一种基于代理变更形成簇型网络的方法与流程

1.本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于代理变更形成簇型网络的方法。


背景技术：

2.用户用电信息采集系统中的智能抄表技术包含有限网络和无线网络两种，有线网络布线改线工程量大，宽带的不断增加，造成线变的越来越粗，且实体线路容易损坏，一点出错不得不换掉整条线，维护起来较为困难。无线传输组网避免了布线的困难且维护起来更为简单，组网更加灵活，提高了网络的自组织性。故本系统采用的是无线传输的方式。
3.为了实现用户用电信息采集系统并对电力用户的用电信息进行快速的采集、处理和实时监控，从而提出一种基于电表组网完成后通过代理变更减少整个网络中的代理站点，进而减少报文的传输，提高用户的用电信息采集效率。用户用电信息采集系统主要由主站、本地通信系统和连接各个设备的通信网络组成，是实现用户的用电信息采集的基础。其中，主站与集中器通过gprs/cdma无线公网或着光纤专网进行数据的传输，从而获得用户用电信息并对信息进行存储和分析；本地通信系统主要有集中器、电能表以及本地通信系统的双向通信网络组成。集中器收集电能表的数据然后上报到主站。
4.本地通信系统通常为树状结构如图1所示，或者网状结构如图2所示。都包含一个集中器、多个电能表和通信模块。电能表中设置通信模块则电能表即可作为站点(简称sta)也可作为通信网络的代理协调器(简称pco)，集中器中设置通信模块则为通信网络的中央协调器(简称cco)。在用户用电信息采集过程中集中器负责启动信息采集业务和发送信息采集条目，pco负责接收并转发cco的抄表命令和主动获取并上报自己数据给cco，sta负责获取和发送数据给相应的pco，再由pco依次转发给cco。
5.如图1和图2所示，本地通信系统网络中包括一个cco和多个sta。sta开始入网时直接连接到cco下即sta和cco直接通信，随着其他sta的入网，此时另一个sta通过当前的sta入网，则当前sta改变其角色为pco，也就是作为另一个sta与cco通信的中继站点。若当前站点为pco，其下连接的所有sta此时掉线了，则当前站点的角色从pco转变到sta。由于网络拓扑变化的随机性，pco和sta的角色是可以互相转化的。每一个电能表都会有一个唯一的标识符(简称tei)用于区分，集中器发起的信息采集报文也是通过寻找tei寻找路由。
6.每个通信模块中具体包含了应用层(简称app层)、数据链路层(简称data层)和物理层(简称phy层)，其中数据链路层又分为nwk层和mac层。当发送一个抄表命令帧时，数据的传输方向如图3所示。
7.如图1中设cco的tei为1，其它站点tei如下，若要对tei为8站点进行信息采集则需要从cco发送抄表报文到tei为2的pco处进行分析和转发，tei为8的sta收到抄表报文后，存储并构造和发送抄表响应报文。同理，抄表响应报文也需要tei为2的pco帮忙转发，故pco也可称为中继站点。根据图3所示，每个抄表报文在传输的时候每多经过一个pco站点，都需要phy层接收data层处理并转发，且抄表报文下发和响应都是按原来的路径，浪费时间，消耗资源。实际场景下，tei为8的站点与cco通信质量其实也很好，只是在入网时收到干扰，导致
tei为8的站点选择了tei为2的站点作为它的中继站点，在对其进行抄表时，就会造成空口传输的浪费、采集周期长、效率低的问题。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于代理变更形成簇型网络的方法，当节点入网后使用信标帧中的特定字段，在tdma时隙接收信标帧同步时隙信息，在csma时隙根据本周期的时隙参数预估下一周期的时隙信息。当进入下一周期时，如果在tdma时隙内接收到信标帧，则擦除上一周期预估时隙信息，使用信标帧中携带的时隙信息进行同步。如果在tdma时隙因为网络异常未接收到信标帧，则使用上一周期的时隙预估信息，通过在预估的csma时隙内发送发现列表报文暂时维持网络，等待异常解除或者进入离线流程。
9.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种基于代理变更形成簇型网络的方法，该方法包括以下步骤：
11.s1：cco形成整个网络拓扑并建立初始路由；
12.s2：站点建立初始路由；
13.s3：站点主动发起代理变更请求报文；
14.s4：cco收到代理变更请求报文，更新网络拓扑和路由信息，构造代理变更确认报文；
15.s5：站点收到代理变更确认报文，更新路由信息。
16.可选的，所述s1具体为：
17.s11：cco上电以后，获取mac地址，配置白名单，广播信标帧和网络通知报文，并开始等待接收站点的请求入网报文；
18.s12：cco接收到站点的请求入网报文后，验证站点的mac地址是否在白名单里；若在白名单允许入网，为站点分配唯一的tei号和安排该站点信标时隙，解析出初始路由信息并存储，构造并发送入网成功确认报文，反之构造并发送入网失败确认报文；
19.s13：站点入网后，cco开始进行网络维护，向周围站点发送网络维护报文。
20.可选的，所述s12具体为：
21.s21：站点上电后，获取mac地址，监听周围信号，在接收到网络通知报文和信标帧后将信息解析并存储，监听时间结束，构造发送入网请求报文，并等待接收入网确认报文；
22.s22：站点接收到cco发送的入网成功确认报文后，解析报文中携带的tei号和初始路由信息并存储，并在安排的信标时隙里发送发现信标帧，反之收到cco发送的入网失败报文后，放弃该网络，继续监听寻找新的网络尝试入网；
23.s23：站点入网后，将路由信息和tei号存放在网络维护报文中，向周围站点发送发现信标帧和网络维护报文。
24.可选的，所述s3具体为：
25.s31：站点定周期接收到周围站点发送的网络维护报文，解析其中的tei号、路由信息、snr值和连接的子站点数，并存储形成一个局部的网络拓扑图；
26.s32：周期时间到，站点遍历局部网络拓扑图，是否存在路径比当前路径的跳数少，若存在存储路径并则跳到s33，若不存在则跳转到s36；
27.s33：站点检查选出来的路径的snr值是否大于等于门限值，若大于等于则存储路
径信息并跳转到s34，反之则跳转到s36；
28.s34：将存储的路径信息，按照路由跳数少做了一个排序，若是路由跳数一样，则根据站点连接的子站点数进行排序，若站点连接子站点数相同，则按snr的方差进行排序；
29.s35：站点从排序后的路径中选择一条最佳路径，构造并发送代理变更请求报文；
30.s36：周期时间到，清除接收到的网络维护报文，跳转到s2重新开始接收；
31.网络维护报文的字段包括：12bit的站点tei、4bit的站点到cco的总跳数、(12bit的该站点的路径站点tei 4bit的路径站点snr)*n、8bit的广播周期、8bit的连接的子站点数目，n为总跳数记；
32.cco默认tei为1，其余站点tei由cco统一分配且是本网络唯一不重复的；广播周期默认为2个路由周期，能修改；跳数表示从cco发送报文到目的站点需要经过多少个中继站点的个数，子站点数目表示该站点连接的子站点数目；
33.站点存储路由表信息结构中每个站点占据的存储空间为4 2*n个字节，每个条目存储一条路由，路由路径经过中转站点个数最多14个，其中第一条为主路由，其余路由收集到的新路由；
34.当2个路由周期结束后，站点将路由表进行排序。
35.可选的，所述s4具体为：
36.s41：cco接收到站点发起的代理变更请求，存储并解析该报文中携带的5个代理站点，根据选择的5个站点是否在线从而判断是否允许代理变更，若允许则跳转到s42，若不允许则跳转到s44；
37.s42：根据每个站点其下连接的子站点数分配新的代理站点，子站点个数越多，则将其分配给代理变更的站点作为新站点；
38.s43：更新路由表信息，构造代理变更确认报文并在结果字段填写1，跳转到s45；
39.s44：构造代理变更确认报文并在结果字段填写0；
40.s45：发送代理变更确认报文。
41.可选的，所述s5具体为：
42.s51：站点接收到代理变变更确认报文，解析报文字段，判断报文中结果是否为允许变更，若允许变更则跳转到s52，反之跳转s53；
43.s52：解析和存储路径信息；
44.s53：释放报文。
45.本发明的有益效果在于：
46.第一：目前电力用户用电信息采集的方法多为点对点的轮询采集，这种采集的方式一次只能抄读一个电表，站点层级越大，跳数越多，抄表需要的中转站点越多，导致消耗的时间越大、采集的周期更长。本发明提供站点通过代理变更的方法减少自身层级，形成簇型网络，让网络拓扑更加紧凑，从而减少在对站点采集信息时需要的中继站点个数，减少时间的开销、下行报文的数量、提高采集的效率。
47.第二：本发明为电力用户信息采集采用快速抄表方法提供现实基础，快速抄表方法为cco发出抄表命令给pco，再由pco发出抄表命令给其下的子站点，子站点自行采集上报给pco，pco汇总转发给cco，由此可知，抄表命令只需要cco和全网的pco进行转发。站点通过代理变更的方法，导致pco变少，且每个pco下的子站点增多，从而减少大大减少报文的传输
数量、减少空口的数据拥塞。
48.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
49.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：
50.图1为树状网络拓扑；
51.图2为网状网络拓扑；
52.图3为数据采集传输方向；
53.图4为站点存储路由表信息结构；
54.图5为站点存储排序表结构；
55.图6为站点选择路径的排序方法；
56.图7为本发明具体实施方式中刚组网完成时的无线网络拓扑示意图；
57.图8为本发明具体实施例中co建立路由流程图；
58.图9为本发明具体实施例中站点建立路由流程图；
59.图10为本发明具体实施例中站点发起代理变更请求流程图；
60.图11为本发明具体实施例中cco接收到代理变更请求流程图；
61.图12为本发明具体实施例中站点接收代理变更确认流程图；
62.图13为本发明具体实施例中站点代理并更后形成的网络拓扑图。
具体实施方式
63.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。
64.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。
65.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。
66.本发明的技术方案包括：
67.s1：cco形成整个网络拓扑并建立初始路由；
68.s2：站点建立初始路由；
69.s3：站点主动发起代理变更请求报文；
70.s4：cco收到代理变更请求报文，更新网络拓扑和路由信息，构造代理变更确认报文；
71.s5：站点收到代理变更确认报文，更新路由信息。
72.所述s1具体为：
73.s11：cco上电以后，获取mac地址，配置白名单，广播信标帧和网络通知报文，并开始等待接收站点的请求入网报文；
74.s12：cco接收到站点的请求入网报文后，验证站点的mac地址是否在白名单里。若在白名单允许入网，为站点分配唯一的tei号和安排该站点信标时隙，解析出初始路由信息并存储，构造并发送入网成功确认报文，反之构造并发送入网失败确认报文；
75.s13：站点入网后，cco开始进行网络维护，向周围站点发送网络维护报文。
76.所述s2具体为：
77.s21：站点上电后，获取mac地址，监听周围信号，在接收到网络通知报文和信标帧后将信息解析并存储，监听时间结束，构造发送入网请求报文，并等待接收入网确认报文；
78.s22：站点接收到cco发送的入网成功确认报文后，解析报文中携带的tei号和初始路由信息并存储，并在安排的信标时隙里发送发现信标帧，反之收到cco发送的入网失败报文后，放弃该网络，继续监听寻找新的网络尝试入网；
79.s23：站点入网后，将路由信息和tei号存放在网络维护报文中，向周围站点发送发现信标帧和网络维护报文。
80.所述s3具体为：
81.s31：站点定周期接收到周围站点发送的网络维护报文，解析其中的tei号、路由信息、snr值和连接的子站点数，并存储形成一个局部的网络拓扑图；
82.s32：周期时间到，站点遍历局部网络拓扑图，是否存在路径比当前路径的跳数少，若存在存储路径并则跳到s33，若不存在则跳转到s36；
83.s33：站点检查选出来的路径的snr值是否大于等于门限值，若大于等于则存储路径信息并跳转到s34，反之则跳转到s36；
84.s34：将存储的路径信息，按照路由跳数少做了一个排序，若是路由跳数一样，则根据站点连接的子站点数进行排序，若站点连接子站点数相同，则按snr的方差进行排序；
85.s35：站点从排序后的路径中选择一条最佳路径，构造并发送代理变更请求报文。
86.s36：周期时间到，清除接收到的网络维护报文，跳转到s2重新开始接收。
87.所述的网络维护报文的字段包括：12bit的站点tei、4bit的站点到cco的总跳数(简写n)、(12bit的该站点的路径站点tei 4bit的路径站点snr)*n、8bit的广播周期、8bit的连接的子站点数目；
88.cco默认tei为1，其余站点tei由cco统一分配且是本网络唯一不重复的。广播周期默认为2个路由周期，可修改。跳数表示从cco发送报文到目的站点需要经过多少个中继站
点的个数，子站点数目表示该站点连接的子站点数目。
89.站点存储路由表信息的结构如图4所示，站点存储排序表结构图5所示，排序表存储的是站点从路由表中筛选出来可作为新路径的信息：
90.站点存储路由表信息结构中每个站点占据的存储空间为4 2*n个字节，每个条目存储一条路由，路由路径经过中转站点个数最多14个，其中第一条为主路由，其余路由收集到的新路由。
91.当2个路由周期结束后，站点将路由表进行排序，排序方法如图6所示，图中的m为波动值，设为0.1，可配置：
92.图6站点选择路径的排序方法
93.最多可携带5个站点作为新代理，即最多可选择5条比当前更加的路径，选出来的5条路径必须在同一等级，若不是同一等级则可不选足5个代理，构造并发送代理变更请求报文。
94.代理变更请求报文格式如表1所示。
95.表1代理变更请求报文格式
[0096][0097][0098]
所述s4具体为：
[0099]
s41：cco接收到站点发起的代理变更请求，存储并解析该报文中携带的5个代理站点，根据选择的5个站点是否在线从而判断是否允许代理变更，若允许则跳转到s42，若不允许则跳转到s44；
[0100]
s42：根据每个站点其下连接的子站点数分配新的代理站点，子站点个数越多，则将其分配给代理变更的站点作为新站点；
[0101]
s43：更新路由表信息，构造代理变更确认报文并在结果字段填写1(允许变更)，跳转到s45；
[0102]
s44：构造代理变更确认报文并在结果字段填写0(不允许变更)；
[0103]
s45：发送代理变更确认报文。
[0104]
代理变更确认报文格式如表2所示。
[0105]
表2代理变更请求确认报文格式
[0106][0107]
所述s5具体如下：
[0108]
s51：站点接收到代理变变更确认报文，解析报文字段，判断报文中结果是否为允许变更，若允许变更则跳转到s52，反之跳转s53；
[0109]
s52：解析和存储路径信息；
[0110]
s53：释放报文。
[0111]
请参阅图7～图13，以宽带微功率无线智能抄表网络为例，对本发明的技术方案进行描述，宽带微功率无线智能抄表刚组网完成的网络拓扑如图7所示，网络拓扑为树型拓扑，包括中央协调器(cco)，代理站点(pco)，站点(sta)。图7中的宽带微功率无线智能抄表刚组网完成的网络拓扑仅用于举例说明本发明的智能抄表网络的代理变更的方法，并非对本发明应用场景的限制，本领域一般技术人员显然应该理解，本发明的技术方案应用于电网智能抄表网络中，而不论该智能抄表网络的通信模式，站点数量，网络层级数等。
[0112]
实施例1：本实施例为本发明宽带微功率无线智能抄表初始路由构造的一种优选实施方式。参见图8和图9(图8表示cco初始路由构造流程图，图9表示sta初始路由构造流程图)，本实施例的路由构造方法包括cco的路由构造和sta的路由构造：
[0113]
cco的路由构造：
[0114]
1)cco上电以后，获取mac地址，配置白名单，广播信标帧和网络通知报文，等待接收站点请求入网；
[0115]
2)cco接收到请求入网报文后，解析报文里面的mac地址和路由关系并且分配tei；
[0116]
1)cco判断是否组网完成，若完成则开启网络维护定时器进行组网维护接收站点发送的网络维护报文，若未完成则继续接收站点的请求入网报文；
[0117]
2)cco判断网络维护定时器是否超时，若超时，则关闭定时器并检查站点状态，若没超时，则继续接收站点的网络维护报文；
[0118]
3)清除接收的网络维护报文的信息，开启定时器，重新接收。
[0119]
sta的路由构造：
[0120]
1)sta上电，获取mac地址并开启监听定时器；
[0121]
2)sta监听到信标帧和网络通知报文，解析报文中的网络的信息并存储，为站点选择中继站点入网做准备；
[0122]
3)sta判断监听定时器是否溢出，若溢出则筛选存储的信息构造并发送请求入网报文，若没溢出则跳转不凑2中继续监听信标帧和网络通知报文；
[0123]
4)sta发送请求入网报文后等待接收请求入网确认报文；
[0124]
5)sta收到请求入网确认报文，解析报文中的tei和与cco的路由关系，作为初始路由存放到路由表中；
[0125]
6)sta开启网络维护定时器并定时发送网络维护报文；
[0126]
7)sta接收周围站点的网络维护报文，解析并存储；
[0127]
8)sta判断网络维护定时器是否溢出，若是溢出则关闭定时器，检查路由表，若是没溢出则跳转到步骤7)继续接收站点的网络维护报文；
[0128]
9)sta判断是否发起代理变更请求报文，若是发起则构造并发送代理变更请求报文，若是不发起，则跳转到步骤10)；
[0129]
10)sta清除除初始路由外的其他所有路由信息，开启网络维护定时器，重新接收。
[0130]
实施例2：本实施例为本发明宽带微功率无线智能进行代理变更请求的一种优选实施方式，参见图10～图13。
[0131]
1)站点定时的遍历路由表中是否存在路径比当前路径更佳，若存在则挑选出来存放如排序表中等待排序；
[0132]
2)站点进行排序并从1开始递增的设置等级值，选择最小的等级值作为新路由，相同等级值的数量若超过5，则随机选择5条路径；
[0133]
3)站点选择新路由后，构造并发起代理变更请求报文，等待接收代理变更请求确认报文；
[0134]
4)cco接收到代理变更请求报文后，解析报文中携带的新代理站点以及旧站点，判断是否允许代理变更，若允许则选择一个新代理站点构造代理变更请求确认中的结果字段填写1并发送代理变更确认报文)。若不允许则构造代理变更请求确认中的结果字段填写0并发送代理变更确认报文；
[0135]
5)站点收到代理变更请求报文，解析报文中的结果字段值，若结果字段值不为0，则解析报文中新分配的代理站点，修改路径信息，修改路由表中的初始路由，将新路由作为新的初始路由；
[0136]
6)释放报文。
[0137]
实施例3：本实施例为本发明宽带微功率无线智能抄表站点代理变更完成后的网络拓扑，参见图12。本网络拓扑仅用于举例说明本发明的智能抄表网络的代理变更的方法，并非对本发明应用场景的限制，本领域一般技术人员显然应该理解。对比图7最开始组网完成后的网络拓扑和图13完成代理变更后的网络拓扑，增加了站点间的紧凑，大幅度点少pco的个数，减少站点的层级，从而可高抄表的效率以及减少报文在空口中传输的拥塞。
[0138]
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。