智能电网中基于认知无线电的通信网系统和组网方法

专利名称：智能电网中基于认知无线电的通信网系统和组网方法
技术领域：
本发明涉及智能电网组网技术领域，尤其涉及智能电网中基于认知无线电的通信网系统和组网方法。
背景技术：
在智能电网的无线监测与远程抄表系统中，数据网络技术的选择一般要具备:一是组建的网络要有自动组网功能、数据传输可靠等性能；二是灵活的组网方式、低成本的控制、低能量的消耗、较高的传输安全性是无线传感网络监测系统所必须具备的。现阶段，发展起来热门流行的短距离无线数据网络技术分别是W1-F1、蓝牙技术、ZigBee、超宽带技术(Ultra Wideband,简称UWB)和近距离无线传输(Near FieldCommunication,简称NFC)技术,下面对这些技术分别进行介绍:1、蓝牙技术(Bluetooth)蓝牙技术克服了红外需要对准才能传输的缺点，利用蓝牙技术来实现设备间的无线通信。蓝牙的出现实现了设备在小范围内的快速、安全、低功耗的数据传输，也是目前无线个域网(Wireless PersonalArea Network,简称WPAN)的主流技术之一。它米用了全球通用的2.4GHz的ISM频率段，确保了在全世界能够畅通无阻地使用。该频率段采用了 23个或79个频道间隔为IMz时分双工方式，使用快速调频(1600跳/s)技术抗干扰，在发射功率为ImW时，IOm范围内都可以传输，当加大功率到IOOmW时，通信距离可以扩展到100m。蓝牙技术组网灵活，目前已广泛运用于三合一电话、内特网桥、交互性会议、数码相机中图像的无线传输和各种家用电器中。2、W1-Fi(IEEE802.11)W1-Fi是IEEE定义的无线网络通信的工业标准(IEEE802.11)。W1-Fi最早是在1997年提出来的，主要定义了介质访问层(MAC层)和物理层。在物理层，W1-Fi定义了一个2.4GHz的ISM频段，总的数据传输速率为2Mb/s。1999年，IEEE又定义了两个补充版本:802.1la和802.lib。其中802.1la是在5GHz的ISM频段上速率为54Mb/s的物理层，而802.1lb则是在2.4GHz的ISM频段上传输速率为llMb/s的物理层。由于2.4GHz在世界上大多数国家通用，所以IEEE802.1lb得到了更多的应用，也是当前应用最为广泛的WLAN标准，W1-Fi技术具有的特点有:第一，覆盖面积广，半径能达到100m,可在整栋大楼中应用。而最近Vivato公司推出的一款新型交换机能把W1-Fi无线网络的通信距离扩大到6500m。第二，W1-Fi网络的传输速度很快，可以达到llMb/s，但是传输的质量不是太好，安全性能不及蓝牙。第三，厂商进入该领域的门槛较低。第四，W1-Fi优异的带宽是以较大的能耗为代价的，所以一般的W1-Fi装置都需要经常充电。3、超宽带技术(UWB)超宽带技术的发展模式类似于W1-Fi，最早应用在军事领域里。超宽带系统中心频率高于2.5GHz，并且至少具备500MHz的-1OdB频宽。现在也可用于无线局域网(WLAN)和短距离雷达等。4、近距离无线传输(NFC)基于无线设备问的“非接触式射频识别”(RFID)及互联技术的基础上，Philips、Nokia和Sony三家公司推出了短距离无线通信技术标准。与RFID不同的是，NFC采用了双向识别和连接。其传输距离最长为20cm，工作在13.56MHz频段，传输速率高。NFC满足了任意两个无线设备之间的信息交换和服务交换，让信息的传递变得更加简单化。5、ZigBeeZigBee是一种低速率、短距离的无线通信技术，它是介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术。和其他的技术相比，ZigBee是一种最节约能源的技术之一。它同样适用
2.4GHz国际通用频段，理论上可以组建65536个网络节点。所以ZigBee技术适用于对数据传输速率不高，又需要大量节点和节约能耗的网络，故在很多领域有较广泛的运用。ZigBee协议栈比较简单，实现起来也很容易，只要8位的处理器和4KB ROM和64KB的RAM就可以满足最低需求。ZigBee协议栈是由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层和高层应用规范组成。其中物理层和数据链路层是由IEEE制定的，而ZigBee联盟负责定义高层应用规范、应用汇聚层、网络层。应用汇聚层把安全属性设置和多个业务数据流的汇聚功能映射到ZigBee网络上；网络层采用了 Ad-Hoc技术的路由协议，在拥有常用的网络层功能之外还应该和底层的物理层和数据链路层标准同样低能耗。此外，ZigBee协议栈为了降低网络的维修成本，还应该有自组网和自动维护功能。ZigBee采用了 2.4GHz和868/915MHz的物理层信道，2.4GHz物理层通过高阶调制技术之后能达到250kbps的传输速度。868/915MHz都米用简单的DSSS(Spread Spectrum,扩展频谱)方法，其中868MHz是欧洲附加的ISM频段，915MHz是美国的附加频段，在这两个频段上工作则可以避开2.4GHz频段的其他无线通信技术的无线电干扰。868MHz上的传输速度为20kbps，915MHz的传输速度为40kbps。使用ZigBee技术，两个节点之间的有效传输距离根据环境状况为10到75米，通信时延为15.30ms (典型搜索时延为30ms，休眠激活时延15ms,活动接入时延15ms)。此外，ZigBee采用了 64bit的IEEE地址和16bit的本地地址。在智能电网的搭建过程中，通过对电网组网方式的研究，合理地设计电表的采集和射频节点分布的拓扑结构，优化节点参数，解决耗电量、传输速率、空间传输频谱利用率，带宽等问题。还需要针对目前电力系统中平均负荷变换较大的特点，优化资源配置，提高设备传输容量和利用率，在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口，实现整个电力系统优化运行。电力数据的无线传输方式中，引入认知无线电技术，利用未授权的频谱，优先使用暂时未被占用的频段进行数据传输，为智能电网的传统数据传输方式提供新的方法，解决空中频谱资源稀缺，频谱利用率低的问题。一般来讲，利用无线传感器节点组成的无线传感器网络中无线通信技术的理想选择是ZigBee技术，基于其节约能源，成本也较低，适合节点数量较多的无线传感器网络。虽然ZigBee技术是实现无线传感器网络的理想解决方案，但在实际的工程应用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范围内使用的频率是2.4GHz，属于微波范畴，特点是频率高、波长短、直线传播，在传播方向上几乎绕不开障碍物，再加上ZigBee节点的射频发射功率非常低，因此ZigBee无线信号的穿透障碍物能力非常有限。虽然可以通过增加布置ZigBee路由节点来绕开障碍物，但这将会增加网络的容量以及网络的成本，而且有的场合是不允许再布置一个网络节点的。此外，当网络节点密度较大时，采用单独的ZigBee频段，可能会导致传输效率下降、网络拥塞等情况。

发明内容
(一)要解决的技术问题针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是智能电网覆盖面扩大后产生的通信瓶颈矛盾，及专网230MHz通信容量有限的问题。(二)技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种智能电网中基于认知无线电的通信网系统，所述通信网系统包括:传感器节点、汇聚节点和骨干网；所述传感器节点包括传感模块、计算控制模块和第一无线通信模块；其中所述第一无线通信模块包括认知选择控制模块和具有无线通信功能的ZigBee射频模块及230MHz射频模块，所述认知选择控制模块周期性检测网络中空闲频段的信道可用性，如果所选空闲频段的信道可用性符合通信要求则进入所选频段相应的ZigBee射频模块或230MHz射频模块进行通信；所述传感器节点感知频谱空闲情况，并选择合适频段与所述汇聚节点通信；所述汇聚节点对所述传感器节点上传的数据进行汇总和压缩，采用电力线载波的通信方式上传到所述骨干网。进一步地，所述无线通信模块还包括定位跟踪模块，在所述传感器节点之间建立起无线定位网络，所述无线定位网络包括协调器、参考节点和定位节点，所述协调器用于所述无线定位网络内部的通信和对外的通信，所述参考节点的地理位置固定且已知，所述定位节点的地理位置变化，通过定位引擎结合与所述参考节点的相对位置进行定位。进一步地，所述无线通信模块还包括地址识别模块，用于创建路由表，为每个传感器节点分配相应的地址，根据所述路由表内的地址找到下一个节点。进一步地，所述认知选择控制模块包括频谱感知模块，用于在空闲频段进行通信时感知所述空闲频段的通信质量变差或所述空闲频段的授权用户占用所述空闲频段进行通信时，立即对其他频段的信道可用性进行检测，再选择符合通信要求的频段进行通信。进一步地，所述认知选择控制模块还包括信道评估模块，用于对空闲频段的信道可用性进行评估。进一步地，所述汇聚节点包括具有无线通信功能的ZigBee射频模块及230MHz射频模块，不包括所述认知选择控制模块，所述汇聚节点轮询所述ZigBee射频模块和230MHz射频模块，采集所述传感器节点上报的信息，并转发所述骨干网下达的配置信息。为解决上述技术问题，本发明还提供了一种智能电网中基于认知无线电的通信组网方法，所述方法具体包括:S1:传感器节点搜索所在范围内是否有传感器节点网络，如果没有则不作处理，否则进入步骤S2 ；S2:在所述传感器节点网络范围内选定协调器，并发起入网请求，等待所述协调器的回复；S3:所述协调器对所述入网请求进行处理，确认是否答应所述传感器节点的入网请求，如果答应则返回给所述传感器节点允许应答，并为所述传感器节点分配网络地址作为标识符，成功加入所述传感器节点网络，否则不返回响应，入网失败；S4:所述传感器节点入网成功后，周期性检测所述传感器节点网络内空闲频段的信道可用性，如果所选空闲频段的信道可用性符合通信要求则利用所选频段相应的ZigBee2.4GHz频段或230MHz专用网频段进行通信；S5:所述传感器节点感知频谱空闲情况，并选择合适频段与汇聚节点通信；S6:所述汇聚节点对所述传感器节点上传的数据进行汇总和压缩，采用电力线载波的通信方式上传到骨干网。进一步地，所述步骤S3中传感器节点入网成功后所述传感器节点之间建立起无线定位网络，用于所述传感器节点在传感器节点网络内改变位置或申请离开所述传感器节点网络时所述传感器节点的定位；当所述传感器节点在传感器节点网络内改变位置时，所述传感器节点的标识符不变，所述协调器为所述传感器节点分配新的坐标，根据新的坐标计算并判断通信质量知否变差，如果变差则所述传感器节点重新对其它的空闲频段进行信道可用性评估，选择所述信道可用性符合通信要求的空闲频段进行通信；当所述传感器节点申请离开所述传感器节点网络时，所述传感器节点向所述协调器或路由器发送离网请求；所述协调器或所述路由器接收所述离网请求，回复离网应答，并将所述传感器节点的标识符从列表中删除；判断所述传感器节点离网后是否移动到所述传感器节点网络的内部还是外部，如果是内部则发送位置更新指令，否则不做操作。进一步地，所述传感器节点离网后，所述传感器节点网络重复步骤S1-S4组建新的传感器节点网络。进一步地，在用空闲频段进行通信时对所述空闲频段的信道可用性进行评估，感知所述空闲频段的通信质量变差或所述空闲频段的授权用户占用所述空闲频段进行通信时，立即对其他频段的信道可用性进行检测，再选择符合通信要求的频段进行通信。进一步地，所述传感器节点加入所述传感器节点网络的同时创建路由表，为每个传感器节点分配相应的地址，根据所述路由表内的地址找到下一个节点。(三)有益效果本发明提供了智能电网中基于认知无线电的通信网系统和组网方法，利用2.4GHz频段和230MHz频段相结合组建传感器节点网络，运用认知无线电到智能电网的传输中，感知当前频谱占用情况，实现在多个频段中自动切换，实现数据的智能化、高效率传输。同时由于频谱灵活性和自适应感知解决了无线传感器网络中的频谱传输问题，节约带宽，节省资源。


图1为本发明实施例一中的一种智能电网中基于认知无线电的通信网系统的网络架构图；图2为本发明实施例一中传感器节点的组成示意图；图3为本发明实施例一中传感器节点的工作流程示意图；图4为本发明实施例一中路由选择的流程示意图；图5为本发明实施例一中汇聚节点的组成示意图；图6为本发明实施例二中的一种智能电网中基于认知无线电的通信网组网方法的步骤流程图；图7为本发明实施例二中的删除传感器节点流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例一本发明实施例一中提供了一种智能电网中基于认知无线电的通信网系统，网络架构如图1所示，本实施例中以楼宇内智能电网组网架构为例进行说明，具体包括:传感器节点、汇聚节点和骨干网。传感器节点的组成示意图如图2所示，具体包括传感模块11、第一计算控制模块12和第一无线通信模块13。其中，传感模块11包括电力传感器，具有探测电力信息(电量、电流、电压等)能力。计算控制模块12根据传感模块11探测到的信息进行模数转换，进一步计算，以实现控制。第一无线通信模块13是传感器节点中的主控发射模块，具有定位、能量检测、识别位置等功能，具体包括认知选择控制模块131和具有无线通信功能的ZigBee射频模块132及230MHz射频模块133。认知选择控制模块131周期性检测网络中空闲频段的信道可用性，如果所选空闲频段的信道可用性符合通信要求则进入所选频段相应的ZigBee射频模块或230MHz射频模块进行通信。ZigBee射频模块使用2.4GHz频段通信，230MHz射频模块使用230MHz电网专用频段通信，使用两个频段，通过认知无线电功能选择当前适合的可用频段传输数据。认知选择控制模块131包括频谱感知模块1311，在利用谱感知模块1311感知当前环境中可用于无线通信的空闲频段，在尽量不影响此频段的授权用户正常使用的前提下，如果当前频段的通信质量和信道容量都符合电力数据传输的条件，就可以通过临时占用此授权频段来实现电力数据的传输。在空闲频段进行通信时感知空闲频段的通信质量变差或空闲频段的授权用户占用空闲频段进行通信时，立即对其他频段的信道可用性进行检测，再选择符合通信要求的频段进行通信。认知选择控制模块131还包括信道评估模块1312，用于对空闲频段的信道可用性进行评估，信道可用性体现在信道容量、干扰噪声、延迟和衰减指数等方面。根据这些参数的计算，得到较优的信道进行通信。通过认知选择控制模块131可以解决频谱资源短缺和用户数据传输信道临时阻塞的问题。第一无线通信模块13还包括定位跟踪模块134，在传感器节点之间建立起无线定位网络，无线定位网络包括协调器、参考节点和定位节点，协调器用于无线定位网络内部的通信和对外的通信，参考节点的地理位置固定且已知，定位节点的地理位置变化，通过定位引擎结合与参考节点的相对位置进行定位。随着参考节点数量的增加，定位的精准度也会增加。第一无线通信模块13还包括地址识别模块135，用于创建路由表，为每个传感器节点分配相应的地址，根据路由表内的地址找到下一个节点，实现路由功能。第一无线通信模块13还具有能量检测功能，通过内置接收信号强度显示器，得到代表接收信号的强度的二进制码，通过8个周期内的平均值得到。进行信号传输之前，要对已经接入的信道进行信道可用性检测，通过检测超出阈值的能量、载波判断和带有超出阈值能量的载波判断，来进行清洁信道评估功能。传感器节点还包括第一电源模块14，为传感器节点中的各个模块正常工作提供能量。在本实施例的无线传感网络监测系统中，在监测范围内有大量的监测节点，每个节点均可以作为路由器和协调器。在网络中最初启动的节点会充当协调器功能，它会发起一个网络，管理并维护它。它会为接下来依次加入网络的节点分配网络地址，安全密钥的分发等。每个节点都可以将采集到的数据保存到存储器中，也可以把数据发送到指定的监控设备上，工作流程如图3所示。一个协调器节点通过串口连接到电脑(PC)上，就可以用作一台监控上位机。监控上位机可以管理节点采集到的数据，还可以监控节点的通讯情况和电量情况，从而根据情况对各个节点分配情况，最大的利用节点资源，从而提高网络质量和寿命。在组建的网络中，充当非协调器的传感器节点主要的功能就只有环境参数的采集，并发送出去。接收数据的可以是他的父节点或者协调器。除此之外，当没有事件需要处理时，它都可以进入睡眠模式。但是一旦有外部中断的到来，节点又会被激活，回到工作的状态。之后上电的传感器节点首先对其硬件进行初始化，经过一段时间后，传感器节点也会搜索其通信范围内的网络，如果通信范围内没有网络，传感器节点不能入网。如果传感器节点搜索到网络，传感器节点就会选定网络的协调器，根据所获得的网络信息发送一个入网请求，并等待协调器的回复。当协调器收到入网请求之后，根据收到的信息确定是否答应其入网。如果答应传感器节点入网，协调器就会返回一个请求响应，并分配一个网络地址作为网络内的标识符。传感器节点收到请求回应之后，则成功加入协调器组建的网络。如果协调器经过认证不同意传感器节点加入网络，则传感器节点无法入网。在无线传感网络监测系统中，由于传感器节点可能会随时损坏、增加或者位置有改变，都会造成原本建立的链路的改变，于是需要网络的动态网络维护。当传感器节点不能正常工作、电源电量不足或者强制被要求离开网络的时候，就可以发送离网请求来要求脱离网络。当设备脱离网络之后，通过回复确认应答来确认结果。如果是协调器或者路由器接收到离网请求，协调器的地址参数将等于空(NULL)。传感器节点将发送离网请求，离网请求中包含断开命令，其目的地址参数设置为全1，表明是MAC广播。断开命令帧的命令选择域的请求子域设置为O。在传送断开命令请求之后，它会发送一个确认信息给自己上层，将其本地地址参数设置为空。
如果是终端设备接收到离网请求，它将再次发送另一条离网请求，离网请求中包含断开命令，其目的地址是它父传感器节点的16位网络地址，表明是MAC单播。断开命令帧的命令选择域的请求和断开子设备子域应设置为O。断开命令帧传送之后，它将向高层发送一个ACK确认原语，其本地地址参数为空。传感器节点脱离网络之后，网络会根据组网的原理重新组网。路由选择是网络中一个路由节点发起，其他传感器节点合作，通过ZigBee路由算法来度量路由好坏，从而找出一条最优路径。ZigBee路由成本是路由中的每一个链路成本之和,选择最好的路径就是选择成本最小的路径。每个传感器节点都会记录邻近传感器节点的链路消耗，然后将其加起来作为路由判断依据。 通过请求命令和应答命令帧，就可以进行新的路由搜索。当收到了路由请求命令帧，传感器节点就可以判断其是否具有路由选择功能。如果传感器节点没有路由选择功能，则判断数据是否来自于自己的子节点或者父节点，如果不是，则对接收的数据帧不予理睬，否则将路由请求命令帧中的目的地址与它所有的终端子节点进行比较，判断是否目的节点是其子节点。如果请求命令的目的节点就是传感器节点本身，他将发送一个应答命令帧。如果传感器节点具有路由选择功能，则将路由请求命令帧中的目的地址和自己以及自己的子节点地址比较，来判断自身和子节点中是否有目的节点，该路由选择的流程示意图如图4所示。传感器节点感知频谱空闲情况，并选择合适频段与汇聚节点通信。传感器节点和汇聚节点自组织形成WSNs (Wireless Sensor Networks,无线传感网络)。WSNs中节点资源的有限性决定了组网过程不应存在过多复杂控制信息的交互过程，同时在网络运行中应尽量保持各节点间的能耗均衡。在本实施例中每一楼层的传感器节点汇通过ZigBee电力线载波系统转换器聚成一个汇聚节点，多个楼层的汇聚节点再通过电力载波通信或以太网转换器连接到骨干网。传感器节点网络部署时考虑节点之间的最大通信距离和实际测量通信效果、使用方法为准，一些场景下的最大通信距离如表I所示。表I节点通信距离表
隔楼层MAM醒
场景 I，工走廊(混泥土结(木质装饰__^___构)(}板)
约 80 约 40 约 5~6 约 15 约 20距呙(m)______汇聚节点的组成示意图如图5所示，具体包括具有无线通信功能的第二计算控制模块21、第二通信模块22和第二电源模块23，第二通信模块22包括ZigBee射频模块及230MHz射频模块，不包括认知选择控制模块，汇聚节点轮询ZigBee射频模块和230MHz射频模块，采集传感器节点上报的信息，并转发骨干网下达的配置信息。汇聚节点对传感器节点上传的数据进行汇总和压缩，采用电力线载波的通信方式上传到骨干网。通过使用上述通信网系统，利用2.4GHz频段和230MHz频段相结合组建传感器节点网络，运用认知无线电到智能电网的传输中，感知当前频谱占用情况，实现在多个频段中自动切换，实现数据的智能化、高效率传输。同时由于频谱灵活性和自适应感知解决了无线传感器网络中的频谱传输问题，节约带宽，节省资源。实施例二本发明实施例二中还提供了一种智能电网中基于认知无线电的通信网组网方法，步骤流程如图6所示，具体包括以下步骤:步骤S1:传感器节点搜索所在范围内是否有传感器节点网络，如果没有则不作处理，否则进入步骤S2。步骤S2:在传感器节点网络范围内选定协调器，并发起入网请求，等待协调器的回复。在组建的网络中，充当非协调器的传感器节点主要的功能就只有环境参数的采集，并发送出去，接收的可以是他的父节点或者协调器。协调器在接收到传感器节点发送的入网请求后会根据发送的参数信息决定是否同意该传感器节点加入网络。步骤S3:协调器对入网请求进行处理，确认是否答应传感器节点的入网请求，如果答应则返回给传感器节点允许应答，并为传感器节点分配网络地址作为标识符，成功加入传感器节点网络，否则不返回响应，入网失败。传感器节点加入传感器节点网络的同时创建路由表，为每个传感器节点分配相应的地址，根据路由表内的地址找到下一个节点。步骤S3中传感器节点入网成功后传感器节点之间建立起无线定位网络，用于传感器节点在传感器节点网络内改变位置或申请离开传感器节点网络时传感器节点的定位。当传感器节点在传感器节点网络内改变位置时，传感器节点的标识符不变，协调器为传感器节点分配新的坐标。传感器节点在通信范围内任意改变位置都没有关系，但是在不同的位置链路传输的质量会不同。根据新的坐标计算并判断通信质量知否变差，如果变差则传感器节点重新对其它的空闲频段进行信道可用性评估，选择信道可用性符合通信要求的空闲频段进行通信。这一过程会造成少许延时，当时该延时并不影响电力数据到达数据中心，相比之下，频谱和信道资源的节约还是很客观的。当传感器节点申请离开传感器节点网络时，传感器节点向协调器或路由器发送离网请求。协调器或路由器接收离网请求，回复离网应答，并将传感器节点的标识符从列表中删除。判断传感器节点离网后是否移动到传感器节点网络的内部还是外部，如果是内部则发送位置更新指令，否则不做操作。上述步骤流程如图7所示。传感器节点离网后，传感器节点网络重复步骤S1-S2组建新的传感器节点网络。步骤S4:传感器节点入网成功后，周期性检测传感器节点网络内空闲频段的信道可用性，如果所选空闲频段的信道可用性符合通信要求则利用所选频段相应的ZigBee2.4GHz频段或230MHz专用网频段进行通信。步骤S5:传感器节点感知频谱空闲情况，并选择合适频段与汇聚节点通信。在用空闲频段进行通信时对空闲频段的信道可用性进行评估，感知空闲频段的通信质量变差或空闲频段的授权用户占用空闲频段进行通信时，立即对其他频段的信道可用性进行检测，再选择符合通信要求的频段进行通信。
步骤S6:汇聚节点对传感器节点上传的数据进行汇总和压缩，采用电力线载波的通信方式上传到骨干网。当网络组建之后，传感器节点之间就可以进行数据传输。数据传输包括了数据的接收和发送，数据在网络中怎样进行传递和网络的具体拓扑结构相关。当一个传感器节点要发送数据时，会发送一个数据发送的请求Request，然后等待目标传感器节点回复。当目标传感器节点返回一个请求响应ACK之后，就可以进行数据的发送了。在接收数据的过程中，还要判断数据是否有溢出。当应用层确定发送数据之后，数据会根据ZigBee协议层中规定的形式构建帧数据，由上到下逐层封装，帧构建好之后，将调用MAC层请求Request，等到收到请求响应ACK后返回。当接收到数据之后，数据由下至上逐层进行拆装。通过上述组网方法，利用2.4GHz频段和230MHz频段相结合组建传感器节点网络，运用认知无线电到智能电网的传输中，感知当前频谱占用情况，实现在多个频段中自动切换，实现数据的智能化、高效率传输。同时由于频谱灵活性和自适应感知解决了无线传感器网络中的频谱传输问题，节约带宽，节省资源。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种智能电网中基于认知无线电的通信网系统，其特征在于，所述通信网系统包括: 传感器节点、汇聚节点和骨干网； 所述传感器节点包括传感模块、计算控制模块和第一无线通信模块； 其中所述第一无线通信模块包括认知选择控制模块和具有无线通信功能的ZigBee射频模块及230MHz射频模块，所述认知选择控制模块周期性检测网络中空闲频段的信道可用性，如果所选空闲频段的信道可用性符合通信要求则进入所选频段相应的ZigBee射频模块或230MHz射频模块进行通信； 所述传感器节点感知频谱空闲情况，并选择合适频段与所述汇聚节点通信； 所述汇聚节点对所述传感器节点上传的数据进行汇总和压缩，采用电力线载波的通信方式上传到所述骨干网。
2.如权利要求1所述的通信网系统，其特征在于，所述无线通信模块还包括定位跟踪模块，在所述传感器节点之间建立起无线定位网络，所述无线定位网络包括协调器、参考节点和定位节点，所述协调器用于所述无线定位网络内部的通信和对外的通信，所述参考节点的地理位置固定 且已知，所述定位节点的地理位置变化，通过定位引擎结合与所述参考节点的相对位置进行定位。
3.如权利要求1所述的通信网系统，其特征在于，所述无线通信模块还包括地址识别模块，用于创建路由表，为每个传感器节点分配相应的地址，根据所述路由表内的地址找到下一个节点。
4.如权利要求1所述的通信网系统，其特征在于，所述认知选择控制模块包括频谱感知模块，用于在空闲频段进行通信时感知所述空闲频段的通信质量变差或所述空闲频段的授权用户占用所述空闲频段进行通信时，立即对其他频段的信道可用性进行检测，再选择符合通信要求的频段进行通信。
5.如权利要求1所述的通信网系统，其特征在于，所述认知选择控制模块还包括信道评估模块，用于对空闲频段的信道可用性进行评估。
6.如权利要求1所述的通信网系统，其特征在于，所述汇聚节点包括具有无线通信功能的ZigBee射频模块及230MHz射频模块，不包括所述认知选择控制模块，所述汇聚节点轮询所述ZigBee射频模块和230MHz射频模块，采集所述传感器节点上报的信息，并转发所述骨干网下达的配置信息。
7.一种智能电网中基于认知无线电的通信组网方法，其特征在于，所述方法具体包括: S1:传感器节点搜索所在范围内是否有传感器节点网络，如果没有则不作处理，否则进入步骤S2 ； S2:在所述传感器节点网络范围内选定协调器，并发起入网请求，等待所述协调器的回复； S3:所述协调器对所述入网请求进行处理，确认是否答应所述传感器节点的入网请求，如果答应则返回给所述传感器节点允许应答，并为所述传感器节点分配网络地址作为标识符，成功加入所述传感器节点网络，否则不返回响应，入网失败； S4:所述传感器节点入网成功后，周期性检测所述传感器节点网络内空闲频段的信道可用性，如果所选空闲频段的信道可用性符合通信要求则利用所选频段相应的ZigBee2.4GHz频段或230MHz专用网频段进行通信； 55:所述传感器节点感知频谱空闲情况，并选择合适频段与汇聚节点通信； 56:所述汇聚节点对所述传感器节点上传的数据进行汇总和压缩，采用电力线载波的通信方式上传到骨干网。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中传感器节点入网成功后所述传感器节点之间建立起无线定位网络，用于所述传感器节点在传感器节点网络内改变位置或申请离开所述传感器节点网络时所述传感器节点的定位； 当所述传感器节点在传感器节点网络内改变位置时，所述传感器节点的标识符不变，所述协调器为所述传感器节点分配新的坐标，根据新的坐标计算并判断通信质量知否变差，如果变差则所述传感器节点重新对其它的空闲频段进行信道可用性评估，选择所述信道可用性符合通信要求的空闲频段进行通信； 当所述传感器节点申请离开所述传感器节点网络时，所述传感器节点向所述协调器或路由器发送离网请求； 所述协调器或所述路由器接收所述离网请求，回复离网应答，并将所述传感器节点的标识符从列表中删除； 判断所述传感器节点离网后是否移动到所述传感器节点网络的内部还是外部，如果是内部则发送位置更新指令，否则不做操作。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述传感器节点离网后，所述传感器节点网络重复步骤S1-S2组建新的传感器节点网络。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在用空闲频段进行通信时对所述空闲频段的信道可用性进行评估，感知所述空闲频段的通信质量变差或所述空闲频段的授权用户占用所述空闲频段进行通信时，立即对其他频段的信道可用性进行检测，再选择符合通信要求的频段进行通信。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述传感器节点加入所述传感器节点网络的同时创建路由表， 为每个传感器节点分配相应的地址，根据所述路由表内的地址找到下一个节点。
全文摘要
本发明公开了智能电网中基于认知无线电的通信网系统和组网方法，系统包括传感器节点、汇聚节点和骨干网；传感器节点中无线通信模块包括认知选择控制模块和具有无线通信功能的ZigBee射频模块及230MHz射频模块，认知选择控制模块周期性检测网络中空闲频段的信道可用性，如果符合通信要求则进入所选频段相应的射频模块进行通信；传感器节点感知频谱空闲情况，并选择合适频段与汇聚节点通信；汇聚节点对上传的数据进行汇总和压缩，基于电力线载波上传到骨干网。本发明利用2.4GHz频段和230MHz频段相结合，运用认知无线电到智能电网的传输中，感知当前频谱占用情况，在多个频段中自动切换，实现数据的智能化、高效率传输。
文档编号H04W84/22GK103179696SQ20131008449
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者侯宾, 俎云霄, 胡冬晶, 丁俊杰 申请人:北京邮电大学