基于宽带载波和窄带无线的双模混合网络的组网方案的制作方法

本发明属于通信技术领域，尤指涉及一种电力线宽带载波和窄带无线双模混合网络的组网方案。

背景技术：

泛在电力物联网是应用移动互联、人工智能等现代信息技术及通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的一种新型的智慧服务系统。该系统中设置有各种形态和用途的传感器设备，用于对系统中的各类用电设备进行状态监视和检测。传统物理网中，传感器数据的传输一般使用基于ieee802.15.4标准的窄带无线通信技术，例如zigbee和lpwan等，但当电力传感器部署在室内、高楼间或屏蔽场所时，无线信号的传输距离会受到较大限制，容易出现通信孤点或孤岛现象，使得传统的基于窄带无线的单模通信网络方案在一些环境比较复杂的部署环境中无法完全实现电力传感器设备的有效通信。如果可以在现有电表集抄系统的宽带载波通信网络的基础上加入窄带无线技术，结合电力线宽带载波和窄带无线两种通信技术的优点，则有望解决部署在室内的电力传感器设备的信息传输问题。目前使用电力线宽带载波和窄带无线通信技术的设备主要有宽带载波单模、窄带无线单模以及宽带载波和窄带无线双模这三种形式，为具有使用以上通信模式的设备的混合网络设计一种可以融合不同通信手段之间的差异性的组网方案，以实现智能电表集抄网络从传统的电能计量业务向其它一些非计量业务通信功能的扩展，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于电力线宽带载波和窄带无线通信的双模混合网络的组网方案。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

基于宽带载波和窄带无线的双模混合网络的组网方案，网络中包括主节点和附属于所述主节点的从节点，所述从节点包括智能电表节点、宽带载波单模传感器节点、窄带无线单模传感器节点以及双模传感器节点：

网络触发组网需求后，网络主节点分别在宽带载波通信信道和窄带无线通信信道上执行组网超帧；

智能电表节点采用白名单制度进行入网；

宽带载波单模传感器节点和双模传感器节点采用向网络主节点发送关联报文的方式申请入网，所述网络主节点收到入网申请后，先判断本网络当前采用宽带载波通信模式的节点数量是否达到上限值，如果没有达到上限值则允许发起入网申请的传感器节点入网，否则拒绝发起入网申请的传感器节点入网；

窄带无线单模传感器节点的入网过程如下：

监听网络中双模通信节点发送的无线信标信号；

正确接收无线信标信号后，窄带无线单模传感器节点在窄带无线通信信道的组网超帧的csma时隙上竞争发送入网申请信号，并从可正确接收其信号的双模通信节点中选择一个中继节点，将入网申请信号发送给中继节点；

中继节点将入网申请信号转发给网络主节点；

网络主节点收到入网申请信号后，向中继节点发送入网同意信号；

中继节点接收到入网同意信号后，向申请入网的窄带无线单模传感器节点转发入网同意信号；

申请入网的窄带无线单模传感器节点收到入网同意信号后完成入网。

进一步的，所述中继节点的选择机制为：从可正确接收其信号的双模通信节点中选择载波层级数最小且信号接收质量最好的双模通信节点作为中继节点。

进一步的，如果申请入网的窄带无线单模传感器节点在发送入网申请后，在设定时间内没有收到入网同意信号，则更换另一个双模通信节点作为中继节点，继续发送入网申请信号，直至收到入网申请信号或发送次数达到上限。

进一步的，窄带无线通信信道的组网超帧包括：n+x个信标时隙和n+x个csma时隙，n为白名单中的智能电表数量，n+x表示本网络采用宽带载波通信模式的节点数量的上限值。

进一步的，无线信标信号的发送节点为已在宽带载波通信信道上完成入网的双模通信节点。

进一步的，所述窄带无线单模传感器节点在入网后，不中继发送其它节点信号，并且只在有信号发送需求时才启动信号收发机制，其余时间处于休眠状态。

进一步的，窄带无线单模传感器节点入网后，发送业务数据的步骤如下：监听网络中双模通信节点发送的无线信标信号，正确接收后无线信标信号后，在csma时隙上竞争发送业务数据信号，并从可正确接收其信号的双模通信节点中选择一个中继节点，将业务数据信号发送给中继节点进行转发；当收到中继节点的接收确认信号后默认该业务数据已经成功发送，如果在规定时间内没有接收确认信号，则更换中继节点并发送业务数据信号，直至收到接收确认信号或发送超时或发送次数达到上限。

进一步的，双模通信节点入网后，在窄带无线信道上周期性发送无线信标信号。

进一步的，双模通信节点入网后，发送业务数据的步骤如下：在产生业务数据发送需求时，先通过宽带载波信道的路由信息计算传输路径，如果传输路径上有某条链路存在宽带载波通信信道和窄带无线通信信道同时可用，则同时启动在两种信道上的csma信道监听机制，采用先出现发送机会的信道进行数据信号传输。

由以上技术方案可知，本发明利用双模混合网络中的双模通信节点，在现有宽带载波通信协议下搭建了全连通载波网络，以双模通信节点为中心接入点，通过周期性轮流发送无线信标信号来建立和窄带无线节点之间的单跳路由，从而实现宽带载波和窄带无线的双模混合组网，解决了窄带无线侧的通信孤点或孤岛问题。本发明的组网方案可以最大程度简化窄带无线侧的路由复杂度，可以为现有的电表宽带载波集抄网络增加非计量业务的通信功能，满足了不同形态和通信能力设备的混合组网和高效通信需求，同时整个方案无需对现有网络进行基础设施改造，具有技术研发难度低、市场风险小和低成本等优点。

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为本发明实施例双模混合网络的路由架构示意图；

图2为本发明实施例窄带无线通信信道侧组网超帧的时隙结构示意图；

图3为本发明窄带无线通信信侧信标信号的格式示意图；

图4为本发明实施例双模通信节点发送业务数据时的信道选择机制示意图。

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。

和智能电表相比，在电力物联网中使用的电力传感器具有以下区别特性：

能量供应方式不同：智能电表采用电力线供电，电力传感器由于受到安装位置的限制，不一定具备电力线供电的条件，有的要使用内置电池供电；

通信手段不同：智能电表都可以通过电力线载波通信信道进行通信，而且多数可以实现宽带载波和窄带无线的双模通信；电力传感器在不同的应用场景下会受到体积、成本等限制，可能只具备宽带载波或窄带无线的单模通信手段；

通信速率不同：宽带载波的物理层通信速率可达到mbps，而窄带无线的物理层通信速率一般仅约几kbps或几十kbps；

能耗水平不同：智能电表由电力线供电，对节能设计的要求较低；对于采用内置电池供电的电力传感器，需通过长期休眠机制来最小化设备的耗电量。

图1为包含了智能电表和电力传感器的双模混合网络的双层路由架构示意图。除了网络主节点外，该双模混合网络中的从节点包括以下四种类型：具备宽带载波和窄带无线的双模通信手段的智能电表节点，具备宽带载波单模通信手段的宽带载波单模传感器节点，具备窄带无线单模通信手段的窄带无线单模传感器节点，以及具备宽带载波和窄带无线的双模通信手段的双模传感器节点。智能电表节点、宽带载波单模传感器节点、双模传感器节点等具备宽带载波通信手段的节点均与电力线连接，仅具备窄带无线单模通信手段的窄带无线传感器节点不与电力线连接，由内置电池供电。本实施例双模混合网络的组网方案如下：

网络触发组网需求后，网络主节点分别在宽带载波通信信道和窄带无线通信信道上执行组网超帧；

智能电表采用白名单制度进行入网，即网络主节点保存有本台区内智能电表的mac地址名单，在组网过程中只允许白名单上的智能电表节点入网；未入网的智能电表通过发送关联请求报文来向网络主节点申请入网，网络主节点在收到申请入网的关联报文后，对于在白名单上的智能电表，通过其入网申请。

对于采用宽带载波通信模式的电力传感器(具备宽带载波单模通信手段的宽带载波单模传感器以及具备宽带载波和窄带无线的双模通信手段的双模传感器)，由于传感器的安装具有很强的随机性，难以采用白名单入网机制，因此此类节点采用向网络主节点发送关联报文的方式来申请入网，电力传感器的关联报文中携带了自身设备的类型；网络主节点收到采用宽带载波通信模式的电力传感器的入网申请后，先判断本网络当前采用宽带载波通信模式的节点数量是否达到上限值，如果没有达到上限值则允许发起入网申请的电力传感器入网，否则拒绝发起入网申请的电力传感器入网。网络主节点在网络初始运行时会为白名单上的每个智能电表预留空间，以避免出现白名单上的智能电表因网络节点数量达到上限值而无法入网的情况。

表1为本发明宽带载波协议中关联报文对设备类型的定义列表，其中对8种设备类型做了定义，每种设备类型用1个字节的信令来进行定义。

表1

对于采用窄带无线单模通信模式的电力传感器(以下称为窄带无线单模传感器)，其入网过程如下：

监听网络中双模通信节点(具备宽带载波和窄带无线的双模通信手段的智能电表节点、具备宽带载波和窄带无线的双模通信手段的双模传感器节点)发送的无线信标信号；

当监听到并正确接收无线信标信号后，窄带无线单模传感器节点在窄带无线通信信道的组网超帧的csma时隙上竞争发送入网申请信号，并从可正确接收其信号的双模通信节点中选择一个载波层级数最小且信号接收质量最好的节点作为自身的中继节点，将入网申请信号发送给中继节点；

中继节点将入网申请信号转发给网络主节点；

网络主节点收到入网申请信号后，向中继节点发送入网同意信号，其中，入网同意信号将携带网络主节点为该申请入网的窄带无线单模传感器节点所分配的tei地址，用于标识该节点在网络中的唯一身份；

中继节点接收到入网同意信号后，使用无线通信信道在窄带无线通信信道的组网超帧的csma时隙上向申请入网的窄带无线单模传感器节点转发入网同意信号；

申请入网的窄带无线单模传感器节点收到入网同意信号后完成入网。

如果申请入网的窄带无线单模传感器节点在发送入网申请后，在设定时间内没有收到入网同意信号，则更换另一个双模通信节点作为中继节点，继续发送入网申请信号，重复上述步骤，直至收到入网申请信号或发送次数达到上限(如30次)。

目前常规使用的宽带载波通信协议中，tei地址的长度都为12bit(取值范围为0～4095)，宽带载波网络的节点数量上限值都一般为1000个左右，因此双模混合网络中可以允许约1000个左右的具有载波通信能力的(宽带载波单模，宽带载波和窄带无线双模)节点入网，同时还可允许约3000个左右的窄带无线单模节点入网。更具体的，在tei地址分配过程中，网络主节点将tei地址划分为5段，其中0默认为网络主节点的tei地址、[1，n]分配给白名单中的智能电表、[n+1，n+x]分配给宽带载波单模、宽带载波和窄带无线双模节点、[n+x+1，4094]分配给窄带无线单模节点，4095则是全网广播地址。

图2为窄带无线通信信道的组网超帧的时隙结构示意图。如图1所示，该超帧包括两种时隙：n+x个信标时隙和n+x个csma时隙；n为白名单中的智能电表数量，n+x表示宽带载波协议所规定的本网络采用宽带载波通信模式的节点数量的上限值，该上限值在不同单位所制定的宽带载波协议中可能不同，由各协议制订单位根据需求确定。

信标时隙用于发送固定内容长度的网络信令信息，默认使用窄带无线通信物理层中速率最低且最可靠的波形进行信标信号发送，其长度由无线信道侧所使用的物理层波形决定。csma时隙的长度默认为信标时隙的长度的整数倍，默认为20倍。基于宽带载波侧的tei地址分配情况和ntb值，无线通信信道的组网超帧中信标时隙的分配机制为：超帧中的第y个信标时隙固定分配给tei值等于y的节点使用，如果某个信标时隙对应的tei值尚未被分配，则由网络主节点取代它来发送信标信号。无线侧的超帧的时间基准完全和载波侧保持一致，从而保障在无线侧存在通信孤点或孤岛情况时，所有的无线节点仍能正确维持超帧结构的信号收发时序。

图3为无线信标信号的格式示意图，如图3所示，无线信标信号包括同步头、信令内容及crc(校验位)。其中，信令内容包括网络标识、发送节点tei和发送节点载波层级数。网络主节点用网络标识字段来唯一标识本载波网络的身份，在混合组网网络中，无线侧网络和宽带载波侧网络的网络标识值保持一致。终端设备标识值(简称tei)用于表明节点在网络中的身份，由网络主节点分配，本发明的无线信标信号发送节点必须是在宽带载波侧已经完成入网的双模通信节点，因此无线侧信标信号中的发送节点tei表示发送节点在宽带载波侧入网时主节点分配给该节点的tei值。发送节点载波层级数用于标识该节点和网络主节点之间的传输路由层数，该值越小意味着该节点离网络主节点越近。

对于通过宽带载波信道入网的节点(智能电表节点、宽带载波单模传感器节点、双模传感器节点)，网络主节点在允许入网时，都会为这些节点分配唯一的终端设备标识值(简称tei)，值取值范围为1至n+x。同时网络主节点将通过载波信标信号来进行网络基准时间值(简称ntb)的全网广播，以持续实现全网载波节点和网络主节点的时间同步和对齐。

对于窄带无线单模传感器节点，由于采用内置电池供电，为了减少能耗，入网后的窄带无线单模传感器节点不能中继发送其它节点信号，并且只在有信号发送需求时才启动信号收发机制，其余时间处于休眠状态。双模传感器节点可以充当中继节点。

入网后，窄带无线单模传感器节点在发送业务数据时，业务信号的发送机制和入网申请信号的发送机制相同，先监听网络中双模节点所发送的无线信标信号，正确接收后在csma时隙上竞争发送业务数据信号，并从可正确接收其信号的双模通信节点中选择一个载波层级数最小且信号接收质量最好的节点作为中继节点，将业务数据信号发送给中继节点进行转发；当收到中继节点的接收确认信号后默认该业务数据已经成功发送。反之如果业务信号发送后在规定时间内没有收到接收确认信号，则会更换中继节点并再次尝试信号发送，直至收到接收确认信号、或数据超时、或发送次数达到上限，如10次。中继双模节点收到窄带无线单模传感器节点发送的业务数据信号后，将基于自身路由信息将业务数据转发给网络主节点。

对于双模通信节点，入网后，双模通信节点之间在窄带无线信道上周期性发送无线信标信号，以发现无线侧1跳邻居节点；双模通信节点之间采用宽带载波通信协议实现载波侧的路由维护。如图4所示，当双模通信节点在产生业务数据发送需求时，先通过宽带载波信道的路由信息计算传输路径(传输路径的计算方常规的方法，不是本发明的创新点，此处不再赘述)，如果传输路径有某条链路存在宽带载波和窄带无线同时可用，则同时启动在两种信道上的csma信道监听机制，哪个信道先出现发送机会则选择该信道进行数据信号传输，以实现两种信道的负荷均衡。

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。