应用于HPLC和RF双模的路由精准选择方法及系统与流程

应用于hplc和rf双模的路由精准选择方法及系统
技术领域
1.本发明涉及通信网络技术领域，尤其涉及应用于hplc和rf双模的路由精准选择方法及系统。


背景技术：

2.高速电力线载波通信（high power line communication，hplc）技术作为基于电力线有线传输介质进行数据通信的一种技术，因其建设成本低、无需重新布线等优势，已经在自动抄表、照明控制等方面被普遍应用。但是，基于单模的hplc通信在电力系统领域时常面临信号的孤岛孤点，遭遇大电力干扰时易导致通信传输性能下降甚至中断，单跳通信距离短等问题。微功率无线通信(radio frequency，rf)技术是一种功耗低，组网灵活的无线通信方式。在单模hplc技术上引入rf，有利于hplc技术避开电力环境中的干扰和噪声，有效解决单模hplc存在的缺陷，提高通信传输的可靠性。但是无线信号会存在一定的盲区，所以基于有线和无线优势互补的双模第二代hplc就应运而生了，基于有线hplc和无线rf的第二代双模hplc，充分发挥两种通信方式的优势，同时弥补各自不足，具有低功耗、低成本等优点，为电力物联网传输提供灵活、高速、稳定可靠的双通道通信网络。
3.现有的hplc双模方案主要有两种，一种是支持有线hplc和无线rf双协议栈的方案，双栈各自组网，抄读数据时rf为主，hplc为辅；另一种是只支持hplc协议的有线hplc和无线rf双通道的方案，抄读数据时使用hplc协议，以有线hplc通道为主，rf为辅。目前被广泛采纳的是第二种方案，这种方案的双模混合通信网络如图2所示。以cco（central coordinator，中央协调器）为中心，以pco（proxy coordinator，代理协调器）为中继代理节点，连接所有sta（station，站点）节点，组成多级关联的树形网络。在自组网过程中，每个节点根据与周围邻居节点的有线或无线的通信情况，选择合适的路由代理节点申请加入网络。从图中可以看出，sta1、pco2、pco3、sta4、sta6均以rf路径加入到网络，其他节点以hplc路径加入网络。
4.节点在入网后会周期性地通过hplc和rf发送信标和发现列表报文，未入网或入网后的节点在收到这两种报文处理后，能够计算得出有线或无线信号的通信性能指标。对hplc链路质量一般采用信噪比snr值来评估，对rf采用接收信号强度指示rssi（received signal strength indicator）来衡量，根据这些性能参数，以确定节点使用何种通信信道模式以及哪个节点作为自己的代理节点，即建立有线或无线的上下级路由关系。但是，该路由建立方法是分别对有线hplc和无线rf进行评估的，没有对两种模式进行综合性考量，易导致选择的路由不够精准，入网后通信成功率不高，且容易发生代理变更以至系统稳定性差。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提出应用于hplc和rf双模的路由精准选择方法。在所述系统及方法中，综合考量有线hplc和无线rf两种通信信道模式的特点，将有线和无
线的性能指标归一化处理，采用多指标多因素的综合性分析算法，更加精准地选择合适的路由代理节点，从而提高加入网络的成功率，提升通信性能，减少了代理变更的次数使得系统更加稳定可靠。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：应用于hplc和rf双模的路由精准选择方法，包括如下步骤：步骤001，当前从节点的信道质量评估分值赋值0，并判断自身是否已入网，若是，进入步骤101，若否，进入步骤201；步骤101，从节点接收hplc链路或无线rf信道上的数据报文，所述数据报文包括信标帧和发现列表报文；步骤102，对接收hplc链路上的数据报文进行处理，处理后得到接收增益rgain和有线信号信噪比snr值，并进入步骤103；或对接收无线rf信道上的数据报文进行处理，处理后得到接收信号强度指示rssi和无线信号信噪比snr值，并进入步骤104；步骤103，判断接收增益rgain是否小于等于接收增益rgain阈值，且有线信号信噪比snr值是否大于等于snr阈值，若是，则进入步骤106，若不满足条件，则进入步骤105；步骤104，判断rssi值是否大于等于rssi阈值，且无线信号信噪比snr值是否大于等于snr阈值，若满足条件，则进入步骤106，否则进入步骤105；步骤105，信道质量评估分值直接等于有线信号信噪比snr值或无线信号信噪比snr值，进入步骤301；步骤106，从节点根据当前所处的无线调制模式option，以及有线或无线报文类型，得到带宽bw评估分值；步骤107，将有线信号信噪比snr值和无线信号信噪比snr值划分等级，每个等级对应一个snr评估分值，从而得到snr评估分值；步骤108，归一化处理，将有线rgain和无线rssi指标换算为接收信号能量指示rsei，从而得到rsei评估分值；步骤109，根据接收邻居节点信息的情况，综合邻居节点层级、是否为代理节点、bw评分、snr评分、rsei评分因素，计算信道质量评估分值，进入步骤301；步骤201，从节点接收hplc链路或无线rf信道上的数据报文，所述数据报文包括信标帧和发现列表报文；步骤202，根据接收到的数据报文，得到与邻居节点之间的通信成功率和有线或无线snr值；步骤203，分别将通信成功率rate和snr值划分等级，得到通信率评估分值和snr评估分值；步骤204，综合邻居节点层级、是否为自己代理节点、是否为代理节点、是否为rf报文、通信成功率rate评分和snr评分等因素，计算信道质量评估分值；步骤301，将信道质量评估分值从大到小排序，选信道质量评估分值最大的邻居节点作为自己的路由代理节点。
7.优选地，所述接收增益rgain为由芯片内部自动增益控制电路在调整输出信号幅度时所输出的调整接收增益值，所述有线信号信噪比snr值为通过前导序列在频域上计算
载波上信号与噪声功率之比，得到的可用载波上的信噪比；所述接收信号强度指示rssi，是基于每一个packet计算出一个接收信号强度指示值，用于表征接收机前端的接收信号功率，计算公式如下所示：其中，p为接收信号功率，单位mw，表示数值1，单位是mw，rssi的单位为dbm；所述无线信号信噪比snr指标，是基于每一个packet计算出一个信噪比，表征接收到的信号功率和噪声功率的比。
8.优选地，所述接收增益rgain阈值设定为60～80db之间的数值；snr阈值设定为0～5db之间的数值；rssi阈值设定为-80～-60dbm之间的数值。
9.优选地，从节点根据当前所处的无线调制模式option，以及有线或无线报文类型，得到带宽bw评估分值，具体包括如下步骤：所述无线调制模式option包括option1模式、option2模式和option3模式三种模式，所述option1模式、option2模式和option3模式分别对应的带宽依次递减；确定从节点当前接收的有线或无线报文类型，若为有线报文类型时，option1模式对应带宽bw评估分值a1，option2模式对应带宽bw评估分值a2，option3模式对应带宽bw评估分值a3；若为无线报文类型时，option1模式对应带宽bw评估分值b1，option2模式对应带宽bw评估分值b2，option3模式对应带宽bw评估分值b3，其中，a3＞a2＞a1＞b1＞b2＞b3，且满足30≥a1≥25，40≥a2≥30，50≥a3≥35，20≥b1≥10，15≥b2≥5，10≥b3≥0。
10.优选地，所述将有线信号信噪比snr值和无线信号信噪比snr值划分等级，每个等级对应的snr评估分值，具体包括如下步骤：预先将snr值划分为6个区间，所述6个区间中snr值的范围依次递增，所述6个区间依次对应snr评分值为1、2、3、4、5和6，生成snr值评分表；提取有线信号信噪比snr值或无线信号信噪比snr值，在snr值评分表查找有线信号信噪比snr值或无线信号信噪比snr值对应的snr评估分值。
11.优选地，所述步骤109中，所述信道质量评估分值的计算公式为：其中，评分为带宽的评估分值；s评分是snr的评估分值；是判断邻居节点是否为代理节点，当为代理节点时值为1，否则为0；是邻居节点的层级。
12.优选地，所述通信成功率是根据接收到的信标帧数量和发现列表报文综合计算得到的，能够体现与其他节点通信性能好坏的量化标准。
13.优选地，所述将通信成功率rate值划分等级，得到通信率评估分值，具体包括如下步骤：预先将通信成功率rate值划分为3个区间，所述3个区间中rate值的范围依次递增，所述3个区间依次对应rate评分值为c1、c2、c3，其中c3＞c2＞c1，且满足20≥c1≥15，40≥c2≥30，60≥c3≥45，生成通信率评估表；
提取通信成功率rate值，在通信率评估表查找通信成功率rate值对应的通信率评估分值。
14.优选地，所述步骤204中，所述信道质量评估分值的计算公式为：其中，s评分是snr的评估分值；评分是通信成功率的评估分值；是判断邻居节点是否已经为自己的代理节点，当为自己的代理节点时值为1，否则为0；是判断邻居节点是否为代理节点，当为代理节点时值为1，否则为0；是判断此接收的报文是否为无线报文，当为无线报文时值为1，否则为0；是邻居节点的层级。
15.基于上述内容，本发明还公开了应用于hplc和rf双模的路由精准选择系统，包含数据接收模块、数据处理模块、信道质量评估模块和路由选择模块，其中，所述数据接收模块，用于通过物理层接收hplc链路或无线rf信道上的数据报文，所述数据报文包括信标帧和发现列表报文，将接收到的数据报文发送至数据处理模块进行处理；所述数据处理模块，用于对接收到的数据报文进行解析处理，并根据在有线介质和无线信道上接收到的报文，得到有线和无线信号的性能指标；所述信道质量评估模块，用于综合考虑邻居节点的层级、是否属于代理节点pco、报文是否为rf报文、带宽bw评分值、信噪比snr评分值、接收信号能量指示rsei、通信成功率rate评分值因素，对信道质量进行评估，从而选择最优的通信信道模式以及路由代理节点；所述路由选择模块，用于根据信道质量评估模块得到的结果，选择信道质量评估分值最大的邻居节点作为自己的路由代理节点，尝试向代理节点发起申请加入网络或者变更代理的请求。
16.基于上述技术方案，本发明的有益效果是：1）本发明创新性地将接收增益、snr、接收信号强度指示、带宽等指标运用到信道质量评估算法中，提高了信道质量评估的准确性；2）本发明根据有线hplc和无线rf两种模式的通信特点，对各自信号的性能指标做综合衡量，并将有线和无线指标归一化为统一的指标，尽量减少多余变量的影响，充分发挥有线和无线双模两种通信介质并存的特点；3）本发明提出的应用于双模的路由精准选择方法，能够更加精准地选择合适的路由，从而提高加入网络的成功率，提升通信性能，减少了代理变更的次数使得系统更加稳定可靠。
附图说明
17.图1是一个实施例中应用于hplc和rf双模的路由精准选择方法流程图；图2是hplc和rf双模基本网络拓扑示意图；图3是一个实施例中应用于hplc和rf双模的路由精准选择方法的结构示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
19.如图1、2所示，本实施例提供一种应用于hplc和rf双模的路由精准选择方法，该方法包括以下步骤：步骤001，当前从节点的信道质量评估分值赋值0，并判断自身是否已入网，若是，进入步骤101，若否，进入步骤201。
20.本实施例中，步骤101至步骤109应用于从节点在入网前的路由精准选择阶段，步骤201至步骤204应用于从节点在代理变更时的路由精准选择阶段。
21.步骤101，从节点接收hplc链路或无线rf信道上的数据报文，所述数据报文包括信标帧和发现列表报文；本实施例中，信标帧是网络中所有已入网节点携带有网络管理和维护信息的、用于特定目的的管理消息。发现列表是通信网络中所有节点周期性广播发送的、携带有邻居站点列表信息的管理消息。这两种报文主要是用于感知周围邻居节点，获取与邻居节点的双向通信率、信号强度、信噪比等性能指标，以便站点选择更合适的中继代理、或者备份路由节点。
22.步骤102，对接收hplc链路上的数据报文进行处理，处理后得到接收增益rgain和有线信号信噪比snr值，并进入步骤103；或对接收无线rf信道上的数据报文进行处理，处理后得到接收信号强度指示rssi和无线信号信噪比snr值，并进入步骤104。
23.本实施例中，有线和无线信号的性能指标说明如下：有线信号性能指标主要包含信噪比snr值和接收增益rgain（receive gain）值。无线信号性能指标包括信噪比snr值和接收信号强度指示rssi值。接收增益rgain是衡量hplc信号覆盖范围大小的性能指标，数值越小说明覆盖范围越大，覆盖信号越集中，则接收性能越强。信噪比snr是表征接收到的有线信号或无线信号的信号功率与噪声功率的比值。接收信号强度指示rssi是用于表征无线接收机前端的接收信号功率的，数值越大表明无线网络的信号越好。
24.其中，接收增益rgain为由芯片内部自动增益控制电路在调整输出信号幅度时所输出的调整接收增益值。
25.有线信号信噪比snr值为通过前导序列在频域上计算载波上信号与噪声功率之比，得到的可用载波上的信噪比。
26.其中，接收信号强度指示rssi，是基于每一个packet计算出一个接收信号强度指示值，用于表征接收机前端的接收信号功率，计算公式如下所示：其中，p为接收信号功率，单位mw，表示数值1，单位是mw，rssi的单位为dbm。
27.无线信号信噪比snr指标，是基于每一个packet计算出一个信噪比，表征接收到的信号功率和噪声功率的比。
28.步骤103，判断接收增益rgain是否小于等于接收增益rgain阈值，且有线信号信噪
比snr值是否大于等于snr阈值，若是，则进入步骤106，若不满足条件，则进入步骤105。
29.本实施例中，接收增益阈值是接收增益的最大值，本实施例中设置为80db。所述snr阈值是snr的最小值，本实施例中设置为0db。
30.步骤104，判断rssi值是否大于等于rssi阈值，且无线信号信噪比snr值是否大于等于snr阈值，若满足条件，则进入步骤106，否则进入步骤105；本实施例中，rssi阈值是rssi的最小值，本实施例中设置为-80dbm。所述snr阈值是snr的最小值，本实施例中设置为0db。
31.步骤105，信道质量评估分值直接等于有线信号信噪比snr值或无线信号信噪比snr值，进入步骤301；本实施例中，在不满足性能指标条件时，信道质量评估分值等于snr值，主要是因为snr能够准确地反应接收信号的强弱，且snr作为有线和无线均采用的性能指标，能够满足单一变量原则。
32.此阶段的信道质量评估分值weight的公式为：步骤106，从节点根据当前所处的无线调制模式option，以及有线或无线报文类型，得到带宽bw评估分值。
33.本实施例中，无线调试模式option是hplc双模协议中规定的无线ofdm符号的三种模式，option1对应1m带宽，option2对应500k带宽，option3对应200k带宽。hplc有线频段范围为0.7～12mhz，包含四个不同的频段。由于有线带宽差异不大，且带宽越高干扰越大，有线速率在各频段上差异不大，所以有线各频段情况不影响本带宽评估分值。无线的三种option带宽范围差异比较大，通信带宽越大所承载的信息量就越大，在rf的一定带宽范围内，通信速率越快，因此可以将option作为带宽评估分值的重要因素，能够一定程度反应带宽对信号性能的影响。
34.如表1所示，当节点接收到邻居节点的报文为有线报文，并且自身无线处于option1，则带宽评分为30。当节点接收到邻居节点的报文为无线报文，并且自身无线处于option2时，则带宽评分为15。在接收到的报文为有线报文时，无线的带宽越小，说明应该增大选择有线hplc通信模式的几率，因此带宽评分随无线带宽的减少而增加。当接收到的报文为无线报文时，无线的带宽越小，通信速率越小，应该降低选择带宽小的无线信号，因此带宽评分随着无线带宽的减小而减小。从纵向比较，无线处于option1调制模式时，有线和无线速率相对option3的差异不太大，因此有线和无线报文的带宽评分差值比较小。
35.表1
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带宽评分表步骤107，将有线信号信噪比snr值和无线信号信噪比snr值划分等级，每个等级对应一个snr评估分值，从而得到snr评估分值；本实施例中，将snr值划分等级，每个等级对应一个snr评估分值，从而得到snr评
分，snr评分是信道质量评估的重要参数。snr值等级划分如表2所示；表2
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snr值评分表步骤108，归一化处理，将有线rgain和无线rssi指标换算为接收信号能量指示rsei（received signal energy indicator），从而得到rsei评估分值；本实施例中，采用线性函数归一化，对原始数据进行线性变化，使结果映射到[0,1]的范围。本发明将结果在等比扩大6倍，使数值映射在[0,6]范围内。
[0036]
其中，为原始数据的归一化结果，为原始数据，为数据的最小值，为数据的最大值。
[0037]
本实施例中的接收增益rgain的数据范围一般为[-10,80]，特殊地，当数值小于-10时，归一化结果resi为最大值。由于接收增益值越大，接收性能越小，因此本发明接收增益的最大值为-10，最小值为80，归一化公式即为：本实施例中的接收信号强度指示rssi的数据范围一般为[-80,0]，特殊地，当数值为0时，归一化结果为最大值。由于接收信号强度指示数值越大，无限网络的信号越好。因此本发明rssi最小值为-80，最大值为0，归一化公式即为：步骤109，根据接收邻居节点信息的情况，综合邻居节点层级、是否为代理节点、bw评分、snr评分、rsei评分因素，计算信道质量评估分值，进入步骤301；本实施例中，邻居节点层级作为影响信道质量评估分值的因素，是因为节点层级越高，通信报文需要转发的次数更多，容易导致通信性能降低，通信延迟增大，因此路由选择时尽量选择层级比较低的路由节点。是否为代理节点作为影响信道质量评估分值的因素，是考虑到hplc信标时隙安排时，每个信标周期都需要安排代理节点，由于信标周期长度是有限的，因此代理节点不能数量太多，所以路由选择时尽量选择已经是代理节点的节点。
[0038]
从节点在入网前的信道质量评估分值weight的公式为：
其中，评分为带宽的评估分值；s评分是snr的评估分值；是判断邻居节点是否为代理节点，当为代理节点时值为1，否则为0；是邻居节点的层级。
[0039]
步骤201，从节点接收hplc链路或无线rf信道上的数据报文，所述数据报文包括信标帧和发现列表报文；步骤202，根据接收到的数据报文，得到与邻居节点之间的通信成功率和有线或无线snr值；本实施例中，所述通信成功率是节点在入网工作一段时间后，根据接收到的信标帧数量和发现列表报文综合计算得到的，是能够体现与其他节点通信性能好坏的量化标准。
[0040]
步骤203，分别将通信成功率rate和snr值划分等级，得到通信率评估分值和snr评估分值。
[0041]
本实施例中，所述将snr值划分等级，每个等级对应一个snr评估分值，从而得到snr评分，snr值等级划分如下表2所示；所述将通信成功率数值划分等级，每个等级对应一个通信成功率评估分值，从而得到通信成功率rate评分，通信成功率rate评分用于评估入网后的节点与邻居节点之间的通信成功率性能。通信成功率等级划分如表3所示；表3
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通信率评估表通信成功率数值通信成功率评分0≦﹤302030≦﹤644064≦60步骤204，综合邻居节点层级、是否为自己代理节点、是否为代理节点、是否为rf报文、通信成功率rate评分和snr评分等因素，计算信道质量评估分值。
[0042]
本实施例中，是否为自己代理节点作为影响信道质量评估分值的因素，是为了减少变更代理节点的概率，增强系统的稳定性。是否为rf报文作为影响信道质量评估分值的因素，是因为有线速率高于无线速率，因此优先选择以有线hplc通道作为路由选择的最佳模式。
[0043]
从节点在代理变更时的信道质量评估分值weight的公式为：其中，s评分是snr的评估分值；评分是通信成功率的评估分值；是判断邻居节点是否已经为自己的代理节点，当为自己的代理节点时值为1，否则为0；是判断邻居节点是否为代理节点，当为代理节点时值为1，否则为0；是判断此接收的报文是否为无线报文，当为无线报文时值为1，否则为0；是邻居节点的层级。
[0044]
步骤301，将信道质量评估分值从大到小排序，选信道质量评估分值最大的邻居节点作为自己的路由代理节点。
[0045]
步骤302，尝试向路由代理节点发起申请加入网络或者变更代理的请求。
[0046]
如图3所示，在一个实施例中提供一种应用于hplc和rf双模的路由精准选择系统100，包含数据接收模块110、数据处理模块120、信道质量评估模块130和路由选择模块140，其中，所述数据接收模块110，用于通过物理层接收hplc链路或无线rf信道上的数据报文，所述数据报文包括信标帧和发现列表报文，将接收到的数据报文发送至数据处理模块进行处理；所述数据处理模块120，用于对接收到的数据报文进行解析处理，并根据在有线介质和无线信道上接收到的报文，得到有线和无线信号的性能指标；所述信道质量评估模块130，用于综合考虑邻居节点的层级、是否属于代理节点pco、报文是否为rf报文、带宽bw评分值、信噪比snr评分值、接收信号能量指示rsei、通信成功率rate评分值因素，对信道质量进行评估，从而选择最优的通信信道模式以及路由代理节点；所述路由选择模块140，用于根据信道质量评估模块得到的结果，选择信道质量评估分值最大的邻居节点作为自己的路由代理节点，尝试向代理节点发起申请加入网络或者变更代理的请求。
[0047]
以上所述仅为本发明所公开的应用于hplc和rf双模的路由精准选择方法及系统的优选实施方式，并非用于限定本说明书实施例的保护范围。凡在本说明书实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的保护范围之内。