CN109039378B - 一种实现g3-plc网络通信频段自适应切换的方法 - Google Patents

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一种实现G3‑PLC网络通信频段自适应切换的方法，G3‑PLC网络中PAN Coordinator模块获取并记录网络中每个通信模块的环境噪声水平、通信信号质量水平、网络拓扑级数和通信成功率，获取CENELEC‑A和FCC两个通信频段对该电力线环境的适用值，分步配置给网络中每个通信模块，利用延时同步控制算法，控制硬件滤波电路的切换和软件协议栈的切换及配置参数，实现整个G3‑PLC网络通信频段的自适应切换和子载波的自适应控制。本G3‑PLC网络通信频段自适应切换方法采用特定电力线环境通信频段和子载波掩码的自动评估和自动切换，节省了人力成本，降低了网络结构复杂度，提升了通信可靠性。

Description

一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法
技术领域
本发明涉及电力线载波通信技术领域，尤其是一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法。
背景技术
G3-PLC是当前广泛应用于低压电力集抄***的OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)电力线载波通信技术，按照G3-PLC标准规定，其既可以工作于CENELEC-A(European Committee for Electrotechnical Standardization Band A)频段，又可以工作于FCC(Federal Communications Commission)频段，通信频段需要根据实际应用场景选择。根据ITU-T G.9901附录B的规定，在CENELEC-A频段OFDM第1个和最后1个子载波频率分别为35.9375kHz和90.625kHz，子载波频率间隔为1.5625kHz，FCC频段OFDM第1个和最后1个子载波频率分别为154.6875kHz和487.5kHz，子载波频率间隔为4.6875kHz，这样，G3-PLC在CENELEC-A频段拥有最大36个子载波，在FCC频段拥有最大72个子载波，根据实际应用环境，这些子载波可以通过掩码的方式使能或禁止，从而实现和其他电力线载波通信方案(如S-FSK)的共存，或屏蔽掉通信质量较差的子载波以增强通信的可靠性。
但当前在实际应用中，针对特定的电力线通信环境，需要现场评估其适合CENELEC-A频段，还是适合FCC频段，以及针对该通信频段，需要使能哪些子载波和禁止哪些子载波。然而，电力线通信环境根据布线路径、用户数量、接入电器类型、负载大小等因素的影响而不同，所以，针对每个低压变压器下的电力线通信环境做现场评估的工作量是巨大的，并且电力线环境对通信的影响也是会变化的。
另外，由于G3-PLC通信模块硬件载波电路的限制，以及软件协议实现的限制，当前两个通信频段不能实现现场自动切换，而是需要更换两种不同的模块，并且对通信频段的子载波掩码的控制也需要人工配置。
发明内容
本发明的目的是针对电力线环境通信频段和子载波的使用不能自动评估确定、G3-PLC网络中通信模块的通信频段和子载波不能自动切换的问题，提出一种实现G3-PLC网络通信频段和子载波自适应切换的方法，通过对G3-PLC网络中电力线环境的噪声水平、通信模块的通信信号质量、路由拓扑级数和通信成功率的评估，自动确定适用的通信频段和子载波，并实现在CENELEC-A和FCC两个通信频段之间的自适应切换和子载波的自适应控制。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将集中器与若干个电表相连构建G3-PLC网络，集中器中包括网络协调器模块即PAN Coordinator模块，电表中包括网络设备模块即PAN Device模块；
S2、组网完成后，PAN Coordinator模块记录该网络中所有PAN Device模块的地址列表，并建立针对每个通信模块即PAN Device模块的评估记录表，预设通信模块在CENELEC-A频段和FCC频段内的环境噪声水平阈值Nth、信号质量阈值Sth、网络路由级数阈值Lth和通信成功率阈值Rth；
S3、针对整个G3-PLC网络，PAN Coordinator模块获取并记录各个通信模块的环境噪声水平N，信号质量水平S，网络路由级数L和通信成功率R，计算当前频段内各模块的环境噪声水平均值
Figure BDA0001767620450000031
信号质量水平均值
Figure BDA0001767620450000032
网络路由级数均值
Figure BDA0001767620450000033
和通信成功率均值
Figure BDA0001767620450000034
将前述均值分别与步骤S2中预设的对应频段内的环境噪声水平阈值Nth、信号质量阈值Sth、网络路由级数Lth和通信成功率阈值Rth进行比较，
当环境噪声水平均值
Figure BDA0001767620450000035
大于环境噪声水平阈值Nth，信号质量水平均值
Figure BDA0001767620450000036
小于信号质量阈值Sth，网络路由级数均值
Figure BDA0001767620450000037
大于网络路由级数阈值Lth，通信成功率均值
Figure BDA0001767620450000038
小于通信成功率阈值Rth中的任一项成立时，进行频道切换；
S4、计算当前电力线环境下切换前后两频段内的频段适用值Q′：
Q＝(Nth-N)╳2+(S-Sth)╳1+(Lth-L)╳20+(R-Rth)╳100；
Figure BDA0001767620450000039
其中，N为当前环境噪声水平，Nth为当前频段环境噪声水平阈值，S为当前信号质量，Sth为当前频段信号质量阈值，L为当前路由级数，Lth为当前频段网络路由级数阈值，R为当前通信成功率，Rth为当前频段通信成功率阈值；Q为当前电力线环境下各通信模块在所属通信频段的频段适用值，m表示通信模块即PAN Device模块总数；
S5、选择频段适用值Q′高的频道作为此次切换的最终适用频段，配置到G3-PLC网络每个通信模块，控制频段切换电路和软件协议栈及配置参数，完成整个G3-PLC网络通信频段的自适应切换。
进一步地，步骤S1中，获取并记录各个通信模块的环境噪声水平，包括CENELEC-A频段36个子载波频点和FCC频段72个子载波频点的环境噪声值以及各频段内的平均噪声值，环境噪声值的单位是dBuV。
进一步地，步骤S1中，获取并记录各个通信模块的信号质量水平具体为：通过PANCoordinator和PAN Device的通信，获取并记录整个G3-PLC网络各个通信模块的信噪比，获取信号质量值，然后计算出所有子载波频点的信号质量水平和CENELEC-A频段和FCC频段内的平均信号质量水平。
进一步地，对于各个通信模块在各子载波频点的信噪比SNR采用下述公式计算信号质量值LQI；
当SNR≤-10dB时，LQI＝0；
当SNR≥53.75dB，LQI＝255；
当-10dB≤SNR≤53.75dB时，LQI按线性关系以0.25dB的步进递增，即
Figure BDA0001767620450000041
其中：信号质量LQI范围为：0～255。
进一步地，步骤S1中，获取并记录各个模块的网络路由级数，包括集中器PANCoordinator到每个电表PAN Device的网络路由级数和路由路径。
进一步地，记录各个通信模块的通信成功率具体为：在PAN Coordinator模块与各PAN Device模块通信过程中，若PAN Coordinator模块向某个PAN Device模块发出通信请求后成功接收到该PAN Device模块的应答，则认为通信成功，否则为通信失败。
进一步地，步骤S2中，预设通信模块在对应频段子载波掩码的阈值；对应的步骤S5中，最终适用频段选定后，选择子载波信号质量大于子载波掩码阈值的子载波频点进行配置，完成子载波掩码的自适应控制。
进一步地，在CENELEC-A频段内，环境噪声水平阈值Nth是75dBuV，信号质量阈值Sth是90，网络路由级数阈值Lth是5，通信成功率阈值是70％；在FCC频段内的环境噪声水平阈值Nth是70dBuV，信号质量阈值Sth是80，网络路由级数阈值Lth是6，通信成功率阈值Rth是70％。
进一步地，在CENELEC-A频段内，子载波信号的阈值是60，在FCC频段内，子载波信号的阈值是55。
本发明的有益效果：
本发明针对特定电力线通信环境，根据对G3-PLC网络中各通信模块的环境噪声、信号质量、路由拓扑级数和通信成功率，确定适用的通信频段和子载波频点，加上对不同通信频段硬件载波电路的控制以及软件协议的切换和配置，实现对通信频段和子载波掩码的自适应切换，有效地减少了人力成本，增加了***的自动化程度，并且降低了特定电力线环境G3-PLC网络拓扑结构的复杂度，提升了整个G3-PLC网络的通信可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本发明G3-PLC网络结构示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为通信模块频段切换控制电路图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，在G3-PLC网络组网完成后，PANCoordinator模块根据G3-PLC标准组网流程，记录该网络中所有PAN Device模块的地址列表，并建立针对每个PAN Device模块的评估记录表，然后PAN Coordinator模块和PANDevice模块开始针对CENELEC-A频段36个子载波和FCC频段72个子载波，根据G3-PLC物理层特性，获取这些子载波频点的环境噪声值(dBuV)并记录在评估记录表中，PAN Coordinator模块根据PAN Device模块地址列表获取该模块的路由拓扑级数并记录，获取方法根据G3-PLC标准路由请求原语RREQ完成，PAN Coordinator模块发起对该PAN Device模块的环境噪声值请求，获取到PAN Device模块的环境噪声值并记录，该通信过程连续进行100次，PANCoordinator模块和PAN Device模块在此过程中，记录通信信号在每个子载波频点的接收信号强度和信噪比，并计算出信号质量值，然后计算出CENELEC-A频段和FCC频段内信号质量的平均值，同时，统计计算该通信过程的通信成功率并记录，该统计记录过程针对每个PAN Device模块逐一完成，分别形成CENELEC-A和FCC两个频段的数据记录，该数据记录表如表1所示为例：
表1
Figure BDA0001767620450000061
Figure BDA0001767620450000071
其中，对电力线环境噪声值进行评估，是利用通信模块物理层特性，对整个G3-PLC通信频段(CENELEC-A频段和FCC频段)范围内的环境噪声进行测量，计算并记录在两个通信频段内每个子载波频点的环境噪声值及频段内的平均值。由于G3-PLC CENELEC-A频段和FCC频段分别有36个子载波和72个子载波，则各自频段内环境噪声统计数据示例如表2所示：
表2
Figure BDA0001767620450000072
Figure BDA0001767620450000081
对信号质量的评估和计算中，信号质量LQI范围为：0～255，取值定义为：
当SNR≤-10dB时，LQI＝0；
当SNR≥53.75dB，LQI＝255；
当-10dB≤SNR≤53.75dB时，则LQI按线性关系以0.25dB的步进递增，即
Figure BDA0001767620450000082
对路由拓扑结构进行评估，是利用G3-PLC标准的路由拓扑结构获取方法(RREQ)，获取并记录PAN Coordinator模块到每个PAN Device模块的路由拓扑级数，如某个PANDevice模块N的往返路由路径为：PAN Coordinator模块->PAN Device模块1->PAN Device模块3->PAN Device模块N->PAN Device模块3->PAN Device模块8->PAN Coordinator模块，则该PAN Device模块N的路由拓扑级数为6。
对通信成功率进行评估，是在PAN Coordinator模块与每个PAN Device模块通信过程中，计算并记录PAN Coordinator模块与每个PAN Device模块的通信成功率，在PANCoordinator模块向某个PAN Device模块发出通信请求后成功接收到该PAN Device模块的应答，则认为通信成功，否则为通信失败。
PAN Coordinator模块利用对G3-PLC网络中的通信模块进行环境噪声、信号质量、路由拓扑级数和通信成功率进行评估，根据表3阈值进行频段切换，若评估参数之一达到该切换阈值时，则立即切换频段并完成两个通信频段的评估对比以确定最优频段的选择；否则，不需立即切换，而是需要手动切换或者在达到切换定时时间后再进行切换，并且在两个频段评估参数都获取以后再对比选择。
表3
Figure BDA0001767620450000091
对切换前后的两个通信频段的进行评估，
Q＝(Nth-N)╳2+(S-Sth)╳1+(Lth-L)╳20+(R-Rth)╳100.
Figure BDA0001767620450000092
其中，N为当前噪声水平，Nth为该频段噪声水平阈值，S为当前信号质量，Sth为该频段信号质量阈值，L为当前路由级数，Lth为该频段路由级数阈值，R为当前通信成功率，Rth为该频段通信成功率阈值，Q为当前电力线环境下各通信模块在所属通信频段的频段适用值，m表示通信模块即PAN Device模块总数。
根据频段适用值选择得到CENELEC-A频段和FCC频段在该电力线通信环境下的适用度，适用度高通信频段即为更适合运行于该电力线环境的通信频段；同时，根据该通信频段不同子载波的适用分值，确定该通信频段所应采用的子载波。然后，将该配置参数下发到该G3-PLC网络每个通信模块，再通过定时方法在相同时刻控制硬件电路，切换到相应通信频段的载波通信电路，同时将软件协议切换到相应的通信频段协议栈，并把该通信频段的子载波掩码配置完成。随后，该G3-PLC网络使用更新后的通信频段和子载波进行组网和通信。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1、将集中器与若干个电表相连构建G3-PLC网络，集中器中包括网络协调器模块即PANCoordinator模块，电表中包括网络设备模块即PAN Device模块；
S2、组网完成后，PAN Coordinator模块记录该网络中所有PAN Device模块的地址列表，并建立针对每个通信模块即PAN Device模块的评估记录表，预设通信模块在CENELEC-A频段和FCC频段内的环境噪声水平阈值Nth、信号质量阈值Sth、网络路由级数阈值Lth和通信成功率阈值Rth；
S3、针对整个G3-PLC网络，PAN Coordinator模块获取并记录各个通信模块的环境噪声水平N，信号质量水平S，网络路由级数L和通信成功率R，计算当前频段内各模块的环境噪声水平均值
Figure FDA0003142035170000011
信号质量水平均值
Figure FDA0003142035170000012
网络路由级数均值
Figure FDA0003142035170000013
和通信成功率均值
Figure FDA0003142035170000014
将前述均值分别与步骤S2中预设的对应频段内的环境噪声水平阈值Nth、信号质量阈值Sth、网络路由级数Lth和通信成功率阈值Rth进行比较，
当环境噪声水平均值
Figure FDA0003142035170000015
大于环境噪声水平阈值Nth，信号质量水平均值
Figure FDA0003142035170000016
小于信号质量阈值Sth，网络路由级数均值
Figure FDA0003142035170000017
大于网络路由级数阈值Lth，通信成功率均值
Figure FDA0003142035170000018
小于通信成功率阈值Rth中的任一项成立时，进行频段切换；
S4、计算第k个通信模块的电力线环境下切换前后两频段内的频段适用值Q′：
Qk＝(Nth-Nk)╳2+(Sk-Sth)╳1+(Lth-Lk)╳20+(Rk-Rth)╳100；
Figure FDA0003142035170000019
其中，Nk为第k个通信模块的当前环境噪声水平，Nth为当前频段环境噪声水平阈值，Sk为第k个通信模块的当前信号质量，Sth为当前频段信号质量阈值，Lk为第k个通信模块的当前路由级数，Lth为当前频段网络路由级数阈值，Rk第k个通信模块的当前通信成功率，Rth为当前频段通信成功率阈值；Qk为第k个通信模块在所属通信频段的频段适用值，m表示通信模块即PAN Device模块总数；k表示通信模块的编号；
S5、选择频段适用值Q′高的频道作为此次切换的最终适用频段，配置到G3-PLC网络每个通信模块，控制频段切换电路和软件协议栈及配置参数，完成整个G3-PLC网络通信频段的自适应切换。
2.根据权利要求1所述的一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于，步骤S1中，获取并记录各个通信模块的环境噪声水平，包括CENELEC-A频段36个子载波频点和FCC频段72个子载波频点的环境噪声值以及各频段内的平均噪声值，环境噪声值的单位是dBuV。
3.根据权利要求1所述的一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于，步骤S1中，获取并记录各个通信模块的信号质量水平具体为：通过PAN Coordinator和PAN Device的通信，获取并记录整个G3-PLC网络各个通信模块的信噪比，获取信号质量值，然后计算出所有子载波频点的信号质量水平和CENELEC-A频段和FCC频段内的平均信号质量水平。
4.根据权利要求3所述的一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于，对于各个通信模块在各子载波频点的信噪比SNR采用下述公式计算信号质量值LQI；
当SNR≤-10dB时，LQI＝0；
当SNR≥53.75dB，LQI＝255；
当-10dB≤SNR≤53.75dB时，LQI按线性关系以0.25dB的步进递增，即
Figure FDA0003142035170000021
其中：信号质量LQI范围为：0～255。
5.根据权利要求1所述的一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于，步骤S1中，获取并记录各个模块的网络路由级数，包括集中器PAN Coordinator到每个电表PAN Device的网络路由级数和路由路径。
6.根据权利要求1所述的一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于，记录各个通信模块的通信成功率具体为：在PAN Coordinator模块与各PAN Device模块通信过程中，若PAN Coordinator模块向某个PAN Device模块发出通信请求后成功接收到该PAN Device模块的应答，则认为通信成功，否则为通信失败。
7.根据权利要求3所述的一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于，步骤S2中，预设通信模块在对应频段子载波掩码的阈值；对应的步骤S5中，最终适用频段选定后，选择子载波信号质量大于子载波掩码阈值的子载波频点进行配置，完成子载波掩码的自适应控制。
8.根据权利要求1所述的一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于，在CENELEC-A频段内，环境噪声水平阈值Nth是75dBuV，信号质量阈值Sth是90，网络路由级数阈值Lth是5，通信成功率阈值是70％；在FCC频段内的环境噪声水平阈值Nth是70dBuV，信号质量阈值Sth是80，网络路由级数阈值Lth是6，通信成功率阈值Rth是70％。
9.根据权利要求7所述的一种实现G3-PLC网络通信频段自适应切换的方法，其特征在于，在CENELEC-A频段内，子载波信号的阈值是60，在FCC频段内，子载波信号的阈值是55。
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