宽带载波网络的抄表方法与流程

1.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网络的抄表方法。


背景技术：

2.抄表是用电信息采集系统特有的一种业务需求，其业务流程为：中心节点向目标节点发送下行抄表报文，报文内容指示了本次抄表的业务数据相关参数；收到下行抄表报文后的各目标节点依据报文内容的要求向中心节点上报自身对应的上行抄表报文；中心节点收到来自目标节点的上行抄表报文后，向该目标节点下发接收确认报文。依照目前国网和南网的通信协议，除了信标信号，其它类型的网络报文仅能使用csma类信道接入方案。而抄表需求可能是周期性触发，也可能是用户在管理过程中临时触发。在未触发抄表业务时，网络的业务负荷很低，基本处于空闲状态。但触发抄表业务后，由于每一节点的地位是相同的，网络往往需要收集所有节点的抄表数据，会导致网络业务负荷在短时间内会出现较大幅度的波动；而且，所有从节点上报的业务数据的目的节点都是中心节点，容易出现局部堵塞情况。因此csma类信道接入方案和用电信息采集网络以抄表业务为主的业务模式的匹配性很差，在网络重载业务场景下信道资源利用效率低，数据采集效果不佳，无法完全满足用户需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种宽带载波网络的抄表方法，在现有标准的协议框架下，通过抄表业务的信道接入方式进行改进来提高网络抄表性能，而且不会增加传输时延和信道开销。
4.为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
5.宽带载波网络的抄表方法，包括以下步骤：
6.s1、cco确定自身和每个目标节点之间完成1次下行报文传输所需的时间，分别记为td1,td2,
…
,td
p
，p为目标节点的数量；
7.s2、cco确定每个目标节点和自身之间完成1次上行抄表报文传输所需的时间，分别记为tu1,tu2,
…
,tu
p
；
8.s3、cco根据自身和每个目标节点之间完成1次下行报文传输所需的时间td1,td2,
…
,td
p
以及每个目标节点和自身之间的完成1次上行抄表报文传输过所需的时间tu1,tu2,
…
,tu
p
对超帧的时隙结构进行划分，并将时隙分配情况向全网节点进行通知；一个所述超帧依次包括信标时隙区、tdma时隙区和csma时隙区，所述tdma时隙区包括1个分配给cco的cco时隙区和p个分配给各目标节点的目标节点时隙区；
9.s4、cco在所述tdma时隙区的分配给自己的cco时隙区中向目标节点发送下行抄表报文；
10.s5、各目标节点分别在所述tdma时隙区的分配给自己的目标节点时隙区中发送上行抄表报文；
11.s6、在csma时隙区的时间段中，仍存在抄表业务相关报文发送需求的节点按照csma信道接入方式竞争发送信号。
12.进一步的，所述cco时隙区的时间长度为cco和每个目标节点之间完成1次下行报文传输所需的时间之和。
13.进一步的，每个所述目标节点分配到的所述目标节点时隙区为该目标节点和cco之间完成1次上行抄表报文传输过所需的时间。
14.进一步的，步骤s4中，所述cco时隙区的信道资源利用方式为：cco发送下行抄表报文，一个节点如果收到一个下行抄表报文，且自己是该下行抄表报文的下一跳接收节点但不是最终目的节点，则该节点向所接收到的下行抄表报文的发送节点发送接收确认报文，并随后立即进行下行抄表报文的中继传输；如果接收到下行抄表报文的节点是该下行抄表报文的下一跳接收节点且是最终目的节点，则向所接收到的下行抄表报文的发送节点发送接收确认报文。
15.进一步的，步骤s5中，所述目标节点时隙区中的信道资源利用方式为：如果一个目标节点需要发送上行抄表报文，则在tdma时隙区中分配给自己的时隙来临时发送上行抄表报文，网络中的其它非cco节点如果收到源节点为该目标节点的上行抄表报文，且自己是该上行抄表报文的下一跳接收节点，向所接收到的上行抄表报文的发送节点发送接收确认报文，并随后立即进行上行抄表报文的中继传输；cco接收到上行抄表报文后，向所接收到的上行抄表报文的发送节点发送接收确认报文。
16.进一步的，所述目标节点是本超帧的非中央信号发送节点，当目标节点为代理节点时，cco安排其发送代理信标信号，当目标节点为从站点时，cco安排其发送发现信标信号。
17.进一步的，所述宽带载波网络所使用的信标信号的信令内容中包含有指示cco在所述tdma时隙区所分配的tdma时隙数量以及指示第p个非中央信标信号发送节点在tdma时隙区所分配的tdma时隙数量，p＝1,2,
…
,p。
18.进一步的，采用所述信标信号的时隙分配信息中的非中央信标信息字段中的预留比特指示第p个非中央信标信号发送节点在tdma时隙区所分配的tdma时隙数量。
19.进一步的，采用所述信标信号的时隙分配信息中的预留比特指示cco在tdma时隙区所分配的tdma时隙数量。
20.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，通过对信标信号的信令内容进行改进，采用了新的信标信号的信令内容表示方式以及不同的时间位置来对抄表信号的传输过程预留对应的信道资源，本发明的动态混合信道接入方案的抄表机制，为下行抄表报文、上行抄表报文、和确认帧下行这三种抄表过程所涉及的业务数据的传输过程增加了新的tdma信道接入方式，为业务数据的发送提供更好的信道资源保障，从而提升网络的抄表业务通信性能。而且本发明可以保障cco在一个超帧的时间内完成整个抄表过程，有利于降低时间传输时延；而且采用修改信令比特(预留比特)的定义的方式来实现时隙资源的预分配，相比于新增字段定义的方式，本发明方法不会增加信令内容的长度，可以避免因信令内容的增加而在抄表节点较多时容易导致信令内容长度大于信号信令承载最大长度，增加信令信号的信道开销水平的问题。
附图说明
21.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。
22.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；
23.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；
24.图3为信标信号的信号结构图；
25.图4为非中央信标信息的内容定义示意图；
26.图5为网络抄表流程示意图；
27.图6为抄表时的网络超帧时隙结构示意图；
28.图7为cco在tdma时隙区的cco时隙区的信道资源利用方式示意图；
29.图8为cco和目标节点k1之间的下行抄表报文的多跳传输路径图；
30.图9为cco和目标节点k1之间的下行抄表报文多跳传输时序图；
31.图10为目标节点在tdma时隙区的cco时隙区的信道资源利用方式示意图；
32.图11为目标节点k1和cco之间的上行抄表报文的多跳传输路径图；
33.图12为目标节点k1和cco之间的上行抄表报文多跳传输时序图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.如图1所示，用电信息采集系统的宽带载波网络是一种以中央协调器(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。cco作为网络运行的中心控制节点，使用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。
36.图2为一种超帧的时隙划分情况，一个信标周期的超帧包括4种时隙：信标时隙区、tdma时隙区、csma时隙区和绑定csma时隙区。在现有协议中，tdma时隙区和绑定csma时隙区仅在网络远程升级时会使用，因此网络正常通信时，信标周期实际仅包含信标时隙区和csma时隙区，其余两种时隙区的长度都为0。
37.cco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。在每个信标周期的起始时间位置，cco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。
38.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，cco可以利用前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。
39.图3为信标信号的信号结构，如图3所示，信标信号包括前导信号、帧控制信号和载荷信号。前导信号用于信号捕获和同步，帧控制信号的信令内容包括网络名称、网络时间信息以及载荷信号的物理层格式，用于帮助接收端对载荷信号的正确接收和内容解析，帧控制信号固定使用长度为16字节的物理块。载荷信号只支持一个136字节或者一个520字节长度的物理块。表1为目前国网载波协议中对信标信号的载荷字段的定义，表2为对载荷字段中信标管理信息的定义，表3为对信标管理信息中管理信息类型的定义，表4为对管理信息类型中时隙分配消息的定义。
40.表1信标信号载荷字段的定义
[0041][0042]
表2信标管理消息的字段定义
[0043][0044]
表3管理消息的类型定义和内容说明
[0045][0046]
表4时隙分配消息字段的内容定义
[0047][0048][0049]
根据现有宽带载波协议规定，如果表4中的字段
‘
tdma时隙长度’为0，则本超帧中tdma时隙区长度0；如果非零，则cco获得3个tdma时隙(a/b/c相轮流发送)，其它代理节则依次各获得1个tdma时隙，而时隙长度则由字段
‘
tdma时隙长度’定义。在
‘
tdma时隙长度’非零
的情况下，字段
‘
tdma时隙链路标志符’定义了该时隙所支持业务类型，目前协议仅定义了网络软件升级业务。
[0050]
如图4所示，
‘
非中央信标信息’字段长度为动态值，其携带的信息是用于指示y+z个非中央信标时隙的分配信息，包括时隙的分配节点短地址和该时隙的信标类型。
[0051]
综合以上协议内容发现，目前现有协议的信道接入方式存在以下问题：
[0052]
1)网络的超帧时隙结构中虽然设计了tdma类型的时隙，但仅在网络软件升级状态下才会使用这种类型的时隙来传输升级文件数据，在网络正常运行状态下无法使用，造成网络效率低；
[0053]
2)在网络正常运行状态下，cco除了为信标信号的传输对应安排相应的时隙资源进行无冲突传输，剩余的网络管理报文和业务数据报文都只能在csma时隙区以竞争方式进行信道接入，在多跳拓扑情况下存在一定的碰撞风险。
[0054]
为了提升宽带载波网络的抄表报文传输性能，本发明在现有协议的框架下，在信标信号的信令内容中对时隙分配消息字段中的部分字段定义进行修改，为抄表报文的信道接入过程提供一种tdma+csma的混合型接入方案，从而在网络中实现对业务抄表报文传输过程的无竞争信道资源的按需调度，大幅度提升的网络的抄表性能和综合通信性能。
[0055]
本发明对信标信号的信令内容中对时隙分配消息字段中的长度为8bit的
‘
tdma时隙链路标志符’字段，在现有协议内容的基础上进一步增加一种支持业务类型—抄表业务，此时
‘
tdma时隙链路标志符’字段对应的具体二进制数值为010101012。并对信标信号的时隙分配信息中的非中央信标信息字段中的无内容的预留比特增加定义，定义为：第p组预留比特用于指示第p个非中央信标信号发送节点在tdma时隙区所分配的tdma时隙数量，预留比特的长度为3bit，取值范围为0-7，p＝1,2,
…
,p，p为目标节点的数量，具体如表5所示。
[0056]
表5非中央信标信息中的预留比特的新增定义
[0057][0058][0059]
本发明还对时隙分配消息中
‘
非中央信标信息’字段前的长度为16bit的
‘
预留’比特划分为两部分，一部分仍为保留字段，长度为8bit，另一部分为cco的tdma时隙分配信息，用于指示cco在tdma时隙区所分配的tdma时隙数量，具体如表6所示。
[0060]
表6部分预留比特的新定义
[0061][0062]
本发明在旧协议的基础上，将抄表业务报文纳入超帧时隙结构中tdma时隙区的新的业务支持类型，同时为tdma时隙区提供了一种新的时隙分配方案，从而为也这种类型的
业务报文的传输提供更好的信道资源保障。在
‘
tdma时隙链路标志符’的数值不是指示抄表业务时，则
‘
时隙分配消息’字段中所有内容的定义都和旧协议保持一致，完全现有协议兼容。
[0063]
抄表业务是智能电表通信网络的一种特有的业务需求，在宽带载波网络中，cco会根据用户的需求，周期性的或触发式的产生抄表需求。如图5所示，抄表业务的流程为：cco向待抄表对象发送下行抄表报文，报文内容中携带本次抄表的业务数据相关参数，如目标节点的地址信息和要求其上报的数据类型与大小；抄表对象收到下行抄表报文后，如果自己属于其中的上报节点集合中的一员，则按要求向cco上报对应的上行抄表报文；cco收到某个节点的抄表数据报文后，向其发送接收确认报文。
[0064]
从上述抄表过程可以看出，抄表是由cco主动发起，同时cco掌握着全网的拓扑信息，可以精确评估出整个抄表过程的信号传输路径和整个过程所涉及到的节点所需的信道资源，从而为整个过程的相同节点分配恰当数量的tdma时隙资源，实现抄表业务信号的有序和无竞争发送，获得比纯csma的竞争接入方式更好的传输性能。
[0065]
基于本发明的信标信号，抄表方法包括以下步骤：
[0066]
s1、cco基于网络拓扑信息及本次下行抄表报文的数据量，确定cco和每个目标节点之间完成1次下行报文传输所需的时间，分别记为td1,td2,
…
,td
p
，p为目标节点的数量，目标节点是本超帧的非中央信号发送节点，当目标节点为代理节点时，cco安排其发送代理信标信号，当目标节点为从站点时，cco安排其发送发现信标信号；
[0067]
s2、cco基于网络拓扑信息及本次上行抄表报文的数据量，确定每个目标节点和cco之间的完成1次上行抄表报文传输所需的时间，分别记为tu1,tu2,
…
,tu
p
；由于cco掌握着全网的拓扑信息，可以精确评估出整个抄表过程的信号传输路径和整个过程所涉及到的节点所需的信道资源，因此其可以确定完成1次下行报文传输及完成1次上行报文传输所需的时间，下行报文传输和上行报文传输所需时间的确定是现有技术，不是本发明的创新之处，在此不做赘述；
[0068]
s3、基于前述信标信号中对
‘
时隙分配消息’部分字段的定义，cco根据自身和每个目标节点之间完成1次下行报文传输所需的时间td1,td2,
…
,td
p
以及每个目标节点和自身之间的完成1次上行抄表报文传输过所需的时间tu1,tu2,
…
,tu
p
对本超帧的时隙结构进行划分，并将时隙分配情况向全网节点进行通知；如图6所示，一个超帧中依次包括信标时隙区、tdma时隙区和csma时隙区，其中tdma时隙区包括1个分配给cco的cco时隙区和p个分配给各目标节点(k1,k2,
…
,k
p
表示个目标节点)的目标节点时隙区，cco时隙区的时间长度为cco和每个目标节点之间完成1次下行报文传输所需的时间之和，即等于td1+td2+
…
+td
p
，每个目标节点分配到的目标节点时隙区分别为该目标节点和cco之间完成1次上行抄表报文传输过所需的时间，如第p个目标节点k
p
分配到的目标节点时隙区的时间长度为td
p
，p＝1,2,
…
,p；
[0069]
s4、cco在tdma时隙区中分配给自己的cco时隙区中，向目标节点发送下行抄表报文，cco时隙区中的信道资源利用方式为：cco发送下行抄表报文，一个节点如果收到一个下行抄表报文，且自己是该下行抄表报文的下一跳接收节点但不是最终目的节点，则其向发送节点发送一个接收确认报文后立即进行下行抄表报文的中继传输；如果自己是该报文的下一跳接收节点且是最终目的节点，则向发送节点发送一个接收确认报文；由以上信道资
源利用方式可知，作为下行抄表报文的源节点，cco节点决定该下行抄表报文发送的时间，然后多跳中继传输节点在收到该下行抄表报文后，完成接收确认报文发送后即可立即再进行中继发送，从而使得多跳中继传输过程的信号在时间轴是紧密连接的，在保障下行信号发送过程的无冲突的同时，还实现了时隙资源的高效利用；
[0070]
图7为tdma时隙区的cco时隙区的信道资源利用方式示意图，以cco向目标节点k1发送下行抄表报文为例进行说明，图7中的cc0
→
...
→
k1表示cco向目标节点k1发送下行抄表报文的多跳传输过程，假设cco和目标节点k1之间的下行抄表报文的多跳传输路径如图8所示，参照图9，cco在td1时间内信道利用方式具体如下：cco向中继传输节点r1发送下行抄表报文，r1收到下行抄表报文，且自己是该下行抄表报文的下一跳接收节点但不是最终目的节点，向cco发送一个接收确认报文后立即对下行抄表报文的中继传输给r2；r2收到下行抄表报文，且自己是该下行抄表报文的下一跳接收节点但不是最终目的节点，向r1发送一个接收确认报文后立即对下行抄表报文的中继传输给k1收到下行抄表报文，且自己是该下行抄表报文的下一跳接收节点且为最终目的节点，向r2发送一个接收确认报文；cco在cco时隙区的其他的时隙内的信道利用方式与此相同，在此不做赘述；
[0071]
s5、在分配给cco的cco时隙区结束后，理论上此时p个抄表目标节点都已分别收到来自cco的下行抄表报文，当分配给各目标节点的目标节点时隙区来临时，各目标节点进行上行抄表报文的发送，目标节点时隙区中的信道资源利用方式为：如果一个目标节点e需要发送上行抄表报文，则在分配给自己的时隙来临时发送上行抄表报文，网络中的其它非cco节点如果收到源节点为该目标节点e的上行抄表报文，且自己是该上行抄表报文的下一跳接收节点，向发送节点(目标节点e)发送一个接收确认报文后立即进行该上行抄表报文的中继传输；cco接收到上行抄表报文后，由于其是所有上行抄表报文的最终目的节点，因此cco向发送节点发送一个接收确认报文；由以上信道资源利用方式可知，作为上行抄表报文的源节点，目标节点在分配给自身的tdma时隙区来临时立即发送上行抄表报文，然后多跳中继传输节点在收到该报文后，完成接收确认报文发送后即可立即再进行中继发送，因此和下行抄表报文的传输过程相同，上行抄表报文的多跳中继传输过程的信号在时间轴也是紧密连接的，即保障了上行信号发送过程的无冲突，还实现了时隙资源的高效利用；
[0072]
图10为tdma时隙区的分配给节点k1的目标节点时隙区的信道资源利用方式示意图，以目标节点k1向cco发送上行抄表报文为例进行说明，图10中的k1→
...
→
cc0表示目标节点k1向cco发送下行抄表报文的多跳传输过程，假设目标节点k1和cco之间的上行抄表报文的多跳传输路径如图11所示，参照图12，目标节点k1在tu1时间内信道利用方式具体如下：目标节点k1向中继传输节点r1发送下行抄表报文，r1收到下行抄表报文，且自己是该下行抄表报文的下一跳接收节点但不是最终目的节点，向目标节点k1发送一个接收确认报文后立即对下行抄表报文的中继传输给r2；r2收到下行抄表报文，且自己是该下行抄表报文的下一跳接收节点但不是最终目的节点，向r1发送一个接收确认报文后立即对下行抄表报文的中继传输给k1收到下行抄表报文，且自己是该下行抄表报文的下一跳接收节点且为最终目的节点，向r2发送一个接收确认报文；其余目标节点k2,
…
,k
p
在属于自己的时隙内的信道利用方式与此相同，在此不做赘述；
[0073]
s6、进入csma时隙区后，网络所有节点(包括cco和目标节点)如果存在业务发送需求，包括但不限于cco需要对抄表成功的节点发送接收确认报文，继续采用现有的csma监听
机制进行信道竞争接入。
[0074]
由于网络抄表过程中会受到诸多因素的影响，如因评估错误导致cco给自身和抄表目标节点所分配的tdma时隙区长度不足而导致信号多跳传输流程未能全部完成、物理层链路不稳定导致出现信号重传等，可能会导致cco在本超帧分配给自己的tdma时隙区结束后，部分目标节点的上行抄表报文未能预期收到，这部分目标节点仍存在抄表业务相关报文发送需求，则可以在后续的csma时隙区继续进行上行抄表报文的发送，从而这些节点相信依然可以顺利完成整个抄表信息交互过程中，有效降低了csma时隙区的业务负荷水平，从而提高这些节点的基于csma竞争机制的信道接入过程的成功率，也可以快速完成剩余的那些目标节点的数据抄读工作。
[0075]
理论分析和仿真结果都表明，在网络节点数量较多且业务负荷较重的场景下，csma类基于信道监听和随机退避机制的自由竞争类的信道接入协议的网络吞吐量较低，本发明在兼容现有协议的前提下，通过对信标信号中时隙分配消息部分字段的新定义，为上行和下行抄表报文的传输过程提供了一种新型的tdma+csma的混合型信道接入过程，保障了两种报文多跳传输过程的有序性和无冲突性，实现了对信道资源的高效利用，从而有效提升网络的抄表性能。本发明的动态tdma信道接入方案虽然引入了一些信令开销，但却可以为大量节点之间的频繁信息交互提供有序和无冲突的信道资源保障，从而获得较高的网络吞吐量。
[0076]
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。