一种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统及其传输方法
【专利摘要】本发明公开了一种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，包括至少一个主站设备和多个从站设备；主站设备与从站设备之间以无线电波为信道介质实现数据传输；主站设备的信号覆盖区域为主从式核心网络区域，主站设备的信号覆盖区域以外为分布式边缘网络区域，从站设备中至少有一个从站设备位于核心网络区域中；核心网络区域中的至少一个从站设备为中继站。边缘网络区域的从站设备通过中继站与主站设备实现数据传输。本发明在单工频点上采用新的通信模式，引入边缘网络的路由树接入技术，低成本解决了边缘网络区域少数从站信号覆盖不足的缺点。本发明还公开了一种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的传输方法。
【专利说明】一种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统及其传输方法
【技术领域】
[0001]本发明属于自动控制管理无线数据传输组网【技术领域】，尤其涉及一种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统及其传输方法。
【背景技术】
[0002]SCADA(Supervisory Control And Data Acquisit1n)系统，即数据米集与监视控制系统，是以计算机为基础的分散控制系统(DCS, distributed control systems)与自动化监控系统。SCADA系统包括主站设备和多个从站设备。主站设备和各从站设备之间通过以太网或者无线网络直接进行通信。主站设备收集从站设备的业务数据，从而对从站设备的工作情况进行监测。SCADA系统应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等。SCADA系统在远动系统中占重要地位，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。目前，电力、水力、石油等行业的SCADA系统普遍使用国家无线电管理委员会分配的230M双工频点和单工频点进行无线通信组网，其数据传输实时、准确、安全。但是随着SCADA系统中从站设备(终端)安装数量日渐增多，离主站设备较远的边缘终端的接入问题变得日益严重。
[0003]具体来说，传统主从式超短波SCADA系统中受电波辐射传播特征影响，系统通信覆盖区域往往是以中心主站为圆心的圆形地理区域。而实际应用中，以行政区划为隶属原则的SCADA系统覆盖区域往往并非圆形，从站设备的位置分布具有很大随机性，有的从站设备离主站设备的距离较远，已不在主站设备的覆盖范围之内，从而存在无法覆盖所有边缘终端的问题。这种情况下，如果为了满足覆盖所有边缘终端而设置较多中心主站，每个中心主站采用不同的通信频率与各自的从站设备进行通讯，导致占用了过多的频率资源，新建的中心主站将受到可用频率资源的限制。另一方面，若边缘网络区域的从站数量较少，建设中心主站的成本较高,从而为少数从站建设中心主站的性价比偏低。
【发明内容】
[0004]本发明克服了现有技术中存在边缘网络区域从站设备信号覆盖性不足及为边缘网络区域从站设备建设中心站性价比偏低等缺陷，提出了一种混合拓扑网络远程超短波传输系统及其传输方法。
[0005]本发明提出了一种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，包括至少一个主站设备和多个从站设备；所述主站设备与所述从站设备均包括无线信号发射装置与无线信号接收装置，所述主站设备与所述从站设备之间以无线电波为信道介质实现数据传输；
[0006]所述主站设备的信号覆盖区域为核心网络区域，所述主站设备的信号覆盖区域以外为边缘网络区域，所述多个从站设备中至少有一个从站设备位于所述核心网络区域中；
[0007]所述核心网络区域中的至少一个从站设备为中继站，当所述主站设备发送针对所述边缘网络区域中的从站设备的召测信息时，所述中继站识别该召测信息，并根据路由表将该召测信息发送到对应的边缘网络区域中的从站设备，所述边缘网络区域中的从站设备根据所述路由表将本站点业务数据发送至所述中继站中保存，并通过所述中继站将业务数据发送至所述主站设备。
[0008]其中，所述主站设备发送针对所述核心网络区域中的从站设备的召测信息时，所述核心网络区域中的从站设备直接向所述主站设备发送本站点业务数据。
[0009]其中，所述主站设备与所述核心网络区域中的从站设备采用时分多址技术实现主站设备轮询，从站设备分时反馈业务数据。
[0010]其中，所述主站设备与所述核心网络区域中的从站设备采用同频组网实现数据传输。
[0011]其中，所述路由表为所述中继站与所述边缘网络区域中的从站设备之间的自组织网络的拓扑信息，所述路由表被预先存储在所述中继站与所述边缘网络区域中的从站设备中并实时动态更新。
[0012]其中，所述边缘网络区域中的从站设备与所述中继站之间利用频率复用技术或ISM频段在信道中传输数据。
[0013]其中，所述边缘网络区域的从站设备与所述中继站之间配置CSMA/CA协议进行数据传输。
[0014]本发明还提出了一种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的传输方法，所述系统包括至少一个主站设备和多个从站设备，所述主站设备的信号覆盖区域为核心网络区域，所述主站设备的信号覆盖区域以外为边缘网络区域，所述多个从站设备中至少有一个从站设备位于所述核心网络区域中；所述方法包括以下步骤:
[0015]步骤一:所述主站设备将发往所有从站设备的召测信号按时间分配至时隙中并以规定的时间周期向所有从站设备发送；
[0016]步骤二:如果所述从站设备在所述核心网络区域中，所述核心网络区域中的从站设备根据所述时隙接收召测信号并分时向所述主站设备发送相应的业务数据；如果所述从站设备在所述边缘网络区域中，所述中继站识别所述召测信号，并将所述召测信号根据预先存储的路由表通过频率复用或ISM频段发送至相应的从站设备中，所述从站设备根据所述路由表将相应的业务数据发送至所述中继站中保存，所述中继站将本站业务数据与保存的业务数据根据时隙统一发送至所述主站设备；
[0017]步骤三:所述主站设备接收所有的业务数据，进行校验与确认后，完成数据传输。
[0018]其中，进一步包括:所述主站设备发送的召测信号采用数据帧连续编号，所述核心网络区域和边缘网络区域中的从站设备根据所述编号判断是否发生漏接召测信号，若所述从站设备发现漏接则在竞争上传时隙向所述主站设备提交重发申请。
[0019]其中，步骤二中所述边缘网络区域的从站设备向所述主站设备发送业务数据的方式还可以为:所述边缘网络区域的从站设备设置门限时刻，所述从站设备在门限时刻前根据所述路由表主动将业务数据发送至所述中继站，当所述中继站接收所述主站设备的召测信号时，所述中继站将本站业务数据与保存的业务数据根据时隙统一发送至所述主站设备。
[0020]本发明边缘网络区域中的从站设备采用采用无线自组织网络实现连接。无线自组织网络由一组自主的无线终端组成，不需要固定的基础设施的支持而实现的通信网络，是一种各节点自形成、自组织、自管理的网络。本发明的边缘网络区域中从站设备与中继站的拓扑结构具有高度的动态性，采取节点间多跳的通信方式和网络的分布式控制。
[0021 ] 本发明利用核心树路由接入技术，低成本解决了传统主从式网络中边缘网络区域部分从站无法被覆盖的问题。
[0022]本发明对于可能出现的主站设备召测与从站设备调频接收边缘网络的数据所造成的报文漏接，采用连续帧编号方法进行漏接识别。若发生漏接则从站设备并在指定竞争上传时隙提交重发申请，实现数据传输的完整性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的结构图。
[0024]图2是树形结构路由表的示意图。
[0025]图3是本发明混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的传输方法的流程图。
[0026]图4是主站设备发送信号的帧结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0028]如图1所示，本发明的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，包括至少一个主站设备和多个从站设备。主站设备的信号覆盖区域为核心网络区域，其覆盖范围之外的区域为边缘网络区域。本发明中的数据传输系统是以无线电波为传输介质，主站设备与从站设备均包括无线信号发射装置与无线信号接收装置，以超短波无线电台实现主站设备与从站设备之间的通信。
[0029]在核心网络区域中主站设备与多个从站设备通信连接，每个主站设备拥有直连的从站设备数量为12?13量级。在本发明中，由于超短波无线电传输距离有限，通常在20-30公里范围内，核心网络区域的单频频点应采用归属本行业的专用支配频率。由于各相关行业可用频点少且离散，频率资源紧张，为保证采集业务的传输速率支持更多类型的业务，本发明中的核心网络区域中主站设备与从站设备采用同频组网的方式通信，并采用时分多址技术(TDMA, Time Divis1n Multiple Access)将发往各从站设备的数据进行时间划分并在一个频点上传输，从站设备在监听该频点数据时接收各自相应时刻的数据便能获得相应的数据。具体地，主站设备采用时间片将发送至每个从站设备的召测信号进行标记从而形成一个时隙(TS，time slot)，将所有时隙依次排列组成TDMA帧数据，如图4所示。主站数据将该帧数据按一定时间周期(例如，10分钟)在一个频点上传输该TDMA帧数据，核心网络区域中的从站设备在监听该频点的信号。当达到从站设备的时隙时，从站设备接收到该频点上相应的召测信号。从站设备根据召测信号将自身的业务数据根据相应的时隙发送至主站设备，主站设备接收并实现监测。通过上述过程主站设备在一个周期内按时间先后依次向各个从站设备发送召测信号并接收相应的业务数据，从而实现主站轮询、从站分时使用的通信方式，并且仅利用一个频点以降低业务大区内并存多个基站时的通信频点占用数量，缓解专网频率资源紧张的现状。进一步地，本发明的核心网络区域还将现有的双工频点拆解为两个半双工频点实现通信，以提升频率利用效率，并降低从站设备收发信息配置。
[0030]由于电磁信号的传播特点，主站设备的信号覆盖范围通常为一圆形区域。而由于地理因素上的随机性和不确定性，通信节点的地址分布呈不规则性特点。对于主站设备的信号尚未覆盖到的部分边缘网络区域，如果该边缘网络区域内从站设备分散且数量较少，则可以利用主站设备信号覆盖区(即核心网络区域)内的部分从站设备作为中继站，由该中继站将来自主站设备的数据中继转发给上述边缘网络区域内的从站设备。同时，主站通过此中继站接收与监测来自上述边缘网络区域的从站设备的业务数据。
[0031]边缘网络区域内存在若干从站设备，边缘网络区域中从站设备的数量为数个至数十个数量级。边缘网络区域中的中继站和从站设备采用无线自组织网络连接。无线自组织网络分为平面结构和分级结构。本发明在边缘网络区域中采用分级结构的无线自组织网络。分级结构的无线自组织网络将无线网络划分为多个簇，每个簇由一个簇首和多个簇成员组成，其中簇首为中继站，簇成员为被中继的从站设备。在针对基于拓扑的自组织网络路由协议，从路由发现的策略来看，可以分为先应式路由、按需路由和混合路由。本发明中采用了一种混合式的核心树路由协议，可以在无线网络环境中为用户提供快速的路由建立、维持动态路由协议。核心树路由协议包括网络自组织和动态路由两大基本功能。核心树路由协议是一种两层网络体系结构紧密结合的、基于核心树协议的无线自组织网络动态路由算法。核心树协议与全对等无线自组织网络相比，组网和路由开销降低，扩展了应用范围。根据本发明所依据的环境条件及边缘网络区域内从站设备的数量，在边缘网络区域内部采用先应式路由设计，每个从站设备中预先存储并维护一个或多个存储路由信息的树形结构路由表,体现网络中所有边缘从站最新的路由信息,如图2所示。本发明利用核心树路由协议能够主动维护树形路基拓扑结构，有效避免了由路由环路引起的路由失效。
[0032]从站设备在通信时可直接查找树形结构路由表，不需要路由发现，具有发送分组延时小的优点。生成的树形结构路由表存储在中继站和被中继的从站设备中并被动态更新。由于在本发明中，各从站设备的位置相对固定，边缘网络区域的拓扑结构不易发生改变，因此路由表信息相对更新频率并不频繁，相对路由开销和网络带宽的占用较小。中继站与从站设备根据路由表实现数据传输。相对而言，被中继的从站设备的功能相对简单，基本不需要维护路由表，中继站功能相对复杂，中继站不仅需要维护与被中继的从站设备之间的路由表，还需要维护从站设备与簇的关系。
[0033]边缘网络区域的业务量、电台功率较主站设备有明显降低，因此频率选择比较灵活。可通过不同地域以单工频点蜂窝复用方式来提高频点利用效率；若专网频点总量不足或地域之间距离较近、频点蜂窝复用方法存在实施困难时，各从站设备也可选用频率相近的ISM频段作为通信频点。各从站设备工作于对等网络方式，以树形结构完成数据汇聚上报。
[0034]如图3所示，本发明混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的传输方法包括以下步骤:
[0035]步骤一:主站设备采用时间片将发送至各从站设备的召测信号按时间标记形成时隙，并依次排列生成一帧数据向所有从站设备发送；
[0036]步骤二:如果从站设备在核心网络区域中，核心网络区域中的从站设备根据时隙接收相应的召测信号，并根据该时隙分时向主站设备发送相应的业务数据；如果从站设备在边缘网络区域中，中继站识别当前时隙中的召测信号是其中继的从站设备，中继站将召测信号根据路由表通过频率复用或ISM频段发送至相应的从站设备中，该相应的从站设备将该站点业务数据发送至中继站中保存，中继站将本站业务数据与保存的其中继的从站设备的业务数据根据时隙统一发送至主站设备。
[0037]其中，各个中继站存在两个工作频率，其中一个工作频率为中继站监听的核心网络区域的主用频点，主站设备在该主用频点上以时分多址技术发送召测信号，而中继站在该主用频点上监听主站设备发来的召测信号；另一个工作频率为中继站与边缘网络区域内的各从站设备通信时采用的专用频点，即上述ISM频点或蜂窝复用频点。由于边缘网络区域中未采用时分多址技术，从站设备之间传输数据容易发生碰撞，导致中继站无法完整地接收来自各从站设备的业务数据。所以本发明在边缘网络的频点中采用CSMA/CA类竞争使用机制上传业务数据，避免信道资源使用碰撞。
[0038]步骤三:主站设备接收所有的业务数据，完成校验与确认后，完成数据传输。
[0039]本发明设备使用单工电台，此情况下中继站与边缘网络区域内从站设备通信时并没有守候在主站设备使用的主用频点上，因此有可能会漏接来自主站的、发给自身或被中继的从站设备的信息。针对该问题，本发明中主站设备发送的召测信号采用数据帧连续编号，核心网络区域和边缘网络区域中的从站设备根据编号是否连续来判断是否发生漏接召测信号。若某帧数据编号不连续时，表明发生了漏接某些数据，从站设备则在竞争上传时隙向主站设备提交重发申请。
[0040]若主站设备临时需要系统内某从站设备的业务数据时，则主站设备临时向所有从站设备发送该从站设备的召测信号。如果该从站设备位于主站直接覆盖范围内，则该从站直接响应召测要求并上传本站点业务数据；如果该从站位于某边缘网络区域，相应的中继站会识别出待测从站设备是否位于自身提供中继服务的边缘网络区域内，并通过中继机制向边缘网络区域内的待测从站设备转发召测信息。边缘网络区域内相应的从站设备接收请求后，根据预先存储的路由表将本站点业务数据发送到中继站，并由中继站转发至主站设备，主站完成校验并确认后，通信完成。
[0041]本发明混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的传输方法中边缘网络区域的从站设备在接收到召测信号后将业务数据发送至中继站中。另外，边缘网络区域的从站设备采取预约机制设置门限时刻(例如，每5分钟)，从站设备在门限时刻前根据路由表主动地将业务数据发送至中继站内保存，当中继站接收主站设备的召测信号时，中继站将本站业务数据与保存的业务数据根据时隙统一发送至主站设备。
[0042]本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
【权利要求】
1.一种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，其特征在于，包括至少一个主站设备和多个从站设备；所述主站设备与所述从站设备均包括无线信号发射装置与无线信号接收装置，所述主站设备与所述从站设备之间以无线电波为信道介质实现数据传输； 所述主站设备的信号覆盖区域为核心网络区域，所述主站设备的信号覆盖区域以外为边缘网络区域，所述多个从站设备中至少有一个从站设备位于所述核心网络区域中； 所述核心网络区域中的至少一个从站设备为中继站，当所述主站设备发送针对所述边缘网络区域中的从站设备的召测信息时，所述中继站识别该召测信息，并根据路由表将该召测信息发送到对应的边缘网络区域中的从站设备，所述边缘网络区域中的从站设备根据所述路由 表将本站点业务数据发送至所述中继站中保存，并通过所述中继站将业务数据发送至所述主站设备。
2.如权利要求1所述的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，其特征在于，所述主站设备发送针对所述核心网络区域中的从站设备的召测信息时，所述核心网络区域中的从站设备直接向所述主站设备发送本站点业务数据。
3.如权利要求2所述的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，其特征在于，所述主站设备与所述核心网络区域中的从站设备采用时分多址技术实现主站设备轮询，从站设备分时反馈业务数据。
4.如权利要求2所述的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，其特征在于，所述主站设备与所述核心网络区域中的从站设备采用同频组网实现数据传输。
5.如权利要求1所述的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，其特征在于，所述路由表为所述中继站与所述边缘网络区域中的从站设备之间的自组织网络的拓扑信息，所述路由表被预先存储在所述中继站与所述边缘网络区域中的从站设备中并实时动态更新。
6.如权利要求5所述的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，其特征在于，所述边缘网络区域中的从站设备与所述中继站之间利用频率复用技术或ISM频段在信道中传输数据。
7.如权利要求6所述的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统，其特征在于，所述边缘网络区域的从站设备与所述中继站之间配置CSMA/CA协议进行数据传输。
8.—种混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的传输方法,所述系统包括至少一个主站设备和多个从站设备，所述主站设备的信号覆盖区域为核心网络区域，所述主站设备的信号覆盖区域以外为边缘网络区域，所述多个从站设备中至少有一个从站设备位于所述核心网络区域中；其特征在于，所述方法包括以下步骤: 步骤一:所述主站设备将发往所有从站设备的召测信号按时间分配至时隙中并以规定的时间周期向所有从站设备发送； 步骤二:如果所述从站设备在所述核心网络区域中，所述核心网络区域中的从站设备根据所述时隙接收召测信号并分时向所述主站设备发送相应的业务数据；如果所述从站设备在所述边缘网络区域中，所述中继站识别所述召测信号，并将所述召测信号根据预先存储的路由表通过频率复用或ISM频段发送至相应的从站设备中，所述从站设备根据所述路由表将相应的业务数据发送至所述中继站中保存，所述中继站将本站业务数据与保存的业务数据根据时隙统一发送至所述主站设备； 步骤三:所述主站设备接收所有的业务数据，进行校验与确认后，完成数据传输。
9.如权利要求8所述的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的传输方法，其特征在于，进一步包括:所述主站设备发送的召测信号采用数据帧连续编号，所述核心网络区域和边缘网络区域中的从站设备根据所述编号判断是否发生漏接召测信号，若所述从站设备发现漏接则在竞争上传时隙向所述主站设备提交重发申请。
10.如权利要求8所述的混合拓扑网络超短波远程数据传输系统的传输方法，其特征在于，步骤二中所述边缘网络区域的从站设备向所述主站设备发送业务数据的方式还可以为:所述边缘网络区域的从站设备设置门限时刻，所述从站设备在门限时刻前根据所述路由表主动将业务数据发送至所述中继站，当所述中继站接收所述主站设备的召测信号时，所述中继站将 本站业务数据与保存的业务数据根据时隙统一发送至所述主站设备。
【文档编号】H04W84/18GK104080196SQ201310103282
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月28日 优先权日:2013年3月28日
【发明者】徐文超, 卢亮, 彭伟军 申请人:华东师范大学, 上海博彭电子科技有限公司