CN116743541B - 多模通信的混合组网方法及系统、通信设备 - Google Patents

多模通信的混合组网方法及系统、通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及网络通信技术领域，提供一种多模通信的混合组网方法及系统、通信设备。本发明在组网发现过程中，多模通信模块获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级，实现快速组网，提升组网效率；在组网优化过程中，中心节点收集各个网络层级的多模通信模块的各个通信信道的信道质量参数，计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点，实现快速组网优化，有效保证组网后的通信可靠性、传输实时性，提升通信成功率。

Description

多模通信的混合组网方法及系统、通信设备
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体地涉及一种多模通信的混合组网方法、一种多模通信的混合组网系统、一种通信设备以及一种计算机可读存储介质。
背景技术
随着“双碳”目标和新型电力系统建设，营销用电信息采集、配电物联通信、负荷柔性控制等应用和需求的不断拓展，对本地通信效率、通信可靠性、大数据量传输等方面提出了更高的要求。电力载波通信技术经过多年发展，已在低压用电本地通信网中大规模应用。由于电力用户总量庞大，地理分布极其广泛，现场环境各不相同，电力系统输电线因其自身的特点，会对载波通信造成一定的局限性，主要体现在供电网络结构的复杂性、负载变化幅度大、线路高频信号衰减严重，影响电力载波通信的实时性和可靠性。
为克服单一通信方式的不足，解决通信的“孤岛”问题，采用高速电力线载波、窄带电力线载波、高速微功率无线等多种方式结合的多模通信应运而生，成为新一代电力通信技术的主要发展方向。目前多模通信方案中，通常采用“一主多辅”的组网方式，即由一个网络作为主网络、其他网络作为辅助网络，通信方式仍然是独立组网并各自路由，在其中一个通信信道不通的情况下切换到另一种通信方式。目前多模通信网络的组网路由方案，通常仅使用节点跳数或者信噪比等单一的性能指标进行组网路由，没有综合考虑通信可靠性、传输实时性等因素，导致信道的接入质量较低，不能发挥多种通信模式混合互补和高效协同的技术优势。
发明内容
为了解决上述技术缺陷之一，本发明实施例中提供了一种多模通信的混合组网方法及系统，以提高多模通信网络的组网效率，保证组网后的通信可靠性、传输实时性。
本发明第一方面提供一种多模通信的混合组网方法，应用于中心节点，包括：
发起组网命令建立网络层级；
收集各个网络层级的已入网的多模通信模块获取的多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，其中，待入网的多模通信模块通过获取所述信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级；
根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值；
根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
本发明实施例中，所述发起组网命令建立网络层级，包括：中心节点在多个信道广播发现信标，通过发现信标逐层搜索中心节点的下一层级节点，根据搜索到的所有层级节点建立网络层级。
本发明实施例中，所述中心节点在多个信道广播发现信标，通过发现信标逐层搜索中心节点的下一层级节点，包括：
中心节点通过发现信标搜索到第一层级节点；
将第一层级节点作为根节点，通过第一层级节点发送发现信标，通过第一层级节点发送的发现信标搜索到第一层级节点的下一层级节点，通过逐层发送发现信标搜索到所有的节点，其中，每一层级节点发送的发现信标均携带该层级节点所在的网络层级数。
本发明实施例中，所述根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，包括：
基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵；
计算通信性能判断矩阵中各元素的权重；
对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量参数值；
根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
本发明实施例中，所述根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，包括：根据多模通信的信道质量评估值、链路稳定状态标识以及节点剩余负载容量，从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点。
本发明实施例中，所述链路稳定状态标识，通过以下方式确定：
利用在线状态保存窗口记录预设时长内多模通信模块的离网时间和离网次数，基于离网时间和离网次数确定链路稳定状态标识。
本发明实施例中，所述根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点，包括：
中心节点将多模通信的信道质量评估值大于等于第一预设阈值，且链路稳定状态标识等于预设稳定标识的多模通信模块组成第一节点集合和第二节点集合，其中，第一节点集合为节点剩余负载容量大于预设容量阈值的节点，第一节点集合中的节点允许下一层级节点被选择为代理节点，第二节点集合为节点剩余负载容量小于预设容量阈值的节点，第二节点集合中的节点不允许下一层级节点被选择为代理节点；
多模通信模块根据该多模通信模块的周围邻居节点的信道质量参数，选择多模通信的信道质量评估值大于等于第二预设阈值的多模通信模块，组成第三节点集合；
设多模通信模块当前的代理节点为K，第一节点集合为UA，第二节点集合为UB，第三节点集合为UC；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点变更为候选代理节点；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点变更为候选代理节点；
当代理节点时，从UC中选择对应的节点变更为候选代理节点。
本发明第二方面提供一种多模通信的混合组网方法，应用于作为子节点的多模通信模块，该方法包括：
待入网的多模通信模块获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级；
各个网络层级的已入网的多模通信模块获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，所述各个通信信道的信道质量参数被中心节点收集，用于根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的子节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
本发明实施例中，所述待入网的多模通信模块获取的信道质量参数，包括以下一者或多者：通信时延、通信速率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、传输带宽；
所述已入网的多模通信模块获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，包括以下一者或多者：通信时延、传输带宽、误码率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、拓扑稳定性。
本发明实施例中，所述待入网的多模通信模块获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，包括：待入网的多模通信模块选择信道质量参数在预设阈值范围内的信道作为目标信道，通过目标信道向目标信道对应的上一层级节点发送应答帧申请入网，将目标信道对应的上一层级节点作为该多模通信模块的代理节点。
本发明实施例中，所述根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，包括：
基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵；
计算通信性能判断矩阵中各元素的权重；
对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量参数值；
根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
本发明第三方面提供一种多模通信的混合组网系统，包括：中心节点以及多个作为子节点的多模通信模块，多个子节点中至少有一个子节点作为其它子节点的代理节点；
所述中心节点用于在组网发现过程中发起组网命令建立网络层级；
所述多模通信模块用于在组网发现过程中获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级，以及在组网优化过程中获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数；
所述中心节点还用于在组网优化过程中收集各个网络层级的多模通信模块的各个通信信道的信道质量参数，根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
本发明实施例中，所述中心节点具体用于：在组网发现过程中，在多个信道广播发现信标，通过发现信标逐层搜索中心节点的下一层级节点，根据搜索到的所有层级节点建立网络层级。
本发明实施例中，所述中心节点具体用于：
在组网优化过程中，基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵；
计算通信性能判断矩阵中各元素的权重；
对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量参数值
根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
本发明实施例中，所述中心节点具体用于：在组网优化过程中，根据多模通信的信道质量评估值、链路稳定状态标识以及节点剩余负载容量，从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点。
本发明实施例中，所述中心节点具体用于：
将多模通信的信道质量评估值大于等于第一预设阈值，且链路稳定状态标识等于预设稳定标识的多模通信模块组成第一节点集合和第二节点集合，其中，第一节点集合为节点剩余负载容量大于预设容量阈值的节点，第一节点集合中的节点允许下一层级节点被选择为代理节点，第二节点集合为节点剩余负载容量小于预设容量阈值的节点，第二节点集合中的节点不允许下一层级节点被选择为代理节点；
将多模通信的信道质量评估值大于等于第二预设阈值的多模通信模块，组成第三节点集合；
设多模通信模块当前的代理节点为K，第一节点集合为UA，第二节点集合为UB，第三节点集合为UC，第三节点集合UC是由多模通信模块根据该多模通信模块的周围邻居节点的信道质量参数，选择多模通信的信道质量评估值大于等于第二预设阈值的多模通信模块组成的；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点变更为候选代理节点；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点变更为候选代理节点；
当代理节点时，从UC中选择对应的节点变更为候选代理节点。
本发明还提供一种通信设备，包括：存储器、处理器以及计算机程序，该计算机程序存储于存储器中，并被配置为由处理器执行以实现上述的多模通信的混合组网方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现上述的多模通信的混合组网方法。
采用本发明实施例提供的多模通信的混合组网方法，在组网发现过程中，多模通信模块获取信道信息，计算对应的信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级，实现快速组网，提升组网效率；在组网优化过程中，中心节点收集各个网络层级的多模通信模块的各个通信信道的信道质量参数，根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点，实现快速组网优化，充分发挥多种通信模式混合互补和高效协同的优势，有效保证组网后的通信可靠性、传输实时性，提升通信成功率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是一种多模通信网络的拓扑图；
图2是本发明实施例提供的多模通信的混合组网方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的多模通信网络的通信指标体系的示意图；
图4是本发明实施例提供的计算多模通信的信道质量评估值的流程图；
图5是本发明实施例提供的多模通信的混合组网方法中组网优化的示意图；
图6是本发明实施例提供的多模通信的混合组网系统的架构图。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明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发明的一部分实施例，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，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
多模通信网络可以采用高速电力线载波、低频段电力线载波、高速微功率无线、低速微功率无线等多种通信方式。本发明实施例提供的一种多模通信网络的拓扑如图1所示，其中，HPLC表示高速电力线载波通信信道，RF表示低速微功率无线通信信道，HRF表示高速微功率无线通信信道。CCO（Central Coordinator）表示中央协调器，CCO作为中心节点。STA表示多模通信模块，作为终端节点。多模通信模块是指同时支持高速电力线载波通信、高速微功率无线通信、低速微功率无线通信等多种通信方式中的一种或多种通信方式的模块。PCO（Proxy Coordinator）表示代理协调器，作为STA的代理节点，PCO实质上也是一种多模通信模块。如图1所示，以中央协调器CCO为中心节点，以代理协调器PCO为代理（中继）节点，连接所有的多模通信模块STA（作为子节点）构成多级关联的树状结构，所有多模通信模块STA通过电力线载波信道和无线信道上传业务数据。其中，第一层级的STA1-1与CCO直接通信，第二层级的STA2-1、STA2-2通过代理协调器PCO1-1与CCO通信，第三层级的STA3-1、STA3-2依次通过代理协调器PCO2-1、PCO1-2与CCO通信，第三层级的STA3-3、STA3-4依次通过代理协调器PCO2-2、PCO1-3与CCO通信。
目前的多模通信网络组网方案中，通常仅使用节点跳数或者信噪比等单一的性能指标进行组网路由，没有综合考虑通信可靠性、传输实时性等因素，导致信道的接入质量较低，组网效率较低，不能发挥多种通信模式混合互补和高效协同的技术优势。
为了克服上述技术缺陷，本发明提出一种多模通信的混合组网方法，在组网发现过程中，多模通信模块获取信道信息，计算对应的信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级，实现快速组网，提升组网效率；在组网优化过程中，中心节点收集各个网络层级的多模通信模块的各个通信信道的信道质量参数，根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点，实现快速组网优化，充分发挥多种通信模式混合互补和高效协同的优势，有效保证组网后的通信可靠性、传输实时性，提升通信成功率。
图2是本发明实施例提供的多模通信的混合组网方法的流程图。如图2所示，本实施例提供的多模通信的混合组网方法，应用于中心节点，该方法包括以下步骤：
S210，在组网发现过程中发起组网命令建立网络层级；
S220，在组网优化过程中，收集各个网络层级的已入网的多模通信模块获取的多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，其中，待入网的多模通信模块通过获取所述信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级；
S230，根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值；
S240，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
在一实施例中，上述步骤S210中，中心节点CCO上电后，在一定时间内监听邻居网络的网间协调帧，根据邻居网络的网间协调帧确定是否与邻居网络进行协调。在监听时间结束后，中心节点CCO在多个信道广播发现信标，通过发现信标逐层搜索中心节点的下一层级节点，根据搜索到的所有层级节点建立网络层级。
在一具体实施例中，中心节点CCO通过发现信标搜索到第一层级节点L1，第一层级节点L1接入网络后，将第一层级节点L1作为根节点。CCO安排发现信标的TDMA（Timedivision multiple access，时分多址）时隙，让第一层级站点L1发送发现信标，发现信标携带该节点所在网络层级数Li（i=1，2，...，N）。在下一层级节点入网时，下一层级节点设置自身的网络层级，若其大于上一级节点所在层级Li，则设置自身网络层级为Li+1。即通过第一层级节点发送发现信标，搜索到第一层级节点的下一层级节点，通过逐层发送发现信标搜索到所有的节点，直到所有节点都被发现。其中，每一层级节点发送的发现信标均携带该层级节点所在的网络层级数。
在一实施例中，待入网的多模通信模块同时开启多个信道接收发现信标，根据接收到发现信标的信道的信道信息计算对应的信道质量参数。信道质量参数包括：通信时延、通信速率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、传输带宽等。待入网的多模通信模块选择信道质量参数在预设阈值范围内的信道作为目标信道，通过目标信道向目标信道对应的上一层级节点发送应答帧申请入网，将目标信道对应的上一层级节点作为该多模通信模块的代理节点（其信标帧发射端为作为该多模通信模块的上一级代理节点）。举例而言，待入网的多模通信模块选择信道质量参数大于最低阈值的一个或多个信道作为目标通信信道，采用CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）方式从多模信道向上一层级节点发送应答帧申请入网，应答帧包含接收发现信标的信道的信道质量参数。上一层级节点接收到应答帧后，向下一层级节点发送确认帧，则本层级入网结束。以此类推，继续搜索本层级的下一层级节点加入网络，直到最后的节点作为根节点时，未在规定时间内收到应答，或者当CCO发现其白名单内的节点均已入网后，广播结束组网发现的指令，分层组网完成。
如图3所示，通信指标体系包括目标层、准则层、指标层和方案层。准则层包括实时性指标、可靠性指标、稳定性指标。指标层包括以下信道质量参数：通信时延、传输带宽，误码率、接收信号强度、信噪比，通信成功率、拓扑稳定性，其中，通信时延和传输带宽作为实时性指标，误码率、接收信号强度和信噪比作为可靠性指标，通信成功率和拓扑稳定性作为稳定性指标。本实施例以优化融合多模异构通信网为目标，选取实时性指标、可靠性指标、稳定性指标（准则层指标），并将其进一步细分为可以直接量化的底层子指标（指标层的具体指标参数），全方位覆盖用电信息采集业务通信需求。
在一实施例中，已入网的多模通信模块获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数包括：通信时延B1、传输带宽B2、误码率B3、接收信号强度B4、信噪比B5、通信成功率B6、拓扑稳定性B7。通信时延B1和传输带宽B2作为实时性指标（A1），误码率B3、接收信号强度B4和信噪比B5作为可靠性指标（A2），通信成功率B6和拓扑稳定性B7作为稳定性指标（A3）。
如图4所示，上述步骤S230中，中心节点通过以下方式计算多模通信的信道质量评估值：
S231，基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵。
将各个通信信道的信道质量参数按照指标重要程度进行排序，针对每两个指标进行比较，确定各个指标的相对重要性，采用三级标度确定每两个指标的相对关系，建立通信性能判断矩阵。
通信性能判断矩阵可采用三级标度0、0.5和1确定两两因子相对关系。矩阵内各元素表示方式如下：
；
由于多模异构网络的通信信号衰减存在差异，在度量信道质量时，不同因子的权重有所不同。比如：在构建无线和载波路由度量时，无线通信性能更侧重于接收信号强度，而载波通信性能更侧重于信噪比。因此需要分别根据信道通信特点设置判断矩阵。
S232，计算通信性能判断矩阵中各元素的权重。
求得通信性能判断矩阵中每一行元素的乘积r i，构成乘积向量R：
；
其中，n为原矩阵阶数；
对乘积向量R进行开n次方根计算，并进行归一化，得到同一类指标下每个子指标的权重ω i，构成权重向量W：
。
S233，对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量影响因子数值，将信道质量影响因子数值作为信道质量参数值。
由于选取的每个信道质量影响因子都是可以感知计算的，为了使影响因子在评价时具有可比较性，其评价值需要统一。通过min-max离差标准化法对信道质量影响因子数值进行线性变换，将单个的信道质量影响因子原始数值映射到 [0,1] 区间中的值，将[0,1]区间中的值作为信道质量影响因子数值V i。假设多模通信模块有M种通信方式，定义为集合M=[1,2,…,m]，则对于第m种通信方式，对应B1~B7的7个信道质量影响因子数值为V1(m)~V7(m)。
S234，根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
根据各个指标对应元素的权重以及信道质量参数值，分别建立各个指标的信道质量评估函数，根据信道质量评估函数求得各个指标的信道质量评估值。
在一具体示例中，对于信道质量参数：通信时延、传输带宽、误码率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、拓扑稳定性，其指标分别为B1~B7，对不同指标的权重为ωB1~ωB7。由于不同指标对信道质量影响相关方向不同，因此，在建立信道质量评估函数时引入相关方向系数k，信噪比、接收信号强度、通信成功率、传输带宽、拓扑稳定性与信道质量正相关，即其值越大，代表信道质量越好，相关方向系数k取1，而通信时延、误码率与信道质量负相关，即其值越小，代表信道质量越好，相关方向系数k取-1。以实时性指标A1为例，定义该指标的信道质量评估函数为：
；
同理可得到可靠性（A2）、稳定性（A3）等指标的信道质量评估函数：
；
；
从而求得目标层对应指标的信道质量评估值的公式为：
。
在一实施例中，上述步骤S240中，根据多模通信的信道质量评估值、链路稳定状态标识以及节点剩余负载容量，从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点。其中，链路稳定状态标识可通过以下方式来确定：利用在线状态保存窗口记录预设时长内多模通信模块的离网时间和离网次数，基于离网时间和离网次数确定链路稳定状态标识。举例而言，通过一个在线状态保存窗口记录多模通信模块24小时的所在网络历史链路状态，设定离网时间阈值D_TOFF及离网次数阈值D_NOFF，基于离网时间和离网次数设置链路稳定状态标识Stab：
。
在另一实施例中，采用以下方式计算信道质量标识：
一定时间内，节点根据信道质量参数计算和上级节点之间的n种通信模式下的信道质量评估值，其中n种通信模式的信道质量评估值需以其对应模式最低信噪比为硬性指标：
；
其中，i为n种通信模式的标识，本文实例中，i=1时代表HPLC通信，i=2时代表RF通信，i=3时代表HRF通信，Eval i为各通信模式下计算得到的信道质量评估值，SNR i为各通信模式下实际信噪比，D_SNR i为各通信模式下信噪比阈值；
n种通信模式下的信道质量评估值基于不同信道的阈值D_Eval i设置信道质量标识Qual i：
；
其中，D_Eval i不同信道质量为优的阈值；
多模通信模块根据n个通信模式的信道质量标识，得到综合信道质量标识：
；
在一具体实施例中，上述步骤S240中的代理节点约束判据采用以下条件：在组网优化时，将多模通信的信道质量评估值大于等于第一预设阈值（例如信道质量标识Qual i≥1），且链路稳定状态标识等于预设稳定标识（Stab=1）的多模通信模块组成第一节点集合UA和第二节点集合UB，其中，第一节点集合UA为节点剩余负载容量大于预设容量阈值的节点，第一节点集合UA中的节点允许下一层级节点被选择为代理节点，第二节点集合UB为节点剩余负载容量小于预设容量阈值的节点，第二节点集合UB中的节点不允许下一层级节点被选择为代理节点；将多模通信的信道质量评估值大于等于第二预设阈值（例如信道质量评估值信道质量标识Qual i≥2）的多模通信模块，组成第三节点集合UC。或者，STA节点根据测量周围邻居节点的信道质量评估值，选择大于阈值D_Eval i的节点记为第三节点集合UC。
中心节点CCO全网广播UA、UB，供各个STA（多模通信模块）子节点选择代理节点；
设多模通信模块当前的代理节点为K，当代理节点K∈UC，且K∈UA或K∈UB时，维持代理节点K不变；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点作为（或变更为）候选代理节点；
当代理节点时，维持代理节点K不变；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点作为（或变更为）候选代理节点；
当代理节点时，从UC中选择对应的节点作为（或变更为）候选代理节点。
确定候选代理节点之后，将多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。如图5所示，在组网发现时（组网优化前），斜线填充表示的子节点STA（多模通信模块）属于第一节点集合UB，其代理节点为第一节点集合UB所在网络层级的代理节点PCO，组网优化后，将该子节点STA的代理节点变更为第一节点集合UA所在网络层级的代理节点PCO。
对应的，本发明实施例还提供一种多模通信的混合组网方法，应用于作为子节点的多模通信模块，该方法包括：待入网的多模通信模块获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级；各个网络层级的已入网的多模通信模块获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，所述各个通信信道的信道质量参数被中心节点收集，用于根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的子节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
具体的，待入网的多模通信模块获取的信道质量参数，包括以下一者或多者：通信时延、通信速率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、传输带宽；已入网的多模通信模块获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，包括以下一者或多者：通信时延、传输带宽、误码率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、拓扑稳定性。
具体的，根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，包括：基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵；计算通信性能判断矩阵中各元素的权重；对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量参数值；根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
待入网的多模通信模块获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，具体为：待入网的多模通信模块选择信道质量参数在预设阈值范围内的信道作为目标信道，通过目标信道向目标信道对应的上一层级节点发送应答帧申请入网，将目标信道对应的上一层级节点作为该多模通信模块的代理节点。
本实施例中应用于作为子节点的多模通信模块的具体方法步骤，可以参照上述实施例提供的应用于中心节点的混合组网方法进行理解，此处不再赘述。
图6是本发明实施例提供的多模通信的混合组网系统的架构图。如图6所示，本实施例提供的多模通信的混合组网系统，包括：中心节点CCO、代理节点PCO、多个子节点STA，多个子节点中有一个子节点或多个子节点作为其它子节点的代理节点，子节点STA和代理节点PCO均为多模通信模块，即多模通信模块可作为子节点，也可作为其它子节点的代理节点。中心节点用于在组网发现过程中发起组网命令建立网络层级。多模通信模块用于在组网发现过程中获取信道信息，根据信道信息计算对应的信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级，以及在组网优化过程中获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数。中心节点还用于在组网优化过程中收集各个网络层级的多模通信模块的各个通信信道的信道质量参数，根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
在一实施例中，中心节点CCO上电后，在一定时间内监听邻居网络的网间协调帧，根据邻居网络的网间协调帧确定是否与邻居网络进行协调。在监听时间结束后，中心节点CCO在多个信道广播发现信标，通过发现信标逐层搜索中心节点的下一层级节点，根据搜索到的所有层级节点建立网络层级。
在一具体实施例中，中心节点CCO通过发现信标搜索到第一层级节点L1，第一层级节点L1接入网络后，将第一层级节点L1作为根节点。CCO安排发现信标的TDMA（Timedivision multiple access，时分多址）时隙，让第一层级站点L1发送发现信标，发现信标携带该节点所在网络层级数Li（i=1，2，...，N）。在下一层级节点入网时，下一层级节点设置自身的网络层级，若其大于上一级节点所在层级Li，则设置自身网络层级为Li+1。即通过第一层级节点发送发现信标，搜索到第一层级节点的下一层级节点，通过逐层发送发现信标搜索到所有的节点，直到所有节点都被发现。其中，每一层级节点发送的发现信标均携带该层级节点所在的网络层级数。
在一实施例中，多模通信模块在组网发现过程中同时开启多个信道接收发现信标，根据接收到发现信标的信道的信道信息计算对应的信道质量参数。信道质量参数包括：通信时延、通信速率、信号强度、信噪比、通信成功率、传输带宽等。待入网的多模通信模块选择信道质量参数在预设阈值范围内的信道作为目标信道，通过目标信道向目标信道对应的上一层级节点发送应答帧申请入网，将目标信道对应的上一层级节点作为该多模通信模块的代理节点。举例而言，待入网的多模通信模块选择信道质量参数大于最低阈值的一个或多个信道作为目标通信信道，采用CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问）方式从多模信道向上一层级节点发送应答帧申请入网，应答帧包含接收发现信标的信道的信道质量参数。上一层级节点接收到应答帧后，向下一层级节点发送确认帧，则本层级入网结束。以此类推，继续搜索本层级的下一层级节点加入网络，直到最后的节点作为根节点时，未在规定时间内收到应答，或者当CCO发现其白名单内的节点均已入网后，广播结束组网发现的指令，分层组网完成。
在一实施例中，中心节点通过以下方式计算多模通信的信道质量评估值：
S241，基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵。
已入网的多模通信模块获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数包括：通信时延B1、传输带宽B2、误码率B3、接收信号强度B4、信噪比B5、通信成功率B6、拓扑稳定性B7。通信时延B1和传输带宽B2作为实时性指标（A1），误码率B3、接收信号强度B4和信噪比B5作为可靠性指标（A2），通信成功率B6和拓扑稳定性B7作为稳定性指标（A3）。中心节点将获取的各个通信信道的信道质量参数按照指标重要程度进行排序，针对每两个指标进行比较，确定各个指标的相对重要性，采用三级标度确定每两个指标的相对关系，建立通信性能判断矩阵。
通信性能判断矩阵可采用三级标度0、0.5和1确定两两因子相对关系。矩阵内各元素表示方式如下：
；
由于多模异构网络的通信信号衰减存在差异，在度量信道质量时，不同因子的权重有所不同。比如：在构建无线和载波路由度量时，无线通信性能更侧重于接收信号强度，而载波通信性能更侧重于信噪比。因此需要分别根据信道通信特点设置判断矩阵。
S242，计算通信性能判断矩阵中各元素的权重。
求得通信性能判断矩阵中每一行元素的乘积r i，构成乘积向量R：
；
其中，n为原矩阵阶数；
对乘积向量R进行开n次方根计算，并进行归一化，得到同一类指标下每个子指标的权重ω i，构成权重向量W：
。
S243，对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量影响因子数值，将信道质量影响因子数值作为信道质量参数值。
由于选取的每个信道质量影响因子都是可以感知计算的，为了使影响因子在评价时具有可比较性，其评价值需要统一。通过min-max离差标准化法对信道质量影响因子数值进行线性变换，将单个的信道质量影响因子原始数值映射到 [0,1] 区间中的值，将[0,1]区间中的值作为信道质量影响因子数值Vi。假设多模通信模块有M种通信方式，定义为集合M=[1,2,…,m]，则对于第m种通信方式，对应B1~B7的7个信道质量影响因子数值为V1(m)~V7(m)。
S244，根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
根据各个指标对应元素的权重以及信道质量参数值，分别建立各个指标的信道质量评估函数，根据信道质量评估函数求得各个指标的信道质量评估值。
在一具体示例中，对于信道质量参数：通信时延、传输带宽、误码率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、拓扑稳定性，其指标分别为B1~B7，对不同指标的权重为ωB1~ωB7。由于不同指标对信道质量影响相关方向不同，因此，在建立信道质量评估函数时引入相关方向系数k，信噪比、接收信号强度、通信成功率、传输带宽、拓扑稳定性与信道质量正相关，即其值越大，代表信道质量越好，相关方向系数k取1，而通信时延、误码率与信道质量负相关，即其值越小，代表信道质量越好，相关方向系数k取-1。以实时性指标A1为例，定义该指标的信道质量评估函数为：
；
同理可得到可靠性（A2）、稳定性（A3）等指标的信道质量评估函数：
；
；
从而求得目标层对应指标的信道质量评估值的公式为：
。
在一实施例中，上述步骤S250中，根据多模通信的信道质量评估值、链路稳定状态标识以及节点剩余负载容量，从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点。其中，链路稳定状态标识可通过以下方式来确定：利用在线状态保存窗口记录预设时长内多模通信模块的离网时间和离网次数，基于离网时间和离网次数确定链路稳定状态标识。举例而言，通过一个在线状态保存窗口记录多模通信模块24小时的所在网络历史链路状态，设定离网时间阈值D_TOFF及离网次数阈值D_NOFF，基于离网时间和离网次数设置链路稳定状态标识Stab：
。
在另一实施例中，采用以下方式计算信道质量标识：
一定时间内，节点根据信道质量参数计算和上级节点之间的n种通信模式下的信道质量评估值，其中n种通信模式的信道质量评估值需以其对应模式最低信噪比为硬性指标：
；
其中，i为n种通信模式的标识，本文实例中，i=1时代表HPLC通信，i=2时代表RF通信，i=3时代表HRF通信，Eval i为各通信模式下计算得到的信道质量评估值，SNR i为各通信模式下实际信噪比，D_SNR i为各通信模式下信噪比阈值；
n种通信模式下的信道质量评估值基于不同信道的阈值D_Eval i设置信道质量标识Qual i：
；
其中，D_Eval i不同信道质量为优的阈值；
多模通信模块根据n个通信模式的信道质量标识，得到综合信道质量标识：
；
在一具体实施例中，上述的代理节点约束判据采用以下条件：在组网优化时，将多模通信的信道质量评估值大于等于第一预设阈值（例如信道质量标识Qual i≥1），且链路稳定状态标识等于预设稳定标识（Stab=1）的多模通信模块组成第一节点集合UA和第二节点集合UB，其中，第一节点集合UA为节点剩余负载容量大于预设容量阈值的节点，第一节点集合UA中的节点允许下一层级节点被选择为代理节点，第二节点集合UB为节点剩余负载容量小于预设容量阈值的节点，第二节点集合UB中的节点不允许下一层级节点被选择为代理节点；将多模通信的信道质量评估值大于等于第二预设阈值（例如信道质量评估值信道质量标识Qual i≥2）的多模通信模块，组成第三节点集合UC。或者，STA节点根据测量周围邻居节点的信道质量评估值，选择大于阈值D_Eval i的节点记为第三节点集合UC。
中心节点CCO全网广播UA、UB，供各个STA（多模通信模块）子节点选择代理节点；
设多模通信模块当前的代理节点为K，当代理节点K∈UC，且K∈UA或K∈UB时，维持代理节点K不变；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点作为（或变更为）候选代理节点；
当代理节点时，维持代理节点K不变；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点作为（或变更为）候选代理节点；
当代理节点时，从UC中选择对应的节点作为（或变更为）候选代理节点。
上述的多模通信的混合组网系统，在组网发现过程中，各个多模通信模块获取信道信息，计算对应的信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级，实现快速组网，提升组网效率；在组网优化过程中，中心节点收集各个网络层级的多模通信模块的信道质量评估值，依据选择条件在每一个网络层级中选择信道质量最优的节点作为该网络层级的候选代理节点，将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点，实现快速组网优化，充分发挥多种通信模式混合互补和高效协同的优势，有效保证组网后的通信可靠性、传输实时性，提升通信成功率。
本发明实施例还提供一种通信设备，包括：存储器、处理器以及计算机程序，该计算机程序存储于存储器中，并被配置为由处理器执行以实现上述的多模通信的混合组网方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现上述的多模通信的混合组网方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
尽管已描述了本发明的优选实施例，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发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种多模通信的混合组网方法，其特征在于，应用于中心节点，包括：
发起组网命令建立网络层级；
收集各个网络层级的已入网的多模通信模块获取的多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，其中，待入网的多模通信模块通过获取所述信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级；
根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值；
根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
2.根据权利要求1所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述发起组网命令建立网络层级，包括：
中心节点在多个信道广播发现信标，通过发现信标逐层搜索中心节点的下一层级节点，根据搜索到的所有层级节点建立网络层级。
3.根据权利要求2所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述中心节点在多个信道广播发现信标，通过发现信标逐层搜索中心节点的下一层级节点，包括：
中心节点通过发现信标搜索到第一层级节点；
将第一层级节点作为根节点，通过第一层级节点发送发现信标，通过第一层级节点发送的发现信标搜索到第一层级节点的下一层级节点，通过逐层发送发现信标搜索到所有的节点，其中，每一层级节点发送的发现信标均携带该层级节点所在的网络层级数。
4.根据权利要求1所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，包括：
基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵；
计算通信性能判断矩阵中各元素的权重；
对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量参数值；
根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
5.根据权利要求1所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，包括：
根据多模通信的信道质量评估值、链路稳定状态标识以及节点剩余负载容量，从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点。
6.根据权利要求5所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述链路稳定状态标识，通过以下方式确定：
利用在线状态保存窗口记录预设时长内多模通信模块的离网时间和离网次数，基于离网时间和离网次数确定链路稳定状态标识。
7.根据权利要求5所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点，包括：
中心节点将多模通信的信道质量评估值大于等于第一预设阈值，且链路稳定状态标识等于预设稳定标识的多模通信模块组成第一节点集合和第二节点集合，其中，第一节点集合为节点剩余负载容量大于预设容量阈值的节点，第一节点集合中的节点允许下一层级节点被选择为代理节点，第二节点集合为节点剩余负载容量小于预设容量阈值的节点，第二节点集合中的节点不允许下一层级节点被选择为代理节点；
多模通信模块根据该多模通信模块的周围邻居节点的信道质量参数，选择多模通信的信道质量评估值大于等于第二预设阈值的多模通信模块，组成第三节点集合；
设多模通信模块当前的代理节点为K，第一节点集合为UA，第二节点集合为UB，第三节点集合为UC；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点变更为候选代理节点；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点变更为候选代理节点；
当代理节点时，从UC中选择对应的节点变更为候选代理节点。
8.一种多模通信的混合组网方法，其特征在于，应用于作为子节点的多模通信模块，所述方法包括：
待入网的多模通信模块获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级；
各个网络层级的已入网的多模通信模块获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，所述各个通信信道的信道质量参数被中心节点收集，用于根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的子节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
9.根据权利要求8所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述待入网的多模通信模块获取的信道质量参数，包括以下一者或多者：通信时延、通信速率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、传输带宽；
所述已入网的多模通信模块获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数，包括以下一者或多者：通信时延、传输带宽、误码率、接收信号强度、信噪比、通信成功率、拓扑稳定性。
10.根据权利要求9所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述待入网的多模通信模块获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，包括：
待入网的多模通信模块选择信道质量参数在预设阈值范围内的信道作为目标信道，通过目标信道向目标信道对应的上一层级节点发送应答帧申请入网，将目标信道对应的上一层级节点作为该多模通信模块的代理节点。
11.根据权利要求8所述的多模通信的混合组网方法，其特征在于，所述根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，包括：
基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵；
计算通信性能判断矩阵中各元素的权重；
对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量参数值；
根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
12.一种多模通信的混合组网系统，其特征在于，包括：中心节点以及多个作为子节点的多模通信模块，多个子节点中至少有一个子节点作为其它子节点的代理节点；
所述中心节点用于在组网发现过程中发起组网命令建立网络层级；
所述多模通信模块用于在组网发现过程中获取信道质量参数，根据信道质量参数选择代理节点，加入对应的网络层级，以及在组网优化过程中获取多种通信模式下各个通信信道的信道质量参数；
所述中心节点还用于在组网优化过程中收集各个网络层级的多模通信模块的各个通信信道的信道质量参数，根据各个通信信道的信道质量参数计算多模通信的信道质量评估值，根据多模通信的信道质量评估值从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点，根据代理节点约束判据将已入网的多模通信模块当前的代理节点变更为对应网络层级的候选代理节点。
13.根据权利要求12所述的多模通信的混合组网系统，其特征在于，所述中心节点具体用于：
在组网发现过程中，在多个信道广播发现信标，通过发现信标逐层搜索中心节点的下一层级节点，根据搜索到的所有层级节点建立网络层级。
14.根据权利要求12所述的多模通信的混合组网系统，其特征在于，所述中心节点具体用于：
在组网优化过程中，基于各个通信信道的信道质量参数建立通信性能判断矩阵；
计算通信性能判断矩阵中各元素的权重；
对选取的信道质量影响因子进行离差标准化处理，得到各个通信信道的信道质量参数值；
根据通信性能判断矩阵中各元素的权重以及信道质量参数值，计算得到信道质量评估值。
15.根据权利要求12所述的多模通信的混合组网系统，其特征在于，所述中心节点具体用于：
在组网优化过程中，根据多模通信的信道质量评估值、链路稳定状态标识以及节点剩余负载容量，从每一个网络层级中选择相应的节点作为该网络层级的候选代理节点。
16.根据权利要求15所述的多模通信的混合组网系统，其特征在于，所述中心节点具体用于：
将多模通信的信道质量评估值大于等于第一预设阈值，且链路稳定状态标识等于预设稳定标识的多模通信模块组成第一节点集合和第二节点集合，其中，第一节点集合为节点剩余负载容量大于预设容量阈值的节点，第一节点集合中的节点允许下一层级节点被选择为代理节点，第二节点集合为节点剩余负载容量小于预设容量阈值的节点，第二节点集合中的节点不允许下一层级节点被选择为代理节点；
设多模通信模块当前的代理节点为K，第一节点集合为UA，第二节点集合为UB，第三节点集合为UC，第三节点集合UC是由多模通信模块根据该多模通信模块的周围邻居节点的信道质量参数，选择多模通信的信道质量评估值大于等于第二预设阈值的多模通信模块组成的；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点变更为候选代理节点；
当代理节点时，从UC∩UA中选择对应的节点变更为候选代理节点；
当代理节点时，从UC中选择对应的节点变更为候选代理节点。
17.一种通信设备，其特征在于，包括：
存储器；
处理器；以及
计算机程序；
其中，所述计算机程序存储在存储器中，并被配置为由处理器执行以实现权利要求1至权利要求11任一项所述的多模通信的混合组网方法。
18.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行以实现权利要求1至权利要求11任一项所述的多模通信的混合组网方法。
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陈皓勇.能量与信息融合的电力物联网技术.《电力系统保护与控制》.2021,第49卷(第22期),第8-17页. *

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