一种双模通信网络信道选择方法与流程

本发明属于电力系统的通信，具体涉及一种双模通信网络信道选择方法。

背景技术：

1、随着智能电网的快速发展，泛在电力物联网的建设对电力系统的通信网络提出了更高要求。传统的电力线载波通信和微功率无线通信技术在台区场景下存在自身优劣势，已难以满足未来对高速率、高可靠的通信服务的需求。电力线载波通信利用电力线作为传输媒介，无需另外铺设通信线路，但信号易受电力线参数变化的影响，衰减较大，抗干扰能力较弱。微功率无线通信无需铺设通信线路，但容易受到建筑物等障碍物的阻塞，覆盖范围和传输距离有限。

2、针对电力线载波通信和微功率无线通信各自的优劣势，一种将两种技术有机结合的双模通信网络架构成为解决台区通信问题的重要手段。然而，现有双模通信网络更多采用简单的固定模式，无法根据信道质量变化进行动态调整，从而影响了数据采集的可靠性和实时性。因此，亟需一种能够实现电力线载波与微功率无线两种通信方式之间自适应切换的双模通信方法。该方法需要能够评估不同通信信道的质量优劣，并据此实现对通信模式的主动选择。同时，针对不同的网络拓扑，需设计支持该自适应选择的网络节点优化方法。这对于提升双模通信网络的可靠性和效率具有重要意义。

3、本发明旨在提供一种台区本地双模通信网络信道与中继节点选择方法，以实现电力线载波与微功率无线通信的自适应切换，提高数据采集的可靠性和实时性。方法首先根据电力线载波和微功率无线两种通信技术的特点，构建台区双模通信网络。然后，区分表箱内网络和表箱间网络两种典型场景，研究不同场景下的信道评估与选择方法。关键在于，本发明提出一种基于接收信号强度变化率的通信链路质量评估机制，可以对电力线载波和无线信道的实时状态进行量化分析，并据此实现两种通信方式的自适应切换。在多中继节点场景下，本发明进一步设计了一种基于最大最小信噪比准则的中继节点选择机制，选择最优信道路线。相比现有技术，该方法可以根据实时的信道状态和网络环境，选择最优的通信模式和中继路径，从而提高数据的完整率和实时传输性。同时，该方法充分利用并优化了电力线载波与无线通信的不同优势，增强了双模通信网络的可靠性和抗干扰能力。该方法对于电力物联网中的智能配电网和高级分布式能源管理应用提供了重要支撑。

技术实现思路

1、本发明涉及一种双模通信网络信道选择方法，尤其涉及使用算法进行电力双模通信网络信道选择的技术领域。

2、本发明的目标在于提供一种双模通信网络信道选择方法，其包括以下步骤：

3、步骤s1:网络拓扑建模。对台区双模网络拓扑进行建模，对各节点进行编号。首先根据台区现有设备布局情况，建立起电力线载波和微功率无线双模通信网络的双树状拓扑模型。对网络中的各个电表设备节点和集中器节点进行唯一编号，以方便后续通信和计算。

4、步骤s2:节点分类划分。根据电力信息采集设备的空间分布情况，将双模通信网络划分为表箱内网络和表箱间网络两种典型场景。表箱内网络针对同一表箱内的电表设备，表箱间网络考虑不同表箱之间的通信情况。

5、步骤s3:自适应通信机制设计。设计双模自适应通信机制，提出一种通信链路质量评估机制，可以对电力线载波和无线微功率信道的实时状态进行分析。该机制基于接收信号强度变化率和信噪比估计，可以实现两种通信方式的自适应选择。

6、步骤s4:信道质量评估与选择。根据接收信号强度变化率选择信道，根据步骤s3设计的信道评估方法，实现电力线载波与无线信道之间的自主切换，选择信道质量最佳的通信方式。

7、步骤s5:中继节点优选。根据最大最小信噪比准则选出最优的中继节点，在多中继节点的网络场景下，基于最大最小信噪比原则，选出信道质量最佳的中继路径和中继节点，以达到最优的网络性能。

8、具体的，所述步骤s1网络拓扑建模包括以下子步骤：

9、步骤s1.1：台区双模网络拓扑构建。根据台区电力设备多呈现树干状的接线方式，采用基于树型电力网络拓扑结构的双模抄表网络，如图7所示。这种拓扑结构将hplc(high-performance line carrier)和微功率无线通信两种模式融合在一起，使得双模通信模块嵌入在集中器和智能电表中。在这个网络中，智能电表充当源节点，而集中器作为目的节点。

10、步骤s1.2：网络节点编号与设备布局情况。根据台区现有设备布局情况，对双模通信网络中的各个节点进行唯一编号。编号有助于后续通信和计算的进行。在这个步骤中，为网络中的电表设备节点和集中器节点分别进行编号，以建立起一个明确的节点对应关系。

11、步骤s1.3：设备分布与节点划分。根据电力信息采集设备的分布特点，将双模通信网络划分为表箱内网络和表箱间网络两种典型场景。表箱内网络：在这种场景下，多个电表位于同一表箱内。当源节点接收到同一表箱内的中继表发出的组网信标帧时，它会选择同一表箱内的中继节点作为父节点，从而建立起树型通信链路。在这种情况下，源节点忽略来自非同一表箱中的中继表节点的组网信标帧。表箱间网络：在这种场景下，不同表箱之间有一定距离且受到建筑物等障碍物的影响。当中继电表节点接收到多个组网信标帧时，它会综合考虑接收信号强度(rssi)和跳数(hop)等因素来评估待入网络通信性能。然后，它会选择通信性能较好的网络加入，从而建立起较优质的通信链路。

12、通过对hop算法和rssi算法同时进行距离的修正，考虑环境特征，对信标节点利用线性搜索算法获得准确的最佳通信方式，节点m和节点n之间的信道评估量可表示为：

13、

14、其中，表示节点m和n节点之间的信道评估量，表示t时刻节点m和节点n之间的跳数；表示t时刻节点m和节点n之间的接收信号强度；γ为权值系数；其中，x＝w或x＝h，w代表无线通信，h代表载波通信。中继节点评估待入网络无线通信性能时更侧重于接收信号强度，此时γ≥0.5；评估待入网络载波通信性能时更侧重于跳数，此时γ<0.5。

15、步骤s1.4：自适应通信机制的设计。为了实现双模通信网络中电力线载波与微功率无线通信的自适应切换，设计了一套自适应通信机制。该机制基于信号强度变化率和信噪比等指标，对电力线载波和微功率无线通信的实时状态进行分析，以实现两种通信方式的自适应选择。

16、具体的，所述步骤s2节点分类划分包括以下子步骤：

17、步骤s2.1：表箱内通信网络的分类划分。根据电力信息采集设备的分布情况，首先对台区双模通信网络进行表箱内通信网络的分类划分。表箱内通信网络是指位于同一表箱内的电表设备所构成的网络。在此子步骤中，执行以下操作：

18、1.根据现有设备布局情况，识别并确定同一表箱内的电表设备，这些电表设备通过电力线载波通信或微功率无线通信模块进行通信。

19、2.对同一表箱内的电表设备进行唯一编号，以便后续通信和计算过程中的识别与管理。

20、3.对每个源节点(电表)进行节点类型的标识，以便在网络构建过程中根据设备类型进行不同的连接与通信设置。

21、步骤s2.2：表箱间通信网络的分类划分。根据电表设备的分布特点，将双模通信网络划分为表箱间通信网络，该网络涉及不同表箱之间的通信情况。在此子步骤中，执行以下操作：

22、1.识别存在于不同表箱间的电表设备，这些电表设备可能通过电力线载波通信或微功率无线通信模块进行通信。

23、2.根据表箱间的距离、建筑物等环境特征，对表箱间通信网络中的中继节点进行识别与标识。中继节点在该网络中的作用是将信号从源节点(电表)传递到目的节点(集中器)。

24、3.对中继节点进行编号，并在连接过程中确定它们在网络拓扑中的位置，以便后续的数据传输与路径优化。

25、4.考虑信号传播的路径衰减、阻塞等因素，对不同表箱间的通信链路进行信道质量预估。

26、具体的，所述步骤s3自适应通信机制设计包括以下子步骤：

27、步骤s3.1：链路质量评估机制设计。在此步骤中，根据电力线载波和微功率无线通信的特点，设计一种通信链路质量评估机制，用于分析实时的信道状态。此机制基于接收信号强度变化率和信噪比的估计，以实现对电力线载波和无线微功率信道的自适应选择。

28、首先，根据基于信号强度变化率的节点m和节点n之间的链路度量因子构造信道评估量

29、

30、其中，m、n节点分别代表源节点s(源节点编号s＝1，2…)、中继节点m(中继节点编号i＝1，2…)，或中继节点m(中继节点编号i＝1，2…)、目的节点d(中目的节点编号d＝1，2…)；为信号接收强度变化率的链路度量因子，它可表示为：

31、

32、式中，α和β为加权系数；rth为接收信号强度阈值；为tk和tk+1时刻rssi变化率:

33、

34、式中，别为tk+1与tk时刻的接收信号强度。

35、步骤s3.2：信道质量评估与选择

36、在此步骤中，根据步骤s3.1设计的信道评估方法，实现电力线载波与无线信道之间的自主切换，选择信道质量最佳的通信方式。基于图1所示多中继网络模型，即一个源节点s，面向多个中继节点m，最终到达一个目的节点d的通信网络，中继节点或目的节点将各链路的信道评估量进行比较，利用最大化最小信噪比准则选出最优的中继节点。用rn代表接收信号，由有用信号un和噪声nn两部分组成，即rn＝un+nn。一般地，对于长度为l的检测序列的信噪比估计ssnr可表示为：

37、

38、式中，cn为延时相关系数；pn为接收信号能量；t为延时。利用最大化最小信噪比准则选出最优的中继节点：

39、

40、式中，i为中继节点m的编号；为源节点s到中继节点m的信道评估量；为中继节点m到目的节点d的信道评估量。表示电力线和无线中链路质量较好的信道评估量。

41、具体的，所述步骤s4信道质量评估与选择包括以下子步骤：

42、步骤s4.1：信道评估前的准备

43、在进行信道质量评估和选择之前，首先需要获取各个通信链路的实时信息，包括接收信号强度(rssi)和信号强度变化率。这些信息可以通过电力线载波通信和微功率无线通信模块获得。另外，需要考虑网络拓扑结构，包括源节点、目的节点和中继节点的位置关系，以及节点之间的通信路径。

44、步骤s4.2：基于接收信号强度变化率的信道评估

45、对于每个通信链路，使用接收信号强度变化率(rssi变化率)来评估信道质量。接收信号强度变化率可以反映信号在传输过程中的衰减情况，从而反映出信道的稳定性和可靠性。计算接收信号强度变化率的公式如步骤s3中所示。利用接收信号强度变化率，可以量化不同通信链路的动态特性，为信道选择提供依据。

46、步骤s4.3：信道质量评估与自适应选择

47、根据接收信号强度变化率和信号强度信息，结合之前步骤s3中设计的基于信号强度变化率的节点间链路度量因子，计算每个通信链路的信道评估量。在这一步骤中，每个通信链路都将获得一个综合的信道评估量，该评估量考虑了信号强度和信号强度变化率的信息。

48、步骤s4.4：通信模式的自适应切换

49、根据信道评估量，比较电力线载波通信和微功率无线通信两种通信模式的信道质量。选择具有最优信道评估量的通信模式作为当前通信链路的工作模式。如果电力线载波通信的信道质量较好，则选择电力线载波通信模式；如果微功率无线通信的信道质量更佳，则选择微功率无线通信模式。这一步骤实现了通信模式的自适应切换，以最大程度地保证通信的可靠性和实时性。

50、具体的，所述步骤s5中继节点优选包括以下子步骤：

51、步骤s5.1：信道质量评估与记录。首先，在双模通信网络中，对于每个中继节点，对其所接收到的各个组网信标帧进行信道质量评估。这个评估结合接收信号强度(rssi)和信号强度变化率，根据之前步骤s3中提出的基于信号强度变化率的通信链路质量评估机制，计算每个中继节点与其父节点(或目的节点)之间的信道评估量。

52、步骤s5.2：中继节点选择。基于信道评估量，执行中继节点选择的子步骤，以选出最优的中继节点。中继节点选择依据最大最小信噪比准则进行，即选择使得目标信道质量最优化的中继节点。对于每个源节点到中继节点之间的信道评估量(源节点评估到中继节点的信道质量)和每个中继节点到目的节点之间的信道评估量(中继节点评估到目的节点的信道质量)，本发明中的信号质量采用信噪比估计值ssnr应用下述公式计算中继节点的综合信道评估量：

53、si＝qi+qj

54、式中，i为中继节点的编号，qi为源节点到中继节点i的信道评估量，qj为中继节点i到目的节点的信道评估量，其中q表示电力线和无线中链路质量较好的信道评估量。在此公式中，综合信道评估量si被用来决定中继节点的选择，使得网络可以选择最佳的中继节点，以最优化通信链路的质量和性能。

55、步骤s5.3：中继节点优选结果。根据子步骤s5.2计算得到的综合信道评估量，选择具有最优信道质量的中继节点作为最终的传输路径中继节点。这个选择过程旨在确保在多中继节点的情况下，选择最佳的传输路径，以最大化网络性能的同时保证通信的可靠性和实时性。

56、本发明的有益效果：本发明提供的双模通信网络信道选择方法具有以下有益效果：首先，通过结合电力线载波和微功率无线通信技术，构建了适应台区电力设备分布的双模双树网络拓扑，实现了信号全覆盖、高频次采集和秒级数据冻结，满足了智能电网中运行监测、变表户关系梳理、线损分析等需求。其次，引入了接收信号强度变化率的通信链路质量评估机制，使电力线载波和无线微功率通信方式能够根据实时信道状态自适应切换，提高了数据采集的可靠性和实时性。此外，在多中继节点的情境下，通过最大最小信噪比准则，选出最优的中继路径和中继节点，优化了网络性能，确保了通信的高质量传输。因此，本发明在智能配电网和高级分布式能源管理等应用领域提供了重要支撑，显著提升了双模通信网络的可靠性、抗干扰能力和通信效率。