CN116405062A - 一种hplc双模系统信标周期调整方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种HPLC双模系统信标周期调整方法:在一个信标周期中只为部分节点分配时隙，在后续的信标周期中继续为没有分配时隙的节点分配时隙，直到所有节点都分配到时隙为止。考虑到一个节点分配到时隙，必须其祖先节点在同一个信标帧中先分配到时隙，信标周期调整的原则为：选择以CCO的子树为单位分配时隙周期，一个子树上的所有节点都必须分配到一个信标帧的时隙周期中。可避免将信标帧分包过长导致部分报文发送失败进而整个信标帧失效的问题，提高系统的可靠性；另一方面短的信标帧会减少业务传输的时延；一个信标周期内只有部分节点获得CSMA时隙窗口，避免大量节点竞争CSMA时隙而产生的冲突。本发明还提供了相应的HPLC双模系统信标周期调整装置。

Description

一种HPLC双模系统信标周期调整方法和装置
技术领域
本发明属于电力线载波通信技术领域，更具体地，涉及一种HPLC双模系统信标周期调整方法和装置。
背景技术
宽带电力线载波通信（High Power Line Carrier，HPLC）是低压电力线上进行数据传输的宽带电力线载波技术。以电力线作为通信媒介，实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络。相较于传统低速窄带电力线载波技术，HPLC带宽大、传输速率高，满足低压电力线载波通信更高的需求。
高速无线通信（High Radio Frequency，HRF）技术是一种功耗低，组网灵活的无线通信方式。在单模HPLC技术上引入RF，有利于避开电力环境中的干扰和噪声，有效解决单模HPLC存在的缺陷，提高通信传输的可靠性。基于有线HPLC和高速无线HRF的双模HPLC，充分发挥两种通信方式的优势，同时弥补各自不足，具有低功耗、低成本等优点，为电力物联网传输提供灵活、高速、稳定可靠的双通道通信网络。
对于用电信息采集通信系统，各个通信节点组成一个通信网络。其中中央协调器(Central Coordinator，CCO)充当通信网络的主节点，负责完成组网控制、网络维护管理等功能，是集中器上的通信单元。而网络中的其余节点充当网络中的从节点，是电能表或采集器上的通信单元，其中部分设备充当CCO与其它站点（Station，STA）之间的代理协调器（Proxy Coordinator，PCO）。网络中的所有通信单元组成双模HPLC通信网络的拓扑结构为：以CCO为根，以PCO为中继代理，连接所有STA站点形成的多级关联的树形结构。
双模HPLC通信网络使用基于信标帧的信道访问机制，CCO周期性地发送信标帧，信标帧中包含CCO分配的信标周期内的信标时隙，TDMA时隙及CSMA时隙。网络中的所有通信节点，必须遵循CCO分配的时隙进行信道访问。
双模HPLC通信网络中，有三种信标帧：中央信标，代理信标和发现信标。信标帧必须在信标时隙中进行发送。信标时隙由CCO进行分配，分配时需要指明具体STA可以使用的对应时隙。其中，中央信标和代理信标在每个信标周期内都必须发送。中央信标包含CCO时隙分配结果，决定网络中站点访问网络的方式和时隙。代理信标主要是对中央信标的中继，发现信标主要用于发现周围隐藏的未入网节点；双模HPLC通信网络中信标帧结构如图1，在图1中，A、B、C分别标识电力线的A、B、C相，TEI2~TEI5分别是节点标识。在电力线载波和无线通道上都会发送中央信标、代理信标和发现信标。信标时隙用于发送信标帧，时分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA）时隙用于指定节点发送业务报文，载波侦听多址接入（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）时隙用于节点间竞争传输业务。图1中对于中央信标需要在ABC三相线上分别发送中央信标，因此需要分割3个CCO的中央信标时隙。
HPLC信标与高速无线信标共用同一套信标机制和数据结构，使得载波的中央信标和代理信标可以转换为无线的标准信标帧和精简信标帧，而无线的标准信标帧可以转换为代理信标帧和发现信标帧；
在双模HPLC通信网络中，由于HRF链路速率较HPLC链路速率低，相同长度报文在HRF链路上占用的时隙比在HPLC链路上长；因此标准信标帧在HRF信道上要占用多个节点的HPLC信标时隙；长的信标时隙会占用系统过多带宽而导致业务带宽的减少和网络转发时延增大，因此对于无线信标尽可能发送精简信标帧。
标准中使用的无线信标帧优先复用载波信标时隙的方法，即一个节点在高速载波上发送信标，另一个节点在无线上发送信标；
图1反映在一个信标周期内，规定节点发送信标帧的类型及时序。国网规范规定信标时隙分配规则按照网络层级，底层的代理节点（PCO）先发送代理信标帧，最后安排外面的叶子节点（STA）发送发现信标帧和无线精简信标帧。所以图1上时隙分布，其实就是按照TDMA的方式安排节点有序地发送信标帧。
发明内容
要解决的技术问题：随着国网数字化的持续推进，网络中的节点数持续增加。在这种情况下，如果通过增大信标周期将所有需要发送信标的节点放入一个周期中，会出现问题：一方面，如果在一个信标周期中分配所有节点时隙，可能导致节点时隙无法编排的问题，而且，另一方面长报文需要在物理层分包传输，容易受到突发干扰而降低通信的可靠性；另一方面，在一个信标帧中的节点数增多的情况下，信标时隙占用时间长，导致CSMA时隙开始的时间晚，势必导致CSMA时隙的减少，增加传输业务产生冲突的风险，进而影响到数据传输的传输时延。总体而言，节点数量增加，如果不调整信标周期，网络的可靠性和传输时延将难以保证，对数字化推进特别是深化应用的发展质量将造成较大影响。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种HPLC双模系统信标周期调整方法，在一个信标周期中只为部分节点分配时隙，在后续的信标周期中继续为没有分配时隙的节点分配时隙，直到所有节点都分配到时隙为止，考虑到一个节点分配到时隙，必须其祖先节点在同一个信标帧中先分配到时隙。
本发明的一个实施例中，信标周期调整的原则为：选择以CCO的子树为单位分配时隙周期，一个子树上的所有节点都必须分配到一个信标帧的时隙周期中。
本发明的一个实施例中，所述方法包括：
（1）确定信标周期长度T_Beacon，其包含的信标时隙数阈值为T_threshold，单位都是时隙个数；
（2）对信标周期P（i）进行时隙分配，对于首个信标周期i=1；为信标周期P（i）选择CCO子树，并确认被选择子树节点的信标时隙；
（3）确定该信标帧的CSMA时隙长度，形成信标帧并发送；
（4）启动下一个信标周期P（i+1）的时隙分配，并转步骤（2），直到所有子树分配完成。
本发明的一个实施例中，所述步骤（2）中子树选择方法如下：
从CCO的直连代理节点中找出尚未被选择的子节点数最多的子树SubTree1，在该子树上按照层级编排时隙，得到时隙数SubT1；
如果SubT1超过预定的阈值T_threshold，则该信标帧中只能分配一个子树，不需要选择其它的子树。
本发明的一个实施例中，如果SubT1在预定的阈值T_threshold内，就选择下一个子节点数最多的节点树SubTree2按层级分配时隙，此时的分配规则按照两个子树从上到下的层级进行分配；如果得到的总时隙数SubT（i）=∑SubTj超过规定的阈值T_threshold，表明时隙分配失败，则选择CCO的下一个子节点数最多的节点树SubTree3进行时隙分配；重复此过程直到规定的阈值编排不下任何子树为止，即（SubT（i）=∑SubTj）<T_threshold，j为已选子树编号。
本发明的一个实施例中，在所述步骤（3）中CSMA时隙长度T_CSMA(i）= T_Beacon -SubT(i)。
本发明的一个实施例中，所述步骤（2）中，在选择子树时按照对子树从上到下层级编排非叶子节点，再编排叶子节点的规则。
本发明的一个实施例中，如果子树上的所有代理节点与其直连子节点之间都可以通过高速载波通信，则在无线信道上发送精简信标帧。
本发明的一个实施例中，如果子树上的代理节点只能通过无线与其直连子节点之间通信，则在安排时隙时尽量插入子树上只发送精简信标帧的节点，如果不能满足要求，则插入发送无线标准信标帧的时隙。
按照本发明的另一方面，还提供了一种HPLC双模系统信标周期调整装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成所述的HPLC双模系统信标周期调整方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
在网络节点数比较多而不能在一个周期内安排完成时，或信标周期太长时，通过一个信标帧中只分配部分节点，从而形成较短的信标周期；一方面可以避免将长的信标帧分包发送导致部分报文丢失而整个信标帧失效的问题，提高系统的可靠性；另一方面短的信标帧会减少业务传输的时延。而且一个信标周期内只有部分节点获得CSMA时隙窗口，避免大量节点竞争CSMA时隙而产生的冲突。
附图说明
图1是HPLC双模系统中信标帧结构图；
图2是本方案实施例中的HPLC双模系统信标周期调整方法流程图；
图3是本方案实施例通信节点拓扑树；图中实线表示HPLC通道，虚
线表示HRF通道；
图4是本方案实施例图3中的通信节点拓扑树的第一子树时隙分配图；
图5是本方案实施例通信节点拓扑树；图中实线表示HPLC通道，虚
线表示HRF通道；
图6是本方案实施例图5中的通信节点拓扑树的第一子树时隙分配图；
图7是本方案实施例图5中的通信节点拓扑树的第一子树和第二子树时隙分配图；
图8是本方案实施例图5中的通信节点拓扑树的第一子树和第三子树时隙分配图；
图9是本方案实施例形成的两个信标周期结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
解决该问题就是调整信标周期，即：在一个信标周期中只为部分节点分配时隙，在后续的信标周期中为没有分配时隙的节点分配时隙，直到所有节点都分配到时隙为止，考虑到一个节点分配到时隙，必须其祖先节点在同一个信标帧中先分配到时隙。信标周期调整的基本原则为：选择以CCO的子树为单位分配时隙周期，一个子树上的所有节点都必须分配到一个信标帧的时隙周期中。
本发明提供了一种HPLC双模系统信标周期调整方法，包括如下步骤：
（1）确定信标周期长度T_Beacon，其包含的信标时隙数阈值为T_threshold，单位都是时隙个数；
（2）对信标周期P（i）进行时隙分配，对于首个信标周期i=1；为信标周期P（i）选择CCO子树，并确认被选择子树节点的信标时隙；
具体地，子树选择方法如下：
从CCO的直连代理节点中找出尚未被选择的子节点数最多的子树SubTree1，在该子树上按照层级编排时隙，得到时隙数SubT1；
如果SubT1超过预定的阈值T_threshold，则该信标帧中只能分配一个子树，不需要选择其它的子树。
进一步地，如果SubT1在预定的阈值T_threshold内，就选择下一个子节点数最多的节点树SubTree2按层级分配时隙，此时的分配规则按照两个子树从上到下的层级进行分配；如果得到的总时隙数SubT（i）=∑SubTj超过规定的阈值T_threshold，表明时隙分配失败，则选择CCO的下一个子节点数最多的节点树SubTree3进行时隙分配；重复此过程直到规定的阈值编排不下任何子树为止，即（SubT（i）=∑SubTj）<T_threshold，j为已选子树编号。
进一步地，在选择子树时按照对子树从上到下层级编排非叶子节点，再编排叶子节点的规则。
（3）确定该信标帧的CSMA时隙长度，形成信标帧并发送；
（4）启动下一个信标周期P（i+1）的时隙分配，并转步骤（2），直到所有子树分配完成。
进一步地，如图2所示，为本发明实施例中一种HPLC双模系统信标周期调整方法的流程示意图，包括如下步骤：
S100 确定信标周期长度T_Beacon，其包含的信标时隙数阈值为T_threshold，单位都是时隙个数；
通常一个载波信标时隙长度T_Slot在20ms左右，如果信标周期里面编排100个节点，在2s后才能编排CSMA时隙，也就是在2s后才能发送业务数据。为减少业务延迟，合适的信标周期长度T_Beacon=200，信标时隙数的阈值建议为T_threshold = 100。
S101 对信标周期P（i）进行时隙分配，为信标周期P（i）选择CCO子树（对于首个信标周期i=1），并确认被选择子树节点的信标时隙，子树选择方法如下：
具体地，从CCO的直连代理节点中找出尚未被选择的子节点数最多的子树SubTree(j) ，在该子树上按照层级编排时隙，得到时隙数SubT(i)，并将该子树加入到子树列表A中；
S102 总时隙数SubT(i)是否超过T_threshold，如果是，则转S104；否则，转S103；
S103 将SubTree(j)加入到子树列表A中；
S104 是否存在未分配时隙的子树，如果没有可以选择的子树，则转S106；否则，转S105；
S105 从未分配时隙的子树中一个子树SubTree(j)，将SubTree(j)与子树列表A中的子树按照多个子树从上到下的层级进行分配，得到总时隙数SubT（i）；转S102。
S106 确定该信标帧的CSMA时隙长度：
CSMA时隙长度T_CSMA(i）= T_Beacon - SubT(i)；
S107 将选中的子树编排时隙，形成信标帧并发送。并将选择列表A重置为空。
S108 如果还有没有分配时隙的子树，则启动下一个信标周期P（i+1）的时隙分配，重复S101~S107，直到所有子树分配完成。
进一步地，本发明还提供了HPLC双模系统信标周期调整装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成所述的HPLC双模系统信标周期调整方法。
进一步地，以下结合附图3-9说明本发明技术方案，在本方案实施例中，为更方便阐述原理，假设T_Beacon=22，T_threshold=11；一个标准无线信标帧占用几个载波信标时隙与载波速率和无线速率比相关，通常载波速率可达到1Mbps，而无线信道的速率可以达到200Kbps，一个无线标准信标占用5~6个载波信标时隙。本实施例中为简化描述设定一个无线标准信标占用2个载波信标时隙。在示例图4中，载波信标行标识的是HPLC信道上的时隙分布，无线信标行标识的是HRF信道上的时隙分布。在所有的时隙分配图中，所有时隙分配图数字框X表示为节点TEX分配的时隙；载波信标行上数字框X表示为节点TEX在载波信道上分配的时隙；无线信标行上数字框X表示为节点TEX在无线信道上分配的时隙。所述方法具体包括：
（1）从CCO的直连代理节点中找出子节点数最多的节点，在该子树上按照层级编排时隙；具体编排规则如下：
（1.1）如果在信标帧中的第一个子树SubTree1的信标时隙数SubT(1)本身就超过阈值T_threshold，就不需要选择另外的子树，直接以该子树SubTree1作为信标帧发送。如在图3中选择子树TE1TE2TE5TE6TE7TE10TE11TE12TE14TE15，通常按照对子树从上到下层级编排非叶子节点TE1TE2TE5TE6TE7TE11TE12，再编排叶子节点TE10TE14TE15的规则。对该子树分配时隙如图4所示，该子树占用的时隙SubT(1)（=13）超过 T_threshold （=11），因此直接以图4分配的时隙形成信标帧发送；需要说明的是，在图4中SubT(1)除第一行的12个时隙外，还包括节点TE15的在CSMA时隙内分配的一个无线精简信标帧时隙，所以一共是13个时隙。
（1.2）如果信标时隙数SubT(1)在阈值T_threshold内，就选择下一个子节点数最多的节点树SubTree2，将SubTree1和SubTree2按层级先分配非叶子节点再分配叶子节点的规则分配时隙，如果不能够填在预定的信标周期内，表明时隙分配失败。如图5中先选择第一个子树SubTree1（TE1TE2TE5TE8TE10）得到时隙安排如图6，在图6中为节点TE5分配3个时隙，其中一个是在载波信道上的载波时隙，节点TE5通过无线与节点TE8相连，此时需要在无线信道上发送无线标准信标帧，根据前面的设定一个无线标准信标帧占用2个载波信标时隙（在该子树内，节点TE5是TE8的父节点，只有TE5发送完成后才能发送节点TE8和TE10；而TE5是通过无线与TE8相连，TE5需要发送无线标准信标帧，前面假定占2个载波信标，因此TE5在无线上占2个时隙，TE5在载波上要1个时隙，共3个时隙）。此时的时隙数SubT(1)(=10）在阈值T_threshold(=11)范围内，再选择下一个子树SubTree2（TE1TE3TE6TE9），与前面选择子树SubTree1一起按层级先分配非叶子节点再分配叶子节点的规则分配时隙，形成的时隙分配如图7。总时隙数是SubT(1)(=12）超过阈值T_threshold=11，因此不能选择子树SubTree2。选择下一个子节点树SubTree3（TE1TE4TE7），将SubTree3与SubTree1一起按层级先分配非叶子节点再分配叶子节点的规则分配时隙，时隙图如图8；总时隙数是SubT(1)（=11），小于等于阈值T_threshold（=11），因此两个子树可以放到一信标中编排；
（1.3）如果子树上的所有代理节点与其直连子节点之间都可以通过高速载波通信，则在无线信道上发送精简信标帧；图3中子树TE1TE2TE5TE6TE7TE10TE11TE12TE14TE15的时隙编排如图4。根据时隙分配规则，图3中节点TE6与节点TE11之间既有载波通道又有无线信道相连，因此在节点TE6的无线信道上只需要发送无线精简信标(占1个时隙）；
图4无线信标行上6标识框表示节点TE6在无线信道上的精简信标时隙。
（1.4）如果子树上的代理节点只能通过无线与其直连子节点之间通信，则在安排时隙时尽量插入子树上只发送精简信标帧的节点，如果不能满足要求，则插入发送无线标准信标帧的时隙；图5中的子树TE1TE2TE5TE8TE10子树的时隙安排如图6。由于节点TE5和TE8之间只有无线信道，而无线精简信标帧只包含CSMA信息而不包含其它节点的时隙信息，因此节点TE5在无线信道上只能发送无线标准信标帧而不能发送无线精简信标帧。此时TE5无线信道发送标准信标帧(占2个时隙）。图6中无线信标行上两个5标识框表示节点TE5在无线信道上的标准信标时隙。
（2）确定该信标帧的CSMA时隙；
T_CSMA(i）= T_Beacon - SubT(i) =22-11=11；
（3）根据信标时隙数及CSMA时隙长度，确定本轮待发送信标帧的信标周期；
（4）对于下一轮信标帧中的子树选择，从未分配时隙的子树中重新进行1-3的过程；
（5）所有子树分配完成后，信标周期调整过程结束。
图9示例描述最终的两个信标周期的时隙分配图。
本实施例中只体现将所有节点在2个信标周期内，根据网络拓扑中节点数以及预定的时隙阈值，可以分配的信标周期数最小是1个，最大是CCO节点的子树数。
进一步地，本发明还提供了一种HPLC双模系统信标周期调整装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成所述的HPLC双模系统信标周期调整方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，在一个信标周期中只为部分节点分配时隙，在后续的信标周期中继续为没有分配时隙的节点分配时隙，直到所有节点都分配到时隙为止，考虑到一个节点分配到时隙，必须其祖先节点在同一个信标帧中先分配到时隙。
2.如权利要求1所述的HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，信标周期调整的原则为：选择以CCO的子树为单位分配时隙周期，一个子树上的所有节点都必须分配到一个信标帧的时隙周期中。
3.如权利要求2所述的HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，所述方法包括：
（1）确定信标周期长度T_Beacon，其包含的信标时隙数阈值为T_threshold，单位都是时隙个数；
（2）对信标周期P（i）进行时隙分配，对于首个信标周期i=1；为信标周期P（i）选择CCO子树，并确认被选择子树节点的信标时隙；
（3）确定该信标帧的CSMA时隙长度，形成信标帧并发送；
（4）启动下一个信标周期P（i+1）的时隙分配，并转步骤（2），直到所有子树分配完成。
4.如权利要求3所述的HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，所述步骤（2）中子树选择方法如下：
从CCO的直连代理节点中找出尚未被选择的子节点数最多的子树SubTree1，在该子树上按照层级编排时隙，得到时隙数SubT1；
如果SubT1超过预定的阈值T_threshold，则该信标帧中只能分配一个子树，不需要选择其它的子树。
5.如权利要求4所述的HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，如果SubT1在预定的阈值T_threshold内，就选择下一个子节点数最多的节点树SubTree2按层级分配时隙，此时的分配规则按照两个子树从上到下的层级进行分配；如果得到的总时隙数SubT（i）=∑SubTj超过规定的阈值T_threshold，表明时隙分配失败，则选择CCO的下一个子节点数最多的节点树SubTree3进行时隙分配；重复此过程直到规定的阈值编排不下任何子树为止，即（SubT（i）=∑SubTj）<T_threshold，j为已选子树编号。
6.如权利要求5所述的HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，在所述步骤（3）中CSMA时隙长度T_CSMA(i）= T_Beacon - SubT(i)。
7.如权利要求2所述的HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，所述步骤（2）中，在选择子树时按照对子树从上到下层级编排非叶子节点，再编排叶子节点的规则。
8.如权利要求2所述的HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，如果子树上的所有代理节点与其直连子节点之间都可以通过高速载波通信，则在无线信道上发送精简信标帧。
9.如权利要求2所述的HPLC双模系统信标周期调整方法，其特征在于，如果子树上的代理节点只能通过无线与其直连子节点之间通信，则在安排时隙时尽量插入子树上只发送精简信标帧的节点，如果不能满足要求，则插入发送无线标准信标帧的时隙。
10.一种HPLC双模系统信标周期调整装置，其特征在于：
包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成权利要求1-9中任一项所述的HPLC双模系统信标周期调整方法。
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CN116582603A (zh) * 2023-07-13 2023-08-11 北京前景无忧电子科技股份有限公司 一种基于hplc+hrf通信的低压台区分钟级数据采集方法
CN116582603B (zh) * 2023-07-13 2023-09-22 北京前景无忧电子科技股份有限公司 一种基于hplc+hrf通信的低压台区分钟级数据采集方法

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