[发明专利]一种预防电力线载波通信网络拥塞控制的方法

说明书

技术领域

本设计涉及智能电网电力线通信领域，主要是对现有的电力线载波通信中使用的通用的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance带有冲突避免的载波监听多路访问）机制进行改进，实现对电力线载波通信网络拥塞的控制。

背景技术

随着智能电表的普及，供电公司告别了人工读取电量的方式，可以通过多种方式获取电量，其中最常见的一种就是电力线载波通信。它以设计和运营成本低廉成为电表数据通信的首选。早期的电力线载波通信在一个网络内有一个主节点，多个从节点，只有主节点可以发起通信，从节点只有接收到访问信息后才能进入通信发送状态。因此，不存在电力线信道通信的冲突，但网络通信的利用率低。随着电力用电信息采集和现场管理要求的提高，许多电力用户需要从节点能将从节点发生的事件主动上报，因此要求从节点和主节点一样能主动发起通信，这样在电力线上就会发生通信的冲突，如何根据电力线载波通信的特点处理好通信冲突，成为电力线载波通信研究的重要任务。

通信冲突是指当数据在网络中传输时，出现两个设备或两个以上设备同时发送数据的现象，从而导致网络中数据拥塞，数据丢失的情况。CSMA/CA协议一般位于通信协议的介质访问层MAC（Media Access Control）层，是介质访问层的核心算法之一。它利用检测和避免两大手段来避免数据冲突，从而保证了数据的传输的可靠性。当一个节点想发送数据时，首先检测信道，观察信道是否空闲。如果信道空闲，等待一段时间，接着发送数据，其它的节点都置信道繁忙标志位NAV（Network Allocation Vector）。当目的节点接收到数据帧后，等待一段时间发送应答ACK（Acknowledge）帧。源节点接收到ACK数据帧后，标志着发送数据完成。等待一段时期后，进入竞争窗口，各个节点竞争发送，取得发送权的节点重复上述动作，而没有取得发送权的节点进入退避状态。

由于电力线载波通信的信道的主要功能是传输电力，不是为通信而设计，因此，它不是一个理想的通信线路。其通信的带宽和速度受到限制，如果单纯的使用通用的CSMA/CA，当数据通信频繁，信道拥塞严重时，部分节点可能会一直处于避让状态，根据CSMA/CA机制，很可能会进入放弃发送的状态，从而可能造成部分数据的丢失，本发明将重要数据和普通数据区分开来，让重要数据优先竞争发送，从而保证重要的数据在电力线上优先传输和可靠性。

发明内容

本发明在CSMA/CA协议的基础上增加了重要数据发送的请求帧RF（Request Frame）和允许帧AF（Allow Frame）命令，从而确保重要数据通信的可靠性，当一个节点需要发送高优先级数据时，先发送一个请求信号RF，预约信道，目的节点接收到了RF后，回复AF信号。这样双方成功进行了RF/AF通信握手后，才进行数据的发送，保证数据的安全可靠性。

另外，本发明还对竞争窗口进行改进和划分，将竞争窗口划分为高优先级窗口和普通优先级窗口。重要的通信数据被设置为高优先级数据，当出现发送竞争时，首先进入高优先级窗口进行竞争，等待高优先级窗口用完，再进入普通优先级窗口进行数据发送竞争，以确保重要数据的优先发送。

在本发明中，我们将RF和AF的格式设定为源节点短地址（2个字节）和目的节点短地址（2个字节），以及一个状态位（1个字节）。RF和AF的帧长度较小，仅相当于普通数据帧长度的几十分之一，对网络资源的开销很小。因此增加RF和AF命令，对电力线上的数据的传输量影响并不大，但是有了RF和AF的交互，却可以更好的保护高优先级数据的安全，避免重要数据的丢失，也减少因数据丢失而导致的数据重发。

在对高低优先级窗口的划分上，可以根据一些参数（maxBE为最大退避指数值，macHighPriorityWindowSize为高优先级窗口时间片数， SlotTime为 CSMA/CA中一个时间片的时长，maxBE和macHighPriorityWindowSize来自于应用层，可自己设定，SlotTime来自于802.15.4标准）来决定窗口时间的长度，本发明中设置高优先级的窗口宽度（HPCW time）为：

HPCW time = macHighPriorityWindowSize * SlotTime;

由于退避措施采用二进制退避算法，那么普通优先级的窗口宽度（NPCW time）则为：