一种低压电力线通信纠偏选主方法及装置与流程

本申请涉及电力线通信技术领域，尤其涉及一种低压电力线通信纠偏选主方法及装置。

背景技术：

泛在电力物联网的建设离不开低压配电网。低压配电网的通信技术是建设泛在电力物联网的关键技术之一，也是配电业务应用的重要支撑。与低压配电通信网的其他通信技术相比，plc(powerlinecommunication，电力线通信)省去了专业通信电缆和设备，实现信息与电力的一体化传输，用于泛在电力物联网是非常有竞争力的。但电力线作为通信信道，由于信道环境复杂，通信过程会产生较多问题，如网络主节点选取时间较长，组网稳定性和健壮性较差等。若主节点选取时间较长，则会影响低压plc网络性能。

现有的plc选主方法中存在以下缺点，包括：

在电力线载波通信模块(以下简称节点)数量较大的条件下，采用现有技术用于节点群在频率纠正及选主中会使系统整体收敛速度较慢、寻优精度较低，导致选主时间较长。较长选主时间将严重影响低压plc自组网的时效性，间接影响自组网技术的实际工程应用。

在节点数量较大条件下，部分节点会接收到多个频偏纠正帧而造成冲突，导致节点间频偏纠正效率较低，影响选主效率。

在信道环境突然变坏或部分节点间频偏差值过大的条件下，再采用现有技术方法也会使得节点间通信成功率降低，直接延长节点群的频偏纠正时间。

节点使用晶振精度不够高，使得上电后节点间存在频率偏差，导致节点间无法正常通信。但若使用高精度晶振，成本就会变得非常昂贵，影响实际使用的经济性。在节点规模较大时，采用现有技术方法在纠正频率偏移问题上会出现纠偏效率较低的问题。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种低压电力线通信纠偏选主方法及装置，解决了现有技术整体收敛速度较慢、寻优精度较低，导致选主时间较长的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种低压电力线通信纠偏选主方法，所述方法包括：

s1：初始化电力线通信网络中各节点参数；

s2：设定各节点在预置时间区间内随机延时，延时最短的节点最先抢占到低压电力线信道，将抢占到所述低压电力线信道的节点作为第一节点，将所述第一节点的频率参数信息记录在公告板上；

s3：所述第一节点向预设的节点通信半径内的第二节点发送选主信标帧；

s4：当所述第二节点接收到所述选主信标帧的前导序列后，解析出所述选主信标帧的前导序列信息，由所述前导序列信息中的所述第一节点的频偏值计算所述第二节点与所述选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值；

s5：当所述频率差值大于预设第一阈值时，采用第一频偏纠正步长调整所述第二节点的频率；当所述频率差值小于预设第二阈值时，采用第二频偏纠正步长调整所述第二节点的频率，并将所述第二节点的计数器值清零；

s6：将所述第一节点的计数器值加一，若所述第一节点的计数器值达到预设主节点阈值，则将所述第一节点设置为主节点，否则返回步骤s2，直到所述第一节点的计数器值达到预设主节点阈值。

可选的，在所述设定各节点在预置时间区间内随机延时，延时最短的节点最先抢占到低压电力线信道，将抢占到所述低压电力线信道的节点作为第一节点，将所述第一节点的频率参数信息记录在公告板上，之前还包括：

当各节点统一上电后，使各节点静默相同时间t。

可选的，在所述当所述频率差值大于预设第一阈值时，采用第一频偏纠正步长调整所述第二节点的频率；当所述频率差值小于预设第二阈值时，采用第二频偏纠正步长调整所述第二节点的频率，并将所述第二节点的计数器值清零，之后还包括：

所述第二节点再次解析所述选主信标帧中的帧控制信息和有效载荷信息，若正确解析出所述帧控制信息和所述有效载荷信息，则将所述第二节点的状态机设置为子节点，并将所述第二节点存入禁忌表，使得所述第二节点不再参与主节点的竞选；

若不能正确解析出所述帧控制信息和所述有效载荷信息，则返回步骤s2。

可选的，所述当所述频率差值大于预设第一阈值时，采用第一频偏纠正步长调整所述第二节点的频率；当所述频率差值小于预设第二阈值时，采用第二频偏纠正步长调整所述第二节点的频率，具体为：

式中，fi-next表示所述第二节点调整之后的频率值；fi表示所述第二节点原来的频率值；fq表示频率偏移阈值上限；fpr表示第一节点频率偏移值；step0、step1和step2分别表示初始频偏纠正步长，第一频偏纠正步长和第二频偏纠正步长，其中step0<step1<step2；rand表示0-1中的随机数。

可选的，所述当所述第二节点接收到所述选主信标帧的前导序列后，解析出所述选主信标帧的前导序列信息，由所述前导序列信息中的所述第一节点的频偏值计算所述第二节点与所述选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值，包括：

当所述第二节点接收到所述选主信标帧的前导序列后，根据虚拟载波监听机制，启动定时器，并将当前信道状态设置为忙碌状态，使得保护帧控制信息以及避免所述选主信标帧之间发生信息碰撞；

解析出所述选主信标帧的前导序列信息，获取所述第二节点与所述选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值。

本申请第二方面提供一种低压电力线通信纠偏选主装置，所述装置包括：

初始化单元，用于初始化电力线通信网络中各节点参数；

信道抢占单元，用于设定各节点在预置时间区间内随机延时，延时最短的节点最先抢占到低压电力线信道，将抢占到所述低压电力线信道的节点作为第一节点，将所述第一节点的频率参数信息记录在公告板上；

选主信标发送单元，用于向所述第一节点的预设的节点通信半径内的第二节点发送选主信标帧；

第一解析单元，用于当所述第二节点接收到所述选主信标帧的前导序列后，解析出所述选主信标帧的前导序列信息，由所述前导序列信息中的所述第一节点的频偏值计算所述第二节点与所述选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值；

频率调整单元，用于当所述频率差值大于预设第一阈值时，采用第一频偏纠正步长调整所述第二节点的频率；当所述频率差值小于预设第二阈值时，采用第二频偏纠正步长调整所述第二节点的频率，并将所述第二节点的计数器值清零；

主节点选取单元，用于将所述第一节点的计数器值加一，若所述第一节点的计数器值达到预设主节点阈值，则将所述第一节点设置为主节点，否则返回所述信道抢占单元，直到所述第一节点的计数器值达到预设主节点阈值。

可选的，还包括静默单元，用于当各节点统一上电后，使各节点静默相同时间t。

可选的，还包括：

第二解析单元，用于再次解析所述选主信标帧中的帧控制信息和有效载荷信息，若正确解析出所述帧控制信息和所述有效载荷信息，则将所述第二节点的状态机设置为子节点，并将所述第二节点存入禁忌表，使得所述第二节点不再参与主节点的竞选；若不能正确解析出所述帧控制信息和所述有效载荷信息，则返回所述信道抢占单元。

可选的，所述第二节点的频率调整公式为：

式中，fi-next表示所述第二节点调整之后的频率值；fi表示所述第二节点原来的频率值；fq表示频率偏移阈值上限；fpr表示第一节点频率偏移值；step0、step1和step2分别表示初始频偏纠正步长，第一频偏纠正步长和第二频偏纠正步长，其中step0<step1<step2；rand表示0-1中的随机数。

可选的，所述第一解析单元还包括：

监听单元，用于当所述第二节点接收到所述选主信标帧的前导序列后，根据虚拟载波监听机制，启动定时器，并将当前信道状态设置为忙碌状态，使得保护帧控制信息以及避免所述选主信标帧之间发生信息碰撞；

第三解析单元，用于解析出所述选主信标帧的前导序列信息，获取所述第二节点与所述选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中，提供了一种低压电力线通信纠偏选主方法，包括：初始化电力线通信网络中各节点参数；设定各节点在预置时间区间内随机延时，延时最短的节点最先抢占到低压电力线信道，将抢占到低压电力线信道的节点作为第一节点，将第一节点的频率参数信息记录在公告板上；第一节点向预设的节点通信半径内的第二节点发送选主信标帧；当第二节点接收到选主信标帧的前导序列后，解析出选主信标帧的前导序列信息，由前导序列信息中的第一节点的频偏值计算第二节点与选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值；当频率差值大于预设第一阈值时，采用第一频偏纠正步长调整第二节点的频率；当频率差值小于预设第二阈值时，采用第二频偏纠正步长调整第二节点的频率，并将第二节点的计数器值清零；将第一节点的计数器值加一，若第一节点的计数器值达到预设主节点阈值，则将第一节点设置为主节点，否则所有节点重新抢占信道，直到第一节点的计数器值达到预设主节点阈值。

本申请通过抢占信道前对节点的频偏值进行修改，加快了收敛速度，提高了节点间纠偏和网络选主的快速性，避免节点的纠偏选主过程陷入局部最优。通过不断更新公告板上的第一节点的频率值直到选出主节点，本申请可以在信道环境突然变坏条件下也可以调整部分频偏值过大的节点，提高选主效率。

附图说明

图1为本申请一种低压电力线通信纠偏选主方法的一个实施例的方法流程图；

图2为本申请一种低压电力线通信纠偏选主方法的一个具体的应用例的流程示意图；

图3为本申请一种低压电力线通信纠偏选主装置的一个实施例的结构示意图；

图4为本申请实施例中低压plc网络的有向图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请一种低压电力线通信纠偏选主方法的一个实施例的方法流程图，如图1所示，图1中包括：

s1：初始化电力线通信网络中各节点参数；

需要说明的是，可以设电力线通信网络中有n个节点，每个节点参数均可表示为xi＝(x，y，id，freq_dev，count，visual，step，try_number)。其中(x，y)表示节点在电力线通信网络中位置信息；id表示节点mac地址；freq_dev表示节点的频偏值；count表示计数器数值；step表示单次频偏纠正步长；try_number表示尝试频偏纠正次数；visual表示节点通信半径。

本申请可以对节点群的纠偏及自主选主问题进行建模，将将低压plc网络的逻辑拓扑抽象为有向图g(v，e)，v为有向图g的顶点集，元素v∈v称为有向图g的任意一个顶点。e为图g的边集，元素eij＝vivj表示一条从节点vi到vj的边。在选主节点过程中，其他节点均以抢占信道节点的频偏信息为基准调整自身频率偏移参数。因此，集合e的元素eij方向是动态变化的，如图4所示的低压plc网络的有向图。

s2：设定各节点在预置时间区间内随机延时，延时最短的节点最先抢占到低压电力线信道，将抢占到低压电力线信道的节点作为第一节点，将第一节点的频率参数信息记录在公告板上；

需要说明的是，本申请可以设置各节点在预置时间区间内随机延时，按照延时的长短，由延时最短的开始以csma/ca(carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection，载波帧听多路访问/冲突检测)机制抢占低压电力线信道，抢到信道的第一节点向其节点通信半径内的第二节点发出选主信标帧，并将第一节点频率参数等信息记录在公告板上。

在一种具体的实施方式中，在步骤s2之前还包括：

当各节点统一上电后，使各节点静默相同时间t。

需要说明的是，为了使各节点保持同步，减少不必要的误差，可以使上电后的所有节点同时静默一段时间。

s3：第一节点向预设的节点通信半径内的第二节点发送选主信标帧；

需要说明的是，第一节点向预设的节点通信半径visual内的第二节点以广播形式下发选主信标帧，本申请中的选主信标帧包括前导序列、帧控制信息(framecontral，fc)和有效载荷。

s4：当第二节点接收到选主信标帧的前导序列后，解析出选主信标帧的前导序列信息，由前导序列信息中的第一节点的频偏值计算第二节点与选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值；

需要说明的是，可以根据获取的选主信标帧的前导序列后，通过解析第一节点发送的选主信标帧的前导序列信息，可以获取第一节点的频偏值，从而可以计算出第一节点与第二节点之间的频率差值。

在一种具体的实施方式中，步骤s4还包括：

当第二节点接收到选主信标帧的前导序列后，根据虚拟载波监听(virtualcarriersensing，vcs)机制，启动定时器，并将当前信道状态设置为忙碌状态，使得保护帧控制信息以及避免选主信标帧之间发生信息碰撞；通过循环冗余校验(cyclicredundancycheck，crc)解析出选主信标帧的前导序列信息，获取第二节点与选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值。

需要说明的是，本申请为了避免信道中的选主信标帧之间发生碰撞，可以根据虚拟载波监听机制，启动定时器，将当前信道状态设置为忙碌状态，从而可以有效降低节点接收到多个频偏纠正帧而造成冲突概率，提高节点自身频偏纠正及网络选主的效率。

s5：当频率差值大于预设第一阈值时，采用第一频偏纠正步长调整第二节点的频率；当频率差值小于预设第二阈值时，采用第二频偏纠正步长调整第二节点的频率，并将第二节点的计数器值清零；

需要说明的是，当帧控制信息和有效载荷信息得到正确解析后，就可知第二节点与发出选主信标帧的第一节点间频率差值。若差值较大，根据频率调整公式采用较大数值的第二频偏纠正步长step2调整第二节点节点频偏值；若差值较小，则采用较小的第一频偏纠正步长step1对第二节点频偏值进行调整，并且纠正次数仅执行一次，再将接收节点计算器清零。

本申请中具体的频率调整公式可以为：

式中，fi-next表示第二节点调整之后的频率值；fi表示第二节点原来的频率值；fq表示频率偏移阈值上限；fpr表示第一节点频率偏移值；step0、step1和step2分别表示初始频偏纠正步长，第一频偏纠正步长和第二频偏纠正步长，其中step0<step1<step2；rand表示0-1中的随机数。

在一种具体的实施方式中，在步骤s5之后还包括：第二节点再次解析选主信标帧中的帧控制信息和有效载荷信息，若正确解析出帧控制信息和有效载荷信息，则将第二节点的状态机设置为子节点，并将第二节点存入禁忌表，使得第二节点不再参与主节点的竞选；

若不能正确解析出帧控制信息和有效载荷信息，则返回步骤s2。

需要说明的是，当第二节点不能正确解析出帧控制信息和有效载荷信息时，返回至步骤s2，此时不能正确解析出帧控制信息和有效载荷信息的第二节点可以再次参与抢占信道，使得在本申请中每次进行抢占信道时，节点的频偏值都会发生调整。

本申请中当第二节点收到选主信标帧时，第二节点可以根据前导序列信息将频偏量调整到有效的通信范围内，再正确解析帧控制信息和有效载荷信息，实现电力线通信网络内的节点间纠偏选主。为此，需要建立节点间的纠偏及选主目标函数：

fij＝||fi-fj||≤εij

式中，fij表示任意两节点频率fi与fj差值，εij表示将频偏量收敛到容差区间内；式中wn表示n个节点在第n次选主时解析帧控制信息及有效载荷信息的误码率。综上，纠偏选主问题可以描述为：将任意两节点频偏量纠正到范围εij内且误码率wn接近于零。使得本申请在信道环境突然变坏或部分节点间频偏差值过大的条件下，调整部分节点自身过大的频偏值，提高节点频偏纠正效率，缩短选主时间。

s6：将第一节点的计数器值加一，若第一节点的计数器值达到预设主节点阈值，则将第一节点设置为主节点，否则返回步骤s2，直到第一节点的计数器值达到预设主节点阈值。

需要说明的是，当节点被选作第一节点，即发送选主信标帧的节点，可以将第一节点的计数器的值加1，若节点的计数器的值没有达到预设主节点阈值，则可以继续设定各节点在预置时间区间内随机延时，重新选取延时最短的节点最先抢占到低压电力线信道，使得抢占到信道的节点再一次被选取为第一节点，第一节点的计数器的值再次加1，重复s2-s6的步骤，直到节点的计数器的值大于预设主节点阈值时，则将计数器的值大于预设主节点阈值的节点作为主节点。

本申请通过抢占信道前对节点的频偏值进行修改，加快了收敛速度，提高了节点间纠偏和网络选主的快速性，避免节点的纠偏选主过程陷入局部最优。通过不断更新公告板上的第一节点的频率值直到选出主节点，本申请可以在信道环境突然变坏条件下也可以调整部分频偏值过大的节点，提高选主效率。

本申请还提供了一种低压电力线通信纠偏选主方法的一个具体的应用例，如图2所示，图2中首先初始化各节点的参数，在将初始化参数后的所有节点进行上电，对上电后的所有节点统一静默时间t，由于各节点在预置时间区间内随机的延时存在区别，因此延时最短的率先以csma/ca机制抢占信道，抢占到信道的节点作为第一节点，没有抢占到的节点作为第二节点；第一节点会向预设节点通信范围内的其他第二节点发送选主信标帧，且第一节点的计数器值会加一；第二节点收到选主信标帧之后，首先解析出前导序列，再根据第二节点与第一节点的频率差值，若差值过大，则调整第二节点的频偏值，并将频率差值过大的第二节点的计数器的值清零；若第二节点能够继续解析选主信标帧中的帧控制信息和有效载荷，则将第二节点存入禁忌表不在参与后续的选主节点过程，若不能解析选主信标帧中的帧控制信息和有效载荷，则修改频偏值的第二节点会继续进行抢占信道；直到节点中出现节点的计数器的值大于预设主节点阈值时，则将计数器的值大于预设主节点阈值的节点作为主节点，从而完成选主过程。

以上是本申请的一种低压电力线通信纠偏选主方法的实施例，本申请还提供了一种低压电力线通信纠偏选主装置的实施例，如图3所示，图3中包括：

初始化单元301，用于初始化电力线通信网络中各节点参数；

信道抢占单元302，用于设定各节点在预置时间区间内随机延时，延时最短的节点最先抢占到低压电力线信道，将抢占到低压电力线信道的节点作为第一节点，将第一节点的频率参数信息记录在公告板上；

选主信标发送单元303，用于向第一节点的预设的节点通信半径内的第二节点发送选主信标帧；

第一解析单元304，用于当第二节点接收到选主信标帧的前导序列后，解析出选主信标帧的前导序列信息，由前导序列信息中的第一节点的频偏值计算第二节点与选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值；

频率调整单305，用于当频率差值大于预设第一阈值时，采用第一频偏纠正步长调整第二节点的频率；当频率差值小于预设第二阈值时，采用第二频偏纠正步长调整第二节点的频率，并将第二节点的计数器值清零；

主节点选取单元306，用于将第一节点的计数器值加一，若第一节点的计数器值达到预设主节点阈值，则将第一节点设置为主节点，否则返回信道抢占单元，直到第一节点的计数器值达到预设主节点阈值。

在一种具体的实施方式中，还包括静默单元，用于当各节点统一上电后，使各节点静默相同时间t。

在一种具体的实施方式中，还包括：

第二解析单元，用于再次解析选主信标帧中的帧控制信息和有效载荷信息，若正确解析出帧控制信息和有效载荷信息，则将第二节点的状态机设置为子节点，并将第二节点存入禁忌表，使得第二节点不再参与主节点的竞选；若不能正确解析出帧控制信息和有效载荷信息，则返回信道抢占单元。

第二节点的频率调整公式为：

式中，fi-next表示所述第二节点调整之后的频率值；fi表示所述第二节点原来的频率值；fq表示频率偏移阈值上限；fpr表示第一节点频率偏移值；step0、step1和step2分别表示初始频偏纠正步长，第一频偏纠正步长和第二频偏纠正步长，其中step0<step1<step2；rand表示0-1中的随机数。

第一解析单元还包括：

监听单元，用于当第二节点接收到选主信标帧的前导序列后，根据虚拟载波监听机制，启动定时器，并将当前信道状态设置为忙碌状态，使得保护帧控制信息以及避免选主信标帧之间发生信息碰撞；

第三解析单元，用于解析出选主信标帧的前导序列信息，获取第二节点与选主信标帧对应的第一节点之间的频率差值。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。