一种双模融合组网方法及通信方法与流程
本发明属于通信技术领域，尤指涉及一种基于电力线载波和微功率无线通信的双模融合组网方法及通信方法。
背景技术：
随着信息处理和通信技术的快速发展，智能物联网得到了蓬勃发展，智能物联网可以将工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统中如传感器、移动终端等末端设备和设施通过无线和有线的通信网络进行互联互通，从而实现对设备/设施的高效、节能、安全、环保的“管、控、营”一体化。
全覆盖、无盲点、稳定可靠的局域网络连接是智能物联网的关键技术，只有设备之间具备稳定、可靠和高速的信息传输链路，才能在此基础上开展后续的网络应用开发工作。由于市场潜力巨大，目前，世界各国的相关研究机构和商业公司已经开发了很多种不同类型的通信技术，如zigbee、wi-fi、蓝牙、z-wave、nb-iot、lora、lpwan、电力线载波通信和微功率无线通信技术等。在中国，电力线载波通信和微功率无线通信是应用最好、最广泛的两种通信技术，并占据了市场主导地位。特别是在电力物联网领域中已经有数亿只智能电表应用了这两种技术进行自动集抄和网络管理，很大程度提升了我国电网的自动化、信息化和智能化水平。
电力线载波通信技术和微功率无线通信技术各具特点。电力线载波通信技术是利用现有电力线作为信息传输媒介，组建宽带通信网络，具有无需重新架设网络、可快速实现网络部署以及安装成本低的特点。但通信过程中，由于电力线通信信道的电磁环境复杂，电力线载波通信的质量会受到如电力负荷情况复杂、噪声干扰强且具有时变性、信号衰减大等因素的影响，在应用中存在一定的局限性。微功率无线通信技术利用空间电磁场传输电磁波信号，无需考虑线路状况，但其在高楼间或屏蔽场所等信道环境下，信号穿透障碍物能力差，信号衰减速度快，同时由于频率资源非常有限，信号带宽较小，其在非专用授权频段上容易受到其它通信源的干扰，因此通信质量也存在一些不足之处。
随着芯片技术的快速发展，业界已经具备在一个设备的有限空间中同时安装和运行电力线载波和微功率无线的通信芯片的能力，因此双模通信已经具备了工程上的可行性。但由于这两种通信技术的通信协议的基本原理相差较大，且是相互独立运行的，融合度较低，因此，如何能充分结合电力线载波和无线各自的优点，使两种不同通信方式可以互为备用，弥补单模通信手段的不足，通过双模通信方式进行高效混合组网，以提升网络通信的稳定性和可靠性，为物联网提供更加鲁棒的通信保障成为了一个研究焦点。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于电力线载波和微功率无线通信的双模融合组网方法。
本发明的另一目的在于提供一种基于电力线载波和微功率无线通信的双模融合通信方法。
为了实现上述第一目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种双模融合组网方法，网络中包括主节点和附属于所述主节点的从节点，网络具有电力线载波通信信道和微功率无线通信信道，网络触发组网需求后，组网过程包括以下步骤：
主节点被触发并在电力线载波通信信道和微功率无线通信信道均执行一个组网超帧，所述组网超帧依次包括主节点信令时隙区、入网从节点信令时隙区和未入网从节点信令时隙区，其中主节点信令时隙区包含g个信令时隙，入网从节点信令时隙包含k个信令时隙，未入网从节点信令时隙区包含l个信令时隙，k为本组网超帧触发时已入网节点的数量，l为本组网超帧触发时未入网从节点的数量；
主节点在组网超帧的主节点信令时隙上向从节点发送入网邀请信令，入网邀请信令中携带的信息包括网络名称、主节点的网络短地址、自身下行层数以及本组网超帧的时隙构成信息；
从节点在组网超帧中属于自己的信令时隙上接收/发送信令：对于已入网从节点，如果接收到其它网络短地址比自己小的节点发送的入网邀请信令，则在本组网超帧属于自己的信令时隙上上中继发送该入网邀请信令；对于未入网的从节点，如果接收到收到主节点或其它入网从节点发送的入网邀请信息，则根据入网邀请信令中包含的本组网超帧的时隙构成信息和当前信号发送节点的网络短地址计算本组网超帧中未入网从节点信令时隙区的信令时隙的时间位置，并从中随机选择一个作为自己的信令时隙，然后在该信令时隙上发送入网申请信令；
已入网从节点接收到其它从节点发送的入网申请信令，且自己是该信令的上一级中继节点，则在属于自己的信令时隙上中继发送该入网申请信令；
主节点收到某个从节点的入网申请信令后，如果该从节点的设备id号在白名单中，则向其发送入网同意信令，如果该从节点的设备id号不在白名单中，则向其发送入网拒绝信令；
已入网从节点收到入网同意信令或入网拒绝信令后，查看自己是否保存有该信令中的节点设备id号，如果没有则丢弃，如果有，则在属于自己的信令时隙上中继发送该信令；
未入网从节点收到入网同意信令后，基于主节点所分配的网络短地址值来占用属于自己的信令时隙；如果未入网从节点收到入网拒绝信令，则搜索其它子网发送的入网邀请信号；
一个组网超帧执行完成后，主节点判断是否白名单上的所有从节点都实现入网，如果所有从节点已经入网，则组网完成，否则主节点进一步判断预设的网络初始组网时间是否已经耗尽，如果网络初始组网时间已到，则结束组网；如果白名单上仍有节点未入网且网络初始组网时间未到，则主节点触发执行一个组网超帧，在新的组网超帧的主节点信令时隙上向从节点发送入网邀请信令，重复以上步骤，直至组网结束。
进一步的，从节点中继发送的入网邀请信令中的信息包括：本子网的网络名称、从节点的网络短地址、自身下行层数和本组网超帧的时隙构成信息。
进一步的，未入网的从节点发送的入网申请信令所携带的信息包括：申请入网的网络名称、申请节点的设备id号、和指定的上一跳中继节点的网络短地址。
进一步的，主节点发送的入网同意信令的内容包括申请节点设备id号、主节点给这个申请节点所分配的网络短地址；主节点发送的入网拒绝信令的内容包括申请节点设备id和拒绝入网理由。
进一步的，未入网从节点在属于自己的信令时隙通过竞争方式来发送入网申请信号。
为了实现上述第二目的，本发明采取如下的技术解决方案：
采用前述双模融合组网方法进行组网的网络的通信方法，包括以下步骤：
s1、通信业务产生后，主节点被触发并在电力线载波通信信道和微功率无线通信信道均执行一个通信业务超帧，对于可控业务，主节点触发后执行步骤s2至s5；对于非可控业务，主节点触发后执行步骤s6；
s2、主节点触发的通信业务超帧依次包括信令时隙区、csma时隙区和tdma时隙区，信令时隙区中包含有分配给主节点使用的信令时隙和分配给网络下行最小联通集合中的从节点使用的信令时隙；主节点在属于自己的信令时隙上发送业务信令，业务信令的内容包括：本通信业务超帧的时隙划分信令和数据上报指示信令，其中，本通信业务超帧的时隙划分信令的信息包括信令时隙区所包含的信令时隙的数量、网络下行最小联通集合的网络分组短地址、csma时隙区时间长度、tdma时隙区所包含的时隙的数量、tdma时隙大小以及本通信业务超帧后续的空闲区时间长度；数据上报指示信令的信息包括：数据上报从节点名单、要求上报的数据类型和大小，数据上报从节点名单中的节点被分配至电力线载波信道上报节点集合和微功率无线信道上报节点集合中；
s3、网络下行最小联通集合中的从节点收到业务信令后，在属于自己的信令时隙上进行信令内容的中继发送；
s4、从节点收到业务信令后，获得本通信业务超帧的csma时隙区和tdma时隙区的起始位置和结束位置以及tdma时隙区的时隙分配情况，数据上报从节点名单上的从节点在tdma时隙区根据信令指示在属于自己的时隙上发送对应的业务数据，如果从节点产生了随机触发业务的发送需求，则在csma时隙区进行信号发送；
s5、对于通过电力线载波信道或通过微功率无线信道进行通信的从节点，当对应信道上报节点集合中的从节点都完成了1次信号发送后，主节点在相应的信道上再持续运行e个通信业务超帧，直至对应信道上报节点集合的所有从节点都分配到1个tdma时隙，e为对应信道上报节点集合中从节点和主节点的上行传输跳数最大值；在后续运行的e个通信业务超帧中，主节点在属于自己的信令时隙上发送业务信令，业务信令的内容具体为本通信业务超帧的时隙划分信令和tdma时隙分配信令，其中，本通信业务超帧的时隙划分信令的信息包括信令时隙区所包含的信令时隙的数量、网络下行最小联通集合的网络分组短地址、csma时隙区时间长度、tdma时隙区所包含的时隙的数量、tdma时隙大小以及本超帧后续的空闲区时间长度；tdma时隙分配信令的信息包括：对应分配的从节点数量、所分配的从节点的短地址及对应分配时隙数量；
s6、主节点触发的通信业务超帧依次包括信令时隙区和csma时隙区，信令时隙区中包含有分配给主节点使用的信令时隙和分配给网络下行最小联通集合中的从节点使用的信令时隙；主节点在属于自己的信令时隙上发送业务信令，业务信令的内容包括：本通信业务超帧的时隙划分信令，信令的内容包括信令时隙区所包含的信令时隙的数量、网络下行最小联通集合的网络分组短地址、csma时隙区时间长度以及本通信业务超帧后续的空闲区时间长度；
s7、网络下行最小联通集合中的从节点收到业务信令后，在属于自己的信令时隙上进行信令内容的中继发送；
s8、从节点收到业务信令内容，获得本通信业务超帧的csma时隙区的起始位置和结束位置以及后续的空闲区时间长度；如果从节点产生了随机触发业务的发送需求，则在csma时隙区进行信号发送；所有从节点在空闲区执行深度休眠机制，待空闲区时间结束后，所有网络从节点自动恢复通信功能。
进一步的，通信过程中，从节点按以下方法选择通信信道：
如果该通信业务是基于主节点的信令要求而发送的，则采用和主节点发送信令相同的通信信道进行发送；如果该通信业务是从节点自身临时随机触发的，则查看从节点自身和上级中继节点的链路情况，并判断是否存在两种通信信道，如果是，则等待两个通信信道的业务发送窗口，哪个通信信道的业务发送窗口先来临，就是用哪个通信信道进行信号发送，并停止另一通信信道的相关进程，如果不存在两个通信信道，则等待业务发送窗口的来临，并以该业务发送窗口的通信信道进行信号发送。
进一步的，按照以下条件对具有上报业务的从节点进行划分：
进一步的，步骤s5中，通信业务超帧中主节点对tdma时隙的分配方法如下：
在e个通信业务超帧中的第1个超帧中，主节点为第一上行中继从节点集合φ1中的m1个节点依次分配m1,1,m1,2,...,m1,m1个tdma时隙，第一上行中继从节点集合φ1中包含了电力线载波信道上报节点集合f1中的节点所对应的上行中继从节点，m1,1,m1,2,...,m1,m1依次为第一上行中继从节点集合φ1中的节点在电力线载波信道上报节点集合f1中各自对应的节点数量；
在e个通信业务超帧中的第2个超帧中，主节点为第二上行中继从节点集合φ2中的m2个节点依次分配m2,1,m2,2,...,m2,m2个tdma时隙，第二上行中继从节点集合φ2中包含了第一上行中继从节点集合φ1中的节点对应的上行中继从节点，m2,1,m2,2,...,m2,m2依次为第二上行中继从节点集合φ2中的节点在第一上行中继从节点集合φ1中各自对应的节点数量；
以此类推，在e个通信业务超帧中的第e个超帧中，主节点为第e上行中继从节点集合φe中的me个节点依次分配me,1,me,2,...,me,me个tdma时隙，第二上行中继从节点集合φe中包含了第e-1上行中继从节点集合φe-1中的节点对应的上行中继从节点，me,1,me,2,...,me,me依次为第e上行中继从节点集合φe中的节点在第e-1上行中继从节点集合φe-1中各自对应的节点数量，e＝3,……,e。
进一步的，步骤s2中，tdma时隙区所包含的时隙的数量等于本次数据上报从节点名单中从节点的数量，tdma时隙区中的时隙平均按顺序分配给上报从节点名单中的从节点，tdma时隙大小为上报数据大小除以载波测物理层数据波形的通信速率。
进一步的，步骤s4和步骤s8中，从节点在csma时隙区使用csma类的信道竞争接入方式进行信号发送。
进一步的，网络下行最小联通集合按以下方法确定：
主节点从下行层数为p的节点集合ωp中挑选部分节点来实现对下行层数为p+1的节点的覆盖，p＝1,2,……,p-1；p为网络最大下行层数；
节点的挑选步骤如下：对于下行层数为p的节点集合ωp和下行层数为p+1的节点集合ωp+1，从ωp中选出一个信号可以覆盖ωp+1中的节点数量最多的节点j1，然后将节点j1从ωp中删除，并将节点j1所覆盖的节点从ωp+1中删除，重复以上步骤，直至ωp+1中节点数量为0，将选出的节点加入至网络下行最小联通集合中。
由以上技术方案可知，本发明对于物理层具有两种不同通信手段的网络，设计了可以融合电力线载波和微功率无线两种通信技术的组网方法和通信方法，使得两种通信手段在网络组网及通信应用中得到了融合，节点在组网或通信过程中，可以按需选择效果更好的通信信道，既能满足单模通信网络的独立运行，也可以满足双模通信网络的混合运行，从而更好地发挥物理层具有两种不同通信手段的优势，为物联网提供更好的网络通信保障能力。本发明组网方法及通信方法的自适应性强，具有较强的鲁棒性，可以灵活满足物联网不同部署场景和业务模型的通信需求，支持智能物联网在不同领域的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于电力线载波和微功率无线双模通信的双模融合协议栈的示意图；
图2为本发明双模网络上两种超帧的结构示意图；
图3为本发明组网超帧时隙结构的示意图；
图4为本发明通信业务超帧时隙结构的示意图；
图5为本发明可控业务产生后的第一个通信业务超帧时隙结构的示意图；
图6为本发明实施例网络拓扑图；
图7为本发明实施例通信业务超帧的时隙结构和时隙分配图；
图8为本发明实施例主节点触发的通信业务超帧时隙结构的示意图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
本发明方法是基于电力线载波通信技术和微功率无线通信技术的双模融合组网及通信方法，因此所用的通信协议应具备以下特性：
协议架构的统一性：通过采用相同架构的协议栈，克服两种通信技术物理层通信能力存在的差异性，避免为两种通信手段各自研发不同的协议栈；
单模工作的独立性：通信协议应支持某一模通信方式出现故障时，另一个模通信方式可以单独运行，以保证网络的正常运行；
高度的自适应性：物联网业务模型和网络形式复杂，通信协议可以灵活满足不同部署场景和业务模型的通信需求；
主从式网络运行模式：采用主从式的网络运行模式，网络主节点是整个网络运行的唯一规则制定者和管理者，并通过信令通知方式告知网络从节点相关的网络运行参数，而从节点则完全基于主节点的信令内容执行相应的动作。主从式的网络运行模式将网络协议复杂度集中至主节点，而数量众多的从节点则可运行比较简单的协议，避免复杂计算，以简化数量众多的从节点的协议复杂度，从而为从节点成本降低奠定基础，以降低对从节点的硬件设备要求。
图1为本发明基于电力线载波和微功率无线双模通信的双模融合协议栈的示意图，考虑到电力线载波和微功率无线的协议一致性，两种通信方式的链路层协议的原理和内容应该基本保持一致。但目前电力线载波信道带宽较大，物理层通信速率已经达到mbps量级，而微功率无线的信道带宽较窄，物理层通信速率一般为百kbps量级，为适应两种通信手段在物理层通信能力上的差异性，两者在一些协议实施细节方面允许存在一定的差异性。
如图2所示，两种网络模式下的网络超帧都不采用固定的结构，由而是由网络主节点根据网络当前情况自适应决策，并通过信令来告知全网节点，网络主节点对超帧结构具有完全自主决策权，包括：
不强制规定电力线载波和微功率无线的超帧结构在时间轴上的关联性，主节点可以自主决定两种超帧的起始位置和结束位置，不一定要求两者在时间轴上一定要对齐或不对齐；
不强制规定电力线载波及微功率无线的不同超帧的时间长度一定要相同，即允许同一通信方式中的不同超帧的时间长度是不同的，也可以是相同的；
不强制规定同一通信方式中的相邻超帧之间的时间连续性，即允许一个超帧结束后，主节点不一定要立刻发起下一个超帧，可以按需决定深度休眠一段时间后再发起下一个超帧。
以上的超帧结构可以避免将电力线载波和微功率无线的超帧结构进行捆绑设计，既能更好地适应两种不同通信手段在物理层通信能力上的差异性，又可以为单模的独立运行提供更好支持。同时网络节点在空闲区可执行深度休眠机制，为设备的低功耗设计和降低不同子网之间的通信冲突提供协议支持，拓展应用范围。
网络中主节点的网络短地址默认为0，入网过程中，主节点会为每一个从节点分配一个在网络中的唯一短地址，取值范围为[1，g]，g为网络中入网从节点的数量。使用t个比特来表示一个节点在网络中的地址，即网络短地址，为保证足够的地址空间，要求2t-1>g+1。网络在运行过程中，为提升信令效率，主节点根据网络路由情况或业务通信情况，对网络中的某部分节点分配一个网络分组短地址，取值范围为[g+1,2t-1]，用于指示该分组中的所有节点，并会通过信令方式向全网广播相关信息，即该网络分组短地址中所包含的节点网络短地址。默认含全网从节点的分组短地址为2t-1，一个节点可以归属于多个不同的网络分组短地址。每个从节点在在出厂时会获得一个唯一的设备id号，以标注本节点的身份信息。主节点组网时将执行白名单政策，白名单中包括所有属于本子网的从节点的设备id号，主节点只允许该名单上从节点加入网络。
图3为组网阶段的超帧结构示意图。电力线载波通信模式和微功率无线通信模式的组网超帧结构相同。如图3所示，组网阶段的网络超帧包含2n+8个信令时隙，n为主节点白名单上从节点的数量，相邻网络超帧之间的空闲区的长度均为0。在组网阶段网络超帧的结构及时隙划分具体如下。组网阶段的超帧包括3个用途不同的信令时隙，依次为：主节点信令时隙区、入网从节点信令时隙区和未入网从节点信令时隙区，每个超帧中的前g(g＝8)个信令时隙为主节点信令时隙区，固定分配给主节点使用；第9～k+8个信令时隙为入网从节点信令时隙区，分配给已经入网的k个从节点使用，k为已入网节点的数量(k是动态值，在不同超帧中将随着入网节点数量的变化而变化)；最后的l个信令时隙为未入网从节点信令时隙区，分配给未入网的从节点使用，l为未入网从节点的数量，l也为动态值，l＝2n-k，未入网从节点信令时隙用于给未入网从节点通过竞争方式来发送入网申请信号。
为保证信令内容的正确传输，在信令时隙上使用速率低，鲁棒性和可靠性高以及通信距离大于数据传输波形的物理层波形，本发明中电力线载波侧的超帧及微功率无线侧的超帧，信令时隙长度都是固定的，具体值由自身物理层的最低速率波形和一个信令时隙所承载的最大信令比特长度来共同决定，考虑到信令开销和信令通信可靠性，信令时隙长度不宜过长，具体值根据网络实际应用场景来决策。电力线载波侧的超帧及微功率无线侧的超帧中的1个信令时隙所承载的最大信令比特长度相同，但信令时隙长度不同(受物理层通信能力不同的影响)。
网络主节点工作后，首先进入初始组网阶段，此阶段的目标是主节点迅速引导归属于本子网且在网络信号覆盖范围内的所有从节点实现入网，本发明方法将电力线载波通信和微功率无线通信技术融合，因此主节点组网时在电力线载波信道和微功率无线信道同时启动组网流程，从节点也在电力线载波信道和微功率无线信道同时启动入网流程，两个通信信道上的组网过程是相互独立的，本发明的组网方法包括步骤如下：
网络触发组网需求后，主节点被触发并开始执行组网超帧，主节点分别在电力线载波的组网超帧中主节点信令时隙以及微功率无线的组网超帧中主节点信令时隙同时向从节点发送入网邀请信令，入网邀请信令中携带的信息包括本子网的网络名称、主节点的网络短地址、自身下行层数(默认为0)以及本组网超帧的时隙构成信息(n和k的数值大小)；
从节点在对应信道的组网超帧中属于自己的信令时隙上接收/发送信令；对于已入网的从节点，如果该从节点在某个组网超帧中收到其它网络短地址比自己小的节点(包含主节点或从节点)发送的入网邀请信令，则在本组网超帧属于自己的信令时隙上(第k+8个信令时隙)上中继发送入网邀请信令(k为已入网从节点的网络短地址)，实现该信息的多跳扩散；从节点中继发送的入网邀请信令中的信息包括：本子网的网络名称、从节点的网络短地址(k)、自身下行层数和本组网超帧的时隙构成信息；自身下行层数的计算机制为：在从节点的可以正确接收其所发送的信令信号的邻居节点集合中，如果下行层数最小值为n，则自身下行层数为n+1；
对于未入网从节点来说，如果该从节点在某个组网超帧中收到主节点或其它入网从节点发送的入网邀请信息并实现了本组网超帧的时间同步后，根据本组网超帧的时隙构成信息和当前信号发送节点的网络短地址计算出本组网超帧的l个信令时隙的时间位置，然后在这些信令时隙中随机选择一个作为自己的信令时隙，并在该信令时隙上发送入网申请信令，入网申请信令所携带的信息包括：申请入网的网络名称、申请节点的设备id号、和指定的上一跳中继节点的网络短地址(主节点和从节点都可以)；可选的，考虑到相关多跳传输所需的时延以及信令信号传输丢失等原因，未入网节点发送1次入网申请信令后，如果在预定周期内(如10秒内)没有收到回应(入网同意信令或入网拒绝信令)，则更换上一跳中继节点，再次发送入网申请信令，直至收到回应或入网申请信令发送次数达到上限；进一步的，从节点如果可以收到不同子网的信号，则在一个子网申请入网失败后将向另一个子网发起新的入网申请；
如果已入网从节点接收到其它从节点(该从节点可以是入网申请信令的发起节点，或者是中继节点)发送的入网申请信令，且自己是该信令的上一跳中继节点，则在自己的预分配信令时隙上中继发送该入网申请信令(该已入网从节点短地址为x，则其预分配信令时隙为超帧的第x+8个时隙)；同样的，该已入网从节点也会指定一个节点充当其上一跳中继节点并更新替换该入网申请信令中的中继节点的网络短地址；可选的，上一跳中继节点的选择机制为：自己可以收到该节点发送的信令信号、下行层数最小、且接收信号质量最好；信令中继发送完成后，该已入网从节点将在自己内存中保存入网申请信令的申请节点的设备id号；
主节点收到一个从节点的入网申请信令后，如果该从节点的设备id号在白名单中，则向其发送入网同意信令，信令内容包括申请节点设备id号、主节点给这个申请节点所分配的网络短地址；主节点从未分配的短地址集合[1，n]中挑选出最小的一个；而如果该从节点的设备id号不在白名单中，则向其发送入网拒绝信令，信令内容包括申请节点设备id和拒绝入网理由，用于指示该从节点重新搜索其它网络；可选的，由于信道的不可靠而导致信令丢失时，主节点向某个申请入网的从节点发送入网同意或入网拒绝信令后，仍可能继续多次收到该节点的入网申请信号，可设定主节点在预定周期内(如每5秒)最多向相同节点回应1次入网申请信号，且如果是同意其入网，则主节点后续发送的入网同意信令中为其所分配的网络短地址一直和第1次发送的相同，从而避免出现一个节点被分配两个不同网络短地址的场景；
已入网从节点收到入网同意信令或入网拒绝信令后，查看该信令中的节点设备id号是否保存在自己内存中，如果没有则丢弃，如果有，则意味着自己曾是这个节点的入网申请信令的中继发送节点，因此将在自己的预分配信令时隙上中继发送该信令；可选的，由于一个节点可能从不同节点收到相同内容的入网同意信令或入网拒绝信令，为避免相同内容的重复发送而造成网络组网效率下降，一个从节点在预定周期内(例如5秒内)不重复中继发送相同内容的入网同意信令和入网拒绝信令；
如果未入网从节点收到入网同意信令，意味已经成功入网，将基于主节点所分配的网络短地址值来占用自己的预分配信令时隙；如果未入网从节点收到入网拒绝信令，则开始搜索其它子网发送的入网邀请信号；
当一个组网超帧执行完成后，主节点判断是否白名单上的所有节点都实现入网，如果所有从节点已经入网，则组网完成，否则主节点进一步判断预设的网络初始组网时间(例如10分钟)是否已经耗尽，如果网络初始组网时间已到，则组网结束；如果白名单上仍有节点未入网且网络初始组网时间未到，则主节点继续触发执行一个新的组网超帧，在新的组网超帧的主节点信令时隙上向从节点发送入网邀请信令，重复以上步骤，直至组网结束。
网络在组网完成的模式下进入业务通信阶段，物联网中只有主节点和从节点之间有业务通信需求，从节点之间不存在业务通信需求。将主节点为源节点、从节点为目的节点的业务定义为下行业务，反之，从节点为源节点、主节点为目的节点的业务定义为上行业务，对应的路由也分别为下行路由和上行路由。网络中的业务有两类：主节点发起的可控业务和从节点发起的随机触发业务，其中可控业务是指由主节点按需触发的网络某种通信需求，典型场景为通过信令方式要求网络中的部分从节点或全部从节点上报某指定类型和大小的数据，这类业务的通信需求是主节点可知和可控的；而随机触发业务则是指某个从节点在网络运行过程，突然产生了向主节点发送数据的需求，这类业务的通信需求是随机触发产生的，无法被主节点感知和控制。基于上述业务通信模型，网络采用多层级树形拓扑，即以主节点为中心，以网络中的部分从节点为中继节点，形成一个主节点连接所有从节点的多跳网络。
本发明业务通信阶段的超帧结构与组网阶段的超帧结构不同，但电力线载波通信模式和微功率无线通信模式的通信业务超帧结构相同。如图4所示，业务通信阶段的超帧包括3中类型的时隙，依次是：信令时隙区、csma时隙区、tdma时隙区。其中，信令时隙区用于信令内容的发送，信令时隙区包含x个长度相同的信令时隙，通信业务超帧中的信令时隙和组网超帧中的信令时隙相同，x的取值由主节点根据当前网络信息决定。csma时隙区不进行时隙划分，以竞争接入方式用于信令内容和业务数据的发送，csma时隙区的时间长度为动态值，由主节点根据当前网络信息和状态决定。tdma时隙区含有y个长度相同的时隙，以无竞争接入方式用于信令内容或业务数据的发送，其中在每一个通信业务超帧的时隙数量y值以及数据时隙的时间长度为动态值，由主节点根据当前网络业务传输需求决定。可选的，为增加协议灵活性，一个通信业务超帧中允许csma时隙区和tdma时隙区的长度为0。
在业务通信阶段，本发明采用混合信道接入方案，以更好的保障网络中的可控业务和随机触发业务的传输需求。如果网络在运行过程了产生了可控业务，即主节点要求网络中的部分从节点或全部从节点向主节点上报某指定类型和大小的数据，则主节点在决策超帧时隙结构时将以tdma时隙区为主，csma时隙区为辅；而如果没有可控业务，则csma时隙区为主，tdma时隙区为0。
当存在可控业务时，即主节点通过信令要求网络中部分从节点或全部从节点上报某指定类型和大小的数据。将上报节点集合记为f，将上报节点集合f中的节点进一步划分至电力线载波信道上报节点集合f1和微功率无线信道上报节点集合f2中，上报节点集合f中的节点划分依据如下：
可控业务产生后，主节点触发第一个通信业务超帧，如图5所示，第一个通信业务超帧包括信令时隙区、csma时隙区和tdma时隙区，其中信令时隙区的信令时隙的数量x＝w+8，前面8个时隙分配给主节点，后面w个时隙依次平均分配给网络下行最小联通集合r中的从节点，w为网络下行最小联通集合r中从节点的数量；网络下行最小联通集合r中包括了网络的部分从节点，该集合由主节点分配一个网络分组短地址并进行全网广播，主节点可以在一个通信业务超帧时间内，利用网络下行最小联通集合r中的节点按照节点顺序依次对自身信令信号的中继传输来实现信令信号的全网广播覆盖；
主节点在通信业务超帧属于自己的信令时隙上发送业务信令，业务信令的内容包括：本超帧的时隙划分信令和数据上报指示信令，其中，本超帧的时隙划分信令的信息包括x值、网络下行最小联通集合r的网络分组短地址、csma时隙区时间长度、y值、tdma时隙大小以及本超帧后续的空闲区时间长度(网络中存在可控业务传输需求时，空闲区长度为0)；数据上报指示信令的信息包括：数据上报从节点名单、要求上报的数据类型和大小；可选的，由于1个信令时隙所承载的信令内容长度有限，如果电力线载波信道上报节点集合f1中的节点数量较多时，允许在不同超帧中分批次发送f1中的从节点名单；可选的，为提高传输可靠性，主节点在8个信令时隙的发送内容可以是相同的；进一步的，如果信令中含有数据上报指示信令，则y值等于本次数据上报从节点名单中节点数量，且y个tdma时隙平均按顺分配给y个上报从节点，而tdma时隙大小则根据此时上报数据大小除以载波测物理层数据波形的通信速率确定；
网络下行最小联通集合r中的从节点收到后业务信令信号后，在自己所分配的信令时隙上进行信令内容的中继发送，从而在本超帧中利用x＝w+8个的信令时隙来实现上述信令内容的全网广播；
从节点收到业务信令后，即获得本通信业务超帧的csma时隙区和tdma时隙区的起始位置和结束位置以及tdma时隙区的时隙分配情况；如果网络从节点产生了随机触发业务的发送需求，则在csma时隙区使用csma类的信道竞争接入方式进行信号发送；数据上报从节点名单上的上报从节点在tdma时隙区根据信令指示，在各自所分配的时隙上根据主节点下发给自己的路由表信息向自己的上行中继节点发送对应的业务数据；csma类的信道竞争接入机制为成熟的现有技术，因此这里不详细制定相关算法，可由各设备厂家自主制定；
当电力线载波信道上报节点集合f1中的从节点都完成了1次信号发送后，主节点再持续运行e个通信业务超帧，直至电力线载波信道上报节点集合f1中的所有从节点都分配到1个tdma时隙，即电力线载波信道上报节点集合f1中的从节点都完成了向自己的上行中继节点发送了1次业务数据。e为电力线载波信道上报节点集合f1中从节点和主节点的上行传输跳数最大值；主节点随后执行的e个通信业务超帧的时隙划分和第1个通信业务超帧的时隙划分相同，在这e个通信业务超帧中，主节点在属于自己的信令时隙上发送业务信令，业务信令的内容具体为本超帧的时隙划分信令和tdma时隙分配信令，其中，本超帧的时隙划分信令的信息包括x值、网络下行最小联通集合r的网络分组短地址、csma时隙区时间长度(数值和第1个超帧的数值保持一致)、y值、tdma时隙颗粒度大小和本超帧后续的空闲区时间长度；tdma时隙分配信令的信息包括：对应分配从节点数量q、第1～q个从节点的短地址和对应分配时隙数量，短地址如果是分组短地址，则分组中的从节点都各分配了相应数量的时隙，这些从节点所分配的时隙数据之和等于y。
进一步的，e个通信业务超帧中主节点对tdma时隙的分配方法如下：
在e个超帧中的第1个超帧中，主节点为第一上行中继从节点集合φ1中的m1个节点依次分配m1,1,m1,2,...,m1,m1个tdma时隙，第一上行中继从节点集合φ1中包含了电力线载波信道上报节点集合f1中的节点所对应的上行中继从节点，m1,1,m1,2,...,m1,m1依次为第一上行中继从节点集合φ1中的节点在电力线载波信道上报节点集合f1中各自对应的节点数量；
在e个超帧中的第2个超帧中，主节点为第二上行中继从节点集合φ2中的m2个节点依次分配m2,1,m2,2,...,m2,m2个tdma时隙，第二上行中继从节点集合φ2中包含了第一上行中继从节点集合φ1中的节点对应的上行中继从节点，m2,1,m2,2,...,m2,m2依次为第二上行中继从节点集合φ2中的节点在第一上行中继从节点集合φ1中各自对应的节点数量；
以此类推，对e个超帧中剩余的超帧基于相同方法进行tdma时隙分配，从而在业务数据的不断上行传输过程中，主节点根据网络路由表信息，为这些业务数据的上行中继从节点安排和其业务数量匹配的tdma时隙，直至上行中继从节点集合的节点数量为0，以保障这些数据以无冲突方式逐跳上行传输至主节点处。由于从节点的路由表信息是由主节点下发的，如果相关信息下发过程没有出现丢失，则主节点和从节点的路由信息是保持一致的。
下面以一个具体例子对tdma时隙分配过程进行说明，如图6所示，网络中的节点0为主节点，节点1、节点3、节点5和节点7共同组成了一个网络下行最小联通集合r1；节点2、节点3、节点4、节点7、节点8、节点9和节点10则属于电力线载波信道上报节点集合f1。主节点将使用3个通信业务超帧来完成对电力线载波信道上报节点集合f1中的7个节点的数据收集工作，每个通信业务超帧的时隙结构和时隙分配情况如图7所示。
主节点在第1个超帧中为f1中7个节点各分配了1个tdma时隙来进行数据业务发送；
主节点在第2个超帧中为第一上行中继从节点集合φ1的4个节点(节点1、3、5和7)分别分配了1个、1个、2个和1个tdma来进行数据业务中继发送；
主节点在第3个超帧中为第二上行中继从节点集合φ2的2个节点(节点1和3)分别分配了2个和1个tdma来进行数据业务中继发送。
由于信令信号和业务信号在多跳传输过程可能出现传输错误，导致上述的e+1个超帧结构运行完成后，电力线载波信道上报节点集合f1中部分节点的数据无法成功发送至主节点，可选的，主节点在e+1个超帧结构运行完成后，可要求那些未成功上报数据的节点再次进行数据上报，并以相同原理分配相应的时隙资源。如果主节点多次要求后仍有节点未成功上报数据，则更换另一种通信手段对这些节点进行相关的数据收集过程。如果两种通信手段都失败，则该节点可能成为通信孤点或已经掉线，则将相关信息上报应用层处理。
微功率无线信道侧的可控业务通信过程与电力线载波信道侧的可控业务通信过程相同，可参考以上说明。
当没有可控业务时，主节点触发的通信业务超帧如图8所示，通信业务超帧包括信令时隙区和csma时隙区，其中信令时隙区的信令时隙的数量x＝w+8，前面8个时隙分配给主节点，后面w个时隙依次平均分配给网络最小联通集合r中的从节点，w为网络下行最小联通集合r中从节点的数量；
主节点在通信业务超帧属于自己的信令时隙上发送业务信令，业务信令的内容包括：本超帧的时隙划分信令，本超帧的时隙划分信令的信息包括x值、网络下行最小联通集合r的网络分组短地址、csma时隙区时间长度(不同应用环境可配置不同值，典型值为5秒)、y值(此时为0)、tdma时隙大小(此时为0)以及本超帧后续的空闲区时间长度(具体值由主节点根据物联网类型和应用需求来灵活决定)；
从节点收到上述信令内容后，即获得本通信业务超帧的csma时隙区的起始位置和结束位置以及后续的空闲区时间长度；如果网络从节点产生了随机触发业务的发送需求，则在csma时隙区使用csma类的信道竞争接入方式进行信号发送；所有网络从节点在空闲区执行深度休眠机制，待空闲区时间结束后，所有网络从节点自动恢复通信功能。
业务通信过程中，从节点按以下方法选择通信信道：
如果该业务是基于主节点的信令要求而发送的，则采用和主节点发送信令相同的信道进行发送；如果该业务是从节点自身临时随机触发的，则查看自身和上级中继节点的链路情况，并判断是否存在双模链路，如果是，则等待双模的发送窗口，哪个模式的窗口先来临，就是用哪种模式进行信号发送，并停止另一模式的相关进程，如果不存在双模链路，则等待发送窗口的来临，并以该发送窗口的模式进行信号发送。
本发明方法基于物联网的业务通信需求，网络中仅支持主节点和从节点之间的业务通信需求，从节点之间不存在业务通信需求，因此在路由层上只需要维护主节点和从节点之间的上行和下行传输路由。上行路由全部为单个从节点对主节点的点对点传输路由，而下行路由除了主节点和单个从节点之间的点对点传输路由，还包括主节点和多个从节点之间的点对多点传输路由(包括下行全网广播)。
本发明使用有中心决策的主从式的路由协议架构，主节点是整个网络所有通信路由的决策者。在业务通信阶段，主节点根据网络的通信效果动态向入网从节点发送邻居节点信息上报信令，要求这些节点上报自己的邻居节点信息。上报周期的决策机制：每个从节点上报周期初始值为30秒，最大值为180秒，最小值为10秒，其中主节点针对某个节点发出业务数据或邻居节点信息上报信令后，如果成功收到，则该节点的上行路由中的所有中继从节点的上报周期增加10秒(不超过最大值)；而如果无法收到，则该节点的上行路由中的所有中继节点的上报周期减少一半(不超过最小值)。
每个信令信号和数据信号中都携带有发送节点的网络短地址，因此网络节点正确收到一个信号后，都会解析其发送节点地址，评估信号接收质量，从而形成自己的邻居节点信息。主节点通过动态收集入网从节点的邻居节点信息，形成对全网拓扑信息的感知，并据此为每个入网从节点计算出其所对应的2个上行中继节点(1主用1备用)和2个下行中继节点(1主1备)、网络下行最小联通集合。
本发明的上行中继节点按以下方法确定：主节点的上行层数为0，主节点可正确收到其信号的从节点的上行层数为1，上行层数为1的从节点可正确收到其信号、且上行层数不为1的从节点的上行层数为2，其它层数以此类推。对于一个从节点a而言，主节点将从那些将从节点a列为邻居节点的节点集合选出2个节点充当起上行中继节点(1主用1备用)，选择条件的优先级依次为：上行层数最小、对从节点a发送信号的接收质量最好。
本发明的下行中继节点按以下方法确定：主节点的下行层数为0，可以正确接收到主节点发送信号的从节点的下行层数为1，一个从节点如果无法收到主节点信号但可以收到下行层数为1的节点的发送信号，则其下行层数为2,，其它层数以此类推。对一个从节点b而言，主节点将从把从节点b列为邻居节点的节点集合选出2个节点充当起下行中继节点(1主用1备用)，而选择条件的优先级依次为：下行层数比节点b的下行层数多1级、对节点b发送信号的接收质量最好。
本发明的网络下行最小联通集合r按以下方法确定：主节点首先从下行层数为1的节点集合down_h1中挑选出部分节点来实现对下行层数为2的信号覆盖，挑选步骤如下：设下行层数为1和2的节点集合分别记为ω1和ω2，首先从ω1中选出一个节点j1，该节点是ω1中信号可以覆盖ω2中最多数量的节点，然后将j1从ω1中删除，以及在ω2中删除j1所覆盖的节点；然后继续相关选择算法，直至ω2集合中节点数量为0，则在这个过程中从集合down_h1中所选出的节点可实现对下行层数为2的节点的信号覆盖；基于相同原理，主节点将向下逐层挑选出相关节点，最终得到一个完整的网络下行最小联通集合。
主节点在信令时隙上使用路由通知信令进行路由信息通知，路由通知信令的信息包括：本信令所包含的节点数量v1、节点1的网络短地址、节点1的2个上行中继节点的网络短地址、节点1的2个下行中继节点的短地址、……、节点v1-1的网络短地址、节点v1-1的2个上行中继节点的网络短地址、节点v1的2个下行中继节点的短地址。
主节点在信令时隙上使用网络最小联通集合通知信令进行当前的网络最小联通集合通知，其信息包括：最小联通集合信令的节点数量v2、该集合的节点的网络分组短地址、节点1～节点v2的网络短地址。
从节点在tdma时隙上发送信号时，上行/下行中继节点一定使用主用中继节点；而从节点在csma时隙上发送信号时，优先考虑使用主用中继节点，然后无法收到对方的接收确认，则考虑使用备用中继节点。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
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