CN112543040B - 一种高效的bplc网络组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种高效的BPLC网络组网方法，其包括设计CCO自适应组播发送关联确认帧机制和关联请求帧自适应等待重发机制；所述自适应组播发送关联确认帧机制中，在有多个关联确认帧待发时，用一个关联确认组播帧发送一组回复信息；所述关联请求帧自适应等待重发机制中，通过给CCO节点一段时间发送上一CSMA时隙未能发送的关联回复帧，使STA重发关联请求报文的时刻落在信标周期的任意时隙都能有效减少关联请求帧的不必要重传。

Description

一种高效的BPLC网络组网方法

技术领域

本发明属于电力通信领域，尤其涉及低压宽带电力线载波通信技术。

背景技术

随着智能电网逐步取代传统电网的趋势,电力网络作为一个覆盖面最广、传输节点最多的网络,意味着任何带电终端都可以成为信息传输的起点和终点,无疑会为我们提供巨大的信息资源,成为未来泛在电力物联网的主干通信媒介。低压宽带电力线载波通信(broadband power line carrier communication，BPLC)是利用低压电力配电线(380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种通信方式，相较于无线网络不稳定的穿透能力，电力线通信网络具有电力线通信具有不用重新布线、覆盖范围广、成本开销低等天然优势。宽带电力线载波通信带宽较宽，基本频带为1MHz～20MHz。相较于传统的窄带电力线载波通信，宽带PLC传输速率更高，抗干扰性能更强，性能更优良。目前，宽带电力线载波通信的国际标准是IEEE 1901.1。此标准以国家电网公司Q/GDW 11612《低压电力线宽带电力线载波通信互联互通技术规范》为基础，实现以电力线载波通信为基础的物联网技术在能源互联网中的有效应用。目前BPLC网络已被广泛应用于自动抄表、智能用电***、路灯控制、充电桩建设、等领域。目前，电力线通信作为新型传输媒介在物联网平台下发挥着巨大创新应用,如图1所示，电力线通信网络在物联网工业和公共应用、家庭和个人应用上发挥了广泛作用。

与本发明最接近的现有技术一

与本发明最接近的现有技术一来自：段红光,郑建宏,罗一静,滕得阳.一种树形结构网络的自动组网方法、装置及***[P].CN106357305A,2017-01-25.

现有技术一的技术方案

现有技术一的技术方案的具体内容如下：

段红光等公开了一种宽带电力线载波通信组网方法,该发明指出：在中央控制节点上电后周期性发送信标信息。未入网的STA站点，接收到发现信标后，根据信标中的“开始关联标志位”指示，产生关联请求帧，将该关联请求帧发送给中央控制节点。中央控制节点接收到入网申请节点发送的关联请求信息,对关联请求信息进行处理,检查关联请求节点合法性,如果合法,CCO对请求入网的一级站点，发送关联确认信息至请求节点。

根据研究，现有技术一的主要不足有：

1)该技术中在网络规模较大时，CCO队列中的关联确认消息较多，等待发送的时间较长，其次关联请求帧等待关联确认消息的时间较长，因此采用单播回复的时延较大。

2)每个STA发送关联请求帧都需要同样数量的关联联确认帧进行回复，在网络规模较大的情况下，容易造成信道拥挤，使网络吞吐量较低。

3)该技术发送多个关联确认帧时，每个帧都需要一定的开销，因此产生的总开销为所有关联确认帧开销的总和，每个帧的头部有相同的重复字段，造成了大量的控制开销。然而采用组播一次性发送多个关联回复帧，当组合帧不超过最大帧长时，可以将开销减少到一个帧所需的开销。

与本发明最接近的现有技术二

与本发明最接近的现有技术二来自：Q GDW 11612.42—2016低压电力线宽带电力线载波通信互联互通技术规范第4—2部分：数据链路层

现有技术二的技术方案

现有技术二的技术方案的具体内容如下：

STA在发送关联请求后，需要等待CCO处理关联请求帧后，CCO发送的关联确认帧，或者代理站点发送的关联确认帧。STA根据帧中的“结果”判断是否入网成功。如果未收到关联确认帧，可以重新发起关联请求；如果入网请求被拒绝，则STA可以根据重新关联时间，等待一段时间间隔后，再次请求入网。

根据研究，现有技术二的主要不足有：

1)宽带PLC基于信标周期，只有在CSMA时隙才能发送关联请求帧和关联回复帧，在STA数量较大时，部分STA可能在CSMA时隙末尾才竞争到信道发送关联请求帧，而CCO未能在该信标周期为STA回复关联回复帧，导致只能在下个周期回复关联请求帧。该技术未考虑到STA发送的关联请求帧在一定时间内未收到CCO发送的关联回复帧就会重新发送关联请求帧，而根据上诉情况，CCO又可能已经给该STA发送了关联回复帧。会造成重发这部分关联请求帧的不必要发送，造成垃圾信息，导致***控制消息增高。

2)该技术没有考虑到重发的关联回复帧可能会在除CSMA时隙以外的其他时隙发送，这会导致STA的关联请求帧会停止等待直到下一个CSMA时隙发送，因此增大了重发时间，也就增大了时延。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种高效的BPLC网络组网方法。本发明的技术方案如下：

一种高效的BPLC网络组网方法，其包括设计CCO自适应组播发送关联确认帧机制和关联请求帧自适应等待重发机制；所述自适应组播发送关联确认帧机制中，在有多个关联回复帧待发时，用一个关联确认组播帧发送一组回复信息；所述关联请求帧自适应等待重发机制中，通过给CCO节点一段时间发送上一CSMA时隙未能发送的关联回复帧，使STA重发关联请求报文的时刻落在信标周期的任意时隙都能有效减少关联请求帧的不必要重传。

进一步的，所述CCO自适应组播发送关联确认帧机制的步骤如下：

步骤1：CCO开机时启动邻居网络监听定时器，如果在侦听时间T内接收到网间协调帧，进行网间网络标识NID和时隙的协调，如果在侦听时间T内接没有收到网间协调帧则进行单网络组网，CCO在信标时隙广播中央信标；

步骤2：邻居节点收到中央信标，检查信标的“开始关联标志位”是否为1，准备发送关联请求帧，站点准备发送前先侦听一下总线上是否有数据正在传送，若在侦听中发现信道闲，该STA站点向CCO直接发送关联请求帧，若在侦听中发现线路忙，则等待一个延时后再次侦听，若仍然忙，则继续延迟等待，若等待次数n超过阈值16，STA重发关联请求帧并标记此帧，每次延时的时间不一致，由截断的二进制指数退避算法确定延时值；若STA在一定时间内没有收到关联回复帧，则等待T时间重新发送关联请求帧，并对帧进行标记；

步骤3：CCO收到申请入网节点发出的关联请求帧，查询该关联请求帧对应STA站点信息，进行白名单认证，CCO查询站点的层数，确定下一跳目的地址，如果是一级站点，则目的地址是本节点，如果是多层，则目的地址是请求站点对应最低级别的PCO，CCO为节点分配TEI和时隙，保存在关联回复帧中；CCO对一级站点进行关联回复，若发送关联回复时发现信道繁忙，CCO会把关联回复帧放到专门的关联回复队列中；

步骤4：检测队列中的关联回复个数，如果为1，则等待信道空闲单播发送关联确认消息，如果大于1，则取出队列里的所有关联消息，获取每个节点地址信息，形成关联确认组播帧，关联确认组播帧长度小于最大帧长，否则形成第二组播帧，第二组播帧同样不能大于最大帧长，以此类推，待信道空闲时，发送给一级节点；

步骤5：一级节点判断自己是否是申请入网的节点，如果是，入网成功；如果不是，则该节点是申请入网节点最低级别的PCO，该节点通过CCO给自己发送的关联回复帧形成关联确认帧发给下一级节点，下一级节点也先判断自己是否是申请入网节点，如果不是，则该节点是入网节点的二级PCO，该节点安装地址信息继续发送该关联确认消息给自己的下级节点，以此类推，直到找到关联请求节点，入网成功；

步骤6：CCO收到STA发出的关联请求帧，判断是否有重发标志，如果有，则停止发送关联确认帧，在该时隙内，只接受关联请求帧，取出节点ID和原地址等信息，形成关联确认组播帧；在Tmax时刻组播发送关联确认组播帧。组播发送关联确认组播帧的算法和自适应组播回复关联确认帧机制中一致；

步骤7：一级节点判断自己是否是申请入网的节点，如果是，入网成功。如果不是，则该节点是申请入网节点最低级别的PCO，继续向下级节点发送，直到发送到入网申请节点，入网成功。

进一步的，所述CCO在发送关联回复帧前，先检查自己消息队列中关联确认帧的个数，如果个数等于1，则直接发送关联确认帧；如果缓存队列中的关联确认帧大于1，将缓存队列中的关联确认帧整合，组播发送，将此组播帧命名为关联确认组播帧；CCO发送的关联回复帧有两种帧格式，一种是关联确认帧，一种是关联确认组播帧；当CCO查询到自己缓存队列中有大于1个的关联确认帧等待发送，就将这些帧组合成关联确认组播帧组播发送，如果整合过程中发现加入一个关联确认帧后关联确认组播帧就大于最大帧长，则不再继续组合，将该最大的关联确认组播帧组播发送。

进一步的，当CCO查询自己队列里面的关联确认消息个数，在个数为1时单播关联确认帧，当个数大于1时，使用关联确认组播帧，关联确认组播帧本身可以携带多个关联确认消息，基于关联确认帧提出关联确认组播帧，其修改如下：1.利用管理类型字段的剩余值表示此帧带有的关联确认消息的数量。2.删除管理消息帧头中的保留字段，减少帧的长度。

进一步的，所述关联确认组播帧格式中，对管理消息帧头中的保留字段进行删除；关联确认组播帧的消息类型的最高位设置为1，在关联确认帧的数量大于1个情况下使用关联确认组播帧，使用0x1002-0x1400范围表示关联确认组播帧中的关联确认帧数量，汇总站点数最多包含1022个，0x1401-0x14FF范围定义为关联确认帧数量的保留部分，通过关联确认组播帧中所携带的不同的关联确认消息的目的地址来区分不同的关联确认组播帧。

进一步的，所述关联请求帧自适应等待重发机制的步骤具体包括：

STA站点发送入网请求消息，并开启重发请求帧时钟；

CCO收到关联请求帧后，根据“CCO自适应组播回复关联确认帧”新机制发送关联回复帧；

若关联回复帧在CSMA时隙被STA成功接收，则STA入网成功，如果关联回复帧在该CSMA时隙未成功竞争到信道，则等待到下个CSMA时隙优先发送关联回复帧；

入网申请站点如若在重发帧计时器溢出后仍未收到关联回复帧且关联请求帧只能在下一CSMA时段重发，则先在CSMA时隙中等待一段时间，推荐值为CSMA时段长度值的一半，看是否有CCO发给该STA的关联回复。

进一步的，步骤1)重发关联请求帧会出现以下几种情况：

0-重发时间过短，落在当前信标周期的TDMA时隙或绑定CSMA时隙；1-重发时间落在下一信标周期的信标时隙；2-重发时间落在下一周期的CSMA时隙；3-重发时间落在下一信标周期的TDMA时隙和绑定CSMA时隙；4-重发时间落在下个信标时隙以后。

进一步的，所述步骤4)等待重发有以下几种情况：

如果收到CCO发给自己的关联回复帧，则无需重发关联请求帧；

如果在等待时间内收到长度未达到最大帧长的关联确认组播帧，且组播帧中并无发送给该STA的关联确认消息，则表明CCO已没有给自己的关联确认信息，于是重发一个关联请求帧重新申请入网；

如果在等待时间内收到达到最大帧长的关联确认组播帧，且组播帧中并无发送给该STA的关联确认消息，则还需继续侦听，直到等待时间结束；

如果在等待时间内没有收到CCO发给自己的关联回复帧，则重发一个关联请求帧重新申请入网。

进一步的，当重传时间较小时，STA重新发送关联请求帧的时刻就会落在当前信标周期的TDMA时隙、绑定CSMA时隙或下个信标周期的信标时隙当重传时间正好落在下个信标周期的CSMA时隙内时，停止等待到下个CSMA时隙到来，此时不能马上竞争时隙，继续侦听等待整个CSMA时隙一半的时间，如果未侦听到任何关联回复帧，则竞争重发关联请求帧向CCO申请入网；如果在侦听时间内收到来自CCO的关联回复帧，则获取帧的目的地址，如果是给自己的，关闭重发机制，此时已经收到CCO的关联确认消息成功入网，不必重发关联请求帧重新入网。如果侦听到关联回复帧，但目的地址不是自己，则继续侦听，如果到侦听时间到达CSMA时隙的一半，则重发关联请求帧。

进一步的，当STA重新发送关联请求帧的时刻落在下一信标周期的CSMA时隙时，先判断落在CSMA时隙前半段还是后半段，如果是前半段，则同样先侦听是否有CCO发送给自己的关联请求帧，到CSMA时隙一半处如果还未侦听到CCO发送给自己的关联回复帧，则在CSMA一半时刻重新竞争发送关联请求帧；如果从CSMA开始到CSMA一半时隙侦听到发送给自己的关联回复，则入网成功，则不必重发关联请求帧；

当STA重新发送关联请求帧的时刻落在下一信标周期的TDMA和绑定CSMA时隙时，本信标周期不作处理，在下一信标周期进行处理；

当STA重新发送关联请求帧的时刻落在其他信标周期时，需要停止等待到CSMA时隙进行处理。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的创新主要是由权利要求2所述的步骤4、权利要求5的特征和权利要求6所述的步骤4)组合而成。其中，权利要求2所述的步骤4是本专利在解决BPLC网络CCO在有多个关联确认帧待发时出现报文开销和时延较大的问题；权利要求5的提出是为了避免权利要求2所述的步骤4提出的一种新的组播帧类型增加额外的字段；权利要求6所述的步骤4)的提出是为了解决本专利基于权利要求2所述的步骤4提出新的组网方法仍然存在的关联请求帧不必要重传的问题。所以，本专利提出了以上述三个创新点为基础的一种BPLC网络高效组网方法。

权利要求2所述的步骤4的优点是通过将消息队列中的关联确认消息合理地组合起来，用一个关联确认组播帧发送一组回复信息，减少了竞争时隙中发送报文的个数，加快了入网申请节点成功入网的速度。权利要求5的优点是提出了一种利用管理消息报文头部的有一个2字节大小的管理消息类型字段的0x1002-0x1400范围(其中0x0000-0x0050已被关联请求报文和关联确认报文等占用)来表示关联确认组播帧中的关联确认帧数量(汇总站点数最多包含1022个)，从而不必增加一个新的字段就能表示关联确认组播帧中的关联确认帧数量。最后，通过删除关联确认组播帧中的保留字段使控制报文开销进一步缩减。权利要求6所述的步骤4)的优点是通过给CCO节点一段时间发送上一CSMA时隙未能发送的关联回复帧，使STA重发关联请求报文的时刻落在信标周期的任意时隙都能有效减少关联请求帧的不必要重传。

附图说明

图1是现有技术中的多用户宽带电力线通信网络图；

图2是宽带电力线载波通信网络协议栈层级划分图；

图3是宽带电力线载波通信网络拓扑图；

图4关联入网帧交互流程图；

图5是时隙划分示意图；

图6是关联消息发送示意图；

图7是大规模站点示意图；

图8是关联确认帧延迟发送示意图；

图9是重发关联请求帧示意图；

图10是关联确认组播帧未达最大帧长示意图；

图11是关联确认组播帧已达最大帧长示意图；

图12是自适应组播入网协议流程图；

图13是关联请求帧自适应等待重发机制工作流程图；

图14是新机制CCO具体实施例工作流程图；

图15新机制下STA具体实施例工作流程图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明缩略语和关键术语

1.1.1 BPLC的协议栈结构

宽带电力线载波通信网络协议栈基于标准的开放式***互联(OSI)七层模型，定义了物理层、数据链路层、应用层共3层，基本结构如图2所示。其中数据链路层分为网络管理子层和媒体访问控制子层(MAC子层)。数据链路层直接为应用层提供传输服务，也可扩展与标准TCP/IP进行对接以实现标准IP网络通信。

1.1.2 BPLC网络的组网过程

宽带电力线载波通信网络拓扑图如图3所示，BPLC的组网过程主要分为多网络网间协调、单网络组网和网络维护三个部分。

多网络网间协调：多网络网间协调具体流程如下：

1)CCO启动后，首先进行一段时间的网络监听，判断周围是否存在已处于工作的宽带电力线载波通信网络。对于已经处于工作的宽带电力线载波通信网络，应周期性的发送网间协调帧，以便其他后上电的CCO进行监听。

2)若在CCO监听时间内接收到邻居网络的网间协调帧，则需要根据网间协调帧中携带的SNID和时隙等信息，按照一定的优先原则，进行协商；若没有监听到网间协调帧，则该CCO可以独立组网工作。

3)之后进行带宽协调，按照带宽协商原则将不同网络的信标时隙尽量有序的错开，既保证信标时隙的不冲突，也要保证信标时隙发送的周期性。

单网络组网：为保证宽带PLC网络路由建立和数据传输的可靠性，宽带PLC网络会进行网络组网。过程如下：

1)CCO上电后进行网络间的时隙和网络标识的协调，协调成功后进行单网络组网。

2)CCO开始在信标时隙发送中央信标，收到中央信标的站点通过在CSMA时隙发送关联请求帧请求入。

3)STA在发出关联请求帧后一段时间内未收到关联确认帧则重发关联请求帧。

4)CCO通过白名单对请求入网的站点进行认证，认证成功后将处理结果通过关联确认帧发送给入网请求的STA站点代表该节点成功入网。

5)一级节点入网成功后，CCO会为其安排信标时隙来发送发现信标，发现信标的发送，可以触发新入网站点周围的二级站点发起关联入网的请求。

6)如此循环，以便距离CCO最远的最高层级的STA站点加入网络。

关联入网帧交互如图4所示：

1.1.3 BPLC信道访问机制

宽带电力线载波通信网络使用基于信标帧的信道访问机制，CCO周期性地发送信标帧，信标帧中包含了CCO分配的信标周期内的信标时隙，TDMA时隙，CSMA时隙，绑定CSMA时隙等时隙的规划信息。宽带电力线载波通信网络中的子节点，必须遵循CCO分配的时隙，进行信道访问。信标周期的时隙划分如图5所示：

一般的，信标时隙和TDMA时隙等明确分配给CCO或具体STA使用的时隙，统称为非竞争时隙(TDMA时隙)，CCO，PCO，STA三个角色，对于信标中时隙的管理算法必须保持统一。CCO将信标周期中的时隙分配，按照统一的算法，填充到信标中的时隙分配条目，通过信标发送，通知给PCO和STA等站点；CSMA时隙和绑定CSMA时隙等未指明使用者的时隙，需要有需求的STA竞争使用的时隙，统称为竞争时隙(CSMA时隙)。CCO在时隙规划时，根据业务需要，可以分配绑定CSMA时隙，由某种业务单独占有该时隙，凡是涉及该业务的STA，可以在该绑定CSMA时隙中，竞争发送该业务的帧。

1.1.4 CSMA时隙

由于本发明只涉及到CSMA时隙，所以这里只对CSMA时隙进行介绍。CSMA时隙与信标时隙、TDMA时隙不同，不是明确分配给CCO或具体STA使用的时隙，而是各种站点类型都可以共同占用的时隙。在CSMA时隙(包括绑定CSMA)中，站点必须通过信道竞争，冲突避免后，才能占用信道，进行帧发送。

在CSMA时隙中发送的帧，必须保证能够在相应的CSMA时隙中传送完成，不能跨越时隙。尤其保证不能跨越到信标时隙和TDMA时隙等非竞争时隙中。在CSMA时隙中进行信道竞争时，需要进行基本的冲突判断和避免，并且通过VCS机制对信道状态进一步预判，在判断信道为空闲后才能发送相应帧。

在CSMA时隙中，允许多个不同类型的节点发送消息，并且允许上行和下行的多种控制帧，例如关联请求帧、关联确认帧等，但这些帧都需要竞争发送，所以CSMA使隙是竞争时隙。

1.2本发明的基本假定

1)该组网在由一个CCO和多个STA构成的单个BPLC网络中进行。

2)各网络CCO设备之间已完成SNID的协商，确定了各自网络的SNID，保证了各个宽带通信网络能够独立稳定的组网。

3)宽带电力线网络中STA设备拥有一个入网等待时间阈值。

4)宽带电力线网络中未入网站点在入网申请后一段时间内未收到关联确认帧则重发关联请求帧。

5)关联确认帧、关联请求帧，以及关联确认组播帧，都只能在CSMA时隙中进行发送。

6)每个关联回复帧不能大于Q GDW 11612.42—2016低压电力线宽带电力线载波通信互联互通技术规范所规定的最大帧长度。

7)当CCO收到STA入网请求帧，准备在CSMA时隙中发送关联回复帧时，如果因为竞争不到资源或在该信标周期内已无可用时隙发送关联回复帧，必须等到下个信标周期再给STA回复关联回复帧。

1.3本发明要解决的技术问题

1.3.1关联确认帧发送机制存在控制开销和时间冗余

根据现有宽带电力线载波通信网络技术，在BPLC网络的组网过程中，当中央协调器CCO广播中央信标发出组网信息后，CCO有可能接收到多个未入网的STA发出的关联请求帧(此种帧用于未入网节点申请入网)；CCO需要对这些关联请求帧使用单播方式逐一回复关联确认帧；关联请求帧和关联确认帧都是在信标周期中的CSMA时隙中发送的。

大量的关联请求帧需要同样规模的关联确认帧在同一时隙竞争发送会占据大量信道资源，使***控制开销偏大，同时会使BPLC网络的信道在CSMA时段得拥挤；在情况严重时，一些STA在发送关联请求帧之后可能在本信标周期内收不到CCO回复的关联确认帧，如图7所示，一共有10个STA发送上行的关联请求帧，其中只有8个STA成功收到CCO发送的关联确认下行帧。原因是关联请求帧和关联确认帧都是竞争发送，STA在发送了关联请求帧，CCO收到帧后检测信道是否空闲，此时由于其他STA在继续发送关联请求帧或者CCO给其他STA回复的关联确认帧还在信道中发送致使信道繁忙，CCO未竞争到信道，或者在CSMA时段的末期没有足够的时间给CCO发送关联确认帧，在这两种情况下，CCO不得不将关联确认帧暂存在消息队列。在关联确认帧暂存于消息队列期间，如果有新的关联确认帧待发，也会暂存入消息队列，这时，消息队列中就会同时存在多个待发的关联确认帧。

由此可见，如果能够发送一个关联确认帧同时对多个申请入网节点进行回复，那么，现有方案采用的CCO逐一对申请入网节点回复关联确认帧的机制，与一次回复多个节点的机制相比，存在着相对的控制开销(主要指通信开销)相对更大、节点入网耗时相对更多的问题，需要加以解决。

1.3.2关联请求帧重发机制存在控制开销冗余

根据现有宽带电力线载波通信网络技术，在进行组网过程中，STA收到CCO发出的中央信标后，便向CCO发送关联请求帧申请入网；CCO收到该请求帧后，随即会向STA回复关联确认帧；关联请求帧和关联确认帧都是在CSMA竞争时隙中发送，如图5所示。如果CSMA时段信道竞争激烈，或者STA发送关联请求帧在当前CSMA时隙靠后时刻发送，CCO就有可能因为未能竞争到信道而不能在当前CSMA时段对STA发送的关联请求帧做出回复，只能等到下一信标周期的CSMA时段发送，如图8所示。

根据现有技术二，STA在发送关联请求帧后会启动一个定时器，在超时重发阈值内如果还未收到CCO发送的关联回复帧，STA会重发关联请求帧。如果超时重发时刻处于CSMA时隙，则直接竞争发送，如果不在CSMA时隙，则要等到下一个CSMA时隙到来再竞争发送，如图9所示。

根据上述关联请求帧重发机制，当CCO准备在下一CSMA时段开始时刻发送关联回复帧时，对应的STA也准备在下一CSMA时段开始时刻再次发送关联请求帧，这就会导致该重发的关联请求帧变得没有必要，造成了冗余的控制开销；因为：即使STA未重发关联请求帧，CCO也会把关联回复帧发送给它。

1.4本发明提出的新机制

为了解决1.3节所述问题，本发明提出了一种高效的宽带PLC网络组网新方法。该方法的特征是：自适应组播发送关联确认帧和关联请求帧自适应等待重发。单播发送回复消息会带来偏多的控制开销，“自适应组播发送关联确认帧”新机制在有多个关联回复帧待发时，用一个帧发送一组回复信息，能够减少BPLC网络的控制开销；“关联请求帧自适应等待重发”新机制通过给CCO节点一段时间发送关联回复帧，能够减少关联请求帧的不必要重传。

1.4.1新机制1-自适应组播回复关联确认帧

对于1.3.1节所述关联确认帧数量和端对端时延较大的问题。“CCO自适应组播回复关联确认帧”新机制考虑到宽带PLC是树形拓扑，PCO下会挂载一些STA子站点，那就意味着层级越高，站点数量很可能会越多。那么很可能会有多个待入网站点发出的关联确认消息被CCO放进缓存队列里面而未及时回复，因此提出CCO自适应组播回复关联确认帧机制，并且提出了在关联确认帧数大于1时所使用的关联确认组播帧。它的基本思路如下：

在CCO发送关联确认帧时，如果发现信道繁忙，CCO将会把关联确认帧保存在关联回复队列中，待信道空闲发送。此时消息队列中可能存在多个关联确认帧，如果能将消息队列中的关联确认帧“组合起来”，由于关联回复帧有最大帧长，所以整合之后的组合帧也必须小于最大帧长，如果组合过程中发现加入一个关联请求帧就会使整个组合帧大于最大帧长，此时便不能添加，需要将组合帧发送后重新组合然后发送。将多个关联确认帧形成一个帧组播发送，便可以大大减少侦听次数，减少帧发送数量。同时还可以节省一些共用的帧头部等字段，减少了网络控制开销。故解决1.3.1节问题的思路是CCO在发送关联回复帧前，先检查自己消息队列中关联确认帧的个数，如果个数等于1，则直接发送关联确认帧。如果缓存队列中的关联确认帧大于1，将缓存队列中的关联确认帧整合，组播发送，将此组播帧命名为关联确认组播帧。所以，CCO发送的关联回复帧有两种帧格式，一种是关联确认帧，一种是关联确认组播帧。如图8所示，当CCO查询到自己缓存队列中有大于1个的关联确认帧等待发送，就将这些帧组合成关联确认帧组播发送。如果整合过程中发现加入一个关联确认帧后关联确认组播帧就大于最大帧长，则不再继续组合，将该最大的关联确认组播帧组播发送。如图10所示为最大组合个数为5个关联确认帧的示意图，图11为超过最大组合个数关联确认帧示意图。

本机制基本原理为：CCO查询自己队列里面的关联确认消息个数，在个数为1时单播关联确认帧，当个数大于1时，使用关联确认组播帧，以更合理地发送关联确认帧，增加了节点的入网成功率，同时减少了入网时延和控制开销。关联确认组播帧本身可以携带多个关联确认消息，因此基于关联确认帧提出关联确认组播帧，其修改如下：1.利用管理类型字段的剩余值表示此帧带有的关联确认消息的数量。2.删除管理消息帧头中的保留字段，减少帧的长度。

CCO自适应组播回复关联确认帧机制流程如下：

步骤1：CCO开机时启动邻居网络监听定时器，如果在侦听时间T内接收到网间协调帧，进行网间网络标识(NID)和时隙的协调。如果在侦听时间T内接没有收到网间协调帧则进行单网络组网。CCO在信标时隙广播中央信标。

步骤2：邻居节点收到中央信标，检查信标的“开始关联标志位”是否为1，准备发送关联请求帧，站点准备发送前先侦听一下总线上是否有数据正在传送(线路是否忙)。若在侦听中发现信道闲，该STA站点向CCO直接发送关联请求帧。若在侦听中发现线路忙，则等待一个延时后再次侦听，若仍然忙，则继续延迟等待，若等待次数n超过阈值16，STA重发关联请求帧并标记此帧。每次延时的时间不一致，由截断的二进制指数退避算法确定延时值。若STA在一定时间内没有收到关联回复帧，则等待T时间重新发送关联请求帧，并对帧进行标记。

步骤3：CCO收到申请入网节点发出的关联请求帧，查询该关联请求帧对应STA站点信息，进行白名单认证。CCO查询站点的层数，确定下一跳目的地址，如果是一级站点，则目的地址是本节点，如果是多层，则目的地址是请求站点对应最低级别的PCO。CCO为节点分配TEI和时隙，保存在关联回复帧中。CCO对一级站点进行关联回复，若发送关联回复时发现信道繁忙，CCO会把关联回复帧放到专门的关联回复队列中。

步骤4：检测队列中的关联回复个数，如果为1，则等待信道空闲单播发送关联确认消息。如果大于1，则取出队列里的所有关联消息，获取每个节点地址信息，形成关联确认组播帧(关联确认组播帧长度小于最大帧长，否则形成第二组播帧，第二组播帧同样不能大于最大帧长，以此类推)，待信道空闲时，发送给一级节点。

步骤5：一级节点判断自己是否是申请入网的节点，如果是，入网成功。如果不是，则该节点是申请入网节点最低级别的PCO，该节点通过CCO给自己发送的关联回复帧形成关联确认帧发给下一级节点，下一级节点也先判断自己是否是申请入网节点，如果不是，则该节点是入网节点的二级PCO，该节点安装地址信息继续发送该关联确认消息给自己的下级节点，以此类推，直到找到关联请求节点，入网成功。

步骤6：CCO收到STA发出的关联请求帧，判断是否有重发标志，如果有，则停止发送关联确认帧，在该时隙内，只接受关联请求帧，取出节点ID和原地址等信息，形成关联确认组播帧。在Tmax时刻组播发送关联确认组播帧。组播发送关联确认组播帧的算法和自适应组播回复关联确认帧机制中一致。

步骤7：一级节点判断自己是否是申请入网的节点，如果是，入网成功。如果不是，则该节点是申请入网节点最低级别的PCO，继续向下级节点发送，直到发送到入网申请节点，入网成功。此过程和自适应组播回复关联确认帧机制中节点判断是否是申请入网节点过程一致。

自适应组播入网协议流程如图12所示：

关联确认组播帧：

如表1为关联确认帧主要帧字段的帧格式表。在宽带PLC网络中，关联确认报文是一种管理消息报文，该报文的报文头有一个2字节大小的管理消息类型字段，如表2为管理消息的类型，其中0x0000-0x0050范围已被其他关联消息报文部分使用，为了与已有的管理消息类型相区分，并且在不增加新的字段的基础上又能够包含关联确认帧数量信息，新提出的关联确认组播帧的消息类型的最高位设置为1。在关联确认帧的数量大于1个情况下使用关联确认组播帧，因此使用0x1002-0x1400范围表示关联确认组播帧中的关联确认帧数量(汇总站点数最多包含1022个)，0x1401-0x14FF范围定义为关联确认帧数量的保留部分，关联确认组播帧管理消息类型如表3所示，关联确认组播帧格式如表4所示。其中保留字段对于新提出的关联确认组播帧没有实质性的作用，因此从减少网络开销的角度对其进行删除；考虑到携带同一数量的关联确认组播帧的管理类型字段相同的情况，该机制可以通过关联确认组播帧中所携带的不同的关联确认消息的目的地址来区分不同的关联确认组播帧；关联确认组播帧不能超过现有技术二允许的最大帧长。

表1关联确认帧表

表2管理消息类型

管理消息名称	管理消息类型标识符
		关联请求	0x0000
关联确认	0x0001
		关联汇总指示	0x0002
代理变更请求	0x0003
		代理变更确认	0x0004
代理变更确认	0x0005
		离线指示	0x0006
心跳检测	0x0007
		发现列表	0x0008
通信成功率上报	0x0009
		网络冲突上报	0x000A
过零NTB采集指示	0x000B
		过零NTB上报	0x000C
保留	0x000D-0x004F
		路由请求	0x0050

表3新机制1管理消息类型

管理消息名称	管理消息类型标识符
		关联确认组播	0x1002-0x1400
保留	0x1401-0x14FF

表4关联确认组播帧

1.4.2新机制2-关联请求帧自适应等待重发

“关联请求帧自适应等待重发”新机制主要作用在单网络组网时STA向CCO发送关联请求帧请求入网，CCO给待入网站点回复关联请求帧期间。它的基本思路如下：

对于1.3.2节所述关联确认帧重发机制不合理的问题，考虑到现有技术2中要求，下一周期的CSMA时隙STA可能会重新发送关联请求帧。但是，未收到关联回复帧的原因有可能是CCO在上个信标时隙的CSMA时隙因未竞争到信道而在下一信标周期的CSMA时隙发送，并不是因为CCO未向STA发送关联回复帧而造成STA重发关联请求帧，所以如果确保上个CSMA周期未发出的关联回复帧在重发的关联请求帧之前发送，STA收到对应的关联回复帧，则不再重发关联请求帧，这样就比原有的机制少发送关联请求帧，由此网络的控制开销得到有效降低。

在STA发送请求消息后的一段时间内没有收到回复消息，STA会在下一个信标周期重发请求消息，请求消息可能会在CSMA以外的时段重发，在CSMA内重发请求消息可能会产生信道冲突，这会导致重发时间的增大而导致时延增大，因此提出了关联请求帧重发时间的自适应调整机制，将优先在CSMA竞争时隙中发送上一周期未发送的关联回复帧；同时使STA持续侦听一段时间，如果未侦听到CCO发送给自己的关联回复帧，则重发关联请求帧请求入网。“关联请求帧自适应等待重发机制”主要操作如下：

1)STA站点发送入网请求消息，并开启重发请求帧时钟，重发关联请求帧会出现以下几种情况：

0-重发时间过短，落在当前信标周期的TDMA时隙或绑定CSMA时隙；1-重发时间落在下一信标周期的信标时隙；2-重发时间落在下一周期的CSMA时隙；3-重发时间落在下一信标周期的TDMA时隙和绑定CSMA时隙；4-重发时间落在下个信标时隙以后。

2)CCO收到关联请求帧后，根据“CCO自适应组播回复关联确认帧”新机制发送关联回复帧。

3)若关联回复帧在CSMA时隙被STA成功接收，则STA入网成功。如果关联回复帧在该CSMA时隙未成功竞争到信道，则等待到下个CSMA时隙优先发送关联回复帧。

4)入网申请站点如若在重发帧计时器溢出后仍未收到关联回复帧且关联请求帧只能在下一CSMA时段重发，则先在CSMA时隙中等待一段时间，推荐值为CSMA时段长度值的一半，看是否有CCO发给该STA的关联回复。等待重发有以下几种情况：

(1)如果收到CCO发给自己的关联回复帧，则无需重发关联请求帧。

(2)如果在等待时间内收到长度未达到最大帧长的关联确认组播帧，且组播帧中并无发送给该STA的关联确认消息，则表明CCO已没有给自己的关联确认信息，于是重发一个关联请求帧重新申请入网。

(3)如果在等待时间内收到达到最大帧长的关联确认组播帧，且组播帧中并无发送给该STA的关联确认消息，则还需继续侦听，直到等待时间结束。

(4)如果在等待时间内没有收到CCO发给自己的关联回复帧，则重发一个关联请求帧重新申请入网。

下面对每一种重发请求帧的时间做出详细阐述：

(1)当重传时间较小时，STA重新发送关联请求帧的时刻就会落在当前信标周期的TDMA时隙、绑定CSMA时隙或下个信标周期的信标时隙当重传时间正好落在下个信标周期的CSMA时隙内时，停止等待到下个CSMA时隙到来，此时不能马上竞争时隙，继续侦听等待整个CSMA时隙一半的时间，如果未侦听到任何关联回复帧。则竞争重发关联请求帧向CCO申请入网。如果在侦听时间内收到来自CCO的关联回复帧，则获取帧的目的地址，如果是给自己的，关闭重发机制，此时已经收到CCO的关联确认消息成功入网，不必重发关联请求帧重新入网。如果侦听到关联回复帧，但目的地址不是自己，则继续侦听，如果到侦听时间到达CSMA时隙的一半，则重发关联请求帧。

(2)同样地，当STA重新发送关联请求帧的时刻落在下一信标周期的CSMA时隙时，先判断落在CSMA时隙前半段还是后半段，如果是前半段，则同样先侦听是否有CCO发送给自己的关联请求帧，到CSMA时隙一半处如果还未侦听到CCO发送给自己的关联回复帧，则在CSMA一半时刻重新竞争发送关联请求帧；如果从CSMA开始到CSMA一半时隙侦听到发送给自己的关联回复，则入网成功，则不必重发关联请求帧。

(3)当STA重新发送关联请求帧的时刻落在下一信标周期的TDMA和绑定CSMA时隙时，本信标周期不作处理，在下一信标周期进行处理，处理方式同第(1)种处理方式。

(4)当STA重新发送关联请求帧的时刻落在其他信标周期时，需要停止等待到CSMA时隙进行处理，处理方式同第(1)种处理方式。

“关联请求帧自适应等待重发机制”工作流程图13所示：

1.5本发明技术实现的具体实施例

在宽带电力线载波组网过程中，CCO发送关联确认帧时采用的是逐一发送的形式，当网络规模较大时，CCO对入网申请节点进行逐一关联确认回复可能导致关联确认帧在CCO缓存队列不能及时发送造成时延和组网控制开销增大。

现有技术中没有具体规定关联请求帧重发的时间，CCO在发送关联请求帧后的一段时间内没有收到关联确认消息，那么就要考虑重发关联请求帧，如果关联请求帧重发时间落在CSMA以外的时隙，就会导致关联请求帧再推迟到下一个CSMA时隙重新发送，增大了时延；即使在CSMA发送，考虑到CCO回复的关联回复帧可能在上一个CSMA时隙因未竞争到信道而不得不在下一个CSMA时隙发送的情况，这样的情况是不需要重发关联请求帧的，如果发了，必然会增加网络的控制开销。

本发明提出的一种高效的宽带PLC网络组网新方法，在单网络环境下，对关联确认帧的进行组播发送，对关联请求帧的重发时间进行优化规定。

新方法的主要操作如下：

1)PLC设备首先进行初始化，CCO设备与STA设备上电；

2)单网络环境下，CCO广播中央信标帧发起单网络组网过程；

3)STA收到信标帧，STA设备开始发送关联请求帧；

4)CCO收到关联请求帧后，根据“CCO自适应组播回复关联确认帧机制”自适应的给一级站点发送关联回复帧。

5)STA在一段时间内未收到关联确认帧或关联确认组播帧，根据“关联请求帧自适应等待重发机制”向CCO重新发送关联请求帧。

6)STA收到关联确认帧或者关联确认帧，组网成功。

如图14所示为CCO在接收到一级站点发送或转发的关联请求帧后的的流程：

如图15所示的STA在一段时间内未接收到CCO发送的关联回复帧过程中的实例描述：

1.6本发明技术方案带来的有益效果

本发明技术方案带来的有益效果主要体现在以下方面：

1)该发明对关联确认帧的自适应组播发送，由需要多个关联确认帧的控制开销降低到只需要一个帧的控制开销，因此减少了控制开销，而且有利于降低组网时延。

2)该发明对关联请求帧的自适应等待重发，能够有效减少关联请求帧的不必要重发，有利于减少控制开销，提高组网方法的效率。

1.7本发明的技术关键点和欲保护点

本发明的技术关键点和欲保护点具体如下：

(1)新机制1-CCO自适应组播回复关联确认帧机制。

(2)新机制2-关联请求帧自适应等待重发机制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种高效的BPLC网络组网方法，其特征在于，包括设计CCO自适应组播发送关联确认帧机制和关联请求帧自适应等待重发机制；所述自适应组播发送关联确认帧机制中，在有多个关联回复帧待发时，用一个关联确认组播帧发送一组回复信息；所述关联请求帧自适应等待重发机制中，通过给CCO节点一段时间发送上一CSMA时隙未能发送的关联回复帧，使STA重发关联请求报文的时刻落在信标周期的任意时隙都能有效减少关联请求帧的不必要重传；

所述CCO自适应组播发送关联确认帧机制的步骤如下：

步骤1：CCO开机时启动邻居网络监听定时器，如果在侦听时间T内接收到网间协调帧，进行网间网络标识NID和时隙的协调，如果在侦听时间T内接没有收到网间协调帧则进行单网络组网，CCO在信标时隙广播中央信标；

步骤2：邻居节点收到中央信标，检查信标的“开始关联标志位”是否为1，准备发送关联请求帧，站点准备发送前先侦听一下总线上是否有数据正在传送，若在侦听中发现信道闲，该STA站点向CCO直接发送关联请求帧，若在侦听中发现线路忙，则等待一个延时后再次侦听，若仍然忙，则继续延迟等待，若等待次数n超过阈值16，STA重发关联请求帧并标记此帧，每次延时的时间不一致，由截断的二进制指数退避算法确定延时值；若STA在一定时间内没有收到关联回复帧，则等待T时间重新发送关联请求帧，并对帧进行标记；

步骤3：CCO收到申请入网节点发出的关联请求帧，查询该关联请求帧对应STA站点信息，进行白名单认证，CCO查询站点的层数，确定下一跳目的地址，如果是一级站点，则目的地址是本节点，如果是多层，则目的地址是请求站点对应最低级别的PCO，CCO为节点分配TEI和时隙，保存在关联回复帧中；CCO对一级站点进行关联回复，若发送关联回复时发现信道繁忙，CCO会把关联回复帧放到专门的关联回复队列中；

步骤4：检测队列中的关联回复个数，如果为1，则等待信道空闲单播发送关联确认消息，如果大于1，则取出队列里的所有关联消息，获取每个节点地址信息，形成关联确认组播帧，关联确认组播帧长度小于最大帧长，否则形成第二组播帧，第二组播帧同样不能大于最大帧长，以此类推，待信道空闲时，发送给一级节点；

步骤5：一级节点判断自己是否是申请入网的节点，如果是，入网成功；如果不是，则该节点是申请入网节点最低级别的PCO，该节点通过CCO给自己发送的关联回复帧形成关联确认帧发给下一级节点，下一级节点也先判断自己是否是申请入网节点，如果不是，则该节点是入网节点的二级PCO，该节点安装地址信息继续发送该关联确认消息给自己的下级节点，以此类推，直到找到关联请求节点，入网成功；

步骤6：CCO收到STA发出的关联请求帧，判断是否有重发标志，如果有，则停止发送关联确认帧，在该时隙内，只接受关联请求帧，取出节点ID和原地址等信息，形成关联确认组播帧；在Tmax时刻组播发送关联确认组播帧；组播发送关联确认组播帧的算法和自适应组播回复关联确认帧机制中一致；

步骤7：一级节点判断自己是否是申请入网的节点，如果是，入网成功；如果不是，则该节点是申请入网节点最低级别的PCO，继续向下级节点发送，直到发送到入网申请节点，入网成功；

在STA发送请求消息后的一段时间内没有收到回复消息，STA会在下一个信标周期重发请求消息，请求消息可能会在CSMA以外的时段重发，在CSMA内重发请求消息可能会产生信道冲突，这会导致重发时间的增大而导致时延增大，因此提出了关联请求帧重发时间的自适应调整机制，将优先在CSMA竞争时隙中发送上一周期未发送的关联回复帧；同时使STA持续侦听一段时间，如果未侦听到CCO发送给自己的关联回复帧，则重发关联请求帧请求入网；“关联请求帧自适应等待重发机制”操作如下：

1)STA站点发送入网请求消息，并开启重发请求帧时钟，重发关联请求帧会出现以下几种情况：

0-重发时间过短，落在当前信标周期的TDMA时隙或绑定CSMA时隙；1-重发时间落在下一信标周期的信标时隙；2-重发时间落在下一周期的CSMA时隙；3-重发时间落在下一信标周期的TDMA时隙和绑定CSMA时隙；4-重发时间落在下个信标时隙以后；

2)CCO收到关联请求帧后，根据“CCO自适应组播回复关联确认帧”新机制发送关联回复帧；

3)若关联回复帧在CSMA时隙被STA成功接收，则STA入网成功；如果关联回复帧在该CSMA时隙未成功竞争到信道，则等待到下个CSMA时隙优先发送关联回复帧；

4)入网申请站点如若在重发帧计时器溢出后仍未收到关联回复帧且关联请求帧只能在下一CSMA时段重发，则先在CSMA时隙中等待一段时间，推荐值为CSMA时段长度值的一半，看是否有CCO发给该STA的关联回复。

2.根据权利要求1所述的一种高效的BPLC网络组网方法，其特征在于；

所述CCO在发送关联回复帧前，先检查自己消息队列中关联确认帧的个数，如果个数等于1，则直接发送关联确认帧；如果缓存队列中的关联确认帧大于1，将缓存队列中的关联确认帧整合，组播发送，将此组播帧命名为关联确认组播帧；CCO发送的关联回复帧有两种帧格式，一种是关联确认帧，一种是关联确认组播帧；当CCO查询到自己缓存队列中有大于1个的关联确认帧等待发送，就将这些帧组合成关联确认组播帧组播发送，如果整合过程中发现加入一个关联确认帧后关联确认组播帧就大于最大帧长，则不再继续组合，将该最大的关联确认组播帧组播发送。

3.根据权利要求2所述的一种高效的BPLC网络组网方法，其特征在于，当CCO查询自己队列里面的关联确认消息个数，在个数为1时单播关联确认帧，当个数大于1时，使用关联确认组播帧，关联确认组播帧本身可以携带多个关联确认消息，基于关联确认帧提出关联确认组播帧，其修改如下：1.利用管理类型字段的剩余值表示此帧带有的关联确认消息的数量；2.删除管理消息帧头中的保留字段，减少帧的长度。

4.根据权利要求3所述的一种高效的BPLC网络组网方法，其特征在于：所述关联确认组播帧格式中，对管理消息帧头中的保留字段进行删除；关联确认组播帧的消息类型的最高位设置为1，在关联确认帧的数量大于1个情况下使用关联确认组播帧，使用0x1002-0x1400范围表示关联确认组播帧中的关联确认帧数量，汇总站点数最多包含1022个，0x1401-0x14FF范围定义为关联确认帧数量的保留部分，通过关联确认组播帧中所携带的不同的关联确认消息的目的地址来区分不同的关联确认组播帧。

5.根据权利要求1所述的一种高效的BPLC网络组网方法，其特征在于：所述步骤4)等待重发有以下几种情况：

(1)如果收到CCO发给自己的关联回复帧，则无需重发关联请求帧；

(2)如果在等待时间内收到长度未达到最大帧长的关联确认组播帧，且组播帧中并无发送给该STA的关联确认消息，则表明CCO已没有给自己的关联确认信息，于是重发一个关联请求帧重新申请入网；

(3)如果在等待时间内收到达到最大帧长的关联确认组播帧，且组播帧中并无发送给该STA的关联确认消息，则还需继续侦听，直到等待时间结束；

(4)如果在等待时间内没有收到CCO发给自己的关联回复帧，则重发一个关联请求帧重新申请入网。

6.根据权利要求5所述的一种高效的BPLC网络组网方法，其特征在于：

当STA重新发送关联请求帧的时刻落在下一信标周期的CSMA时隙时，先判断落在CSMA时隙前半段还是后半段，如果是前半段，则同样先侦听是否有CCO发送给自己的关联请求帧，到CSMA时隙一半处如果还未侦听到CCO发送给自己的关联回复帧，则在CSMA一半时刻重新竞争发送关联请求帧；如果从CSMA开始到CSMA一半时隙侦听到发送给自己的关联回复，则入网成功，则不必重发关联请求帧；

当STA重新发送关联请求帧的时刻落在下一信标周期的TDMA和绑定CSMA时隙时，本信标周期不作处理，在下一信标周期进行处理；

当STA重新发送关联请求帧的时刻落在其他信标周期时，需要停止等待到CSMA时隙进行处理。

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