一种用于解决多节点传输争用PLC信道资源的方法与流程

本发明涉及信道传输技术领域，特别是一种用于解决多节点传输争用plc信道资源的方法。

背景技术：

电力线通信plc是一种前景非常广阔的配用电通信网通信方式，它可以降低网络建设的复杂性。由于电力线通信是采用电力线传输数据的通信方式，因此在配网中的建设成本极低。随着配电通信网的广泛发展，通信的管理和控制变得更加复杂。同时，随着多点传输数据量的加大，电网对通信的可靠性和传输质量的要求也更加严格。但是，电力线通信的传输距离有限，吞吐量受到电力负荷的波动影响较大，且容易收到接入用电设备的噪声影响。因此，解决多传输节点争用plc信道的问题，提高传输成功概率，对plc网络数据传输质量的提高有重要作用。

目前，o.amrani等提出了一种plc网络下的提供竞争监测和解决的介质访问控制(mac)协议。这是一种有效的随机访问控制协议。该协议的目的是令唯一一个节点竞争得到访问电力线信道的机会。但是该算法并没有考虑如何最大化plc通信传输成功概率。在plc通信中，吞吐量和时延也是一项非常重要的指标。t.elbatt等研究了电配电网通信中无线传输缩小时延的解决方法，但是并不能在plc网络环境下的配电通信网中使用。因此，为了提高plc网络竞争传输环境下的通信成功率，提高qos指标，设计一种解决plc访问冲突的方法具有很重要的研究价值。

为了解现有技术的发展状况，对已有的论文和专利进行了检索、比较和分析，筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息：技术方案1：专利号为cn102355405b的《低压配电网电力线通信系统数据包的路由转发方法》专利，涉及一种路由转发方法，主要通过十一步完成：第一，基站在低压配电网电力线通信网络中的全部n个节点发起组网广播，低压配电网电力线通信网络n个节点中的m个节点接收到基站的组网广播，并在mac层组成m-1边蛛网结构的第k层逻辑子网，n、m均为大于1的整数，且m<n，k＝1；；第二，在步骤一所述的m-1边蛛网结构的第k层逻辑子网内选择一个节点作为中心节点，所述中心节点为能够与所述第k层逻辑子网内的所有周边节点进行可靠通信的节点；第三，第k层逻辑子网的中心节点对低压配电网电力线通信网络中的全部n个节点中未组网的节点发起组网广播；第四，低压配电网电力线通信网络中的全部n个节点中未组网的节点中的w个节点接收到第k层逻辑子网的中心节点发起的组网广播，所述w个节点组成第k+1层逻辑子网，在所述第k+1层逻辑子网内选择一个能够与所述第k+1层逻辑子网内的所有周边节点进行可靠通信的节点作为中心节点，并令k＝k+1，返回执行步骤三，直至低压配电网电力线通信网络中的全部n个节点均实现与基站实现直接通信或中继通信，w为正整数；第五，令k＝1，低压配电网电力线通信网络中的每个节点初始化；第六，基站广播数据包，第k层逻辑子网内的节点均接收该数据包，当第k层逻辑子网内的节点接收到的数据包的数据源地址为基站地址时，则第k层逻辑子网内的每个节点均根据接收到的数据包创建数据包；第七，第k层逻辑子网内的周边节点将创建的数据包发给该层逻辑子网的中心节点，中心节点接收所有第k层逻辑子网内的周边节点发送的数据包，并形成第k层逻辑子网数据包，并将该数据包发送至基站，基站接收并记录第k层逻辑子网数据包；第八，第k层逻辑子网的中心节点广播第k层逻辑子网数据包，第k+1层逻辑子网内的节点均接收所述的第k层逻辑子网数据包，当第k+1层逻辑子网数据包的层数大于k层逻辑子网内节点的分层标志位时，第k+1层逻辑子网内的每个节点根据接收到的数据创建数据包；第九，第k+1层逻辑子网内的周边节点将创建的数据包发给该层逻辑子网的中心节点，该中心节点接收所有第k+1层逻辑子网内中的周边节点数据包，并形成第k+1层逻辑子网数据包，并将该数据包发送至第k层逻辑子网的中心节点；第十，当第k层逻辑子网数据包的节点层数小于第k+1层逻辑子网数据包的分层标志位时，第k层逻辑子网的中心节点将第k+1层逻辑子网数据包转发至基站，实现第k+1层逻辑子网与基站之间的数据通信；否则，返回执行步骤八；第十一，令k＝k+1，返回执行步骤八，直到每个逻辑子网内的节点，即低压配电网电力线通信网络中的全部n个节点均实现与基站进行数据通信时，结束低压配电网电力线通信系统数据包的路由转发。

技术方案2：专利号为cn103262434a的《用于电力线通信的介质访问控制层》专利，涉及一种用于电力线通信(plc)的介质访问控制(mac)层的系统和方法，主要通过四步完成：第一，接收在plc网络上传输的多个包，所述多个包中的每个与优先级代码关联，每个优先级代码与其相应的包的时间或到达所述plc设备的次序无关；第二，执行载波侦听多路访问即csma操作；第三，响应于允许传输的csma操作，传输所述多个包的第一子集，其中与所述第一子集中的包关联的优先级代码高于与所述多个包中的第二子集中的包关联的优先级代码；第四，缓冲在所述第二子集中的所述包，以便稍后在随后的csma操作后传输。

技术方案3：专利号为cn103370884b的《通过电力线通信的方法》专利，涉及一种用于在电力线通信(plc)中进行信道选择的系统和方法，主要通过三步完成：第一，定义多个帧，所述多个帧的每个帧具有多个时隙；第二，在所述多个帧的每个帧中的多个时隙的每个时隙内组装一对信标和带扫描分组；第三，通过电力线在多个不同频带的相应频带内向第二plc装置顺序传输所述多个帧的每个帧关联帧与频带或信道，将帧添加到超帧中。

技术方案1是采用一种路由转发方法，通过提出一种解决低压配电网电力线通信系统通信可靠性差的方法，利用人工蛛网组网技术在低压配电网电力线通信系统的mac层组成多个逻辑子网，将大型网络分割成若干小型子网进行数据传输，成功降低了总线型信道的数据冲突率，大幅度提高了信道的利用率和系统的效率，提高了低压配电网电力线通信系统的通信可靠性。该方法的优点是采用人工蛛网技术，将大型网络分割成若干小型子网进行数据传输，降低了总线型信道的数据冲突率，提高了信道的利用率和系统的效率，使得低压配电网电力线通信系统的通信可靠性得以大幅度提高。通过比较节点层数与分层标志位的数据，判断数据包的来源与去向，减少了数据被转发的次数，降低了信道的繁忙率。这种将大型网络分割成若干小型子网的数据传输方式有利于降低总线型信道的数据冲突率，提高信道的利用率和系统的效率。缺点是网络建设复杂度大。技术方案2是采用一种用于电力线通信(plc)的介质访问控制(mac)层的方法，接收在plc网络上传输的多个包，每个包均与优先级代码关联，每个优先级代码与其相应的包的时间或到达plc设备的次序无关，通过执行载波侦听多路访问(csma)操作，以及响应于允许传输的csma操作，传输多个包的第一子集。该方法的优点是可以识别包括与plc网络中邻近plc设备的多个服务节点中的每个关联的链路质量指示，在多个服务节点中选择具有最高lqi的一个，向排除了其他的服务节点的选择的服务节点传输推广所需要的包数据单元，缺点是没有考虑系统吞吐量。技术方案3的方法采用定义多个帧，每个帧具有多个时隙。在每个帧的每个时隙内组装一对信标与带扫描分组，在多个不同频带的相应频带上顺序传输每个帧。每个带扫描分组可包括指示其在其帧内位置的时隙索引或指示多个不同频带的一个频带的带索引。响应于已传输多个帧，该方法可包括接收一个或更多个分组，分组指示多个不同频带的一个或更多个频带的选择以用于后续的通信。该发明的优点是考虑了分时传输，提高了系统的传输能力，但是未考虑具体情况下的传输质量控制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种用于解决多节点传输争用plc信道资源的方法，解决多节点传输争用plc信道资源的方法，通过时域和频域复用的方式，提高传输成功概率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种用于解决多节点传输争用plc信道资源的方法，包括以下步骤：

步骤一、将n个节点都连接在一个plc网络中，每个节点包括发送机和接收机，将时间划分成固定大小的传输周期，plc网络的上行、下行信号分别由发送机的馈送端口和接收机的接收端口传输与接收；在每个传输周期中，发送机或接收机采用多个频率信道；

步骤二、plc网络中所有节点的时间同步，发送机之间的信道争用发生在频域中：每个发送机在传输周期的开始时，随机拾取信道，如果存在争用问题即一个以上的发送机选择相同的信道，则通过在每个时隙中随机执行载波感测操作和载波传输操作来解决争用问题；

步骤三、在每个时隙中，如果检测到信道繁忙，则发送机推迟数据包传输至下一发送周期；如果发送机无法探测到载波，争用问题会继续存在；在最后一个时隙，剩余的发送机发送节点所选择通道上的前同步码；在此之后，接收机从第一个信道开始扫描，当监测到第一非空闲频信道的数据包时，锁定并接收。

作为本发明所述的一种用于解决多节点传输争用plc信道资源的方法进一步优化方案，上行信号或下行信号传输成功的概率平均值πp为

其中，pn(n)是节点网络的概率密度分布函数，πp(n)是信号传输成功的概率，n∈{2,...,n}，n表示连接到总线的节点数量。

作为本发明所述的一种用于解决多节点传输争用plc信道资源的方法进一步优化方案，n为50。

作为本发明所述的一种用于解决多节点传输争用plc信道资源的方法进一步优化方案，n为49。

作为本发明所述的一种用于解决多节点传输争用plc信道资源的方法进一步优化方案，n为51。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明方法利用两个频域和时域的选择来解决总线访问冲突提出了plc争用解决方法，并可以提高系统性能；

(2)本发明方法令系统具有更好的抵抗信号冲突的能力，系统吞吐量和时延情况都得到改善。

附图说明

图1是信道竞争示意图。

图2是冲突解决算法模型图。

图3是n＝50，m＝2，k＝6时的信号成功传输的概率。

图4是γ＝0.6时的信号成功的传输概率。

图5是不同时隙数下的吞吐量变化。

图6是γ＝0.6时网络规模变化对系统成功传输概率的影响。

图7是25个节点参与竞争时的传输时隙分布图；其中，(a)是25个节点的网络中，发送第一个分组时，信道竞争时的传输时隙分布，(b)是25个节点的网络中，发送所有分组时，信道竞争时的传输时隙分布。

图8是5个节点参与竞争时的传输时隙分布图；其中，(a)是5个节点的网络中，发送第一个分组时，信道竞争时的传输时隙分布，(b)是5个节点的网络中，发送所有分组时，信道竞争时的传输时隙分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的目的在于研究解决多节点传输争用plc信道资源的方法，通过时域和频域复用的方式，提高传输成功概率。基于mac层理论，设计冲突解决算法，通过概率分析，计算出每个信道的最优传输向量，利用过滤协议选择竞争时隙，最后计算吞吐量，分析方法的性能指标。

通过研究发现，使用多个频率信道可以潜在地通过信道间周期性切换防止干扰，提高系统对噪声干扰的鲁棒性。在一个时隙当中，节点会感应到繁忙的信道，并把它们从竞争中强制下线，在一个相同的信道发送载波的节点将移动到下一个时隙。本发明的目的是研究一种新的plc网络mac协议，通过时域和频域复用相结合的方式，解决传输信道争用问题。协议的工作方式如下：首先，每个发射器在基于一定的概率选择一个可用的信道频率，然后，在每一个频率信道下，分成多个时隙传送载波，以解决信道争用。在最后一个时隙，接收机从第一个信道开始扫描信号电平，从第一个非空频率数据包开始锁定并进行接收。该方法的目标是通过导出分布式信道选择和冲突解决，减少信道争用的可能性。

n个节点都连接到一个plc网络中。时间被划分成固定大小的传输周期，其中发送机或接收机可以使用多个频率信道。假设每个节点包括一个信号馈送和接收端口，plc网络中的所有节点均为时间同步。首先，发送机之间的信道争用发生在频域中，每个发送机在传输周期的开始时，随机拾取的信道。然后，如果存在一个以上的发送机选择相同的信道，则争用问题通过在每个时隙中随机执行载波感测操作(cs)和载波传输操作(ct)解决。在每个时隙中，如果检测到信道繁忙，则发送机推迟其传输至下一发送周期。如果发送者无法探测到载波，争用会继续存在。在最后一个时隙，剩余的发送器发送其选择通道上的长前同步码。在此之后，接收机从第一个信道开始扫描，当监测到第一非空闲频信道的数据包时，锁定并接收。

图1是信道竞争示意图。下面给出一个解决节点信道争用的例子。假设有三个时隙，并且左和右分支分别对应于载波感测操作和载波传输操作。在第一时隙中，每个节点以概率q选择载波传输，选择载波感测操作的节点意味着信道被占用，将退出竞争。在第二时隙中，如果节点已在第一时隙发送载波，则节点以概率q1选择载波传输，反之选择载波传输的概率是q0。每个时隙的载波传输概率概率确定方式相同对于k个争用时隙的情况下，如果描述一组k个二进制数字的整个过程，其中第1位和0对应于载波传输和载波感测的操作，可以得到，高优先级节点能最大程度赢得竞争。

图2是冲突解决算法模型图。假设在给定时间内，n个节点尝试发送过直流电源线的数据包，在已知所有节点的网络中，概率密度函数分布为

其中，n∈{2,...,n}，n表示连接到总线的节点数量，γ表示形状分布参数；

令p＝(p1,p2,...,pm)表示信道分配因子，其中pm表示第m个信道被发送机选择的概率，1≤m≤m且m为整数，假设冲突选择算法应用在k个时隙中，令q^(m)表示模为的概率矩阵，k表示时隙数；对于所有的m个信道，概率矩阵表示成q＝[q⁽¹⁾,q⁽²⁾,...,q^(m)]^t，t为转置；假设存在冲突的发送机数量是n，m信道下数据传送成功当且仅当m是第一个非空频率信道，且只有一个节点在m信道中传输信号；传输成功的概率表示为

其中，p0为0，pm表示第m个信道被发送机选择的概率，τq(m)(i)为m信道中有i个节点选择时成功解决冲突的概率；

对于向量p，其分量表示为

其中，m∈{1,...,m}，l∈{1,...,n}，pn(n)表示网络中n个节点发送数据包的概率密度函数。表示向量p的第m个分量，则m信道中冲突节点个数的概率密度分布函数为

πp表示通信成功概率的平均值。

下面通过冲突解决算法在假定pm已知的情况下，求解的矩阵q，以得到πp的最大值。

步骤1：令对g(z)关于z求二阶导数。设参数u，令u0＝0

步骤2：初始化参数。设置b＝2^k，b＝10b，u0＝0。

步骤3：对i＝1到b，令

步骤4：令x(0)＝0,x(b)＝1。对t＝1到b-1，令

步骤5：令对l＝1到k-1，令l＝2^k-l-1。

步骤6：对j＝0到2^l-1，将j转化成l位二进制数c。则

下面结合实例说明：

假设，n＝50，m＝2，k＝6，则不同分布形状参数下的成功传输的概率分布如图3所示，可以得到分布形状参数γ＝0.6时，成功传输概率分布最佳。因此，分析γ＝0.6、时隙数不同时的成功传输概率分布，如图4所示。

从图4可以看出，成功传输概率和系统吞吐量随时隙数的变化发生明显变化。随着竞争时隙数和频率信道的增加，成功传输概率也在增长。但是，随着竞争时隙数的增加，多个频率信道的增益减小。

假设，数据包的大小相对增加，设γ＝1/60。在图5中，每个点表示该条曲线所示的系统最大吞吐量。可以得到，随着时隙数的增加，信道数越小，最大吞吐量越大。当时隙数较大时，增加信道数量并不会提升系统性能。

图6表示γ＝0.6时网络规模变化对系统成功传输概率的影响。可以得出，当k＝6，m＝2时，系统传输成功概率的下降最小。

图7表示在n＝50，γ＝0.6，k＝4，m＝3的环境下，当有25个节点参与竞争时数据包的传输时隙数概率分布情况。图7是25个节点参与竞争时的传输时隙分布图；其中，图7中的(a)是25个节点的网络中，发送第一个分组时，信道竞争时的传输时隙分布，图7中的(b)是25个节点的网络中，发送所有分组时，信道竞争时的传输时隙分布。

图8表示在n＝50，γ＝0.6，k＝4，m＝3的环境下，当有5个节点参与竞争时数据包的传输时隙数概率分布情况。图8是5个节点参与竞争时的传输时隙分布图；其中，图8中的(a)是5个节点的网络中，发送第一个分组时，信道竞争时的传输时隙分布，图8中的(b)是5个节点的网络中，发送所有分组时，信道竞争时的传输时隙分布。

从图7和图8的对比可以得出，该方法对于不同竞争情况的网络都具有减缓时延的特性。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。