基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法
2023-04-30 15:14:21 3
基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法
【專利摘要】一種基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，包括以下步驟：1）初始參數設定：設定一個傳感器每隔Tc分鐘採集一次數據並上傳到中心節點，各個傳感器之間採用依次輪流循環的工作方式；設定功率增大係數α1、α2、α3，且0α1α2α31；傳感器發射功率最大值為Pmax；2）傳感器S1與中心節點建立通信過程如下：2.1）當S1將數據上傳到中心節點時，採用自動功率增大重傳機制，2.2）依此類推，傳感器S2、S3、....Sn與中心節點建立通信連接的過程同步驟2.1）。本發明能提高可靠性、提升流暢性。
【專利說明】基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種輸電線路無線通信的數據傳輸方法。
【背景技術】
[0002]輸電線路無線通信的數據傳輸系統架構分為了三部分:傳感器、中心節點、後臺。
[0003]電線桿塔在實際應用中排布上一般都是以線型為主。每個杆塔的每條輸電線上都放置有傳感器，在杆塔上還置有中心節點。兩個杆塔之間的距離一般在100~200米之間。不失一般性，假設任意兩桿塔間距為dg米；則連續5個杆塔A、B、C、D、E分別相距dg，如圖1所示，塔間間距dg為200m。本專利中採用發射功率可調的無線通信模塊,其最大功率Pniax至少可以覆蓋半徑為2.5(18米的範圍；也就是說，一個傳感器最多可以同時和相鄰的5個中心節點進行通信。
[0004]不失一般性地假設，杆塔C上的中心節點C和5個傳感器Sp S2、S3> S4、S5之間的拓撲結構，如圖2所示。在實際應用中，任意數目的傳感器都可以採用這樣的結構。任何一個傳感器只和中心節點都通過無線通信，如ZigBee等，進行連接，構成無線物聯網。因而介質訪問控制方法簡單，通訊協議也十分簡單，易於網絡的監控和管理。其次，中心節點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網。
【發明內容】
[0005]為了克服已有輸電線路無線通信的數據傳輸方法的可靠性較差、流暢性較差的不足，本發明提供了一種提高可靠性、提升流暢性的基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法。
[0006]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
[0007]—種基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，所述數據傳輸方法包括以下步驟:
[0008]I)初始參數設定:
[0009]杆塔C臨近的傳感器S1每隔T。分鐘採集一次數據並上傳到中心節點，各個傳感器之間採用依次輪流循環的工作方式；
[0010]設任意兩桿塔間距為(18米，採用發射功率可調的無線通信模塊，其最大功率Pmax至少可以覆蓋半徑為2.5(18米的範圍；也就是說，一個傳感器最多可以同時和相鄰的5個中心節點進行通信；
[0011]設定功率增大係數α2、α 3，且0〈 α ^ α 2〈 α 3〈1 ;傳感器發射功率最大值為Pmax，那麼，
[0012]功率a Jmax使得傳感器S1和最接近的中心節點通訊，但不會覆蓋到臨近的其它中心節點；[0013]功率a 2Pmax使得傳感器S1和相距不超過1.5dg米的3個中心節點進行通信；
[0014]類似地，功率a 3Pmax使得傳感器SI和相距不超過2.5dg米的5個中心節點進行通信，但是更遠的杆塔上的中心節點收不到此信號；
[0015]2)傳感器S1與中心節點建立通信過程如下:
[0016]2.1)當S1將數據上傳到中心節點時，
[0017]2.1.DS1以功率a ^fflax與相距最近的中心節點C，進行握手嘗試；如果握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊；
[0018]2.1.2)如果不成功，S1提高發射功率至a 2Pmax,與相距不超過1.5dg的中心節點，進行握手嘗試，如果與任何一個中心節點握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊；
[0019]2.1.3)否則，SI再次提高發射功率至a 3Pmax，與相距不超過2.5dg的中心節點，按照防碰撞預約機制進行三次握手嘗試，如果與任何一個中心節點握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊；
[0020]2.1.4)如果還不能握手成功，則此次通訊嘗試失敗；
[0021]2.2)依此類推 ，傳感器S2、S3.....Sn與中心節點建立通信連接的過程同步驟
2.1)。
[0022]進一步，所述步驟2)，如果傳感器在Tq時間內沒有收到預計的確認幀，就初步判斷相應的中心節點發生故障。
[0023]所述步驟2)中，當傳感器以功率a 2Pmax或a 3Pmax發送握手請求後:如果只接收到一個中心節點的確認成功預約時，那麼傳感器僅與此中心節點進行連接，並進行數據通信；如果收到多個中心節點的確認幀時，則選擇確認幀上的時間戳最早的一個建立連接，並進行數據通信。
[0024]更進一步，所述步驟2.1)中，握手過程分為四步:
[0025]①傳感器通過控制信道向中心節點發送請求幀，來探測是否能與中心節點進行通信，並預約空閒的數據時隙。
[0026]②中心節點在收到傳感器的請求幀後，隨即發送一個確認幀，將數據時隙分配的結果通知傳感器。
[0027]③如果傳感器分配到了一個數據時隙，就發送一個幀來確認與中心節點的通信；否則，傳感器就發送一個幀結束與中心節點的本次通信，等待一個隨機延時後，再次嘗試握手。
[0028]④如果傳感器確認能夠建立連接，那麼，中心節點接收到這個確認幀後，就在約定好的數據時隙開始與該傳感器進行數據通信。
[0029]握手過程中，如果中心節點在短時間內接收到多個傳感器的請求，根據接收到請求幀的先後，按照先到先得的原則，將空閒時隙分配給相應的傳感器；如果空閒時隙分配完，則通知剩餘的傳感器中心節點正忙，這些傳感器將在一段隨機延時後，再次發送請求幀。
[0030]若傳感器在一個Tq的延時後沒有收到中心節點的確認，則再次發送請求，其中，Tq不小於傳感器到中心節點的RTT (Round Trip Time,往返時間)。
[0031]本發明的技術構思為:整個通信過程中傳感器依次採集數據並上傳的模式，不僅讓傳感器得到了充分的休息，保證了蓄電池電量損耗的減小。而且，還保障了網絡通信的流暢性，同時也減緩了中心節點處理數據的壓力，能給後臺的工作給予高效、及時、省時的支持。
[0032]本發明的有益效果主要表現在:1、增大功率自動重傳數據幀保證了數據幀的有效、可靠的傳輸；2、當網絡中一個或幾個中心節點發生故障的時候，傳感器依然可以將數據及時發送。不會因為少數一個或幾個中心節點故障導致傳輸失敗，大大提高了網絡的可靠性和容錯能力；3、先用小功率，再嘗試較大功率來傳輸數據幀可以減少電池的損耗，達到了省電的目的；4、能檢測出發生故障的中心節點，提高了對網絡故障自動檢測的能力，有效降低了維護成本；5、保證了傳感器能與中心節點之間的數據傳輸不發生碰撞；6、合理分配了數據傳輸信道使用，不亂用、不隨便佔用正在進行信息傳輸的通信信道。使傳感器之間的幹擾儘量減少，保證了各個節點之間的正常工作，使網絡能良好的運營；7、不佔用傳感器重傳機制的時間，使之能有更高效的信道利用率。8、控制信道的使用，保證了通信過程的可靠性，大大減低各個傳感器在預約過程中幀與幀之間發生碰撞的可能，使整個通信可以有條理不受幹擾的進行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是整個輸電線路系統架構模型圖。
[0034]圖2是中心節點與傳感器的連接結構圖。
[0035]圖3是自動功率增大重傳機制的流程圖。
[0036]圖4是傳感器與中心節點之間的通信過程圖。
[0037]圖5是傳感器與中心節點建立連接的流程圖。`【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0039]參照圖1~圖5，一種基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，所述數據傳輸方法包括以下步驟:
[0040]I)初始參數設定:
[0041]設定一個傳感器S1每隔T。分鐘採集一次數據並上傳到中心節點1，各個傳感器2之間採用依次輪流循環的工作方式；
[0042]假設任意兩桿塔間距為dg米，採用發射功率可調的無線通信模塊，其最大功率Pmax至少可以覆蓋半徑為2.5(18米的範圍；也就是說，一個傳感器2最多可以同時和相鄰的5個中心節點進行通信；
[0043]中心節點I和傳感器2的通信通過控制信道和數據信道進行。其中，控制信道負責控制信令的傳輸，如握手過程；數據信道負責傳輸數據。
[0044]每兩個相鄰的中心節點相距dg米。
[0045]設定功率增大係數α η α 2、α 3，且0〈 a ^ α 2〈 α 3<1 ;傳感器發射功率最大值為Pmax，那麼，
[0046]功率a ,Pfflax使得傳感器S1和最接近的中心節點C通訊，但不會覆蓋到臨近的其它中心節點；[0047]功率a 2Pmax使得傳感器S1和相距不超過1.5dg米的3個中心節點C、B、D進行通?目;
[0048]類似地，功率a 3Pmax使得傳感器S1和相距不超過2.5dg米的5個中心節點C、B、D、
A、E進行通信，但是更遠的杆塔上的中心節點收不到此信號；
[0049]2)傳感器S1與中心節點建立通信過程如下:
[0050]2.1)當S1將數據上傳到中心節點時，
[0051]2.1.DS1以功率a ^fflax與相距最近的中心節點，進行握手嘗試；如果握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊；
[0052]2.1.2)如果不成功，S1提高發射功率至a 2Pmax,與相距不到1.5dg的中心節點C、
B、D，進行握手嘗試，如果與任何一個中心節點握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊；
[0053]2.1.3)否則，S1再次提高發射功率至a 3Pmax,與相距不到2.5dg的中心節點C、B、D、A、E，按照防碰撞預約機制進行三次握手嘗試，如果與任何一個中心節點握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊；
[0054]2.1.4)如果還不能握手成功，則此次通訊嘗試失敗；
[0055]2.2)依此類推，傳感器S2、S3.....Sn與中心節點建立通信連接的過程同步驟
2.1)。
`[0056]進一步，所述步驟2)，如果傳感器在Tq時間內沒有收到預計的確認幀，就初步判斷相應的中心節點發生故障。
[0057]所述步驟2)中，當傳感器以功率a 2Pmax或a 3Pmax發送握手請求後:如果只接收到一個中心節點的確認成功預約時，那麼傳感器僅與此中心節點進行連接，並進行數據通信；如果收到多個中心節點的確認幀時，則選擇確認幀上的時間戳最早的一個建立連接，並進行數據通信。
[0058]更進一步，所述步驟2.1)中，握手過程分為四步:
[0059]①傳感器通過控制信道向中心節點發送請求幀，來探測是否能與中心節點進行通信，並預約空閒的數據時隙。
[0060]②中心節點在收到傳感器的請求幀後，隨即發送一個確認幀，將數據時隙分配的結果通知傳感器。
[0061]③如果傳感器分配到了一個數據時隙，就發送一個幀來確認與中心節點的通信；否則，傳感器就發送一個幀結束與中心節點的本次通信，等待一個隨機延時後，再次嘗試握手。
[0062]④如果傳感器確認能夠建立連接，那麼，中心節點接收到這個確認幀後，就在約定好的數據時隙開始與該傳感器進行數據通信。
[0063]握手過程中，如果中心節點在短時間內接收到多個傳感器的請求，根據接收到請求幀的先後，按照先到先得的原則，將空閒時隙分配給相應的傳感器；如果空閒時隙分配完，則通知剩餘的傳感器中心節點正忙，這些傳感器將在一段隨機延時後，再次發送請求幀。
[0064]若傳感器在一個Tq的延時後沒有收到中心節點的確認，則再次發送請求，其中，Tq不小於傳感器到中心節點的RTT。[0065]本實施例中，中心節點和傳感器間擁有相互獨立的數據信道和控制信道，分別對數據和控制時隙的信息進行相應的處理。控制信道接收傳感器發送來的請求幀、確認幀等控制信息，建立傳感器和中心節點間的通信，發送數據時隙的分配信息；數據信道提供傳感器和中心節點間的數據傳輸。
[0066]高可靠傳輸機制是通過一套防碰撞預約機制和自動功率增大重傳機制共同完成的。它們確保了無線信道的有效和高效的利用，以及當某中心節點發生故障的時候，傳感器依然可以通過其它中心節點向後臺發送數據。這樣，就可以保證野外安裝的中心節點和傳感器能夠在最低限度維護的條件下，儘可能利用現有網絡中依然完好的部分進行通訊，並完成其功能；同時，此機制還可以有效探測到可能發生故障的中心節點，降低了系統維護的成本。
[0067]代表性環境設定:不失一般性假設一個杆塔上有η條輸電線,每條輸電線上只有一個傳感器。那麼，安裝於杆塔C上的每條輸電線上的傳感器分別稱為Sp S2> S3、....Sn。
[0068]I)初始參數設定:
[0069]設定一個傳感器每隔T。分鐘採集一次數據並上傳到中心節點，各個傳感器之間採用依次輪流循環的工作方式。
[0070]中心節點和傳感器的通信通過控制信道和數據信道進行。其中，控制信道負責控制信令的傳輸，如握手過程； 數據信道負責傳輸數據。
[0071]任意兩個相鄰的杆塔相距dg米。
[0072]設定功率增大係數a 1、α 2、α 3，且0〈 α ^ α 2〈 α 3<1 ;傳感器發射功率最大值為Pmax。那麼，
[0073]功率a Jmax使得傳感器31可以和最接近的中心節點通訊，但不會覆蓋到臨近的其它中心節點。如圖1中，杆塔C上附近的傳感器以功率a ^max只可以和杆塔C上的中心節點通訊；相鄰杆塔B、D上的中心節點無法收到此信號。
[0074]功率a 2Pmax使得杆塔C上的傳感器可以和相距不到1.5dg的杆塔C、B、D上的中心節點進行通信，但是更遠的杆塔A、E上的中心節點收不到此信號。
[0075]類似地，功率a 3Pmax使得杆塔C上的傳感器可以和相距不超過2.5dg的杆塔C、B、D、A、E上的中心節點進行通信，但是更遠的杆塔上的中心節點收不到此信號。
[0076]2)以下給出傳感器S1與中心節點建立通信的詳細過程:
[0077]2.1)當S1將數據上傳到中心節點時，
[0078]2.1.DS1以功率a ^max與最近的中心節點C，按照2.1節中論述的防碰撞預約機制進行三次握手嘗試。如果任何一次握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊。
[0079]2.1.2)如果三次嘗試不成功，S1提高發射功率至a 2Pmax,與相距不到1.5dg的中心節點C、B、D，同樣按照2.1節中論述的防碰撞預約機制進行三次握手嘗試。如果與任何一個中心節點握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊。
[0080]2.1.3)否則，SI再次提高發射功率至a 3Pmax，與距離不超過2.5dg的中心節點C、
B、D、A、E，按照防碰撞預約機制進行三次握手嘗試。如果與任何一個中心節點握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊。
[0081]2.1.4)如果還不能握手成功，則此次通訊嘗試失敗。[0082]2.2)依此類推，傳感器S2、S3、....Sn與中心節點建立通信連接的過程同上。
[0083]附加情況如下:如果傳感器在Tq時間內沒有收到預計的確認幀，就初步判斷相應的中心節點發生故障。例如，當傳感器S1以功率Ci2Pmax發送握手請求，預計可以收到來自於中心節點C、B、D的三份確認。如果缺少其中的任何一個的確認，就可以初步認為此中心節點發生故障。
[0084]當傳感器以功率a2Pmax或a 3Pmax發送握手請求後:如果只接收到一個中心節點的確認成功預約時，那麼傳感器僅與此中心節點進行連接，並進行數據通信。如果收到多個中心節點的確認幀時，則選擇確認幀上的時間戳最早的一個建立連接，並進行數據通信。
[0085]在發送數據之前，傳感器必須知道與中心節點通信的數據傳輸信道是否被佔用，並通過一個握手過程建立連接，以達到防碰撞預約的目的。
[0086]握手過程分為三步:
[0087]①傳感器通過控制信道向中心節點發送請求幀，來探測是否能與中心節點進行通信，並預約空閒的數據時隙。
[0088]②中心節點在收到傳感器的請求幀後，隨即發送一個確認幀，將數據時隙分配的結果通知傳感器。
[0089]③如果傳感器分配到了一個數據時隙，就發送一個幀來確認與中心節點的通信；否則，傳感器就發送一個幀結束與中心節點的本次通信，等待一個隨機延時後，再次嘗試握手。
[0090]④如果傳感器確認能夠建立連接，那麼，中心節點接收到這個確認幀後，就在約定好的數據時隙開始與該傳感器進行數據通信。
[0091]傳感器和中心節點整個通信的過程如下圖3所示:
[0092]在握手過程中，在傳感器對中心節點發出請求幀後，中心節點會根據自身的不同情況來對發來請求幀的傳感器做出相應的回覆。
[0093]附加情況處理:如果中心節點在短時間內接收到多個傳感器的請求，根據接收到請求幀的先後，按照先到先得的原則，將空閒時隙分配給相應的傳感器。如果空閒時隙分配完，則通知剩餘的傳感器「中心節點正忙」。這些傳感器將在一段隨機延時後，再次發送請求幀。
[0094]若傳感器在一個Tq的延時後沒有收到中心節點的確認，則再次發送請求。其中，Tq一般不小於傳感器到中心節點的RTT。三次不成功後，採用功率增大自動重傳機制。
[0095]傳感器與中心節點建立通信連接的具體流程圖如下圖4所示。
【權利要求】
1.一種基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，其特徵在於:所述數據傳輸方法包括以下步驟: 1)初始參數設定: 設定任一個傳感器每隔T。分鐘採集一次數據並上傳到中心節點，各個傳感器之間採用依次輪流循環的工作方式； 假設任意兩桿塔間距為(18米，採用發射功率可調的無線通信模塊，其最大功率Pmax至少可以覆蓋半徑為2.5(18米的範圍；也就是說，一個傳感器最多可以同時和相鄰的5個中心節點進行通信； 設定功率增大係數a 1、α 2、α 3，且0〈 a Z α 2〈 α 3〈1 ;傳感器發射功率最大值為Pmax,那麼， 功率a Jmax使得傳感器S1和最接近的中心節點通訊，但不會覆蓋到臨近的其它中心節佔.功率a 2Pmax使得傳感器S1和相距不超過1.5dg米的3個中心節點進行通信； 類似地，功率a 3Pmax使得傳感器S1和相距不超過2.5dg米的5個中心節點進行通信，但是更遠的杆塔上的中心節點收不到此信號； 2)傳感器S1與中心節點建立通信過程如下: 2.1)當S1將數據上傳到中心節點時，` 2.1.DS1以功率Ci1Pmax與杆塔上的中心節點，進行握手嘗試；如果握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊； 2.1.2)如果不成功，S1提高發射功率至a2Pmax，與相距不超過1.5dg米的3個中心節點，進行握手嘗試，如果與任何一個中心節點握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊； 2.1.3)否則，S1再次提高發射功率至a3Pmax，與相距不超過2.5dg米的5個中心節點，按照防碰撞預約機制進行三次握手嘗試，如果與任何一個中心節點握手成功，那麼在後續的時間裡按照預約的時隙進行數據通訊； 2.1.4)如果還不能握手成功，則此次通訊嘗試失敗； 2.2)依此類推，傳感器S2、S3、....Sn與中心節點建立通信連接的過程同步驟2.1)。
2.如權利要求1所述的基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，其特徵在於:所述步驟2)，如果傳感器在Tq時間內沒有收到預計的確認幀，就初步判斷相應的中心節點發生故障。
3.如權利要求1或2所述的基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，其特徵在於:所述步驟2)中，當傳感器以功率a 2Pmax或a 3Pmax發送握手請求後:如果只接收到一個中心節點的確認成功預約時，那麼傳感器僅與此中心節點進行連接，並進行數據通信；如果收到多個中心節點的確認幀時，則選擇確認幀上的時間戳最早的一個建立連接，並進行數據通信。
4.如權利要求1或2所述的基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，其特徵在於:所述步驟2.1)中，握手過程分為四步: ①傳感器通過控制信道向中心節點發送請求幀，來探測是否能與中心節點進行通信，並預約空閒的數據時隙。②中心節點在收到傳感器的請求幀後，隨即發送一個確認幀，將數據時隙分配的結果通知傳感器。 ③如果傳感器分配到了一個數據時隙，就發送一個幀來確認與中心節點的通信；否則，傳感器就發送一個幀結束與中心節點的本次通信，等待一個隨機延時後，再次嘗試握手。 ④如果傳感器確認能夠建立連接，那麼，中心節點接收到這個確認幀後，就在約定好的數據時隙開始與該傳感器進行數據通信。
5.如權利要求4所述的基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，其特徵在 於:握手過程中，如果中心節點在短時間內接收到多個傳感器的請求，根據接收到請求幀的先後，按照先到先得的原則，將空閒時隙分配給相應的傳感器；如果空閒時隙分配完，則通知剩餘的傳感器中心節點正忙，這些傳感器將在一段隨機延時後，再次發送請求幀。
6.如權利要求4所述的基於自動功率增大重傳機制的輸電線路無線通信的數據傳輸方法，其特徵在於:握手過程中，若傳感器在一個Tq的延時後沒有收到中心節點的確認，則再次發送請求，其中，Tq不小於傳感器到中心節點的往返時間RTT。
【文檔編號】H04W52/48GK103763764SQ201310667319
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】麻銳, 謝波超, 孟利民, 王輝, 吳越 申請人:銀江股份有限公司