一种多信道无线组网多级路由通信系统和实现方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体的为一种多信道无线组网多级路由通信系统和实现方法。

背景技术

现阶段，国家加快推进能源数字化，全面提高电力物联网在生产环节的普及和应用。因电力生产、输送环节，电网物联网设备工作于高强度电磁辐射场所，对无线信号具有较强的干扰能力。

电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。在自由空间传播时，无线通信满足如下物理公式（1）：

（1）

d-收、发天线间距离， Pt -发射器的发射功率，Pr -接收器的灵敏度，Gt-发射天线增益，Gr-接收天线增益，f-载波频率， Lc-基站发射天线的馈线插损，Lo-因环境带来的空中传播损耗。

无线通信的距离受发射功率、接收灵敏度、天线增益、载波频率等因素的影响，我国无线电管理条例规定ISM频道发射功率规定不大于17dBm，LoRa的接收灵敏度在不同通信速率下接收灵敏度不同，其范围在-140~-110dBm间，天线增益在有限的成本制约下，增益一般不大于5dBm,故其单跳通信距离无法满足输、变电场景下物联网设备无线通信的需要，需要在具有远端通信功能的接入节点和传感器间增加中继设备完成多级中继通信，普通的LoRa或LoRaWAN无线通信采用星型链接，不具备路由功能，传输距离有限，不适用于电力物联网通信。

申请号为CN 114554507 B 的发明专利公布了一种面向生态监测的多跳LoRaWAN通信系统及方法，该方法监测节点定时获取传感器的监测数据，从离LoRaWAN网关最远的监测节点开始逐级多跳上传相邻监测节点，最后由离LoRaWAN网关最近的监测节点将数据上传到LoRaWAN网关进行汇总，LoRaWAN网关再将当次监测周期上传的所有监测节点的监测数据通过互联网发送到云服务器,用户在后台对云服务器接收到的数据进行分析。但该发明中通信数据的上行和下行采用单信道通信，通信效率低，网络容量受限较大，且数据的多跳由电池供电的传感器进行转发，为保障电池的寿命，参与路由的传感器平时处于休眠状态，采用定时自唤醒的方式，进行自下而上的通讯，进一步降低了通信的实时性，该无线路由方式仅适用于小数据量的通信场景，无法实时响应由管理节点下发的控制性命令，实时性差，不适用有双向通讯要求的场合。

发明内容

本发明针对目前无线通信应用中存在的以上缺陷，提供一种多物理信道、大数据吞吐量、自组网、多级路由的通信系统和实现方法。

本发明的技术方案是，系统由接入节点、汇聚节点、传感器终端组成，接入节点、汇聚节点采用多物理通道设计，至少具有一个上行物理信道和一个或多个下行物理信道，每个物理信道由控制电路、射频电路和对应的天线组成。这些物理信道工作在不同的通信频道，同一台设备，两个物理信道可在同一时刻进行数据发射、或同时进行数据接收，实现实时双向通信。

进一步的，一个物理信道按时域资源，划分为若干时域信道，时隙是时域信道的基本计量单位，一个时域信道，占一个或多个时隙。

系统按传输方向将时域信道分为下行帧和上行帧，下行帧包含广播信道、下行控制信道、多播信道和下行共享信道，上行帧包含上行共享信道、上行随机竞争信道，同一台设备的同一个物理信道，所承载的时域信道，其载波频率、扩频因子等通信参数相同。

系统由接入节点，在下行帧广播信道，周期性的发组网广播，组网广播包括网络ID、跳数、超帧配置、帧序号、广播周期、下行帧时隙数、上行帧时隙数、频点号等无线组网参数，组网广播信息作为下级设备时标信息；

下级汇聚节点和传感器从约定的第一物理信道开始搜寻网络，收到广播信息后，按广播中的无线组网参数，进行时隙对齐、网络参数设置，然后在上行随机竞争信道随机延时后，以自身设备长地址EID为标示进行入网注册请求。

接入节点在上行随机竞争信道收到带从设备EID的入网注册请求后，存储该EID,并为该EID分配通信短地址CID,接入节点在下一个下行帧的下行控制信道将该EID和CID对应关系、新CID上报起始时隙和结束时隙进行下发，对应从设备根据EID和CID，在解析出上行共享信道发送时间间隙后，在上行共享信道回注册确认应答，完成一级自组网。

组网成功的汇聚节点，采取规避算法，在下行物理信道按接入节点配置的参数，在不同的物理频点，下发组网广播，按5-7相同的相同方法，完成次一级设备的组网。重复此过程，直到网络内所有设备信息上传到接入节点，完成全部设备组网。

已完成组网注册的汇聚节点，当有次级节点或传感器接入时，将下级新加入的汇聚节点信息或传感器，在上行随机竞争信道，传输给上级节点，最终传输到接入节点，接入节点等级、管理、存储整个自组网路由关系。

数据通信协议自下到上分为物理层、媒体接入层（简称媒体层）、网络层，物理层规定无线通信的频点、带宽、扩频因子等物理参数，是整个信息的载体，媒体层是在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，基于时分多址技术，规定了媒体层各信道的定义，网络层规定了数据端到端的格式，路由建立、调度过程。

已完成路由建立的网络系统，当接入节点下发路由数据时，在媒体接入层加入包含下一级通信对象的从机CID，在网络层，加入该数据传输的终端汇聚节点EID和终端传感器EID和数据，接入节点在下行共享信道发送该数据。

下属节点，对应CID的设备接收到数据后，首先查看终端目标地址EID是否为当前地址，若为非，则从本设备存储的路由列表中向下查询该EID信息，计算出下一级设备，在媒体接入层更换从机CID为下一级通信对象的CID，保存网络层不变信息不变，转发给下一级汇聚节点，直到终端EID地址和当前设备相同，由终端汇聚节点将数据转发给终端传感器，完成路由数据下发。

当终端的传感器需要上报数据时，在媒体接入层加入上一级通信节点CID和数据，发送给上一层节点设备，对应节点设备收到传感器上报的数据后，若不为接入节点，查询路由表，将媒体层当前从地址CID修改为下级节点CID,保存数据区不变，转发到上一级设备，直到传输到接入节点，完成数据上报中继路由。

各节点根据监测下行节点的注册请求和接入节点返回的注册确认信息，自行存储该节点下的所有两两节点对应关系，以EID信息表示，组成二维数组队列Array[2][n]={ {a1+0,a1+1},{ a2+2,a2+3}，…{ an+(i-1),an+i}}

该二维数组存储格式见图4；

该二维数组，每行代表一对可相互通信的节点EID号，第一列为该组合的上级EID,第二列为下级EID,通过该指定关系，采用遍历算法，可以获取该节点下任一节点设备到节点的路由路径。

进一步的，路由数组第一列为第二列的上级节点，多级路由时，每行的第二列级节点，可为下面行的第一列节点，且每个路由仅有唯一的路径，即则n行的数组，其节点数最多为n+1，路由的对数为n,路由对数L和路由级数i的对应公式为:

。

每个终端的路由具有唯一性，即一个设备仅通过1条路由上报

有益效果

本发明和现有的技术相比，具有以下技术优点：

节点采用多物理通道设计，可以实现上行数据和下行数据的同时收发，系统组网、通信时间缩短，网络容量增大；

采用时域信道划分，上行和下行数据集中发送，减少通信双方等待时间，避免通信冲突，提高通信成功率；

采用该通信方法，仅在通信协议传输目标通信地址的方式，无需在通信数据中增加路由方式，减少了通信数据的冗余数据，减少数据传输时间，有效降低传输设备功耗，

采用二维数组存储方法而非直接存储路由表方式，可有效减少数据占用的内存空间，增加路由的跳数和组网链路数。

附图说明

图1为组网和路由方式示意图；

图2为时域信道划分和路由通信过程示意图；

图3为三层网络通信协议示意图；

图4为节点路由信息二维数组存储格式示意图；

图5为媒体层和网络层通信格式示意图；

图6为汇聚节点发送给传感器数据格式示意图；

图7为节点5行路由信息内存分配示意图；

实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述发明。

如图1，1为接入节点，21、22、23汇聚节点，31、32、33、34、35、36、37终端传感器，系统由接入节点、汇聚节点、传感器终端组成，接入节点、汇聚节点采用多物理通道设计，至少具有一个上行物理信道和一个或多个下行物理信道，每个物理信道由控制电路、射频电路和对应的天线组成。这些物理信道工作在不同的通信频率，同一台设备，两个物理信道可在同一时刻进行数据发射、或同时进行数据接收，实现实时双向通信。

接入节点是整个通信网络的管理者和组网通信的发起者，接入节点采用操作系统，操作系统上面部署有管理配置软件和数据采集软件，接入节点上行具有以太网、4G、5G、北斗通信、光纤、RS485等通信接口，和上级管理中心通信，负责接收管理平台下发的查询、控制信息，将采集到的终端数据进行计算、过滤，协议转换返回数据管理中心；下行有以太网、RS485、无线通信接口，其中无线通信模块采用3颗射频芯片，一颗470M射频芯片，2颗2.4G射频芯片，组成3个物理信道，2.4G物理信道直接和2.4G传感器通信，470M物理信道负责和下级汇聚节点、470M传感器通信，图1中，接入节点1和传感器31采用2.4G物理信道通信，接入节点1和汇聚节点21、传感器32采用470M物理信道进行组网通信。

如图2，接入节点1上电后，在470M物理信道上，按划分的时间间隙，依次发送t01广播信道、t02下行控制信道、t03多播信道和t04下行共享信道,然后处于接收状态,进入t05上行共享信道、t06上行随机竞争信道。

如图2，下级汇聚节点21上电后进行搜网，在某物理信道收到完整的t01广播信息后，按广播中的无线组网参数，进行时隙对齐、网络参数设置，然后在上行随机竞争信道t06随机延时后，以自身设备长地址EID为标示进行入网注册请求。

如图2，接入节点1在上行随机竞争信道t06收到汇聚节点21 带EID的入网注册请求后，存储该EID,并为该EID分配通信短地址CID,接入节点1在下一个下行帧的下行控制信道t021将该EID和CID对应关系、新CID上报起始时隙和结束时隙进行下发，对应从设备21接收到EID和CID的对应关系后，解析并存储，在上行共享信道t051，按t021分配的时隙发送注册确认应答，完成一次自组网。

如图2，组网成功的汇聚节点21，采取规避算法，在下行物理信道按接入节点1配置的参数，南向无线模块切换到不同于接入节点南向物理信道的新频点，下发组网广播t11，此后步骤同[00xx]——[00xx]，按相同的方法，完成次一级设备的组网。重复此过程，直到网络内所以设备信息上传到接入节点，完成全部设备组网。

已完成组网注册的汇聚，当有次级节点或传感器接入时，将下级汇聚节点信息和传感器，在上行随机竞争信道，传输给上级节点，最终传输到接入节点，接入节点管理、存储整个自组网路由关系。

如图3，数据通信协议自上到下分为网络层1、媒体接入层2（简称媒体层），物理层3，物理层规定无线通信的频点、带宽、扩频因子等物理参数，是整个信息的载体，媒体层是在物理层提供服务的基础上向网络提供服务，基于时分多址技术，规定了媒体层各信道的定义，网络层规定了数据端到端的格式，路由建立、调度过程。

实例1，步骤1，图1，已完成路由建立的无线自组网系统，当接入节点1向传感器34下发路由数据时，在媒体接入层加入包含第一级路由汇聚节点21的FCID，在网络层加入末端传感器34EID和末端汇聚节点22的EID号和指令数据，其媒体层和网络层格式见图5，该数据由接入节点1在下行共享信道发送。该数据由接入节点1在下行共享信道发送。

步骤2，如图1，下属汇聚节点21收到通信数据，进行解析，发现末端汇聚节点EID不是本机地址，查询本机存储的路由信息见图4，末端汇聚节点22的上级节点为21，汇聚节点21在媒体层负载更换从地址FCID为汇聚节点22的CID，网络层信息不变，在下行共享信道将数据下发给下级汇聚节点22。

步骤3，如图1，汇聚节点22接收到数据后，解析该帧数据的末端汇聚节点EID为本机地址，删除网络层帧头，将传感器EID和数据变更为媒体层负载，在汇聚节点22的下行共享信道发送该数据给传感器34，完成下行路由过程，发给传感器数据格式见图6；

实例2，步骤1，如图1，当终端的传感器34有返回数据时，传感器32在上行随机竞争信道申请时隙，数据格式见图6；

步骤2，汇聚节点22在上行随机信道收到时隙请求后，在下一个下行控制信道，分配传感器在上行共享信道的上传时隙。

步骤3，传感器34接收到汇聚节点下行控制信道分配的上行共享信道时隙数据后，在上行共享信道对应时隙，发射传感器数据，格式和图6相同。

步骤4，汇聚节点22收到传感器信息后，在上行随机竞争信道，向上级汇聚节点21申请通信时隙，汇聚节点22收到汇聚节点21在下行控制信道分配的下行共享信道时隙后，汇聚节点22在媒体层将从地址变更为上一级通信节点21的CID，主地址变更为22CID，在消息内容加传感器34EID和数据，发送给节点设备21。

步骤5，汇聚节点21收到汇聚节点22的数据后，触发步骤4，将数据上传到接入节点，完成数据上行中继路由。

实例3，一个5行的二维数组，每行两组EID，每个EID占6个字节，则一行为12字节，整个表格占用60个字节内存。按二维数组格式存储路由对，存储格式见图7。

公式

本领域的技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。