一种双模融合组网方法

技术领域

本发明属于电力用户信息采集领域，涉及一种双模融合组网方法。

背景技术

宽带电力线载波通信(HPLC)是指利用电力线本身，以及其形成的输电网或配电网作为传输介质，实现高速数据传输的一种通信技术。宽带电力线通信，是指带宽限定在2～30MHz之间、通信速率通常在1Mbps以上的电力线载波通信。它可直接利用电力线，无须重新布线，组网简单快捷，成本低廉，应用范围广。

宽带微功率(BMP)无线通信系统是实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的高速无线网络。它基于国家电网公司提出的的低压电力线宽带载波通信技术规范的基础上研究而来。工作频段为470-510MHz，具有宽频带、低复杂度、低成本、低功耗、双向实时通信等特点。使用chirp扩频，抗干扰能力强、穿透性强，传输距离远，通信速率高，可以和宽带电力线载波进行融合，构成多模网络。

当前，HPLC与BMP在配电通信网中都有一定的应用，但同时也都存在一些问题。配用电网络拓扑结构复杂，配用电设备种类多且数量大、覆盖范围广，且应用场景复杂、业务需求多样、传输可靠性要求高，单独采用HPLC与BMP任何一种通信方式都不能完全满足智能电网的通信需求。将HPLC与BMP融合的异构多信道可以实现二者的优势互补，消除通信盲点，扩大通信覆盖范围，满足智能电网对高性能、高可靠通信的迫切需求，是需要研究的一个重点内容。

通信协议栈结构设计。协议栈设计定义了物理层、数据链路层以及应用层共3层。其中，数据链路层分为媒体访问控制(MAC)子层和网络管理子层，数据链路层直接为应用层提供传输服务。依据低压电力线宽带载波通信技术规范中提供的通信协议栈结构画出HPLC与BMP多模融合网络的通信协议栈结构，如图1所示，各层次的功能定义如下：

应用层：实现本地通信单元与通信单元之间业务数据交互，通过数据链路层完成数据传输。应用层需要解析集中器与智能电表中的数据帧，转换为协议中应用层所规定的报文，完成上层应用功能。

数据链路层：分为网络管理子层和媒体访问控制子层。网络管理子层主要实现通信网络的组网、网络维护、路由管理及应用层报文的汇聚和分发。媒体访问控制子层主要通过CSMA/CA和TDMA两种信道访问机制竞争物理信道，实现数据报文的可靠传输。

HPLC物理层：主要实现将MAC子层数据报文编码调制为宽带载波信号，发送到电力线媒介上；接收电力线媒介的宽带载波信号解调为数据报文，交予MAC子层处理。

BMP物理层：主要实现将MAC子层数据报文编码调制为宽带微功率无线信号，送入模拟前端最终发送到无线信道中；接收从模拟前端收到数据，并对数据进行调整、解调、译码等步骤恢复出原始数据报文，交予MAC子层处理。

对于用电信息采集系统，HPLC有线通信系统和BMP无线通信可以作为两个单独的工作模式，在单一工作模式下形成一个多级树状网络。HPLC和BMP融合的通信系统组成一个双向通信的多跳自组织传感器网络。整个网络形成一个网状的拓扑，如图2所示，其中：

网络标识(NID)，是用于标识一个高速载波通信网络的唯一NID。同一个高速载波通信网络中的站点，包括CCO在发送报文时，都需要在MPDU的“帧控制”中指明NID，表示当前的报文所属的高速载波通信网络。

当CCO监听到的其他网络的网间协调帧中，显示该网络的NID，与本网络选定的NID一致时，则表明网络NID存在冲突，必须进行协商。协商时，CCO会首先设定一个协商缓冲期，可以是10ms-10s的范围内的一个随机值。CCO在这个协商缓冲期内，继续监听邻居网络的网间协调帧。如果在协商缓冲期内，发现邻居网络的NID已经与本网络的NID不同，则本网络的原NID保持不变。如果直到协商缓冲期到期，发现邻居网络的NID与本网络的NID继续冲突，则协商缓冲期到期后，本网络CCO获取一个新的空闲的NID作为本网络的标识。

当CCO确定启用新的NID后，必须启动本网络的重新组网。当CCO通过网络冲突上报报文，获知存在多网络冲突时，可首先比较CCO的MAC地址，如果本网络的MAC地址较大时，可继续保持现有的NID不变，如果冲突状态持续超过30分钟，可变更本网络的NID；当本网络的MAC地址较小时，可及时变更本网络的NID，选择一个新的空闲的NID作为本网络的NID。当CCO完成一轮NID的协商后，后来再次出现NID冲突的情形，则需要按照同样的过程，再次协商，直到NID不同为止。

在多模网络中，NID的协商策略可调整为当前所分配的TEI大小，由TEI较小的网络完成重组网，因为TEI代表着网络规模，由TEI较小的网络付出较小的代价。

多模融合网络中，有三种类型的信标帧：中央信标，代理信标和发现信标。信标帧必须在信标时隙中进行发送。信标时隙由CCO进行分配，分配时需要指明具体STA可以使用的对应时隙。其中，中央信标和代理信标在每个信标周期内都必须发送。发现信标要求每一个STA站点，从加入网络后每170秒时间周期内至少发送两个信标帧。CCO需要在两个模式下分别发送中央信标帧，HPLC模式下还需要在A、B、C三个相线上进行中央信标帧的发送，除CCO外的其余节点需要在CCO在各自模式下为其指定的时隙内发送相应的信标帧。

在站点入网后，每个站点会由CCO按升序依次赋予一个TEI(终端设备标识，Terminal Equipment IDentifier)。由于同一个站点在不同模式下收到的信标不会是相同时刻，所以STA在构造关联请求的时刻也是不同的，CCO所收到的来自同一个站点的两种不同模式下的关联请求时刻是不同的，序列也是不同的。如果在HPLC和BMP两种模式下采用各自独立的TEI分配机制，NWK层需要分别对两个模式下的所有信息独立存储，同时存储双模的路由表、邻居表、节点信息表等信息。应用层和MAC层对于数据的访问需要明确指出对应模式下的TEI，增加开销。因此，HPLC和BMP采取独立的TEI分配机制，不利于双模资源的统一规划，加大开销，无法体现出双模融合的优势，进而影响整个多模融合系统的工作性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种TEI分配方案以及组网和网络维护流程。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双模融合组网方法，包括以下步骤：

S1：向中央协调器CCO下发一份白名单；

S2：站点STA在宽带微功率BMP或宽带电力线载波通信HPLC模式下收到CCO的中央信标或STA的发现信标后，按照信标中的指示发起关联请求报文；

S3：CCO在收到站点STA的关联请求报文后，访问所述白名单，为允许入网的站点在两个网络模式中分配相同的终端设备标识TEI，回复关联确认报文；

S4：CCO生成站点动态拓扑信息记录；

S5：CCO根据TEI大小来判断本网络是否需要调整NID重新组网。

进一步，步骤S2中，STA在接入网络时，首先通过网络报文的接收和评估，选定其代理站点，再按照信标中的指示发起关联请求报文，在信标的“开始关联标志位”为1的情况下，发起关联请求，当站点无TEI时，报文中的对应源TEI填0。

进一步，步骤S3中，CCO的MAC层在收到关联请求报文后，解析MPDU头中的模式字段信息，根据对应的模式信息采用不同的接口上传到网络层做对应的信息处理；

CCO首先根据关联请求报文中的第十八个字节MAC地址信息对应找到白名单当中的MAC地址；

如果白名单中不含此站点，CCO构造拒绝入网请求的关联确认报文；

如果白名单中含有此站点，CCO根据白名单中的已分配状况字段判断当前站点本模式或另一种模式下的TEI分配状况，为该站点分配正确的TEI，CCO构造允许入网请求的关联确认报文。

进一步，CCO通过以下流程判断站点双模状态：

判断此站点的MAC地址是否为该模式下第一次入网：

如果不是，则直接查询白名单，回复该站点在另一模式下的同一TEI，回复关联确认报文；

如果是，判断是否符合入网条件，当符合入网条件时，按序对其分配TEI，回复关联确认报文，在关联确认后，白名单记录所分配的TEI，当该站点的另一模式同一MAC地址请求入网时，查询白名单，回复该站点在该模式下的同一TEI，回复关联确认报文。

进一步，站点的关联请求报文和CCO的关联确认报文均可通过代理站点传递。

进一步，站点根据CCO发送的关联确认报文或者关联汇总指示报文中的“结果”判断是否入网成功；如果未收到关联确认报文或者关联汇总指示报文，可以重新发起关联请求；如果入网请求被拒绝，站点可以根据重新关联时间，等待一段时间间隔后，再次请求入网，也可以选择切换NID到另外一个网络，重新请求加入网络。

进一步，步骤S5具体包括以下步骤：

CCO通过网间协调帧进行网间时隙的竞争协调和NID协调，当某站点入网后，通过网络冲突上报报文向本网络汇报邻居网络的状况，当存在NID冲突的问题时，在邻居网络条目中协调携带邻居网络最大已被分配TEI值上报至CCO，CCO解析信息后，判断自身网络规模是否需要调整NID重新组网。

本发明的有益效果在于：本发明保持BMP和HPLC双模TEI的一致性，持续更改信息记录并保存，可以有效减少组网阶段帧开销。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为宽带载波通信网络协议栈层级划分图；

图2为多模融合网络拓扑结构；

图3为CCO与站点交互流程图；

图4为判断站点双模状态流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种TEI分配方案以及组网和网络维护流程，集中器配置CCO执行开始组网任务：配置组网模式、站点白名单；配置采集任务的周期。

白名单格式：

U8 node_mac_addr[6]；

U8 node_protocol_type；

U8 able_flag；//0xff vaild 0x00invaild

U16 tei；

U8 assigned；//0x00 bmp has been；0xff plc has been；0x0f both havebeen；0xf0 both not

如图3所示，站点在BMP或HPLC模式下收到CCO的中央信标或STA的发现信标。STA在接入网络时，首先需要通过网络报文的接收和评估，选定其代理站点，这个代理站点可以是CCO，也可以是其他STA站点。选择代理站点的原则一般是信道质量较好，到达CCO的路径较短。选定代理站点后，需要按照信标中的指示发起关联请求报文，在信标的“开始关联标志位”为1的情况下，才可以发起关联请求，站点无TEI时，报文中的对应源TEI填0。

关联请求报文(MMeAssocReq)格式的定义如表1所示。

表1

STA的入网，是通过发送关联请求报文来通知CCO的，CCO根据关联请求报文，知道该STA的入网请求，并且进行确认回复。

STA在发送关联请求后，需要等待CCO处理关联请求报文后，CCO发送的关联确认报文或者关联汇总指示报文，或者代理站点发送的关联确认报文。STA根据报文中的“结果”判断是否入网成功。如果未收到关联确认或者关联汇总指示报文，可以重新发起关联请求；如果入网请求被拒绝，则STA可以根据重新关联时间，等待一段时间间隔后，再次请求入网，也可以选择另外一个网络(切换NID)，请求加入网络。

CCO的MAC层在收到关联请求报文后，解析MPDU头中的模式字段信息后会根据对应的模式信息采用不同的接口上传到网络层做对应的信息处理。CCO首先根据关联请求报文中的第十八个字节MAC地址信息对应找到白名单当中的MAC地址。如果白名单中不含有此站点，表示会拒绝该站点在本网络的入网请求。CCO直接构造关联确认报文并且在对应的第十二个result字段表示拒绝入网请求。

关联确认报文(MMeAssocCnf)格式的定义如表2所示。

表2

如果此站点存在于白名单中，表示允许该站点在本网络入网。CCO根据白名单的已分配状况字段判断当前站点本模式或另一种模式下的TEI分配状况为该站点分配正确的TEI。

判断站点双模状态流程图如图4所示，判断此站点的MAC地址是否为该模式下第一次入网：如果不是，则直接查询白名单，回复该站点在另一模式下的同一TEI，回复关联确认报文；如果是，判断是否符合入网条件，当符合入网条件时，按序对其分配TEI，回复关联确认报文，在关联确认后，白名单记录所分配的TEI，当该站点的另一模式同一MAC地址请求入网时，查询白名单，回复该站点在该模式下的同一TEI，回复关联确认报文。

由于考虑到存在多网络共存的多模网络。上述规范TEI的策略可以用来表示该网络目前的网络规模状况。当前已被分配的TEI越大表示该网络的目前的网络规模越大。如果多网络间存在网络标识(NID)相同的冲突情况下，网络规模越大表示所有站点重新入网形成一个新的网络时间越长，所以CCO可以根据TEI大小来选择是否本网络需要调整NID重新组网。

网间协调帧用于CCO进行网间时隙的竞争协调和NID协调，一般用于在多个高速载波通信网络共存的场景中，CCO之间进行带宽协商以及NID协商。网间协调帧的可变区域内容如表3所示。持续时间，持续时间是一个16比特的字段，表示本网络需要申请占用的时隙长度。单位：1毫秒。带宽开始偏移，下个带宽时隙开始时刻的时间偏移，单位：1毫秒，当下个带宽时隙未开始时，该偏移时间表示从当前时刻，到下个带宽时隙开始时刻的时间偏移，当下个带宽时隙已经开始时，该偏移时间的值为0。接收到邻居网络号，能够接收到邻居网络的网络号，表示本网络能够接收到该网络的信号，每次发送多网络协调帧时携带一个邻居网络号，通过多次发送，告知周边邻居网络本网络可接收到的邻居网络。

表3

将未使用的保留字段更改为当前网络CCO所分配的TEI值。

在网络规模逐渐扩大后，边缘STA逐步入网后，该STA周围可能存在邻居网络，邻居网络在该STA为入网前，并不互相知道存在邻居网络。所以该STA入网后，可能依旧存在NID冲突的问题，由于NID相同，所以此STA可以接收到邻居网络发送的信息，所以此时STA需要向本网络汇报邻居网络的状况。网络冲突上报报文(MMeNetworkConflictReport)格式的定义如表4所示。该报文在STA识别出存在NID重复后，上报至CCO，CCO可根据冲突网络信息进行NID调整。

表4

在邻居网络条目中协调携带邻居网络最大已被分配TEI值，上传至CCO。CCO解析信息后，判断自身网络规模是否需要调整NID重新组网。

具体实施例1：双模规范TEI分配

显然，在本发明的技术方案中，集中器和CCO之间也可以采用其他智能电网中和通信模块的现有连接方式和通信协议，本发明对此没有限制。

本实施例中，CCO收到STA的关联请求报文后，对如下关键信息进行分析，并回复关联确认报文。

其中关键信息包括：

a)站点MAC地址；

b)CCO本地白名单信息

c)此报文的模式信息；

通过将模式信息和MAC地址与CCO本地的白名单信息做对比，给出相应的TEI或拒绝入网报文；

具体实施例2：多网络网间协调

显然，在本发明的技术方案中，集中器和CCO之间也可以采用其他智能电网中和通信模块的现有连接方式和通信协议，本发明对此没有限制。

网间协调帧和网络冲突报文的重要信息如下

关键信息如下：

a)CCO MAC地址。

b)网络号NID信息。

c)最大已被分配TEI值。

CCO通过对上述信息的识别来做出是否本网络需要调整NID重新组网的判断。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。