CN103763764A - 基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法 - Google Patents

基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法 Download PDF

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一种基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，包括以下步骤：1）初始参数设定：设定一个传感器每隔Tc分钟采集一次数据并上传到中心节点，各个传感器之间采用依次轮流循环的工作方式；设定功率增大系数α1、α2、α3，且0<α1<α2<α3<1；传感器发射功率最大值为Pmax；2）传感器S1与中心节点建立通信过程如下：2.1）当S1将数据上传到中心节点时，采用自动功率增大重传机制，2.2）依此类推，传感器S2、S3、....Sn与中心节点建立通信连接的过程同步骤2.1）。本发明能提高可靠性、提升流畅性。

Description

基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法
技术领域
本发明涉及一种输电线路无线通信的数据传输方法。
背景技术
输电线路无线通信的数据传输***架构分为了三部分：传感器、中心节点、后台。
电线杆塔在实际应用中排布上一般都是以线型为主。每个杆塔的每条输电线上都放置有传感器，在杆塔上还置有中心节点。两个杆塔之间的距离一般在100～200米之间。不失一般性，假设任意两杆塔间距为dg米；则连续5个杆塔A、B、C、D、E分别相距dg，如图1所示，塔间间距dg为200m。本专利中采用发射功率可调的无线通信模块，其最大功率Pmax至少可以覆盖半径为2.5dg米的范围；也就是说，一个传感器最多可以同时和相邻的5个中心节点进行通信。
不失一般性地假设，杆塔C上的中心节点C和5个传感器S1、S2、S3、S4、S5之间的拓扑结构，如图2所示。在实际应用中，任意数目的传感器都可以采用这样的结构。任何一个传感器只和中心节点都通过无线通信，如ZigBee等，进行连接，构成无线物联网。因而介质访问控制方法简单，通讯协议也十分简单，易于网络的监控和管理。其次，中心节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。
发明内容
为了克服已有输电线路无线通信的数据传输方法的可靠性较差、流畅性较差的不足，本发明提供了一种提高可靠性、提升流畅性的基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，所述数据传输方法包括以下步骤：
1）初始参数设定：
杆塔C临近的传感器S1每隔Tc分钟采集一次数据并上传到中心节点，各个传感器之间采用依次轮流循环的工作方式；
设任意两杆塔间距为dg米，采用发射功率可调的无线通信模块，其最大功率Pmax至少可以覆盖半径为2.5dg米的范围；也就是说，一个传感器最多可以同时和相邻的5个中心节点进行通信；
设定功率增大系数α1、α2、α3，且0<α1<α2<α3<1；传感器发射功率最大值为Pmax，那么，
功率α1Pmax使得传感器S1和最接近的中心节点通讯，但不会覆盖到临近的其它中心节点；
功率α2Pmax使得传感器S1和相距不超过1.5dg米的3个中心节点进行通信；
类似地，功率α3Pmax使得传感器S1和相距不超过2.5dg米的5个中心节点进行通信，但是更远的杆塔上的中心节点收不到此信号；
2）传感器S1与中心节点建立通信过程如下：
2.1）当S1将数据上传到中心节点时，
2.1.1）S1以功率α1Pmax与相距最近的中心节点C，进行握手尝试；如果握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.2）如果不成功，S1提高发射功率至α2Pmax，与相距不超过1.5dg的中心节点，进行握手尝试，如果与任何一个中心节点握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.3）否则，S1再次提高发射功率至α3Pmax，与相距不超过2.5dg的中心节点，按照防碰撞预约机制进行三次握手尝试，如果与任何一个中心节点握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.4）如果还不能握手成功，则此次通讯尝试失败；
2.2）依此类推，传感器S2、S3、....Sn与中心节点建立通信连接的过程同步骤2.1）。
进一步，所述步骤2），如果传感器在Tq时间内没有收到预计的确认帧，就初步判断相应的中心节点发生故障。
所述步骤2）中，当传感器以功率α2Pmax或α3Pmax发送握手请求后：如果只接收到一个中心节点的确认成功预约时，那么传感器仅与此中心节点进行连接，并进行数据通信；如果收到多个中心节点的确认帧时，则选择确认帧上的时间戳最早的一个建立连接，并进行数据通信。
更进一步，所述步骤2.1）中，握手过程分为四步：
①传感器通过控制信道向中心节点发送请求帧，来探测是否能与中心节点进行通信，并预约空闲的数据时隙。
②中心节点在收到传感器的请求帧后，随即发送一个确认帧，将数据时隙分配的结果通知传感器。
③如果传感器分配到了一个数据时隙，就发送一个帧来确认与中心节点的通信；否则，传感器就发送一个帧结束与中心节点的本次通信，等待一个随机延时后，再次尝试握手。
④如果传感器确认能够建立连接，那么，中心节点接收到这个确认帧后，就在约定好的数据时隙开始与该传感器进行数据通信。
握手过程中，如果中心节点在短时间内接收到多个传感器的请求，根据接收到请求帧的先后，按照先到先得的原则，将空闲时隙分配给相应的传感器；如果空闲时隙分配完，则通知剩余的传感器中心节点正忙，这些传感器将在一段随机延时后，再次发送请求帧。
若传感器在一个Tq的延时后没有收到中心节点的确认，则再次发送请求，其中，Tq不小于传感器到中心节点的RTT(Round Trip Time,往返时间)。
本发明的技术构思为：整个通信过程中传感器依次采集数据并上传的模式，不仅让传感器得到了充分的休息，保证了蓄电池电量损耗的减小。而且，还保障了网络通信的流畅性，同时也减缓了中心节点处理数据的压力，能给后台的工作给予高效、及时、省时的支持。
本发明的有益效果主要表现在：1、增大功率自动重传数据帧保证了数据帧的有效、可靠的传输；2、当网络中一个或几个中心节点发生故障的时候，传感器依然可以将数据及时发送。不会因为少数一个或几个中心节点故障导致传输失败，大大提高了网络的可靠性和容错能力；3、先用小功率，再尝试较大功率来传输数据帧可以减少电池的损耗，达到了省电的目的；4、能检测出发生故障的中心节点，提高了对网络故障自动检测的能力，有效降低了维护成本；5、保证了传感器能与中心节点之间的数据传输不发生碰撞；6、合理分配了数据传输信道使用，不乱用、不随便占用正在进行信息传输的通信信道。使传感器之间的干扰尽量减少，保证了各个节点之间的正常工作，使网络能良好的运营；7、不占用传感器重传机制的时间，使之能有更高效的信道利用率。8、控制信道的使用，保证了通信过程的可靠性，大大减低各个传感器在预约过程中帧与帧之间发生碰撞的可能，使整个通信可以有条理不受干扰的进行。
附图说明
图1是整个输电线路***架构模型图。
图2是中心节点与传感器的连接结构图。
图3是自动功率增大重传机制的流程图。
图4是传感器与中心节点之间的通信过程图。
图5是传感器与中心节点建立连接的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，所述数据传输方法包括以下步骤：
1）初始参数设定：
设定一个传感器S1每隔Tc分钟采集一次数据并上传到中心节点1，各个传感器2之间采用依次轮流循环的工作方式；
假设任意两杆塔间距为dg米，采用发射功率可调的无线通信模块，其最大功率Pmax至少可以覆盖半径为2.5dg米的范围；也就是说，一个传感器2最多可以同时和相邻的5个中心节点进行通信；
中心节点1和传感器2的通信通过控制信道和数据信道进行。其中，控制信道负责控制信令的传输，如握手过程；数据信道负责传输数据。
每两个相邻的中心节点相距dg米。
设定功率增大系数α1、α2、α3，且0<α1<α2<α3<1；传感器发射功率最大值为Pmax，那么，
功率α1Pmax使得传感器S1和最接近的中心节点C通讯，但不会覆盖到临近的其它中心节点；
功率α2Pmax使得传感器S1和相距不超过1.5dg米的3个中心节点C、B、D进行通信；
类似地，功率α3Pmax使得传感器S1和相距不超过2.5dg米的5个中心节点C、B、D、A、E进行通信，但是更远的杆塔上的中心节点收不到此信号；
2）传感器S1与中心节点建立通信过程如下：
2.1）当S1将数据上传到中心节点时，
2.1.1）S1以功率α1Pmax与相距最近的中心节点，进行握手尝试；如果握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.2）如果不成功，S1提高发射功率至α2Pmax，与相距不到1.5dg的中心节点C、B、D，进行握手尝试，如果与任何一个中心节点握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.3）否则，S1再次提高发射功率至α3Pmax，与相距不到2.5dg的中心节点C、B、D、A、E，按照防碰撞预约机制进行三次握手尝试，如果与任何一个中心节点握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.4）如果还不能握手成功，则此次通讯尝试失败；
2.2）依此类推，传感器S2、S3、....Sn与中心节点建立通信连接的过程同步骤2.1）。
进一步，所述步骤2），如果传感器在Tq时间内没有收到预计的确认帧，就初步判断相应的中心节点发生故障。
所述步骤2）中，当传感器以功率α2Pmax或α3Pmax发送握手请求后：如果只接收到一个中心节点的确认成功预约时，那么传感器仅与此中心节点进行连接，并进行数据通信；如果收到多个中心节点的确认帧时，则选择确认帧上的时间戳最早的一个建立连接，并进行数据通信。
更进一步，所述步骤2.1）中，握手过程分为四步：
①传感器通过控制信道向中心节点发送请求帧，来探测是否能与中心节点进行通信，并预约空闲的数据时隙。
②中心节点在收到传感器的请求帧后，随即发送一个确认帧，将数据时隙分配的结果通知传感器。
③如果传感器分配到了一个数据时隙，就发送一个帧来确认与中心节点的通信；否则，传感器就发送一个帧结束与中心节点的本次通信，等待一个随机延时后，再次尝试握手。
④如果传感器确认能够建立连接，那么，中心节点接收到这个确认帧后，就在约定好的数据时隙开始与该传感器进行数据通信。
握手过程中，如果中心节点在短时间内接收到多个传感器的请求，根据接收到请求帧的先后，按照先到先得的原则，将空闲时隙分配给相应的传感器；如果空闲时隙分配完，则通知剩余的传感器中心节点正忙，这些传感器将在一段随机延时后，再次发送请求帧。
若传感器在一个Tq的延时后没有收到中心节点的确认，则再次发送请求，其中，Tq不小于传感器到中心节点的RTT。
本实施例中，中心节点和传感器间拥有相互独立的数据信道和控制信道，分别对数据和控制时隙的信息进行相应的处理。控制信道接收传感器发送来的请求帧、确认帧等控制信息，建立传感器和中心节点间的通信，发送数据时隙的分配信息；数据信道提供传感器和中心节点间的数据传输。
高可靠传输机制是通过一套防碰撞预约机制和自动功率增大重传机制共同完成的。它们确保了无线信道的有效和高效的利用，以及当某中心节点发生故障的时候，传感器依然可以通过其它中心节点向后台发送数据。这样，就可以保证野外安装的中心节点和传感器能够在最低限度维护的条件下，尽可能利用现有网络中依然完好的部分进行通讯，并完成其功能；同时，此机制还可以有效探测到可能发生故障的中心节点，降低了***维护的成本。
代表性环境设定：不失一般性假设一个杆塔上有n条输电线，每条输电线上只有一个传感器。那么，安装于杆塔C上的每条输电线上的传感器分别称为S1、S2、S3、....Sn。
1）初始参数设定：
设定一个传感器每隔Tc分钟采集一次数据并上传到中心节点，各个传感器之间采用依次轮流循环的工作方式。
中心节点和传感器的通信通过控制信道和数据信道进行。其中，控制信道负责控制信令的传输，如握手过程；数据信道负责传输数据。
任意两个相邻的杆塔相距dg米。
设定功率增大系数α1、α2、α3，且0<α1<α2<α3<1；传感器发射功率最大值为Pmax。那么，
功率α1Pmax使得传感器S1可以和最接近的中心节点通讯，但不会覆盖到临近的其它中心节点。如图1中，杆塔C上附近的传感器以功率α1Pmax只可以和杆塔C上的中心节点通讯；相邻杆塔B、D上的中心节点无法收到此信号。
功率α2Pmax使得杆塔C上的传感器可以和相距不到1.5dg的杆塔C、B、D上的中心节点进行通信，但是更远的杆塔A、E上的中心节点收不到此信号。
类似地，功率α3Pmax使得杆塔C上的传感器可以和相距不超过2.5dg的杆塔C、B、D、A、E上的中心节点进行通信，但是更远的杆塔上的中心节点收不到此信号。
2）以下给出传感器S1与中心节点建立通信的详细过程：
2.1）当S1将数据上传到中心节点时，
2.1.1）S1以功率α1Pmax与最近的中心节点C，按照2.1节中论述的防碰撞预约机制进行三次握手尝试。如果任何一次握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯。
2.1.2）如果三次尝试不成功，S1提高发射功率至α2Pmax，与相距不到1.5dg的中心节点C、B、D，同样按照2.1节中论述的防碰撞预约机制进行三次握手尝试。如果与任何一个中心节点握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯。
2.1.3）否则，S1再次提高发射功率至α3Pmax，与距离不超过2.5dg的中心节点C、B、D、A、E，按照防碰撞预约机制进行三次握手尝试。如果与任何一个中心节点握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯。
2.1.4）如果还不能握手成功，则此次通讯尝试失败。
2.2）依此类推，传感器S2、S3、....Sn与中心节点建立通信连接的过程同上。
附加情况如下：如果传感器在Tq时间内没有收到预计的确认帧，就初步判断相应的中心节点发生故障。例如，当传感器S1以功率α2Pmax发送握手请求，预计可以收到来自于中心节点C、B、D的三份确认。如果缺少其中的任何一个的确认，就可以初步认为此中心节点发生故障。
当传感器以功率α2Pmax或α3Pmax发送握手请求后：如果只接收到一个中心节点的确认成功预约时，那么传感器仅与此中心节点进行连接，并进行数据通信。如果收到多个中心节点的确认帧时，则选择确认帧上的时间戳最早的一个建立连接，并进行数据通信。
在发送数据之前，传感器必须知道与中心节点通信的数据传输信道是否被占用，并通过一个握手过程建立连接，以达到防碰撞预约的目的。
握手过程分为三步：
①传感器通过控制信道向中心节点发送请求帧，来探测是否能与中心节点进行通信，并预约空闲的数据时隙。
②中心节点在收到传感器的请求帧后，随即发送一个确认帧，将数据时隙分配的结果通知传感器。
③如果传感器分配到了一个数据时隙，就发送一个帧来确认与中心节点的通信；否则，传感器就发送一个帧结束与中心节点的本次通信，等待一个随机延时后，再次尝试握手。
④如果传感器确认能够建立连接，那么，中心节点接收到这个确认帧后，就在约定好的数据时隙开始与该传感器进行数据通信。
传感器和中心节点整个通信的过程如下图3所示：
在握手过程中，在传感器对中心节点发出请求帧后，中心节点会根据自身的不同情况来对发来请求帧的传感器做出相应的回复。
附加情况处理：如果中心节点在短时间内接收到多个传感器的请求，根据接收到请求帧的先后，按照先到先得的原则，将空闲时隙分配给相应的传感器。如果空闲时隙分配完，则通知剩余的传感器“中心节点正忙”。这些传感器将在一段随机延时后，再次发送请求帧。
若传感器在一个Tq的延时后没有收到中心节点的确认，则再次发送请求。其中，Tq一般不小于传感器到中心节点的RTT。三次不成功后，采用功率增大自动重传机制。
传感器与中心节点建立通信连接的具体流程图如下图4所示。

Claims (6)

1.一种基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，其特征在于：所述数据传输方法包括以下步骤：
1）初始参数设定：
设定任一个传感器每隔Tc分钟采集一次数据并上传到中心节点，各个传感器之间采用依次轮流循环的工作方式；
假设任意两杆塔间距为dg米，采用发射功率可调的无线通信模块，其最大功率Pmax至少可以覆盖半径为2.5dg米的范围；也就是说，一个传感器最多可以同时和相邻的5个中心节点进行通信；
设定功率增大系数α1、α2、α3，且0<α1<α2<α3<1；传感器发射功率最大值为Pmax，那么，
功率α1Pmax使得传感器S1和最接近的中心节点通讯，但不会覆盖到临近的其它中心节点；
功率α2Pmax使得传感器S1和相距不超过1.5dg米的3个中心节点进行通信；
类似地，功率α3Pmax使得传感器S1和相距不超过2.5dg米的5个中心节点进行通信，但是更远的杆塔上的中心节点收不到此信号；
2）传感器S1与中心节点建立通信过程如下：
2.1）当S1将数据上传到中心节点时，
2.1.1）S1以功率α1Pmax与杆塔上的中心节点，进行握手尝试；如果握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.2）如果不成功，S1提高发射功率至α2Pmax，与相距不超过1.5dg米的3个中心节点，进行握手尝试，如果与任何一个中心节点握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.3）否则，S1再次提高发射功率至α3Pmax，与相距不超过2.5dg米的5个中心节点，按照防碰撞预约机制进行三次握手尝试，如果与任何一个中心节点握手成功，那么在后续的时间里按照预约的时隙进行数据通讯；
2.1.4）如果还不能握手成功，则此次通讯尝试失败；
2.2）依此类推，传感器S2、S3、....Sn与中心节点建立通信连接的过程同步骤2.1）。
2.如权利要求1所述的基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，其特征在于：所述步骤2），如果传感器在Tq时间内没有收到预计的确认帧，就初步判断相应的中心节点发生故障。
3.如权利要求1或2所述的基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，其特征在于：所述步骤2）中，当传感器以功率α2Pmax或α3Pmax发送握手请求后：如果只接收到一个中心节点的确认成功预约时，那么传感器仅与此中心节点进行连接，并进行数据通信；如果收到多个中心节点的确认帧时，则选择确认帧上的时间戳最早的一个建立连接，并进行数据通信。
4.如权利要求1或2所述的基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，其特征在于：所述步骤2.1）中，握手过程分为四步：
①传感器通过控制信道向中心节点发送请求帧，来探测是否能与中心节点进行通信，并预约空闲的数据时隙。
②中心节点在收到传感器的请求帧后，随即发送一个确认帧，将数据时隙分配的结果通知传感器。
③如果传感器分配到了一个数据时隙，就发送一个帧来确认与中心节点的通信；否则，传感器就发送一个帧结束与中心节点的本次通信，等待一个随机延时后，再次尝试握手。
④如果传感器确认能够建立连接，那么，中心节点接收到这个确认帧后，就在约定好的数据时隙开始与该传感器进行数据通信。
5.如权利要求4所述的基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，其特征在于：握手过程中，如果中心节点在短时间内接收到多个传感器的请求，根据接收到请求帧的先后，按照先到先得的原则，将空闲时隙分配给相应的传感器；如果空闲时隙分配完，则通知剩余的传感器中心节点正忙，这些传感器将在一段随机延时后，再次发送请求帧。
6.如权利要求4所述的基于自动功率增大重传机制的输电线路无线通信的数据传输方法，其特征在于：握手过程中，若传感器在一个Tq的延时后没有收到中心节点的确认，则再次发送请求，其中，Tq不小于传感器到中心节点的往返时间RTT。
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