[發明專利]一種預防電力線載波通信網絡擁塞控制的方法

在審

• 申請號: 201510871260.0
• 申請日: 2015-12-02
• 公開（公告）號: CN106817150A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 尹建豐;徐海林;魏華義;季海濤;陳健龍
• 申請（專利權）人: 江蘇林洋能源股份有限公司
• 主分類號: H04B3/54
• 分類號: H04B3/54;H04L12/803;H04L12/807;H04L12/851
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司32218
• 代理人: 王堯,夏平

技術領域

本設計涉及智能電網電力線通信領域，主要是對現有的電力線載波通信中使用的通用的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance帶有沖突避免的載波監聽多路訪問）機制進行改進，實現對電力線載波通信網絡擁塞的控制。

背景技術

隨著智能電表的普及，供電公司告別了人工讀取電量的方式，可以通過多種方式獲取電量，其中最常見的一種就是電力線載波通信。它以設計和運營成本低廉成為電表數據通信的首選。早期的電力線載波通信在一個網絡內有一個主節點，多個從節點，只有主節點可以發起通信，從節點只有接收到訪問信息后才能進入通信發送狀態。因此，不存在電力線信道通信的沖突，但網絡通信的利用率低。隨著電力用電信息采集和現場管理要求的提高，許多電力用戶需要從節點能將從節點發生的事件主動上報，因此要求從節點和主節點一樣能主動發起通信，這樣在電力線上就會發生通信的沖突，如何根據電力線載波通信的特點處理好通信沖突，成為電力線載波通信研究的重要任務。

通信沖突是指當數據在網絡中傳輸時，出現兩個設備或兩個以上設備同時發送數據的現象，從而導致網絡中數據擁塞，數據丟失的情況。CSMA/CA協議一般位于通信協議的介質訪問層MAC（Media Access Control）層，是介質訪問層的核心算法之一。它利用檢測和避免兩大手段來避免數據沖突，從而保證了數據的傳輸的可靠性。當一個節點想發送數據時，首先檢測信道，觀察信道是否空閑。如果信道空閑，等待一段時間，接著發送數據，其它的節點都置信道繁忙標志位NAV（Network Allocation Vector）。當目的節點接收到數據幀后，等待一段時間發送應答ACK（Acknowledge）幀。源節點接收到ACK數據幀后，標志著發送數據完成。等待一段時期后，進入競爭窗口，各個節點競爭發送，取得發送權的節點重復上述動作，而沒有取得發送權的節點進入退避狀態。

由于電力線載波通信的信道的主要功能是傳輸電力，不是為通信而設計，因此，它不是一個理想的通信線路。其通信的帶寬和速度受到限制，如果單純的使用通用的CSMA/CA，當數據通信頻繁，信道擁塞嚴重時，部分節點可能會一直處于避讓狀態，根據CSMA/CA機制，很可能會進入放棄發送的狀態，從而可能造成部分數據的丟失，本發明將重要數據和普通數據區分開來，讓重要數據優先競爭發送，從而保證重要的數據在電力線上優先傳輸和可靠性。

發明內容

本發明在CSMA/CA協議的基礎上增加了重要數據發送的請求幀RF（Request Frame）和允許幀AF（Allow Frame）命令，從而確保重要數據通信的可靠性，當一個節點需要發送高優先級數據時，先發送一個請求信號RF，預約信道，目的節點接收到了RF后，回復AF信號。這樣雙方成功進行了RF/AF通信握手后，才進行數據的發送，保證數據的安全可靠性。

另外，本發明還對競爭窗口進行改進和劃分，將競爭窗口劃分為高優先級窗口和普通優先級窗口。重要的通信數據被設置為高優先級數據，當出現發送競爭時，首先進入高優先級窗口進行競爭，等待高優先級窗口用完，再進入普通優先級窗口進行數據發送競爭，以確保重要數據的優先發送。

在本發明中，我們將RF和AF的格式設定為源節點短地址（2個字節）和目的節點短地址（2個字節），以及一個狀態位（1個字節）。RF和AF的幀長度較小，僅相當于普通數據幀長度的幾十分之一，對網絡資源的開銷很小。因此增加RF和AF命令，對電力線上的數據的傳輸量影響并不大，但是有了RF和AF的交互，卻可以更好的保護高優先級數據的安全，避免重要數據的丟失，也減少因數據丟失而導致的數據重發。

在對高低優先級窗口的劃分上，可以根據一些參數（maxBE為最大退避指數值，macHighPriorityWindowSize為高優先級窗口時間片數， SlotTime為 CSMA/CA中一個時間片的時長，maxBE和macHighPriorityWindowSize來自于應用層，可自己設定，SlotTime來自于802.15.4標準）來決定窗口時間的長度，本發明中設置高優先級的窗口寬度（HPCW time）為：

HPCW time = macHighPriorityWindowSize * SlotTime;

由于退避措施采用二進制退避算法，那么普通優先級的窗口寬度（NPCW time）則為：