專利名稱：基于qos的plc組網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及PLC (Power Line Communication，電力線通信)領(lǐng)域，具體地講，是一 種基于QOS(Quality ofService，服務(wù)質(zhì)量)的PLC組網(wǎng)方法。
背景技術(shù)：
隨著通信和信號處理技術(shù)的發(fā)展，低壓配電網(wǎng)被廣泛認為是樓宇自動化、保安監(jiān) 控、辦公自動化、遠程抄表等領(lǐng)域替代專用網(wǎng)絡(luò)的一種理想數(shù)字通信媒介；PLC就是其中一 種重要的數(shù)字通信方式，與以太網(wǎng)不同的是，它不需要額外布線，只需要使用房屋中現(xiàn)有的 電力線就能夠進行通信，并可以用于無線技術(shù)無法達到的地下室或者遮蔽區(qū)域。然而，電力 線信道的時變性、頻率選擇性以及噪聲干擾強和信號衰減大等固有特點嚴(yán)重限制了 PLC物 理層的通信能力，制約了 PLC通信的發(fā)展。因此，尋找有效的低壓配電網(wǎng)電力線通信自動中 繼組網(wǎng)和快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)以及提高其抗毀性的方法，是提高電力線通信可靠性、擴大應(yīng)用規(guī) 模的又一關(guān)鍵性技術(shù)。典型的低壓配電網(wǎng)中PLC通信拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前國內(nèi)具有使用價值的組網(wǎng)技術(shù)，主要是基于lonworks (Local operating net works，局域網(wǎng)操作網(wǎng)絡(luò))系統(tǒng)的動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)和基于低壓電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲分析與表中繼路 徑自適應(yīng)系統(tǒng)的靜態(tài)組網(wǎng)(Topo-relay)技術(shù)?；贗onworks的動態(tài)組網(wǎng)，借助了 lomrorks系統(tǒng)的“全網(wǎng)偵聽、有序中繼、沖突避 讓”原理來實現(xiàn)過低壓信道的自然隔離，實現(xiàn)全網(wǎng)“泛洪”。因為lonworks協(xié)議本身是一個 工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，成熟可靠，但是復(fù)雜程度高，所以對整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的一致性要求比較高。基 于低壓電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲分析與路徑自適應(yīng)技術(shù)的靜態(tài)組網(wǎng)技術(shù)(Topo-relay技術(shù))，首先完 成低壓電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的三維數(shù)學(xué)模型分析，然后在通信過程中，對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲 結(jié)構(gòu)進行動態(tài)修正，以適應(yīng)系統(tǒng)慢變化的一些動態(tài)因素。但是Topo-relay技術(shù)缺乏對傳輸 線路的QOS控制，因此傳輸效率低，系統(tǒng)實時性和可靠性有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的基于 QOS的PLC組網(wǎng)方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于QOS的PLC組網(wǎng)方法，包括以下步驟Si.對節(jié)點進行注冊以構(gòu)建靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)，對節(jié)點進行注冊為初始化節(jié)點的電氣距離勢能值、可選中繼列表和子節(jié)點列表，中心節(jié)點的電氣距 離勢能值初始設(shè)置為0，其他節(jié)點的電氣距離勢能值初始設(shè)置為無窮大，可選中繼列表和子 節(jié)點列表初始化為空；當(dāng)節(jié)點進行注冊時，判斷節(jié)點是否為中心節(jié)點，如果是，節(jié)點廣播管理數(shù)據(jù)包，然 后偵聽并接收數(shù)據(jù)包，否則節(jié)點偵聽并接收數(shù)據(jù)包；在節(jié)點偵聽并接收數(shù)據(jù)包過程中，定時器偵聽時間到，判斷節(jié)點是否還未收到數(shù) 據(jù)包，如果是還未收到數(shù)據(jù)包，節(jié)點隨機選取可中繼節(jié)點，發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則判斷數(shù)據(jù)包是否為管理數(shù)據(jù)包；如果數(shù)據(jù)包不是管理數(shù)據(jù)包，判斷數(shù)據(jù)包是否為拓撲上報數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)包不 是拓撲上報數(shù)據(jù)包，返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，如果數(shù)據(jù)包是拓撲上報數(shù)據(jù)包，判斷拓撲 上報數(shù)據(jù)包中的子節(jié)點表是否含有本節(jié)點ID (Identification，身份)，如果含有，節(jié)點注 冊成功，否則判斷可選中繼列表是否含有本節(jié)點ID，如果是，節(jié)點隨機選取可中繼節(jié)點，發(fā) 送拓撲上報數(shù)據(jù)包，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則直接返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步 驟；如果數(shù)據(jù)包是管理數(shù)據(jù)包，判斷可選中繼列表中是否含有本節(jié)點ID，如果是，把發(fā) 送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點的ID加入節(jié)點的子節(jié)點列表，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則根 據(jù)數(shù)據(jù)包計算節(jié)點與源節(jié)點之間的電氣距離勢能差值，電氣距離勢能差值為節(jié)點與源節(jié)點 之間的電氣距離與電氣距離閾值的比值；判斷電氣距離勢能差值是否屬于[1/2，3/4]，如果不屬于，返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包 步驟，如果屬于，計算源節(jié)點的電氣距離勢能值與電氣距離勢能差值的和值，判斷和值是否 小于節(jié)點現(xiàn)有的電氣距離勢能值；如果和值大于等于節(jié)點現(xiàn)有的電氣距離勢能值，返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，如 果小于，把源節(jié)點ID加入本節(jié)點的可選中繼列表，存儲源節(jié)點的電氣距離勢能值；判斷存儲的電氣距離勢能值是否達到3個，如果是，計算并更新節(jié)點的電氣距離 勢能值，廣播管理數(shù)據(jù)包，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則直接返回偵聽并接收數(shù)據(jù) 包步驟。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該基于QOS的PLC組網(wǎng)方法還包括以下步驟S2.對靜態(tài) 拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)維護以得到動態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)維護包括在已注冊節(jié)點發(fā)送的 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包中加入發(fā)送節(jié)點的電氣距離勢能值，接收節(jié)點根據(jù)發(fā)送節(jié)點的電氣距離勢能值 更新接收節(jié)點的電氣距離勢能值。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，步驟S2中動態(tài)維護還包括新增節(jié)點入網(wǎng)步驟，新增節(jié) 點入網(wǎng)步驟為新增節(jié)點偵聽管理數(shù)據(jù)包和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，計算并更新電氣距離勢能值，選擇 中繼節(jié)點，當(dāng)偵聽到有拓撲上報數(shù)據(jù)包在媒介中傳輸時，新增節(jié)點也向中繼節(jié)點發(fā)送拓撲 上報數(shù)據(jù)包；已注冊節(jié)點收到新增節(jié)點的拓撲上報數(shù)據(jù)包時，更改子節(jié)點列表，在下一個周 期發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包時發(fā)送更新后的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，逐層上報至中心節(jié)點；新增節(jié)點在 發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包后，等待一個周期，偵聽到上層節(jié)點的拓撲上報數(shù)據(jù)包里包含新增節(jié) 點的ID，則新增節(jié)點入網(wǎng)成功。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，步驟S2中動態(tài)維護還包括失效節(jié)點退出步驟，失效節(jié) 點退出步驟為已注冊節(jié)點的上層節(jié)點在20個周期內(nèi)沒有收到已注冊節(jié)點的數(shù)據(jù)包，則認 為已注冊節(jié)點失效，上層節(jié)點從子節(jié)點列表中刪除已注冊節(jié)點的ID。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，該基于QOS的PLC組網(wǎng)方法還包括以下步驟S3.對靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)或動態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)進行路由選擇，路由選擇為當(dāng)選擇 一個節(jié)點的下一跳節(jié)點時，計算節(jié)點到所有鄰居節(jié)點的電氣距離勢能差值和鄰居節(jié)點的隊 列長度勢能值，隊列長度勢能值為鄰居節(jié)點正在處理的隊列長度與隊列長度閾值的比值， 將隊列長度勢能值和電氣距離勢能差值進行加權(quán)求和得到節(jié)點與鄰居節(jié)點的相對勢能差 值，選擇其中相對勢能差值最大的鄰居節(jié)點作為節(jié)點的下一跳節(jié)點。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是該基于QOS的PLC組網(wǎng)方法計算各個節(jié)點 的電氣距離勢能值，并通過節(jié)點之間的多播信息交互來建立關(guān)于各個節(jié)點的電氣距離勢能 場，利用電氣距離勢能來描述PLC網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的物理性能，在進行路由選擇時根據(jù)各個 節(jié)點不同的傳輸質(zhì)量和容量需求來選擇最合適的傳輸路徑，有效防止網(wǎng)絡(luò)阻塞，減少了數(shù) 據(jù)包傳輸跳數(shù)和傳輸延時，提高數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，從而有效地提高了網(wǎng)絡(luò)傳 輸效率。


本發(fā)明上述的各方面優(yōu)點，可以從下面附圖和對實例的描述中將變得明顯和容易 理解，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)中典型的低壓配電網(wǎng)中PLC通信拓撲結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為本發(fā)明的基于QOS的PLC組網(wǎng)方法中勢能場的原理示意圖；圖3為本發(fā)明的基于QOS的PLC組網(wǎng)方法的流程圖；圖4為本發(fā)明的基于QOS的PLC組網(wǎng)方法的電氣距離勢能場的邏輯拓撲圖；圖5為本發(fā)明的基于QOS的PLC組網(wǎng)方法中傳輸數(shù)據(jù)包的原理示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的器件或具有相同或類似功能的器件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。圖2示出的是本發(fā)明基于QOS的PLC組網(wǎng)方法中勢能場的基本原理。在物理學(xué) 中，勢能場表現(xiàn)了物體與環(huán)境的關(guān)系，構(gòu)建一個如圖2所示的勢能場，處于這個勢能場中的 物體便會自發(fā)地按照勢能差進行移動。因此，通過這種思想，可以將整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成一個勢 能場的形式。如果將構(gòu)造的虛擬勢能場形象類比為“碗”，而將網(wǎng)絡(luò)中的分組視為附著在碗壁上 的“水滴”。在重力場的作用下，水滴將沿特定路徑滑向碗底。如果能將物理學(xué)中的場強、勢 差、作用力和梯度等場論的基本概念恰當(dāng)引入到虛擬場中來，等同于“水滴”的數(shù)據(jù)分組就 完全有可能在虛擬勢能場“作用力”的驅(qū)使下，沿著勢能梯度變化最大的方向移動，最終回 到位于“碗”底的中心節(jié)點，實現(xiàn)路由的基本功能。基于勢能場的路由協(xié)議有兩個顯見的優(yōu) 點是非常適合PLC網(wǎng)絡(luò)特點的，這兩個優(yōu)點分別為(1)數(shù)據(jù)分組空間分布中“多對一”的向 心性使只需要在整個網(wǎng)絡(luò)中為路由協(xié)議的實現(xiàn)維護一個虛擬勢能場；(2)勢能梯度變化最 大的方向只取決于相鄰節(jié)點間的勢差，這意味著在勢能路由協(xié)議中節(jié)點僅僅需要局部信息 即可做出路由決策。至此，為了表征PLC信道，通過計算信號在信道上的衰減，得出兩個節(jié)點之間的 “電氣距離”，從而引入“電氣距離勢能場”的概念。實際上，在“電氣距離勢能場”的獨立作 用下，只能發(fā)現(xiàn)跳數(shù)最小、電氣距離最小的路徑。如果停留于此，在路由協(xié)議設(shè)計中引入勢 能場概念的價值就相當(dāng)有限，可以在“電氣距離勢能場”上疊加用其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)構(gòu)造的虛擬 勢能場來實現(xiàn)多策略路由。譬如，可以用節(jié)點上的隊列長度作為網(wǎng)絡(luò)負載狀態(tài)的觀測變量， 構(gòu)造動態(tài)虛擬勢能場，采取線性組合等合理方式疊加到基本的“電氣距離勢能場”上，形成復(fù)合勢能場共同驅(qū)動分組在網(wǎng)絡(luò)中的移動?？梢韵胂笸氲倪吘壘植坑幸恍┬　巴蛊稹?，這些 小“凸起”表示此處節(jié)點上的隊列出現(xiàn)了明顯的積累，已成為“熱點”，并有可能導(dǎo)致?lián)砣?。?fù) 合勢能場將動態(tài)地改變路由，疏導(dǎo)后來的分組繞開此區(qū)域，就如同下滑的水滴會繞開碗壁 上的小凸起一樣自然。如此，路由協(xié)議將在實現(xiàn)尋址這一基本功能的前提下，為平衡負載、 緩解擁塞貢獻力量。如果在平滑碗壁的某個方向上附加的電場，帶電水滴和非帶電水滴將會沿不同軌 跡滑動。這一現(xiàn)象進一步啟發(fā)可以將不同應(yīng)用生成的數(shù)據(jù)分組通過報頭標(biāo)志域加以區(qū)分， 在復(fù)合虛擬勢能場中與不同勢能場作用，產(chǎn)生不同運動軌跡，服務(wù)于不同的優(yōu)化目標(biāo)。譬 如，讓敏感延時的分組沿最短路徑運動提高實時性，讓敏感丟失但對延時無特殊要求的分 組在網(wǎng)絡(luò)中迂回，避免重載鏈路上緩存溢出導(dǎo)致的分組丟棄，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和保 真度?；谶@一基本思路，可以為PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出支持區(qū)分QOS的勢能路由協(xié)議。類似地， 通過勢能路由協(xié)議還可以有目的改變不同應(yīng)用分組的運動軌跡，強化分組在空間與時間分 布上的相關(guān)性，支持數(shù)據(jù)聚合協(xié)議設(shè)計，提高聚合效果。圖3示出的是本發(fā)明的基于QOS的PLC組網(wǎng)方法的組網(wǎng)流程。該基于QOS的PLC 組網(wǎng)方法包括以下步驟Si.對節(jié)點進行注冊以構(gòu)建靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)，在PLC網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點的物理位 置是相對不變或者變化很少的，但信道環(huán)境隨著負載的用電情況變化而劇烈波動，因此首 先需要建立一個邏輯上的靜態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)。對節(jié)點進行注冊為初始化節(jié)點的電氣距離勢能值、可選中繼列表和子節(jié)點列表，將中心節(jié)點的電氣 距離勢能值初始設(shè)置為0，其他節(jié)點的電氣距離勢能值初始設(shè)置為無窮大，可選中繼列表和 子節(jié)點列表初始為空。電氣距離的定義與終端載波信號的發(fā)送功率類似，因此信號解調(diào)過程中計算出的 信噪比參數(shù)就基本能夠代表收發(fā)位置之間的線路長度及負載狀況等電氣距離。集中器根 據(jù)來自終端的載波信號參數(shù)能夠判斷出該終端所在的電力相線以及與該終端的電氣距離， 同時各終端接收或監(jiān)聽電力線上的載波信號，也能夠計算出它們與集中器以及與其他終端 之間的電氣距離。電氣距離不是實際上的距離，但是可以反映出信道損耗和信號干擾等傳 輸性能，因此通過電氣距離的大小，可以判斷它們之間能否直接通信以及通信的質(zhì)量、通信 環(huán)境狀態(tài)等信息。實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，電氣距離是節(jié)點通過求出接收到的載波信號功率和發(fā) 送的載波信號功率的差值來計算得出的，一定程度上表現(xiàn)了接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點的拓撲關(guān) 系。此外，還需要根據(jù)實測環(huán)境將一定網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的電氣距離的最大值設(shè)置為電氣距離閾 值，認為節(jié)點間距離超過此閾值的兩個節(jié)點彼此不能互相通信。電氣距離勢能值是節(jié)點間電氣距離值除以電氣距離閾值，也就是進行歸一化處理 得到的。例如實際環(huán)境中測出電氣距離閾值是20，而A、B兩個節(jié)點間電氣距離差值是12， 那么A、B這兩個節(jié)點的電氣距離勢能差值就是12/20 = 0. 6。而中心節(jié)點的電氣距離勢能 值是0，其他節(jié)點到中心節(jié)點的電氣距離勢能差值就定義為該節(jié)點的電氣距離勢能值，通過 中心節(jié)點向外擴展，就可以建立整個電氣距離勢能場。當(dāng)節(jié)點進行注冊時，判斷節(jié)點是否為中心節(jié)點，如果是，節(jié)點廣播管理數(shù)據(jù)包，然 后偵聽并接收數(shù)據(jù)包，否則節(jié)點偵聽并接收數(shù)據(jù)包。在節(jié)點偵聽并接收數(shù)據(jù)包過程中，定時器偵聽時間到，判斷節(jié)點是否還未收到數(shù)據(jù)包，如果是，節(jié)點隨機選取可中繼節(jié)點，發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù) 包步驟，否則判斷數(shù)據(jù)包是否為管理數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包不是管理數(shù)據(jù)包，判斷數(shù)據(jù)包是否為拓撲上報數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)包不 是拓撲上報數(shù)據(jù)包，返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，如果數(shù)據(jù)包是拓撲上報數(shù)據(jù)包，判斷拓撲 上報數(shù)據(jù)包中的子節(jié)點表是否含有本節(jié)點ID，如果含有，節(jié)點注冊成功，否則判斷可選中繼 列表是否含有本節(jié)點ID，如果是，節(jié)點隨機選取可中繼節(jié)點，發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包，然后返 回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則直接返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟。如果數(shù)據(jù)包是管理數(shù)據(jù)包，判斷可選中繼列表中是否含有本節(jié)點ID，如果是，把發(fā) 送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點的ID加入節(jié)點的子節(jié)點列表，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則根 據(jù)數(shù)據(jù)包計算節(jié)點與源節(jié)點之間的電氣距離勢能差值，電氣距離勢能差值為節(jié)點與源節(jié)點 之間的電氣距離與電氣距離閾值的比值。判斷電氣距離勢能差值是否屬于[1/2，3/4]，如果不屬于，返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包 步驟，如果屬于，計算通過源節(jié)點的電氣距離勢能值，通過源節(jié)點的電氣距離勢能值為該源 節(jié)點的電氣距離勢能值與電氣距離勢能差值的和值，判斷和值是否小于節(jié)點現(xiàn)有的電氣距 離勢能值。[1/2，3/4]為中繼節(jié)點的選擇范圍，為了減少傳輸跳數(shù)，本節(jié)點與中繼節(jié)點之間 的距離應(yīng)當(dāng)比較遠，所以將電氣距離勢能差值的最小值設(shè)置為電氣距離閾值的1/2，但是如 果距離過遠則信號衰減比較嚴(yán)重，信號傳輸困難，因此將電氣距離勢能差值的最小值設(shè)置 為電氣距離閾值的3/4，不屬于這個范圍內(nèi)的節(jié)點不作為中繼節(jié)點的備選。如果源節(jié)點的電氣距離勢能值大于等于節(jié)點的電氣距離勢能值，返回偵聽并接收 數(shù)據(jù)包步驟，如果小于，把源節(jié)點ID加入本節(jié)點的可選中繼列表，存儲這個源節(jié)點的電氣 距離勢能值。判斷存儲的電氣距離勢能值是否達到3個，如果是，計算并更新節(jié)點的電氣距離 勢能值，廣播管理數(shù)據(jù)包，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則直接返回偵聽并接收數(shù)據(jù) 包步驟。各個節(jié)點一直偵聽收到并算出3個可選電氣距離勢能值后，取這3個距離的平均 值，可以采用算術(shù)平均或者加權(quán)平均，作為本節(jié)點更新的電氣距離勢能值。如果從得到第一 個可選電氣距離勢能開始，在一定的時間范圍內(nèi)得不到3個可選電氣距離勢能，則按照已 經(jīng)得到的可選電氣距離勢能進行加權(quán)平均，這個時間范圍可以在幾分鐘至幾十分鐘之間進 行設(shè)置，主要是根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行選擇。各個節(jié)點把本節(jié)點電氣距離勢能值，可選中繼節(jié)點列表一并填入管理數(shù)據(jù)包并按 照一定的概率競爭信道然后廣播，此概率與本節(jié)點的單跳平均電氣距離勢能值成反比關(guān) 系，單跳平均電氣距離勢能值為本節(jié)點的電氣距離勢能值除以跳數(shù)。各個節(jié)點競爭媒體使 用權(quán)采用 P 堅持 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, 載波偵聽多路訪問/沖突避免)。從層次拓撲上來看，廣播節(jié)點的下層節(jié)點就得知了此廣播 節(jié)點的電氣距離勢能信息，廣播節(jié)點的上層節(jié)點就得知了的子節(jié)點。各個節(jié)點都執(zhí)行以上的偵聽、處理和/或計算、廣播的過程，直到節(jié)點建立電氣距 離勢能，廣播管理數(shù)據(jù)包后，規(guī)定一定的時間內(nèi)，偵聽不到可選中繼列表中有本節(jié)點ID的 管理數(shù)據(jù)包，則認為本節(jié)點為邊緣節(jié)點。邊緣節(jié)點發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包，目的節(jié)點為隨機選取的可選中繼節(jié)點，選中的可選中繼節(jié)點偵聽到此包后，利用子節(jié)點表，建立子節(jié)點樹狀結(jié)構(gòu)，本節(jié)點對的下層拓撲發(fā)現(xiàn) 完畢，發(fā)往上層節(jié)點。低層節(jié)點發(fā)送完拓撲上報數(shù)據(jù)包后，監(jiān)聽上層節(jié)點的拓撲發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包，解析此數(shù) 據(jù)包的子節(jié)點樹狀結(jié)構(gòu)，如果發(fā)現(xiàn)有本節(jié)點ID，則的存在已經(jīng)被上層節(jié)點所感知，認為本節(jié) 點注冊成功，則不再發(fā)送拓撲發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包，反之若規(guī)定時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒有被上層節(jié)點所感知， 則繼續(xù)發(fā)送拓撲發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包。拓撲上報數(shù)據(jù)包逐層上報，最后到達中心節(jié)點，則中心節(jié)點感知到了整個網(wǎng)絡(luò)的 拓撲框架，也就建立了如圖4所示的整個網(wǎng)絡(luò)的電氣距離勢能場。S2.對靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)維護以得到動態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)。由于PLC網(wǎng)絡(luò)中信道環(huán)境經(jīng)常變化，為了能夠及時地根據(jù)信道環(huán)境的變化而改變 數(shù)據(jù)包傳輸方式，進一步提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，可以對靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)維護，即 周期性地檢測并更新各節(jié)點的電氣距離勢能值以使得整個網(wǎng)絡(luò)不斷收斂。動態(tài)維護包括 在已注冊節(jié)點發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包中加入發(fā)送節(jié)點的電氣距離勢能值，接收節(jié)點根據(jù)發(fā)送節(jié) 點的電氣距離勢能值更新接收節(jié)點的電氣距離勢能值。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包可以捎帶發(fā)送節(jié)點的電氣距離勢能值，已注冊節(jié)點在發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包 的時候?qū)㈦姎饩嚯x勢能值填入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，其他能偵聽到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的已注冊節(jié)點通過對 此數(shù)據(jù)包的解析，可以計算更新電氣距離勢能值。沒有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上發(fā)的節(jié)點只能偵聽和計算并更新，但無法讓其他節(jié)點得知自己的 更新值，只能在下一次發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的時候讓鄰近節(jié)點得知更新后的電氣距離勢能值。 有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上發(fā)的節(jié)點既能偵聽計算并更新，也能通過發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的過程讓其他節(jié)點 感知電氣距離勢能更新值。邊緣節(jié)點周期性發(fā)送拓撲上報報文，經(jīng)過逐層上報，中心節(jié)點感知到了網(wǎng)絡(luò)動態(tài) 的拓撲結(jié)構(gòu)。如果有新增節(jié)點需要加入已經(jīng)建好的PLC網(wǎng)絡(luò)時，采取的入網(wǎng)步驟為新增節(jié)點 偵聽管理數(shù)據(jù)包和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，計算并更新電氣距離勢能值，選擇中繼節(jié)點，當(dāng)偵聽到有拓 撲上報數(shù)據(jù)包在媒介中傳輸時，新增節(jié)點也向中繼節(jié)點發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包；已注冊節(jié)點 收到新增節(jié)點的拓撲上報數(shù)據(jù)包時，更改子節(jié)點列表，在下一個周期發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包 時發(fā)送更新后的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，逐層上報至中心節(jié)點；新增節(jié)點在發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包后， 等待一個周期，偵聽到上層節(jié)點的拓撲上報數(shù)據(jù)包里包含新增節(jié)點的ID，則新增節(jié)點入網(wǎng) 成功。否則該新增節(jié)點重新發(fā)起入網(wǎng)請求。在PLC網(wǎng)絡(luò)中也會有一些節(jié)點因為失效而需要退出網(wǎng)絡(luò)，這種失效節(jié)點的退出步 驟為已注冊節(jié)點的上層節(jié)點在20個周期內(nèi)沒有收到已注冊節(jié)點的數(shù)據(jù)包，則認為已注冊 節(jié)點失效，上層節(jié)點從子節(jié)點列表中刪除已注冊節(jié)點的ID。S3.在靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)建立完成或者對其進行動態(tài)維護后，就可以對靜態(tài)拓撲 PLC網(wǎng)絡(luò)或動態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)進行路由選擇。在數(shù)據(jù)包交換的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包的時延由發(fā)送時延、傳播時延、處理時延構(gòu)成，而 PLC網(wǎng)絡(luò)從宏觀上來講，流量并不是很大，因此發(fā)送時延在整體時延中占得比重很小。PLC 網(wǎng)絡(luò)的物理范圍只在一棟樓或者幾棟樓之間，距離很小，所以傳播時延也是很小。因此在 PLC網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳輸時延主要由處理時延構(gòu)成，而在單個節(jié)點的處理時延當(dāng)中，數(shù)據(jù)包的緩存排隊是占得比重最大的。在本發(fā)明中還引入了隊列長度勢能值這一概念，隊列長度 勢能值定義為一個節(jié)點正在處理的隊列長度與隊列長度閾值的比值，隊列長度閾值為根據(jù) 實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇的單個節(jié)點能夠同時處理的隊列長度的最大值，各個節(jié)點的初始隊列長 度勢能值設(shè)置為0。如果隊列長度閾值為200，一個節(jié)點正在處理的隊列長度是150，那么此 節(jié)點的隊列長度勢能值就是150/200 = 0. 75。當(dāng)選擇一個節(jié)點的下一跳節(jié)點時，計算節(jié)點到所有鄰居節(jié)點的電氣距離勢能差值 和鄰居節(jié)點的隊列長度勢能值，隊列長度勢能值為鄰居節(jié)點正在處理的隊列長度與隊列長 度閾值的比值，將隊列長度勢能值和電氣距離勢能差值進行加權(quán)求和得到節(jié)點與鄰居節(jié)點 的相對勢能差值，選擇其中相對勢能差值最大的鄰居節(jié)點作為節(jié)點的下一跳節(jié)點。節(jié)點僅在傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的時候，其他節(jié)點才能感知到此節(jié)點的隊列長度勢能 值。其他數(shù)據(jù)包不包含此節(jié)點隊列長度勢能值。而且此節(jié)點只需要本節(jié)點的子節(jié)點偵聽到 此消息即可，是一種局部感知行為。傳輸節(jié)點的下層節(jié)點偵聽業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，如果解析發(fā)送此業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的源節(jié)點屬于 的可中繼節(jié)點，查看其隊列長度勢能值，并記錄其隊列長度勢能值。如果不屬于的可中繼節(jié) 點，則按照動態(tài)拓撲修正維護階段的動作處理。上層節(jié)點的隊列長度勢能值在子節(jié)點上有作用時間范圍，即子節(jié)點收到上層節(jié)點 的隊列長度勢能值，保存一段時間后，如果收不到新的隊列長度勢能值，認為其隊列長度勢 能值為零。同理，如果節(jié)點收不到其可中繼節(jié)點的隊列長度勢能值，認為這個可中繼節(jié)點的 勢能為零。這樣，每個節(jié)點都感知到了其可中繼節(jié)點的電氣距離勢能值和隊列長度勢能值，ν 節(jié)點可以利用者兩個勢能值來選擇路由
( 1)其中，Vd(v，w) {w e father (ν)}為ν節(jié)點與w節(jié)點的電氣距離勢能差值，w節(jié)點為 ν節(jié)點的一個可中繼節(jié)點，即鄰居節(jié)點，Vq (w) {we father (ν)}為w節(jié)點的隊列長度勢能值， Vffl (v, w) {w e father (ν)}為ν節(jié)點的路由判據(jù)，也就是ν節(jié)點與w節(jié)點總的相對勢能差值， 3為權(quán)重系數(shù)，在0到1范圍內(nèi)取值，表征了電氣距離勢能值和隊列長度勢能值兩者在路由 判據(jù)當(dāng)中的相對重要程度。在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如果一個節(jié)點所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包對QOS要 求高而對傳輸距離要求不高，那么權(quán)重系數(shù)3可以選擇大于0. 5，如果該數(shù)據(jù)包對QOS要求 不高而對傳輸距離要求高，那么權(quán)重系數(shù)3可以選擇小于0. 5，其具體值根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)參數(shù) 進行設(shè)定。按照勢能場最大力規(guī)則，場中的每個數(shù)據(jù)包都將沿著其所承受的最大的力的方向 被轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳的鄰居節(jié)點，來選取路由。即如果要選擇w節(jié)點是ν節(jié)點的下一跳節(jié)點，當(dāng) 且僅當(dāng)Vm_selected (ν, w) = max {Vm (ν, w), w e father (v)}(2)Vm_—(v，w)為ν節(jié)點到其所選擇的下一跳節(jié)點w的相對勢能。單個節(jié)點根據(jù)公 式(1)和公式(2)就可以選擇數(shù)據(jù)包上傳過程中下一跳的目的站點，從而建立路由。不同 QOS要求的數(shù)據(jù)包會自動尋找合適的路徑進行傳輸，如圖5所示，時延敏感分組的數(shù)據(jù)包將 會選擇跳數(shù)最少的路徑進行傳輸，而非時延敏感分組的數(shù)據(jù)包將由跳數(shù)較多的路徑進行傳輸，保證了網(wǎng)絡(luò)中各個數(shù)據(jù)包的傳輸速度和質(zhì)量，有效提高PLC網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種基于QOS的PLC組網(wǎng)方法，其特征在于包括以下步驟S1.對節(jié)點進行注冊以構(gòu)建靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)，所述對節(jié)點進行注冊為初始化所述節(jié)點的電氣距離勢能值、可選中繼列表和子節(jié)點列表，中心節(jié)點的所述電氣距離勢能值初始設(shè)置為0，其他節(jié)點的所述電氣距離勢能值初始設(shè)置為無窮大，所述可選中繼列表和子節(jié)點列表初始化為空；當(dāng)所述節(jié)點進行注冊時，判斷所述節(jié)點是否為中心節(jié)點，如果是，所述節(jié)點廣播管理數(shù)據(jù)包，然后偵聽并接收數(shù)據(jù)包，否則所述節(jié)點偵聽并接收數(shù)據(jù)包；在所述節(jié)點偵聽并接收數(shù)據(jù)包過程中，定時器偵聽時間到，判斷所述節(jié)點是否還未收到數(shù)據(jù)包，如果是還未收到數(shù)據(jù)包，所述節(jié)點隨機選取可中繼節(jié)點，發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則判斷所述數(shù)據(jù)包是否為管理數(shù)據(jù)包；如果所述數(shù)據(jù)包不是管理數(shù)據(jù)包，判斷所述數(shù)據(jù)包是否為拓撲上報數(shù)據(jù)包，如果所述數(shù)據(jù)包不是拓撲上報數(shù)據(jù)包，返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，如果所述數(shù)據(jù)包是拓撲上報數(shù)據(jù)包，判斷所述拓撲上報數(shù)據(jù)包中的子節(jié)點表是否含有本節(jié)點ID，如果含有，所述節(jié)點注冊成功，否則判斷可選中繼列表是否含有本節(jié)點ID，如果是，所述節(jié)點隨機選取可中繼節(jié)點，發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則直接返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟；如果所述數(shù)據(jù)包是管理數(shù)據(jù)包，判斷可選中繼列表中是否含有本節(jié)點ID，如果是，把發(fā)送所述數(shù)據(jù)包的源節(jié)點的ID加入所述節(jié)點的子節(jié)點列表，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則根據(jù)所述數(shù)據(jù)包計算所述節(jié)點與所述源節(jié)點之間的電氣距離勢能差值，所述電氣距離勢能差值為所述節(jié)點與所述源節(jié)點之間的電氣距離與電氣距離閾值的比值；判斷所述電氣距離勢能差值是否屬于[1/2，3/4]，如果不屬于，返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，如果屬于，計算所述源節(jié)點的電氣距離勢能值與所述電氣距離勢能差值的和值，判斷所述和值是否小于所述節(jié)點現(xiàn)有的電氣距離勢能值；如果所述和值大于等于所述節(jié)點現(xiàn)有的電氣距離勢能值，返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，如果小于，把所述源節(jié)點ID加入本節(jié)點的可選中繼列表，存儲所述源節(jié)點的電氣距離勢能值；判斷存儲的電氣距離勢能值是否達到3個，如果是，計算并更新所述節(jié)點的電氣距離勢能值，廣播管理數(shù)據(jù)包，然后返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟，否則直接返回偵聽并接收數(shù)據(jù)包步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于QOS的PLC組網(wǎng)方法，其特征在于還包括以下步驟52.對所述靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)維護以得到動態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)，所述動態(tài)維護包 括在已注冊節(jié)點發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包中加入所述發(fā)送節(jié)點的電氣距離勢能值，接收節(jié)點根 據(jù)發(fā)送節(jié)點的電氣距離勢能值更新所述接收節(jié)點的電氣距離勢能值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于QOS的PLC組網(wǎng)方法，其特征在于步驟S2中所述動態(tài)維 護還包括新增節(jié)點入網(wǎng)步驟，所述新增節(jié)點入網(wǎng)步驟為所述新增節(jié)點偵聽所述管理數(shù)據(jù)包和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，計算并更新電氣距離勢能值，選擇 中繼節(jié)點，當(dāng)偵聽到有所述拓撲上報數(shù)據(jù)包在媒介中傳輸時，所述新增節(jié)點也向所述中繼 節(jié)點發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包；所述已注冊節(jié)點收到所述新增節(jié)點的拓撲上報數(shù)據(jù)包時，更改子節(jié)點列表，在下一個周期發(fā)送拓撲上報數(shù)據(jù)包時發(fā)送更新后的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，逐層上報至所述中心節(jié)點；所述新增節(jié)點在發(fā)送所述拓撲上報數(shù)據(jù)包后，等待一個周期，偵聽到上層節(jié)點的所述 拓撲上報數(shù)據(jù)包里包含所述新增節(jié)點的ID，則所述新增節(jié)點入網(wǎng)成功。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于QOS的PLC組網(wǎng)方法，其特征在于步驟S2中所述動態(tài)維 護還包括失效節(jié)點退出步驟，所述失效節(jié)點退出步驟為已注冊節(jié)點的上層節(jié)點在20個周期內(nèi)沒有收到所述已注冊節(jié)點的數(shù)據(jù)包，則認為所 述已注冊節(jié)點失效，所述上層節(jié)點從子節(jié)點列表中刪除所述已注冊節(jié)點的ID。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述基于QOS的PLC組網(wǎng)方法，其特征在于還包括以下步驟S3.對所述靜態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)或所述動態(tài)拓撲PLC網(wǎng)絡(luò)進行路由選擇，所述路由選擇為當(dāng)選擇一個節(jié)點的下一跳節(jié)點時，計算所述節(jié)點到所有鄰居節(jié)點的電氣距離勢能差值 和所述鄰居節(jié)點的隊列長度勢能值，所述隊列長度勢能值為所述鄰居節(jié)點正在處理的隊列 長度與隊列長度閾值的比值，將所述隊列長度勢能值和所述電氣距離勢能差值進行加權(quán)求 和得到所述節(jié)點與所述鄰居節(jié)點的相對勢能差值，選擇其中所述相對勢能差值最大的鄰居 節(jié)點作為所述節(jié)點的下一跳節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于QOS的PLC組網(wǎng)方法，該基于QOS的PLC組網(wǎng)方法中計算各個節(jié)點的電氣距離勢能值，并通過節(jié)點之間的多播信息交互來建立關(guān)于各個節(jié)點的電氣距離勢能場，利用電氣距離勢能來描述PLC網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的物理性能，在進行路由選擇時根據(jù)各個節(jié)點不同的傳輸質(zhì)量和容量需求來選擇最合適的傳輸路徑，有效防止網(wǎng)絡(luò)阻塞，減少了數(shù)據(jù)包傳輸跳數(shù)和傳輸延時，提高數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，從而有效地提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。
文檔編號H04L12/56GK101883053SQ20101022319
公開日2010年11月10日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者劉陽, 吳玉成, 周佳, 孫鵬, 張云, 朱龍, 鄧俊 申請人:重慶大學(xué)