CN115941586A - 利用csma选择最优通信路径的双模通信方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于通信技术领域，本申请提供一种利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，包括：采用载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）协议，在数据传输时进行介质访问控制；当侦听的信道持续繁忙，表示该信道传输队列持续拥塞，信道质量差，信道的链路可用性不佳，则使用备用路径进行数据帧的发送，无需等待信道空闲，提高数据传输效率。
Description
技术领域
本申请涉及用电信息采集系统双模通信技术领域，尤其涉及一种利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法。
背景技术
双模通信系统中采用电力线高速载波（简称HPLC）和基于OFDM的高速无线（简称HRF）通信技术进行数据传输的通信模块或通信设备。中央协调器（Central Coordinator，CCO）是通信网络中的主节点角色，负责完成组网控制、网络维护管理等功能，其对应的设备实体为集中器本地通信单元；站点（Station）是通信网络中的从节点角色，其对应的设备实体为通信单元，包括电能表通信单元、I型采集器通信单元或II型采集器；代理协调器(Proxy Coordinator，PCO) 是中央协调器与站点或者站点与站点之间进行数据中继转发的站点。如图1所示为典型的双模通信网络的拓扑，图1中实线为高速载波路径，虚线为高速无线通信路径。
通信成功率涉及网络中的各通信单元，是整个通信过程中一个重要的参数指标。点与点之间的通信成功率会随环境因素、网络拓扑结构、队列拥塞程度等变化，网络中的设备需要及时判断链路的通信质量，并选择一条最优路径进行报文传输，确保整个网络中的通信质量，提升双模通信系统整体性能。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，通过CSMA侦听信道繁忙情况，选择最优路径进行数据传输，提高系统数据传输质量。
一种利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，包括：
在用电信息采集双模通信系统中，采用载波侦听多路访问（Carrier SenseMultiple Access，CSMA）协议，在数据传输时进行介质访问控制；
通信网络中任意连接到传输介质的节点在发送帧前，必须对介质进行侦听，当确认其空闲时，才可以发送数据帧；通信网络中的多个节点可以同时访问介质，一个节点发送的帧也可以被其他多个节点进行接收；
当侦听的信道持续繁忙，表示该信道传输队列拥塞，信道质量差，信道的链路可用性不佳，则使用备用路径进行数据帧的发送，无需等待信道空闲，提高数据传输效率。
上述利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法中，通过CSMA侦听信道繁忙情况，判断信道链路可用性，当信道质量不佳时，及时换选备用路径进行数据传输，提升系统性能，具体的是：各站点在进行数据帧传输前，使用CSMA协议，进行信道侦听，当信道繁忙时，不进行数据发送并继续侦听；当侦听一段时间，在发现信道持续繁忙的情况下，判定该信道质量不佳，根据网络中各站点通信成功率，选取最优备用路径进行传输，无需继续等待繁忙信道空闲，从而提升数据传输效率。
附图说明
图1为双模通信系统的网络拓扑结构图示例。
图2为信标周期的时隙划分示意图。
图3为3相CSMA时隙示意图。
图4为载波绑定CSMA时隙示意图。
图5为CSMA主要工作流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请通过CSMA侦听网络信道状态，判别信道拥塞程度，根据信道质量，灵活选取切换数据传输路径，从而提升数据传输效率，提升双模通信的系统性能。具体的，本申请提供的一种利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，包括以下步骤：
在用电信息采集双模通信系统中，采用载波侦听多路访问（Carrier SenseMultiple Access，CSMA）协议，在数据传输时进行介质访问控制；其中，所述双模通信系统包括电力线高速载波和基于OFDM的高速无线通信技术。
通信网络中任意连接到传输介质的节点在发送帧前，必须对介质进行侦听，当确认其空闲时，才可以发送数据帧；通信网络中的多个节点可以同时访问介质，一个节点发送的帧也可以被其他多个节点进行接收；其中，所述通信网络中的节点包括中央协调器CCO、代理协调器PCO和STA站点，节点之间由电力线载波或无线的方式进行通信。
当侦听的信道持续繁忙，表示该信道传输队列持续拥塞，信道质量差，信道的链路可用性不佳，则使用创建的备用路径进行数据帧的发送，无需等待信道空闲，提高数据传输效率。其中，所述备用路径包括但不限于最短路径、父节点路径、其他路径；在本实施方式中，在选取备用路径时，根据计算所得的通信成功率，选取最佳路径，所述通信成功率表示该站点与前一跳站点之间的上下行通信成功率，PCO可通过统计接收子站点的发现列表报文，计算子站点到自己的上行通信成功率；PCO可以通过解析子站点的发现列表报文，获知对于自身发送的发现列表报文，子站点统计的接收成功率，即为下行通信成功率；PCO需要将与子站点之间的上行通信成功率和下行通信成功率，全部汇总，形成通信成功率上报报文，发送给CCO；站点计算与其他站点的通信成功率或者上下行通信成功率时，可以由上行通信成功率乘以下行通信成功率计算得到。
为了便于理解，本申请对上述利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法做进一步描述：
步骤S1，用电信息采集系统各节点进行组网，形成树状网络拓扑，如图1所示，实线为高速载波路径，虚线为高速无线通信路径，其中，中央协调器CCO为通信网络中的主节点，负责完成组网控制、网络维护管理等功能，其对应的设备实体为集中器本地通信单元；站点STA是通信网络中的从节点，其对应的设备实体为通信单元，包括电能表通信单元、I型采集器通信单元或II型采集器；代理协调器PCO 是中央协调器与站点或者站点与站点之间进行数据中继转发的站点。
步骤S2，高速载波和无线通信使用基于信标帧的信道访问机制，信标周期内信道访问机制之间的关系，如下所述：
CCO周期性地发送信标帧，信标帧中包含了CCO分配的信标周期内的信标时隙、TDMA时隙、CSMA时隙、绑定CSMA时隙等时隙的规划信息。高速载波和无线双模通信网络中的子节点，必须遵循CCO分配的时隙，进行信道访问。
一般的，信标时隙和TDMA时隙等明确分配给CCO或具体STA使用的时隙，统称为非竞争时隙（TDMA时隙）；CSMA时隙和绑定CSMA时隙等未指明使用者的时隙，需要由有需求的STA竞争使用的时隙，统称为竞争时隙（CSMA时隙）。
在多个高速载波和无线双模通信网络并存并且相互干扰的时候，CCO之间需要进行时隙协调。
CCO在进行载波信道访问时，需要考虑电力线的相线因素。不同电力线相线上的STA，与CCO进行通信时，也需要考虑电力线相线的因素。可根据自身所在的相线，选择与之对应的时隙与CCO进行通信。CCO与STA通过无线信道通信时，可以不考虑STA自身所在的电力线相线。
CCO在时隙规划时，根据业务需要，可以分配绑定CSMA时隙，由某种业务单独占有该时隙，凡是涉及该业务的STA，可以在该绑定CSMA时隙中，竞争发送该业务的报文。本申请中的信标周期的时隙划分如图2所示。
步骤S3，在组网过程中，依据点对点报文传输与接收的成功率，各站点存有与其他站点之间的通信成功率，生成候选最优路径列表，包括但不限于：
（1）最短路径：源站点到目的站点所需最小跳数的路径；
（2）父节点路径：复用源站点的代理站点（PCO）到目的站点的主路径；
（3）其他路径：基于网络实际通信成功率，站点选取的其他路径。
步骤S3，载波通信率通过统计接收载波发现列表报文和载波信标帧的个数计算载波的通信率。节点为每一个邻居节点建立一个邻居节点信息表项，邻居节点载波信息如下所示：
CurrDownRcvCnt表示当前路由周期下行接收发现列表和信标帧个数；
LastDownRcvCnt表示上一个路由周期下行接收发现列表和信标帧个数；
LastDownSndCnt表示上一个路由周期下行发送发现列表和信标帧个数；
LastUpRcvCnt表示上个路由周期上行接收发现列表和信标帧个数；
每一个节点维护当前路由周期窗口发送发现列表和信标帧个数CurrUpSndCnt和上一个路由窗口发送发现列表和信标帧个数LastUpSndCnt。
邻居节点下行通信率= LastDownRcvCnt / LastDownSndCnt。
邻居节点上行通信率= LastUpRcvCnt / LastUpSndCnt。
步骤S4，载波上STA分布于不同的相线，因此需要将CSMA时隙分为3个相线，3相CSMA时隙如图3所示，
为了降低多相线的通信时延，需要对CSMA时隙进一步进行分片。CSMA时隙在分割时，需要进行均衡分割。在信标时隙中通知的CSMA时隙，只指明了归属于某个相线的总的时隙长度。每个相线的时隙总长度之和，构成了整个CSMA时隙的长度。整个CSMA时隙，需要按照相线的个数，进行均衡分割。
均衡分割是指将每个相线的时隙，按照“CSMA时隙大小”的门限进行分割，将分割后的每个相线的时隙，按照一定的算法进行排列，使得最终的每个相线的时间片，在整个CSMA时隙中的分布，达到相对的均衡。
如果一个相线的CSMA时隙长度超过“CSMA时隙大小”的门限，则必须以“CSMA时隙大小”为单位进行分片。
如“CSMA时隙大小”的值为10，三个相线的时隙长度分别为0，8，12，则三个相线的时隙分别可分为0，1，1片。
具体分割算法如下：
假设N个相线可分为N1，N2，N3片，N1 <= N2 <= N3，则一共存在M片= N1 + N2 +N3。任意两相或三相分片相同，时隙排列按照相位顺序排列；
先分配第一个相线的时隙片，位置如下0，M/N1，2M/N1，...，(N1 -1)M/N1；
第二个相线时隙片位置如下，1，1 + M/N2，...，1 + (N2 -1)M/N2，若对应位置已经存放时隙片，则往后寻找一个空位；
最后一个相线时隙片，存放后剩余的空位中。
对于分配后的时隙，进行判断，如果相邻时隙的相线相同，则合并为一个时隙。
特别的，无线上由于没有相线的区分，因此在无线上只有一块CSMA时隙，不再根据相线对CSMA时隙进行分片。
步骤S5，载波绑定CSMA时隙如图4所示，绑定CSMA分割时，分割算法和CSMA时隙一致，即如果存在多个时隙，每个时隙指明了所属的相线，则最终的时隙计算，需要按照CSMA时隙的均衡分割算法进行计算。每个时隙的长度，由“绑定CSMA时隙信息”字段中的“绑定CSMA时隙长度”确定，该时隙所属的相线，由“相线”确定。特别的，无线上不需要对CSMA时隙分割。
其中，所有绑定CSMA时隙，只能指定给同一种业务使用，指定的业务由“绑定CSMA时隙链路标识符”确定。
步骤S6，在整个通信体统中，涵盖数据转发 、路由查询、路由设置、并发抄表等功能。数据传输贯穿系统通信的始终，因此引入CSMA协议，用于侦听信道拥塞状况。如图5所示，CSMA主要工作流程如下：
（1）当节点需要发送一个数据帧时，首先检测信道，在持续检测到信道空闲达一个DIFS之后，源节点发送数据帧。目的节点正确接收到该数据帧，等待一个SIFS后马上发出对该数据帧的确认。若源节点在规定时间内没有收到确认帧ACK，就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次重传失败后放弃发送。
（2）当一个站点检测到正在信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV。NAV指出了必须经过多少时间才能完成这次传输，才能使信道转入空闲状态。因此，信道处于忙态通过以下方式确定：由物理层的载波侦听检测到信道忙，或者是由于MAC层的虚拟载波监听机制指出了信道忙。
步骤S7，CSMA时隙（包括绑定CSMA）中，站点必须通过信道竞争，冲突避免后，才能占用信道，进行报文发送。
在CSMA时隙中发送的报文，必须保证能够在相应的CSMA时隙中传送完成，不能跨越时隙。尤其保证不能跨越到信标时隙和TDMA时隙等非竞争时隙中。
在CSMA时隙中进行信道竞争时，需要进行基本的冲突判断和避免，并且通过VCS机制对信道状态进一步预判。
步骤S8，当源节点通过CSMA侦听到信道持续繁忙，判定当前信道链路可用性较差，信道质量不佳，放弃继续等待，选取备用路径进行数据传输。
步骤S9，在候选路径中，以路径所涉站点的通信成功率作为参考指标，计算对应路径的优选指数，选取最高分数路径作为数据传输信道。
步骤S10，当更换通信路径后，重复上述步骤S6至步骤S9；当所选路径信道空闲时，传输数据。
以上所揭露的仅为本申请较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本申请权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
在用电信息采集双模通信系统中，采用CSMA在数据传输时进行介质访问控制；
通信网络中任意连接到传输介质的节点在发送帧前，必须对介质进行侦听，当确认其空闲时，才可以发送数据帧；通信网络中的多个节点可以同时访问介质，一个节点发送的帧也可以被其他多个节点进行接收；
当侦听的信道持续繁忙，表示该信道传输队列持续拥塞，信道质量差，信道的链路可用性不佳，则使用创建的备用路径进行数据帧的发送，无需等待信道空闲，提高数据传输效率。
2.如权力要求1所述的利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，其特征在于：所述双模通信系统包括电力线高速载波和基于OFDM的高速无线通信技术；
所述通信网络中的节点包括中央协调器CCO、代理协调器PCO和STA站点，节点之间由电力线载波或无线的方式进行通信。
3.如权利要求1所述的利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，其特征在于：所述备用路径包括但不限于最短路径、父节点路径、其他路径；
在选取备用路径时，根据计算所得的通信成功率，选取最佳路径。
4.如权利要求3所述的利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，其特征在于，创建所述数据待发节点的备用路径，包括：
最短路径：源站点到目的站点所需最小跳数的路径；
父节点路径：源站点的上一级代理站点PCO到目的站点的主路径；
其他路径：基于网络实际通信成功率，站点选取的其他路径。
5.如权利要求4所述的利用CSMA选择最优通信路径的双模通信方法，其特征在于，所述通信成功率表示该站点与前一跳站点之间的上下行通信成功率，PCO可通过统计接收子站点的发现列表报文，计算子站点到自己的上行通信成功率；PCO可以通过解析子站点的发现列表报文，获知对于自身发送的发现列表报文，子站点统计的接收成功率，即为下行通信成功率；
PCO需要将与子站点之间的上行通信成功率和下行通信成功率，全部汇总，形成通信成功率上报报文，发送给CCO；
站点计算与其他站点的通信成功率或者上下行通信成功率时，可以由上行通信成功率乘以下行通信成功率计算得到。
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