一种基于双模通信的动态信道选择和信息传输的方法与流程

本技术涉及通信，尤其涉及一种基于双模通信的动态信道选择和信息传输的方法。

背景技术：

1、电力线载波通信(power line carrier communication，简称plc)是一种利用现有电力网络作为传输媒介的电力通信系统，广泛应用于远程抄表(用电信息采集)、自动计费、家庭宽带接入等领域。电力线载波通信技术在国家电网智能用电领域已经被广泛用于用户电力信息采集、停电上报、台区识别、拓扑识别等业务中，获得了很好的效果。

2、随着国家双碳政策的进一步深化，电网系统对用户电力信息采集等业务的需求不再局限于“日冻结”等以“1天”为周期的信息采集，提出了“15分钟抄表”、“分钟级采集”等更高信息采集频率的要求，现有的电力线载波通信网络带宽已经逐渐难以满足这些新增的应用业务需求。在这个大背景下，国家电网牵头的中国智能量测联盟集合多厂家的提案，制订了电力线载波(plc)通信和无线(rf)双模通信标准，其中电力线载波通信的物理层沿用之前的国家电网电力线载波通信标准，无线通信的物理层提出了新的自有知识产权的无线物理层方案，并使用470mhz～510mhz的非授权频段作为无线通信频段。

3、在这个双模通信标准中，在以电力线载波通信网络为基础的“电力线载波+无线双模通信”网络架构中，电力线载波通信以骨干网络形式存在，而无线通信则作为电力线载波通信的补充，将那些在覆盖范围内的无法通过电力线载波通信接入的站点通过无线连接接入到网络中。如图1所示，整体的电力线载波+无线双模通信网络是一个树型网络结构，其中每个站点都是双模站点。每个站点既可以通过plc通信方式也可以通过无线方式连接通信距离内的双模站点。

4、在这种网络形式下，每个站点都需要维持双模通信状态，尤其是在无线通信信道上，每个站点都需要定期发送无线通信信标帧和发现列表，以维护无线通信的正常有序。并且保证网络组网简单，现在的电力线载波通信和无线双模通信网络中仅使用一个单一的频段作为无线通信频段。也就是说，一个网络中，所有的无线通信都是工作在同样的频段中，通过csma/ca机制避免通信过程中的互相干扰。

5、在国网双模通信标准中，由于rf使用的是非授权频段，所以通信带宽受到了一定限制，导致rf的通信速率要明显低于plc通信，故双模通信网络是以电力线载波通信以骨干网络形式存在，因此这个网络的通信方式是以plc通信方式为主、无线通信为辅的方式。在网络节点路由连接上，也遵循着这条准则：在plc和rf都能通信的条件下，优先使用plc进行通信；在plc通信可能存在问题时，需要根据plc与rf各自的通信成功率、网络层级等综合判断使用何种连接方式。

6、图2显示在既定的plc与rf通信成功率的数据下的一种可能的网络连接关系，图2中的数值标记的分别是两点间的plc和rf的通信成功率(百分比)。在站点1和2、1和3之间，由于plc和rf的通信成功率都是100％，所以都是优先使用plc通信。在站点2和4之间，plc通信成功率为50％，rf通信成功率为80％，但是由于plc通信带宽是rf的2倍以上，从数据传输效率来说，使用plc通信更有利，所以它们之间的连接还是以plc作为通信方式。站点2和5之间由于plc通信成功率只有30％，rf有80％，综合考虑数据传输效率因素，选择了rf连接作为两点间的连接方式。

7、但是在实际的报文通信中，因为plc报文和rf报文在信道上是完全独立的，具有独立的csma/ca机制，所以对于mac层来说，如果当要发送一个报文时，仅考虑一种类型的信道连接就会降低双模通信的可以带来的效能。

8、在一个站点准备发送一个报文时，会需要检测当前的信道是否空闲，那么容易想到的是，如果此时同时监控plc信道和rf信道的状态，通过一定策略去选择plc信道和rf信道中更优的信道通信，就能够更好的提高信道利用率。一般来说，可以用下列负荷分担的通信策略来进行双模信道的选择，如图3所示：

9、(1)当两个站点间的plc信道和rf信道通信质量都是良好的，包括：

10、a.如果plc信道是空闲的，则使用plc信道；

11、b.如果plc信道是繁忙的，rf信道是空闲的，则用rf信道发送报文；

12、c.如果两个信道都是繁忙的，则进入随机退避状态；

13、(2)当两个站点间的plc信道的通信质量是良好的，rf信道的通信质量一般时，包括：

14、a.如果plc信道是空闲的，则使用plc信道；

15、b.如果plc信道是繁忙的，则进入随机退避状态；

16、c.如果经过2次(或以上)plc随机退避后，plc信道仍然是繁忙的；如果此时rf信道是空闲的，则使用rf信道发送报文；如果此时rf信道是繁忙的，则再次进入随机退避状态；

17、(3)如果当前站点的plc信道通信质量一般，rf信道通信质量良好时，包括：

18、a.如果rf信道是空闲的，则使用rf信道；

19、b.如果rf信道是繁忙的，则进入随机退避状态；

20、c.如果经过1次(或以上)rf随机退避后，rf信道仍然时繁忙的，如果此时plc信道是空闲的，则使用plc信道发送报文；如果此时plc信道也是繁忙的，则再次进入随机退避状态。

21、上述通信策略只解决点对点传输时的信道选择问题，是从一个通信网络的局部去思考和解决问题，它忽略了一个重要的问题，就是不论是plc信道还是rf信道都是公共信道，任何一个站点在这个信道上发送报文都会占用整个信道，很可能导致其它站点原本需要发送的报文无法发送，尤其是在plc信道忙而转为使用rf信道进行数据发送的时候，更有可能给原本并不占优势的rf信道带来额外负担。所以如果要有效地使用rf信道来分担一部分plc信道负荷，就需要从全网通信效率角度综合分析，形成一套较全面的机制来提升双模网络的整体通信效率，从而充分发挥双模通信技术带来的通信效能。

技术实现思路

1、本技术提供了一种基于双模通信的动态信道选择和信息传输的方法，其技术目的是有效的避免局部通信效率优化导致全网通信效率低下的情况，从而使得双模全网通信效率获得更有效的提升。

2、本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种基于双模通信的动态信道选择和信息传输的方法，包括：

4、步骤s1：在组网环境下，每个站点通过一定时间的组网运行后达到相对稳定的组网层级状态，在相对稳定的组网层级状态下对每个站点的参数进行获取，从而得到qp、qr、rp、rr、vp、vr、up和ur，并根据qp、qr、rp、rr、vp、vr、up和ur得到up与vp的函数关系fp以及ur与vr的函数关系fr；其中，qp表示两站点间的主信道报文传输成功率矩阵；qr表示两站点间的次信道报文传输成功率矩阵；rp表示主信道路径选择矩阵；rr表示次信道路径选择矩阵；vp表示主信道信道冲突概率矩阵；vr表示次信道信道冲突概率矩阵；up表示主信道信道利用率矩阵；ur表示次信道信道利用率矩阵；

5、步骤s2：源站点发送报文前，对主信道和次信道的状态进行检测，当主信道繁忙且次信道不繁忙时，触发报文传输的动态信道选择策略，转至步骤s3；

6、步骤s3：根据源站点和目标站点的信息对路径上所有站点的集合g进行获取；

7、步骤s4：根据g中的所有元素在次信道路径选择矩阵rr中找到对应的元素，得到局部的次信道路径选择子矩阵rr′；其中，rr中的元素rrij＝1表示该路径为组网连接路径，rrij＝0表示该路径不是组网连接路径；i表示路径上的源站点，j表示i的所有子孙站点，且i，j∈g；

8、步骤s5：对次信道路径选择子矩阵rr′中不为0的元素进行选择，再结合qr、vr和ur得到各子矩阵qr′、vr′和ur′；其中，qr′表示两站点间的次信道报文传输成功率子矩阵；vr′表示次信道信道冲突概率子矩阵；ur′表示次信道信道利用率子矩阵；

9、步骤s6：对集合g中的所有元素进行遍历，在次信道信道冲突概率子矩阵vr′中找到所有满足传输效能的站点，在所有sij中选择最大值对应的ij组合作为报文传输的替代信道通路，并在报文中对该替代信道通路进行标记；若报文传输失败，则转至步骤s2，重新对主信道状态进行检查；若报文传输成功则转至步骤s7；其中，lij表示i和j之间的层级差，若j是i的子站点，则lij＝1，若j是i的孙站点，则lij＝2，以此类推；qrij表示次信道报文传输成功率子矩阵qr′中的元素；qpij表示主信道报文传输成功率矩阵qp中的元素；k表示主信道相对于次信道的带宽增益；vrij表示次信道信道冲突概率矩阵vr中的元素；sij表示报文传输效能矩阵s中的元素；

10、步骤s7：对源站点f以及收到报文的站点的次信道信道利用率矩阵和次信道信道冲突概率矩阵进行更新，分别表示为：

11、ur′j＝urj+t/tt；

12、vr′ij＝fr(ur′j)；

13、其中，j表示源站点i在次信道路径选择矩阵rr中满足rrij＝1的所有元素，ur′j表示更新后的次信道信道利用率矩阵中的元素，t表示传输开销，t＝∑tij/sij，tij表示站点i、j之间报文传输的信道占用时间；vr′ij表示更新后的次信道信道冲突概率矩阵中的元素。

14、进一步地，所述报文传输效能矩阵s表示为：

15、

16、其中，k表示主信道相对于次信道的带宽增益。

17、进一步地，步骤s1中，fr和fp通过vij＝a(uj-c)+b(uj-c)3+d得到，其中，vij表示vrij或vpij，vrij表示vr中的元素，vpij表示vp中的元素；uj表示urj或upj，urj表示ur中的元素，upj表示up中的元素；∑tj表示站点j在时间tt内监听到的报文占用信道时长的和；系数a，b，c，d通过实测的vij和uj的数值拟合得到。

18、本技术的有益效果在于：本技术所述的基于双模通信的动态信道选择和信息传输的方法，通过传输效能和报文传输成功率之间的关系确定站点之间的替代传输路径，能够有效的避免局部通信效率优化导致全网通信效率低下的情况，从而使得双模全网通信效率获得更有效的提升；同时在允许跨层报文传输的前提下，还能进一步的提升网络通信效率。