线汇聚节点将接收应答包发送给上传数据的无线传感器或无线控制器。

4.根据权利要求1所述的多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3a)无线汇聚节点检测无线传感器或无线控制器发送的上行数据包，若为低优先级数据包则存入低优先级队列；数据包MAC层协议的PDU格式中定义的Priority字段，字段值为0则指低优先级，用于传递状态位跳变数据或告警数据；

(3b)当高优先级队列为空时，无线汇聚节点为低优先级队列内数据包申请资源；

(3c)无线汇聚节点经过上行随机竞争信道URCH向无线接入节点请求发送数据时隙资源；无线接入节点分配最近可用的上行共享信道的时隙资源，经由下行控制信道DCCH反馈给无线汇聚节点；无线汇聚节点在被分配的上行共享信道USCH时隙处发送低优先级数据包；无线接入节点在收到无线汇聚节点的数据包后，向无线汇聚节点发送接收应答包；

(3d)无线汇聚节点将接收应答包发送给上传数据的无线传感器或无线控制器。

5.实施权利要求1至4中任一项所述的多优先级的输变电设备物联网节点设备无线通信方法的系统，其特征在于：包括：

无线接入节点，用于接收无线汇聚节点数据，通过有线网络接入平台层服务器，无线接入节点内置边缘代理模块，上行与平台层服务器进行数据交互，下行做消息应答和预分配时隙管理；

多个无线汇聚节点，用于接收无线传感器、手持移动终端、无线控制器的数据包，并按优先级将数据包转发到无线接入节点；

无线传感器，内部装配有无线通信模组的传感器，按周期将采集监测的数据上传到无线汇聚节点；

手持移动终端，用于经由无线汇聚节点、无线接入节点与平台层服务器进行数据交互；

无线控制器，内部装配有无线通信模组，用于接收无线汇聚节点转发的控制命令，进行所控制的开关的闭合与断开；监测并反馈开关状态；

无线传感器、手持移动终端、无线控制器均与无线汇聚节点之间进行无线通信数据交互，多个无线汇聚节点连接到无线接入节点完成数据转发；无线接入节点经过安全隔离网关与电网内网的平台层服务器通讯。

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