一种基于OFDM的电力线载波通信方法及通信节点与流程

本发明涉及一种基于ofdm的电力线载波通信方法及通信节点，属于通信技术领域。

背景技术：

hplc是指高速电力线载波通信(也被称为宽带电力线载波)，是在低压电力线上进行数据传输的高速电力线载波技术。hplc通信网络是以电力线作为通信媒介，实现低压电力用户用电信息的汇聚、传输、交互的通信网络。hplc主要采用了正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)ofdm技术，频段使用2mhz～12mhz。与传统的低速窄带电力线载波技术相比，hplc技术具有带宽大、传输速率高，可以满足和实现基于低压电力线载波通信更高的需求。国家电网公司于2017年6月正式发布并实施q/gdw11612-2016《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范》，是国际上首个面向电力业务应用的宽带载波通信标准。

如图1所示的hplc的通信网络结构，以主节点(centralcoordinator，中央节点)cco为中心、以中继节点(proxycoordinator，代理节点)pco为中继代理，连接所有站点(stattion，普通节点)sta，形成多级关联的树形网络。hplc通信网络数据传输原理如图2所示。

现有技术中的hplc高速电力线载波组网管理操作，其中包括：cco路由参数管理、白名单档案管理、组网通信路由控制、路由状态控制、复杂接口层协议交互控制、复杂应用报文帧协议格式约束等。

现有技术高速载波组网应用业务实现步骤如图3所示，需要通过白名单检索，找到网络中所有允许接入站点的mac(mediaaccesscontrol媒介访问控制)地址，封装入hplc组网协议数据帧中，由前端机推送至各站点，站点接收后从组网数据帧中解析出白名单站点地址，并进行站点地址过滤。在现有的hplc组网过程中，在网络管理子层的时隙管理、信标机制、入网过程需要精准匹配所有节点的mac地址。在多网络共存场景下，即多个cco距离较近，之间信号相互干扰，每个站点均需从各个cco发出的组网数据帧中解析出白名单站点地址，并进行地址过滤，此时关联入网的效率较低。每个主节点也仍然需要对邻网子节点进行全流程的关联入网操作，最终完成组网，过程中占用了信标时隙、tdma(timedivisionmultipleaccess时分多址)时隙和csma(carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance带冲突避免的载波侦听多址)时隙，这样时隙管理的网络组建利用率被降低。通信时隙的划分如图5所示。

此外，hplc进行业务数据传输时以如图4所示长帧的形式进行数据封装，但是，电力线载波通信中，由于电力线通信环境恶劣，信号干扰大，特殊场景数据残差错误重传率达到60％，长帧数据封装结构在校验错误后就需要全帧丢弃，丢包重传时需要全帧重传，进一步影响了组网效率，降低了帧传送成功率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于ofdm的电力线载波通信方法及通信节点，用以解决现有高速电力线载波通信中，数据传输效率低和成功率较低，以及现有的电力线载波中央节点在组网时组网效率低的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种基于ofdm的电力线载波通信方法，步骤如下：

当节点有业务数据需要发送时，该节点在其网络层将mac完整帧分成至少两段，再由其物理层将各段分别封入不同的物理块中；并在每个物理块前添加对应的重组拟合码；最后将所述物理块封装成帧发送；

当节点接收到业务数据时，根据每个物理块及其重组拟合码进行校验，校验失败时，重传校验失败的物理块；当同一mac完整帧对应的每个物理块都校验成功时，根据重组拟合码将各物理块重组为mac完整帧并进行解析；

所述重组拟合码包括重组校验码、分段拟合元码和拟合组序列，用来校验对应的物理块的分段拟合码是由对应物理块实际数据确定；用来重组mac完整帧的重组拟合码是由同一mac完整帧对应的全部物理块的分段拟合码确定。

本发明的方法中，在mac层协议数据单元mpdu帧载荷前端引入重组拟合机制，有效的解决了应用层非确认响应sof广播帧的传送成功率，使应用接口层下行报文可完全隐藏目的地址，简化了接口交互通信的协议约束限制，可无差别的替换于物联网设备对等网络中。重组拟合机制的引入，使短帧的数据封装形式代替了长帧数据封装形式，使用长帧进行数据传输在校验错误后需要全帧丢弃，全帧重传并重新全帧解析；而短帧出现校验错误，则只需根据重组拟合码补发对应短帧进行数据还原，节省了全帧重传和解析的时间，提高了效率和帧传送的成功率。

进一步的，所述重组校验码等于分段拟合元码的循环冗余校验组合。

进一步的，根据所述mac完整帧长度确定mac帧分段数及相应的分段拟合元码。

进一步的，所述业务数据的mac完整帧包括掩码字段，接收到业务数据的节点根据自身掩码网段参数判断是否对该业务数据做出响应。

本发明在mac帧业务数据单元msdu前引入掩码子网机制，作为入网管理子网控制，掩码字段将在mcco中央信标(中央节点发送的组网信标)、mpco代理信标(代理节点发送的组网信标)、msta发现信标(普通节点或站点发送的组网信标)的时隙发送窗口同步广播下发至待入网或已入网站点，msta站点根据自身掩码网段参数及网络在线状态来判决响应入网关联请求和离网报告sof帧；通过掩码网标mnid的识别无需指定mcco网关白名单既可发起网络组建；在信标时隙发送信标帧由于携带mnid信息，未入网的msta收到信标下行帧后即可准确判断出是否归属当前掩码网络，可精准的发送目的关联请求帧。最终提高了组网效率。

进一步的，所述组网节点为中央节点。

进一步的，所述组网节点为中继节点或普通节点；所述中继节点和普通节点在tdma时隙发送组网信标。

中央节点在中央信标(中央节点发送的组网信标)中都会安排信标tdma时隙，中继节点或普通节点(站点)在接收到中央节点发送的组网信标后，一旦解析到tdma时隙，就会继续发送组网信标，以触发下一级站点组网。本发明利用掩码组网机制，提高了组网效率，节省出的时间用于中继节点和普通节点进行组网信标的发送，将中央信标中的内容逐层通知到各级代理站点(中继节点)和普通站点(普通节点)，提高了网络组建时隙管理的时隙利用率。

进一步的，所述参与节点在csma时隙向所述中央节点发送用于请求接入网络的关联请求报文。

中央节点在中央信标(中央节点发送的组网信标)中都会安排信标csma时隙，用于使普通站点发送关联请求报文，请求接入网络，提高了网络组建时隙管理的时隙利用率。

本发明的一种基于ofdm的电力线载波通信方法，步骤如下：

组网节点发送组网请求；

其中，在所述组网请求中加入掩码字段，收到组网请求的待组网节点根据自身掩码网段参数判断是否响应入网关联请求；

组网完成后，当节点有业务数据需要发送时，该节点在其网络层将mac完整帧分成至少两段，再由其物理层将各段分别封入不同的物理块中；并在每个物理块前添加对应的重组拟合码；最后将所述物理块封装成帧发送；

当节点接收到业务数据时，根据每个物理块及其重组拟合码进行校验，校验失败时，重传校验失败的物理块；当同一mac完整帧对应的每个物理块都校验成功时，根据重组拟合码将各物理块重组为mac完整帧并进行解析；

所述重组拟合码包括重组校验码、分段拟合元码和拟合组序列，用来校验对应的物理块的分段拟合码是由对应物理块实际数据确定；用来重组mac完整帧的重组拟合码是由同一mac完整帧对应的全部物理块的分段拟合码确定。

本发明在组网请求中加入掩码机制，在多网络共存场景下使得待组网节点提前通过掩码字段判断是否属于该子网，若不属于则不作任何响应，若属于则发送入网关联请求进行入网操作，组网无需完整路由表，省略了不必要的判断步骤，提高了组网效率。

进一步的，所述重组校验码等于分段拟合元码的循环冗余校验组合。

进一步的，根据所述mac完整帧长度确定mac帧分段数。

进一步的，所述业务数据的mac完整帧包括掩码字段，接收到业务数据的节点根据自身掩码网段参数判断是否对该业务数据做出响应。

本发明的一种电力线载波中的通信节点，包括处理器，所述处理器执行实现如上所述的基于ofdm的电力线载波组网方法的指令。

本发明的一种电力线载波中的通信节点，包括处理器，所述处理器执行实现如上所述的基于ofdm的电力线载波组网方法的指令。

附图说明

图1是hplc通信网络结构；

图2是hplc通信网络数据传输原理图；

图3是现有技术高速电力线载波组网应用业务流程图；

图4是现有hplc协议栈数据封装结构示意图；

图5是hplc通信时隙划分图；

图6是本发明高速电力线载波组网应用业务流程图；

图7是本发明协议栈数据封装结构示意图；

图8是本发明mac帧重组拟合码生成方法示意图；

图9是本发明关联入网交互流程图；

图10是本发明的方法下单播收发测试成功率折线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例：

本发明的通信组网方法中提出一种新的协议栈封装结构，引入数据重组拟合机制，实现模糊通讯识别。mac层服务数据单元(macservicedataunit)msdu是以太网帧，由ip层下发到mac层，在mac层加入mac帧头后，再作为mac层协议数据单元(macprotocoldataunit)mpdu下发到物理层，并作为在不同站点物理层之间传送数据的基本传输单元。本发明的方法中，在mac层将msdu加上帧头封装为mac帧后，将封装好的mac帧拆解分片，根据mac帧长度确定分片数，如图7所示，本实施例中将mac帧拆分为两段，分别为分片0和分片1。分片0和分片1分别放入mpdu帧0和mpdu帧1的物理块(mpdu帧0的物理块为物理块0，mpdu帧1的物理块为物理块1)中，在物理块0前加上重组拟合码封装为mpdu帧0，在物理块1前加上重组拟合码封装为mpdu帧1。即在mpdu物理块中携带由msdu所组成的mac帧的切片分段，同一mac帧的不同分断数据分配重组拟合码，并与原始mac完整帧做数据关联，当应用业务数据sof(startofframe帧起始)帧发生丢包重传时，通过分段重组拟合码进行数据有效性还原。

mac帧重组拟合码包括重组校验码y和分段拟合元码ya(a＝1,2,3…n)，重组校验码y等于分断拟合元码ya的crc-16校验组合crc-16{y1,y2,y3,…}；分断拟合元码ya基于多元线性回归模型ya＝β0+β1x1a+β2x2a+…+βkxka+εa得出，x作为当前分段的数据成员的自变量输入观测值，其它为阵列固定数值参量；按mac帧长度确定物理块分片数及分段拟合元码集合，将接收到的重组校验与分段拟合元码集合进行解码分析，以确定mpdu重传数据拟合后数据还原的合法有效性。

具体的，mac帧重组拟合码生成方法如图8所示：

重组拟合码包括重组校验码y、分组拟合元码ya和拟合组序列sa，设定待传输的mac帧数据为：xa＝{x1,x2,x3…x128},被传输mac可拆解分片为4部分，对应生成拟合组序列sa＝{0,1,2,3}的序列取值；分组后的数据成员自变量观测值可分组为：

将分组后的观测数据xa带入多元线性回归模型：

多元方程固定数值参量取值范围:

β＝(0x20,0x1f,0x1e,0x1d,0x1c,0x1b,0x1a,…,1)

ε＝(0xfe,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xef,0xee,…,1)

得到分组拟合元码ya集合：

对所有合法的分组拟合元码集合进行crc校验，最终得到mac帧完整性拟合校对的重组校验码：

y＝crc-16(y1,y2,y3,y4)

分组拟合元码ya由待传输的mac帧数据分段后的对应段数据成员自变量观测值代入多元线性回归模型得到；重组校验码y由分组拟合元码ya的集合经crc校验得到，待传输的mac帧数据各分段的重组拟合码包括相同的重组校验码y和对应分段的分组拟合元码ya，分组拟合元码ya用于校验待传输的mac帧对应段的数据的完整性和正确性；同时由于同一mac帧数据各分段的重组校验码y相同，因此重组校验码y用于在mac帧各分段的数据校验通过后重组为完整的mac帧。

在业务数据通信传输中，当出现mac帧部分数据差错重传或sof广播帧传输发生时，通过以上分集完整性组合校对，精准高效实现了原始数据帧的拟合复原，尤其在信号时变嘈杂的电力线载波网络通讯应用环境中，大大提升了通讯可靠性。

数据重组拟合机制有效的解决了应用层非确认响应sof广播帧的传送成功率，使应用接口层下行报文可完全隐藏目的地址，简化了接口交互通信的协议约束限制，可无差别的替换于物联网设备对等网络中。

下面以高速电力线载波通信为例，进一步对本发明的通信组网方法进行说明。

在重组拟合机制的基础上，本发明进一步在电力线载波组网中引入掩码子网机制，在mac帧业务数据单元msdu前加入掩码字段，作为入网管理的子网控制。如图6所示的本发明高速电力线载波电力线载波组网应用业务流程，本发明的方法包括如下步骤：

1)中央节点进行邻网协调，首先进行一段时间的网间协调帧的监听，以便发现是否存在邻居网络，并在发现邻居网络后进行协调；

2)进行msdu业务数据组织；

3)将msdu加入掩码字段封装为mac帧；

4)对mac帧进行拆解分片；

5)为mac帧分片数据分配重组拟合码；

6)将mac帧分片数据与重组拟合码封装为mpdu载荷帧，并由前端机推送。

在接收端如图6右侧所示：

1)在接收端进行mpdu物理块校验重组；

2)将不同物理块中的mac帧分片重组拟合成mac帧；

3)按照mac帧中解析出的掩码进行mac帧掩码网关过滤；

4)进行mac帧结构完整校对；

5)提取msdu业务数据；

6)在业务层进行任务处理。

本发明的电力线载波组网过程中，掩码字段将在掩码中央协调器(maskcentralcoordinator，即掩码型网络的中央节点)mcco中央信标、掩码代理协调器(maskproxycoordinator，即掩码型网络的代理节点)mpco代理信标、掩码型站点(maskstation，掩码型网络的普通节点)msta发现信标的时隙发送窗口同步广播下发至待入网或已入网站点，msta站点根据自身掩码网段参数及网络在线状态来判决响应入网关联请求和离网报告sof帧；通过掩码网标(masknetworkidentifier)mnid的识别无需指定mcco网关白名单既可发起网络组建；在信标时隙发送信标帧由于携带mnid信息，未入网的msta收到信标下行帧后即可准确判断出是否归属当前掩码网络，可精准的发送目的关联请求帧。

如图9所示，具体组网过程如下：以两个网络mcco_a、mcco_b共存的场景为例，msta_a属于网络mcco_a，msta_b属于网络mcco_b；mcco_a或mcco_b发送的信息，由msta_a、msta_b均能接收到(通过对应的mpco或者直接被msta_a、msta_b接收到)。

1)mcco_a发送中央信标，msta_a、msta_b接收到中央信标后进行掩码匹配，msta_a匹配成功，发送关联请求；msta_b匹配失败，不做响应。

2)mcco_a收到msta_a的关联请求，发送发现信标，对msta_a进行关联确认；

3)msta_a收到关联确认后，成功入网到mcco_a网络中；

msta_b的入网mcco_b的过程与上述msta_a的入网mcco_a的过程相同，msta_a同样因掩码不匹配不会响应mcco_b发送的中央信标，此处不再赘述。

4)msta_a、msta_b入网后，会根据mcco规划的信标时隙，全网发送发现信标，网络内的其他msta收到发现信标后，若掩码匹配成功则发起关联请求，进行关联入网。例如图9中，msta_b在信标时隙发送发现信标，被msta_bx接收，msta_bx掩码匹配成功(即msta_bx属于网络mcco_b)；则网络mcco_bx通过对应的mpco(可以是mcco_b)发送关联请求完成入网，入网过程与上述msta_a的入网mcco_a的过程相同，此处不再进行赘述。若msta_bx收到msta_a在信标时隙发送的发现信标，会由于掩码不匹配(即msta_bx属于网络mcco_a)而不做相应。实现了掩码网络过滤，自动网络组建。

下面从mcco、mpco、msta的视角出发进一步对本发明的组网过程进行说明，同时对路由维护过程进行说明。

1)mcco组网行为：

mcco上电后，首先启动邻居网络监听定时器，进行一段时间的网间协调帧的监听，以便发现是否存在邻居网络，与邻居网络进行协调，协调成功后开始发送中央信标(mcco所发的信标)，启动组网。

mcco在中央信标中，需要安排信标tdma时隙和csma时隙。信标tdma时隙，是用来指示mcco、mpco、或者msta发送信标。csma时隙，用于让mcco周围的一级站点，向mcco发起关联请求报文，请求接入网络；或者在csma时隙中，中央协调器cco(centralcoordinator)等发送关联确认，关联汇总指示等报文。如果有一级站点请求接入网络，mcco需要对请求接入网络的站点，通过mnid进行身份认证。之后，mcco可以将关联请求的处理结果，通过发送关联确认报文或者关联汇总指示报文告知给msta。

在组网过程中，每个信标周期内，mcco安排针对每个代理站点，都安排信标时隙，让所有代理站点都发送代理信标(mpco所发的信标)。代理信标会将中央信标中的时隙安排等内容，逐层通知到各级代理站点和msta站点。

2)msta组网行为：

msta上电后，可能会收到多个网络(mnid不同)的报文，msta站点可以根据多网络mnid掩码标志，选定一个归属网络，作为本站点的接入目标网络，msta在接入网络时，首先需要通过网络报文的接收和评估，选定其代理站点，这个代理站点可以是cco，也可以是其他msta站点。选择代理站点的原则可以是信道质量较好，到达mcco的路径较短。选定代理站点后，需要按照信标中的指示发起关联请求报文。

msta的入网，是通过在csma时隙中发送关联请求报文来通知mcco的，mcco根据关联请求报文，知道该msta的入网请求，并且进行确认回复。msta在发送关联请求后，需要等待mcco处理关联请求报文后，mcco发送的关联确认报文或者关联汇总指示报文，或者代理站点发送的关联确认报文。如果未收到关联确认或者关联汇总指示报文，可以重新发起关联请求；如果入网请求被拒绝，则msta可以根据重新关联时间，等待一段时间间隔后，再次请求入网；msta收到关联汇总指示报文或者关联确认报文后，如果确认加入网络成功，则需要将mcco分配的tei(terminalequipmentidentifier，终端设备标识)设置为自己的节点标识。

在组网过程中，入网成功的msta，mcco会在信标中安排该站点的信标时隙，msta站点如果解析到该时隙，则必须发送发现信标(msta所发送的信标)，以便触发下一级站点的组网。

3)mpco组网行为：

msta在入网成功后，如果被mcco安排发送发现信标之后，该msta可能被下一级站点选择成为该下一级站点的代理站点(mpco)。

当一个msta被mcco确认成为代理站点后，mcco会分配该msta站点的信标时隙，指示该msta站点发送代理信标。mcco的安排通过信标帧来通知代理站点，当一个msta站点，解析信标时隙时，发现mcco安排了信标时隙，指示其发送代理信标，则该msta站点，需要设置自己的角色为mpco，并且需要按照mcco的安排时隙，进行代理信标发送。

当一个站点成为mpco后，每个信标周期中，mcco都会安排其发送代理信标。

当一个msta站点通过代理站点入网时，mcco会将关联请求的处理结果，携带在关联确认报文中发送给msta的代理站点。该代理站点在处理完成后，需要将关联确认报文转发给msta站点。

4)动态路由维护：

动态路由维护，主要是指网络中的站点，需要实时的判断周边邻居站点的信道情况，选择更好的代理站点。

在网络组网的过程中，站点可以通过判断接收信标帧的情况，来判断周围站点的信道质量；在组网完成后，网络中主要的维护报文就是发现列表报文和信标帧，各级站点可以通过判断接收邻居站点的发现列表报文和信标帧的情况，以及邻居站点的变化情况选择更好的代理。

站点在转发业务数据时，如果周期性评估的路由无效或者无路由时，可根据业务报文的触发，发起实时的路由修复，以便发现到达业务报文的最终目的地址的实时路由。

本发明的电力线载波掩码组网机制，拓展了电力线载波技术在轻量化及应用领域的应用，掩码型网络在mac层协议数据单元mpdu信标帧载荷字段增加掩码子网码，作为入网管理子网控制，通过中央信标、代理信标或发现信标中的nid(networkidentifier)网路标识符进行预先子网络筛选，尤其在多网络共存时，有效提高组网效率。

本发明的方法实现了自动网络组建，应用端无需介入任何路由网络管理；在多网络共存的环境下，本发明的电力线载波掩码组网机制，规避了异网邻居节点无效的关联请求报文的发起，提高csma竞争时隙上报传输带宽的利用率，降低冲突退避的发生概率，提升网络组建效率。

本发明采用的模糊通讯识别,数据重组拟合机制，短帧通信，拟合机制，降低业务报文帧数据通讯传输的数据残差率，保障通讯的可靠性；如图10所示的10000次单播收发测试成功次数折线图，本发明掩码型电力线载波网络的交互成功率大大提高，同时在节点数增加过程中，也能维持稳定的成功率。

中央节点实施例：

本发明的基于ofdm的电力线载波中央节点，包括处理器和存储器，处理器用于执行储存在存储器中的指令以实现基于ofdm的电力线载波组网方法，基于ofdm的电力线载波组网方法已在方法实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。