一种宽带载波通信网络的信标信令协议设计方法与流程

本发明属于宽带载波通信
技术领域：
，尤指涉及一种宽带载波通信网络的信标信令协议的改进方法。
背景技术：
：上世纪90年代后，低压电力线载波通信技术在电能表自动抄表系统中逐步得到应用，第一代技术主要是采用70～500khz频段的窄带通信技术。但随着采集业务的发展，传统的窄带电力线通信技术已经渐渐无法满足电力运营企业对数据采集的不断提高的业务需求。为更好的满足智能电表自动载波集抄系统的信息采集业务需要，中国的两大电网企业——中国电网公司(简称国网)和中国南方电网公司(简称南网)在2017年先后发布了针对低压电力线宽带高速载波技术的通信标准，文件名称分别为《低压电力线高速载波通信互联互通技术规范》和《低压电力用户集中抄表系统宽带载波通信技术要求》，标准对业务层、数据链路层和物理层进行了详细的协议规定，为相关通信设备的大规模生产和应用奠定了基础。以上两个标准对于数据链路层协议设计在一定程度上均借鉴了ieee802.15.4标准的mac协议，因此两者的设计思路和框架基本相同，只是在一些细节上存在一些微小差异。数据链路层协议负责网络的组网、信道接入和传输路由等诸多功能，因此是决定网络通信性能的关键因素，对整个网络的运行效率起决定性作用。而和信标信号相关的协议内容则是数据链路层协议的核心，该信号的设计方式在很大程度上决定了整个网络的通信性能。在两个标准颁布后，相关的通信产品和系统在国内各地的用电台区中得到了大量部署和应用，且获得了比上一代窄带低速载波通信系统更好的运营性能，信息传输速率和可靠性等都有了明显提升，但也存在着一个明显的问题，即当前运营的网络中，其实际的系统吞吐量与其物理层波形mbps量级的高速通信能力明显不匹配。例如，目前完成一个含300个节点的典型智能电表抄表网络的全网抄表一般需要几分钟(如5分钟)，一个节点的上行抄表报文长度约为100个字节。假定网络的最大跳数为7跳，上行抄表报文的平均传输跳数设定为4跳，在这5分钟的时间内，网络的上行业务数据传输总量约为300×100×4＝1.2×105字节≈106比特，因此在全网抄表过程中，整个网络的业务吞吐量大概只有106bit/5分钟≈3kbps的水平，对物理层速率的利用效率只有3kbps/1mbps＝0.3％，显然网络资源综合利用效率还存在很大的改善空间。由于使用现有通信协议的相关产品已得到了大量部署，大幅修改协议将导致新产品和大量旧产品无法互联互通，如何能在兼容现有协议内容、保持新旧产品互联互通的前提下，提高网络通信性能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宽带载波通信网络的信标信令协议设计方法，在兼容现有协议内容，保持与旧产品互联互通的前提下，提高网络综合通信性能。为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：一种宽带载波通信网络的信标信令协议设计方法，包括以下步骤：在原有信标信令协议的基础上，在信标信号的管理消息中对组播地址定义消息、组播地址最新序列号信息和组播地址内容请求消息进行以下定义：组播地址定义消息，用于向全网节点发送某个组播地址所对应的节点集合，所述组播地址定义消息字段的内容包括组播地址、消息序列号、消息源头指示、本组播地址所含节点总数量、本分包序列号、本消息所含节点数量、本消息所含第1个节点在组播地址中的位置，第1～k个节点的单播短地址，k为节点单播短地址数量；组播地址对应的序列号消息，用于标识所使用的组播地址所对应的序列号信息，所述组播地址对应的序列号消息字段的内容包括1～r个组播地址对应的序列号，r为组播地址的数量，所述组播地址对应的序列号消息仅在本信标信号的非中央信标信息字段中使用了组播地址后随之发送；组播地址内容请求消息，用于节点向自己的邻居节点发送请求，要求邻居节点发送关于某个组播地址所定义的内容，所述组播地址内容请求消息字段的内容包括所请求的组播地址数量t以及所请求的组播地址1～t及对应的序列号；节点在入网时，中央协调器为每一个节点分配一个网络短地址，将各节点的网络短地址的定义发送给与该网络短地址对应的单个节点；中央协调器对组播地址进行分配，并在定义某个组播地址后，将该组播地址的内容通过信标信号广播给网络中所有已入网的节点，节点收到信标信号后对信令内容进行解析，解析得到的内容中如果包含某个组播地址的内容，节点进一步判断自身是否已保存有组播地址的内容，如果没有则保存接收到的组播地址的内容，如果已保存有组播地址的内容，则比较新接收到的组播地址和已保存的组播地址的序列号，如果已保存的组播地址的序列号值低于新接收到的组播地址中的序列号值，则用新的组播地址的内容覆盖已保存的组播地址的内容，进行信息内容的更新。更具体的，中央协调器在节点入网时为节点分配的单节点短地址的范围是[1,max_n]，max_n表示网络中节点规模的上限值，组播地址的分配范围是[max_n+1，4090]。更具体的，节点收到信标信号并对信令内容解析后，根据解析得到的内容判断接收到的信标信号的源头是中央协调器还是网络中的节点，如果来自中央协调器则将接收到的信标信号重复发送数次，如果来自网络中的节点，则响应该节点所发送的组播地址内容请求消息，但不进行中继发送接收到的信标信号。更具体的，当节点自身保存的组播地址的序列号值低于新接收到的组播地址中的序列号值时，向邻居节点发送组播地址内容请求消息，邻居节点收到该组播地址内容请求消息后且自身保存有所请求的组播地址的内容，则响应该请求，在自己的信标信号中发送对应的组播地址定义消息。更具体的，如果一个节点收到某个组播地址内容请求消息后，自身没保存有所请求的组播地址的内容，或者所保存的组播地址的序列号值低于组播地址内容请求消息中的序列号值，则向邻居节点发送组播地址内容请求消息。更具体的，如果节点接收到的消息中节点单播短地址数量k＝2，且本消息所含节点数量值num>2，则该消息是用于单播短地址连续的节点的组播地址定义。更具体的，所述组播地址定义消息、组播地址最新序列号信息和组播地址内容请求消息均为选择发送消息。由以上技术方案可知，本发明方法在现有协议框架和体系下，对信标信号的信令内容补充定义了基于组播地址的信标管理消息，以及中央协调器对网络节点入网时的短地址分配规则，利用组播地址来标识节点，降低信标信号的长度，可以在携带相同信息的情况下大幅压缩这部分信令内容的长度，从而在兼容现有协议的情况下，可以提升信标信号中信令信息携带效率，在提升信标信号传输鲁棒性的同时也有效减低了信标信号的信道开销，从而提高整个网络的运行效率。而且通过新增加的关于组播地址的信标管理消息的内容和使用方式，还可以提高整个机制冗余性，在信令内容出现丢失时具有较好的发现能力和及时的补救能力，从而非常可靠的保障了整个网络中所有节点对组播地址所对应的节点集合信息内容的高度趋同，以及在出现错误时，具有快速发现和错误修正能力，实现组播地址在网络运行过程中的良好使用效果。此外，信标信号长度的减少也有利于降低信号被脉冲干扰的概率，从而提高信号传输的抗脉冲干扰能力和鲁棒性，并进一步提高网络的综合通信性能。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为用电信息采集系统的宽带高速载波通信网络的树形网络拓扑示意图；图2为《低压电力线高速载波通信互联互通技术规范》中超帧时隙结构示意图；图3为信标信号的信号结构示意图；图4为非中央信标信息的内容定义示意图；图5为相同网络中不同信标信号通信距离造成的影响的示意图；图6为基于组播地址的非中央信标信息的内容定义示意图。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。如图1所示，用电信息采集系统的宽带高速载波通信网络一般会形成以中央协调器(cco)为中心、以代理协调器(代理节点，pco)为中继代理，连接所有从站点(sta)的多级关联树形网络。中央协调器作为网络运行的中心控制节点，使用一种基于信标周期的超帧时隙结构来进行网络通信，同时使用信标信号来维持整个网络的同步和有序运行。在国网的《低压电力线高速载波通信互联互通技术规范》中，对超帧的时隙划分情况如图2所示，一个信标周期包括4种时隙，依次分别为：信标时隙区、tdma时隙区、csma时隙区和绑定csma时隙区。南网的《低压电力用户集中抄表系统宽带载波通信技术要求》对于超帧的时隙划分也采用了类似的结构，只是4种时隙的排序不同，但由于两个标准的协议中对于tdma时隙区的相关信令内容只规定该时隙区的长度却没有对应的具体节点分配信息，在实际应用中该类型的时隙无法利用，时隙长度通常为0，所以两套协议的时隙排序事实上是一样的。中央协调器通过使用信标信号来实现整个网络时隙结构的同步有序管理，信标信号有3种类型：中央信标、代理信标和发现信标，这三种信标信号都采用如图3所示的信号结构，均包括前导信号、帧控制信号和载荷信号。在每个信标周期的起始时间位置，中央协调器开始进行中央信标信号的发送，其信号信令内容中将携带本信标周期的时隙参数信息和其它一些网络管理信息。其中，时隙参数信息主要包括信标时隙的时间长度、三种类型信标时隙的数量(x、y和z的数值),y个代理信标时隙和z个发现信标时隙所一一对应的y+z个发送节点的网络短地址(tei)，以及csma时隙区和绑定csma时隙区的相关参数。网络中一个节点收到另一个节点所发送的信标信号后，如果通过信令内容解析发现自己是上述y+z个发送节点中的一员，且自己所分配的信标时隙在时间轴上尚未来临，则会在该信标时隙的时间到达后在属于自己的时隙上中继发送代理信标信号或发现信标信号。基于这种机制以及合适的代理中继节点的选择，中央协调器可以利用这x+y+z个信标时隙在一个信标周期内实现自己的信标信令信息的下行全网广播发送。国网和南网标准对信标信号的载荷字段做了定义，具体定义见表1，对载荷字段中的信标管理信息的定义见表2，对信标管理信息中管理信息类型的定义见表3，对管理信息类型中时隙分配消息的定义(国网)见表4，南网标准对时隙分配信息的设计思路与国网基本一致，此处以南网标准为例进行说明。表1信标信号载荷字段的定义表2信标管理消息的字段定义表3管理消息的类型定义和内容说明在载荷信号部分，国网和南网标准的协议都规定只支持一个136字节或者一个520字节长度的物理块。由于信令内容长度会随着网络节点规模的增加而迅速增加，导致当整个网络的节点数量稍微大一些后(典型网络拓扑下约80个节点，大部分网络的节点数量会达到百个以上)，信号内容长度会超过136字节物理块的信息承载能力，因此信标的载荷信号就会选择使用物理层长度最大的520字节的物理块。而在智能电表自动集抄网络中，业务数据报文的长度一般约为100字节，根据现有的协议会导致信标信号长度过长，占用非常大的信道开销，且通信网络中还会出现信令信号长度大于业务信号长度的现象，背离了网络信号的最基本设计理念，即信令信号应该长度较短，可靠性高，且通信鲁棒性要优于业务信号。通过表3关于管理信息的类型定义和内容说明可知，站点能力消息、路由参数消息和频段变更消息都是固定长度且数值较小，在三种类型消息都发送的极端情况下(实际应用中如果网络需要发送频段变更消息，则意味着网络将很快在新的频段上重新初始化和组网，此时没有必要再发送站点能力消息和路由参数消息)，其内容长度之和也仅为25个字节(国网)或57字节(南网)；而时隙分配消息的内容长度为动态值，其长度也是载荷字段中内容长度最大的信令内容。时隙分配消息的定义见表4。表4时隙分配消息字段的内容定义从表4可以看出，除去非中央信标信息部分，其它内容的长度之和的最大值为44字节(网络为三相载波网络)。而非中央信标信息的长度为动态值，其携带的信息用于指示y+z个非中央信标时隙的分配信息，非中央信标信息的内容定义如图4所示，其包括了时隙的分配节点短地址、该时隙的信标类型以及预留比特，预留比特没做任何内容的定义。由于tdma时隙区的无法使用，因此除了信标信号以外，网络中节点的其它任何一种类型的信号都要在csma时隙区或绑定csma时隙区上进行发送，所以每个节点都必须在这些时隙区来临前知道本信标周期内这些时隙区的起始位置和结束位置等关键信息，否则就无法进行信号发送，因此由中央协调器关于本信标周期内时隙参数信息必须在本信标周期内的信标时隙结束前实现全网广播。为满足该信息传输要求，在非中央信标信息中，代理节点集合的选择必须保障其信标中继信号覆盖范围之和可以包含网络所有已入网节点；同时发现信标信号可以用于进行未入网节点的引导，以及入网节点之间的拓扑发现和质量探测，因此网络中的所有从站点(sta)都需要周期性进行发现信标信号的发送。随着网络中节点数量的增加，非中央信标时隙的数量也会随着增加，导致非中央信标信息字段的长度也随着增加。当x值达到约30时(在典型拓扑网络中，网络中节点数量大于80个时，此时x值也就会大于30)，信标载荷字段的长度就会超过136字节物理块的承载能力，网络中的节点都将被迫使用物理层中分块长度最大的520字节物理块，从而导致信标信号长度非常大，信令的信道开销急剧增加，且网络中会出现信令信号长度大于业务信号。为解决以上问题，本发明在当前标准的协议框架下，在信标信号的信令内容中增加对基于组播地址的信标管理消息类型和内容的定义，以及中央协调器对其它节点入网时网络短地址(tei)分配规则默认规定的定义，从而在保障在兼容现有协议的基础上，网络节点数量较多的情况下可以提升信标内容的信息携带效率，减少信令信号的长度，在提升信标信号传输鲁棒性的同时减低信标信号的信道开销，最终改善网络的运行效率。组播地址是用1个长度为12bit的地址来唯一标识网络中某一群的节点的集合。中央协调器在完成地址映射关系的全网广播后，在后续的网络运行过程中，在非中央信标时隙的分配节点地址信息中可以用组播地址来标识节点，而不再需要逐个列出节点的地址，从而在携带相同信息的情况下可以大幅压缩这部分信令内容的长度，以避免网络中的节点被迫选择长度最大的520字节物理块而导致信标信号长度较大，节点可以选择长度较小的136字节物理块。本发明宽带载波通信网络的信标信令协议设计方法的步骤如下：在信标信号的管理消息中增加对组播地址定义消息、组播地址最新序列号信息和组播地址内容请求消息的定义(具体见表5)，以实现组播地址定义内容快速可靠的全网广播发送。表5管理消息中新增的3个和组播地址相关消息类型的说明组播地址定义消息为选择发送消息，内容长度为动态值，用于向全网节点发送某个组播地址所对应的节点集合；如表6所示，组播地址定义消息字段的内容包括组播地址、消息序列号、消息源头指示、本组播地址所含节点总数量、本分包序列号、本消息所含节点数量、本消息所含第1个节点在组播地址中的位置，1～k个节点的单播短地址，k为节点单播短地址数量。表6组播地址定义消息字段的内容定义组播地址对应的序列号消息为选择发送消息，仅在本信标信号的非中央信标信息字段中使用了组播地址后随之发送，用于标识所使用的组播地址所对应的序列号信息，以帮助网络中的节点判断自身保存的关于组播地址所对应的节点集合是否和中央协调器保持一致；如表7所示，组播地址对应的序列号消息字段的内容包括1～r个组播地址对应的序列号，r为组播地址的数量。表7组播地址对应的序列号消息字段的内容定义组播地址内容请求消息为选择发送消息，内容长度为xx字节，用于节点向自己所有的邻居节点发送请求，要求其发送关于某个组播地址所定义的内容；如表8所示，组播地址内容请求消息字段的内容包括：所请求的组播地址数量(t)、所请求的组播地址1～t及对应的序列号。中央协调器使用1个组播地址来唯一标识包含有众多节点的集合，组播地址定义消息在全网广播过程中可能会因为传输链路的不可靠而出现少量节点丢失该信令内容的情况。当丢失该信令内容的节点在后续时间内在信标信号中发现组播地址的出现，且其对应的序列号和自身保存的内容不一致时，可以利用组播地址内容请求消息来要求自己的邻居节点向自己发送该组播地址的定义内容。表8组播地址内容请求消息字段的内容定义名称长度备注所请求的组播地址数量4bit表示本次请求的组播地址的数量组播地址112bit所请求的第1个组播地址组播地址1对应的序列号8所请求的第1个组播地址对应的序列号…组播地址t12bit所请求的第t个组播地址组播地址t对应的序列号8所请求的第t个组播地址对应的序列号节点入网时，中央协调器为每一个节点分配一个长度为12bit的网络短地址(0～4095)，以标识该节点在本网络中的唯一身份，并只将各节点的网络短地址(单节点短地址)的定义发送给与该网络短地址对应的单个节点；进一步的，中央协调器在节点入网时为其分配的单节点短地址的范围是[1,max_n]，max_n表示网络中节点规模的上限值，[max_n+1，4090]内的地址用于表示不同节点集合的组播地址，从而实现对网络中单节点的短地址和多节点的组播短地址的区分；中央协调器对组播地址进行统一分配，并在定义某个组播地址后，将组播地址的内容(组播地址定义消息)通过信标信号广播给网络中所有已入网的节点，节点收到信标信号后进行解析，解析得到的内容中如果包含某个组播地址的内容，节点进一步判断自身是否已保存有组播地址的内容，如果没有则保存接收到的组播地址的内容；如果已经保存有组播地址的内容，则比较新接收到的组播地址和已保存的组播地址的序列号，如果已保存的组播地址的序列号值低于新接收到的组播地址中的序列号，则用新的组播地址的内容覆盖已有的组播地址的内容，进行信息内容的更新。当节点在信标信号中发现某个组播地址或多个组播地址的使用后(后续会跟随组播地址对应的序列号消息，来指示这些地址对应的序列号)，通过和自身所保存的组播地址信息进行比较(没有该组播地址的保存信息或者保存信息中的序列号值低于消息中的序列号)，节点就可以知道自己丢失了前面源自中央协调器所发送的关于该地址的最新定义消息内容，即可针对这些丢失内容的组播地址发起组播地址内容请求消息，当邻居节点收到该组播地址内容请求消息后且自身保存了该组播地址的内容，则会响应该请求，后续在自己的信标信号中发送对应的组播地址定义消息，帮助信息丢失的节点实现信息内容更新。同理，如果一个节点收到某个组播地址内容请求消息后，如果自身没有该组播地址的保存信息，或者保存信息中的序列号值要低于消息中的序列号，则其也会发现自己也出现了组播地址信息丢失，也会发起组播地址内容请求消息的发送。进一步的，如果一个节点接收到的消息(信标信号)的源头来自中央协调器，则意味着这是最新的定义，则将接收到的消息重复发送数次，如5次；如果消息的源头来自网络中的节点自身所保存的信息，则响应该节点(邻居节点)所发送的组播地址内容请求消息，但对接收到的消息不再进行中继发送。为提高信令内容效率，在节点接收到的消息中如果出现节点单播短地址数量k＝2，且本消息所含节点数量值num>2的情况，则意味着本消息是用于单播短地址连续的节点的组播地址定义，例如，如果中央协调器将组播地址2000定义为单播短地址100至199，共100个节点的组播地址，则虽然组播地址所含节点数量有100个，但消息中只需要列出第1个节点和最后一个节点的短地址，因此可以大幅度减少这类连续短地址节点集合的消息的内容长度。下面以一个具体的应用场景对基于本发明信标信令协议设计方法的协议进行通信的网络情况以及基于常规的信标信令协议进行通信的网络情况进行说明。信标信号的通信距离和通信可靠性会对网络性能产生很大的影响，以图5的格状网络为例，在相同网络下，为满足中继节点信号覆盖全网节点的路由要求，当信标信号的通信距离为1时，网络最大层数为4，代理节点数量为10个(图5中左侧所示网络)；当信标信号通信距离为时，网络最大层数为2，代理节点数量仅为4个(图5中右侧所示网络)。网络在运行阶段的某一段时间内，网络的树形拓扑结构中(图1)，代理协调器节点的数量为y个，站点节点的数量为w个，站点节点需要周期性发送发现信标信号，假设在一个信标周期内w个站点节点中有z个站点节点需要发送信标信号(假定w可以整除z，且有w＝e×z)，按照现有的信标信令协议，信标载荷信号中非中央信标信息字段的长度为(y+z)×16bit。而按照本发明方法设计的信标信令协议，中央协调器可以用组播地址1来定义y个代理协调器节点，将w个站点节点划分为e个含z个节点的集合，然后使用e个不同的组播地址来分别定义e个节点集合，完成这e+1个组播地址内容的全网广播后，中央协调器将仅需要使用如图6所示的16×2＝32bit长度信息就可以承载对y个代理信标时隙和z个发现信标时隙的分配信息。如果y＝40，z＝30时，现有的信标信令协议中非中央信标信息的长度达到了140字节，超出了136字节物理块的信息承载能力，因此信标信号必须使用520字节物理块，会造成信标信号长度较长，信道开销较多。而基于本发明方法设计的信标信令协议，通过组播地址的使用可以有效解决现有协议中信标信令内容长度随着网络节点增加而快速增加的问题，在完成组播地址内容的广播后，非中央信标信息字段的长度可以减少至32bit，使得后续的信标信号全部可以采用136字节物理块，将信标信号长度降低至协议所规定的最低水平。此外，由于载波通信所使用的电力线信道电磁环境恶劣，存在大量由用电负荷所产生的随机突发脉冲噪声，信标信号长度的减少也有利于降低信号被脉冲干扰的概率，从而提高信号传输的抗脉冲干扰能力和鲁棒性，并进一步提高网络的综合通信性能。和传统移动通信网络中节点频繁出现入网和离网的情况不同，低压电力线载波通信网络的主要通信服务对象为智能电表，因此网络具有很强的规划性和非移动性，节点在完成入网后，出现位置变动的概率很低，因此在网络运行稳定后不会频繁出现节点入网和离网现象，从而可以避免中央协调器对组播地址的频繁定义或内容更新。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。当前第1页12