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用于电力线通信网络的先进交换节点选择
申请号	CN201310421282.8	申请日	2013-09-16	公开(公告)号	CN103825628A	公开(公告)日	2014-05-28
申请人	德克萨斯仪器股份有限公司;			发明人	R·为丹特姆; K·维亚雅三克尔; X·陆;
摘要	本申请涉及用于电力线通信网络的先进交换节点选择。一种用于在PLC网络中将终端节点提升到交换节点的方法降低总网络开销和冲突，同时确保交换节点的适当选择并且使PLC网络中的层级数目最小化。其也确保具有适当信噪比（SNR）的终端节点被提升。具有包含较少层级的网络是合乎期望的。所公开的方案支持更靠近DC的节点从而将它们提升为交换节点。这通过与更远离DC的节点相比为更靠近DC的节点等待较小数目的PNPDU来实现。
权利要求	1.一种在电力线通信网络即PLC网络中选择交换节点的方法，其包含：由新终端节点发起加入所述PLC网络的请求；由邻近终端节点向基础节点发送要提升到交换节点的请求；由所述基础节点选择新最优交换节点，其中根据生成的随机数通过概率算法确定所述新交换节点的选择；由所述基础节点向所选择的终端节点传输提升消息，其中所选择的终端节点变成所述新终端节点的新交换节点；以及由所述新交换节点传输请求所述新节点加入所述网络的信标。 2.根据权利要求1所述的方法，其中所述概率算法支持选择最靠近数据集中器的节点。 3.根据权利要求1所述的方法，其中与更远离数据集中器的节点相比，所述概率算法为更靠近所述数据集中器的节点等待较小数目的提升请求，以便产生较少的网络层级。 4.根据权利要求1所述的方法，其中加入所述网络的所述新终端请求是提升需要协议数据单元请求即PNPDU请求。 5.根据权利要求1所述的方法，其中来自邻近终端节点的请求是到所述基础节点的PROMOTION UP PROCESS（PRO_REQ_S）帧，所述帧请求将这些节点提升到交换节点以服务于尝试加入所述网络的所述新节点。 6.根据权利要求1所述的方法，其中向所选择的终端节点传输的所述提升消息是PRO_DN（PRO_REQ_B）消息。 7.根据权利要求1所述的方法，其中所述新终端在初始时没有收听到任何信标的情况下加入网络。 8.一种用于在电力线通信网络即PLC网络中选择交换节点的系统，其包含：请求加入所述PLC网络的新终端节点；基础节点，其具有用于新最优交换节点的选择的数据集中器，其中根据生成的随机数通过概率算法并且向所述新最优交换节点传输提升消息来确定所述新交换节点的选择；以及邻近终端节点，其用于向所述基础节点发送提升到交换节点的请求并且传输请求所述新节点加入所述网络的信标。 9.根据权利要求8所述的系统，其中所述概率算法支持选择最靠近数据集中器的节点。 10.根据权利要求8所述的系统，其中与更远离数据集中器的节点相比，所述概率算法为更靠近所述数据集中器的节点等待较小数目的提升请求，以便产生较少的网络层级。 11.根据权利要求8所述的系统，其中加入所述网络的所述新终端请求是提升需要协议数据单元请求即PNPDU请求。 12.根据权利要求8所述的系统，其中来自邻近终端节点的请求是到所述基础节点的PROMOTION UP PROCESS（PRO_REQ_S）帧，所述帧请求将这些节点提升到交换节点以服务于尝试加入所述网络的所述新节点。 13.根据权利要求8所述的系统，其中向所选择的终端节点传输的所述提升消息是PRO_DN（PRO_REQ_B）消息。 14.根据权利要求8所述的系统，其中所述新终端在初始时没有收听到任何信标的情况下加入网络。 15.一种用于在电力线通信网络即PLC网络中选择最优交换节点的算法，其包含：在具有数据集中器的基础节点处接收来自终端节点的请求，所述终端节点要求提升到交换节点以服务于尝试加入所述网络的新节点；由终端节点验证所接收的提升需要协议数据单元请求即PNPDU请求具有可接受的信噪比即SNR；为了减少网络拥塞的退避目的而生成随机数；以及由终端节点根据延迟基于概率函数向所述基础节点传输上提过程消息，所述延迟基于所述节点的层级和所生成的随机数乘以节点PNPDU的层级。 16.根据权利要求15所述的算法，其中通过支持更靠近所述数据集中器的节点而将它们提升为交换节点来创建较少的层级。 17.根据权利要求15所述的算法，其中与更远离数据集中器的节点相比，所述算法为更靠近所述数据集中器的节点等待较小数目的提升请求，以便产生较少的网络层级。 18.根据权利要求15所述的算法，其中如果所述终端节点已经参与该请求终端节点或任何其他请求终端节点的上提过程，则不需要发起上提过程。 19.根据权利要求15所述的算法，其中如果所述SNR低于预定阈值，则不为该节点执行上提过程。 20.根据权利要求15所述的算法，其中当终端节点接收PNPDU时，所述终端节点将所述PNPDU与扩展唯一标识符即EUI地址一起添加到PNPDU列表。
说明书全文	用于电力线通信网络的先进交换节点选择技术领域 [0001] 本发明总体涉及电力线通信网络，并且更具体地涉及将终端节点提升到交换节点。背景技术 [0002] 电力线通信或电力线载体（PLC）是用于在也用于电力传输的导体上承载数据的系统。范围从家庭自动化到互联网接入的不同应用都需要宽范围的电力线通信技术。 [0003] 电力使用高压传输线经过长距离传输，经由中等电压配电，并且在较低电压下在建筑物内使用。因此，电网允许经过长距离的相对低成本通信。全双工和半双工系统（单路和双路系统）已为了例如自动远程仪表读数等目的成功使用数十年。 [0004] 电力线通信系统通过在布线系统上施加调制载波信号来进行操作。不同类型的电力线通信使用不同的频段，这取决于所使用的电力布线的信号传输特性。由于配电系统初始意图用于在50Hz或60Hz的典型频率下传输AC电力，因此电力线路仅具有有限的承载较高频率的能力。传播问题是每种类型的电力线通信的限制因素。数据速率和距离限制在许多电力线通信标准上广泛变化。在高压传输线上施加的低频（约100-200kHz）载波可以用每秒几百比特的等效数据速率承载一个或两个模拟语音电路或遥测和控制电路；然而这些电路可能是许多英里长。更高的数据速率一般意味着更短的范围；以每秒数百万比特的速率操作的局域网可能仅覆盖办公大楼的一层，但消除了对安装专用网络电缆的需求。 [0005] 窄带电力线通信在电力供应变得广泛之后不久开始。在1922年左右第一个载频系统开始为遥测目的以15到500kHz的频率经由高压线进行操作，并且这继续发展。消费类产品例如婴儿报警器已至少自从1940年可用。在1930年代，脉动载波信令被引入到中等电压（10-20kV）和低电压（240/415V）配电系统上。多年来，继续针对适用于例如远程仪表读数等应用的低成本双向技术进行研究。EDF（法国电力）将被称为“扩展频移键控”或S-FSK的系统原型化并标准化（见于IEC61334）。该系统现在是有长期历史的简单低成本系统。然而，其具有在每秒200和800比特之间的非常低的传输速率。在1970年代，东京电力公司进行了试验，该试验报导了具有几百个单元的成功的双向操作。自从1980年代中期以来，已出现对使用数字通信技术和数字信号处理的潜在性的高涨兴趣。驱动力是产生足够便宜以便于广泛安装并且能够用无线解决方案进行成本有效地竞争的可靠系统。 [0006] 干线通信的应用变化巨大，因为可以预期到如此广泛可用的媒介。窄带电力线通信的一个自然应用是电气设备例如计量表、开关、加热器和家用电气的控制和遥测。数个有效的发展从系统的视角考虑了这样的应用，例如需求侧管理，其中家用电气将智能地协调它们的资源使用，例如限制峰值负载。控制和遥测应用包括涉及属于公共设施公司的设备直到家庭计量表的“公共设施侧”应用以及涉及在消费者的房屋中的设备的“消费者侧”应用。可能的公共设施侧应用包括自动计量表读数（AMR）、动态收费控制、负载管理、负载分布记录、信贷控制、预付款、远程连接、诈骗检测和网络管理，并且可以延伸到包括煤气和水。法国EDF的一个项目包括需求管理、街道照明控制、远程计量和记账、消费者专用收费最优化、合同管理、费用估计和煤气应用安全性。也存在在家里使用市电供电作为用于遥测的常规数据链路的许多专用壁橱应用。例如在英国和欧洲，电视观众监控系统在家里不同房间中监控电视观看活动的装置和连接到电话调制解调器的数据集中器之间使用电力线通信作为常规数据路径。 [0007] 若干竞争组织具有已开发的规范，包括家庭插电电线联盟（HomePlug Powerline Alliance）、通用电力线协会（Universal Power line Association）和HD-PLC联盟。在2008年12月，ITU-T采纳建议G.hn/G.9960作为高速电力线、同轴电缆和电话线通信的标准。国家能源营销者协会也涉及倡导标准。IEEE P1901是为高速电力线通信开发全球标准的IEEE工作组。在2009年7月，该工作组批准其“IEEE1901Draft Standard for Broadband over Power Line Networks：Medium Access Control and Physical Layer Specifications”作为用于经由电力线的宽带的IEEE草案标准，该草案标准定义媒体访问控制和物理层规范。IEEE1901草案标准由IEEE在2010年1月公开，并且最终标准在2010年9月30日批准并在2011年2月1日公开。NIST已包括IEEE1901，HomePlug AV和ITU-T G.hn作为在美国的智能电网的“经过进一步检查的由NIST确认的附加标准”。PRIME是已在西班牙由公共设施例如Iberdrola和Unión Fenosa广泛采纳的窄带PLE技术中的一种。具体来说，PRIME PLC系统操作在通过引用合并于此的电力线智能计量演进规范草案中定义。 [0008] PLC系统的增加使用已产生从所有计量点规则地获得数据以便更好地控制并操作系统的需求。具体来说，具有在数据集中器中有效选择交换节点且同时也确保挑选最优可能节点提升为交换节点的需求。发明内容 [0009] 本文公开的实施例通过为PLC系统中的最优交换节点选择提供有效算法来解决上述需求。 [0010] 根据一个方法实施例，通过由新终端节点发起加入PLC网络的请求，由邻近终端节点向基础节点发送要提升到交换节点的请求，并且由基础节点选择新的最优交换节点，来选择电力线通信（PLC）系统中的交换节点。新交换节点的选择由概率算法根据所生成的随机数并且通过由基础节点向所选择的终端节点传输提升消息来确定，然后所选择的终端节点变成用于新终端节点的新交换节点。新交换节点传输请求新节点加入网络的信标。 [0011] 根据一个系统实施例，一种系统包括将在电力线通信（PLC）系统中选择的交换节点。该系统包括请求加入PLC网络的新终端节点和具有用于选择新最优交换节点的数据集中器的基础节点。由概率算法根据所生成的随机数并且通过向新最优交换节点传输提升消息来确定新交换节点的选择。邻近终端节点向基础节点发送要提升到交换节点的请求并且传输请求新节点加入网络的信标。 [0012] 根据算法实施例，电力线通信（PLC）网络中的最优交换节点被选择。该算法进行操作以在具有数据集中器的基础节点处接收来自终端节点的请求，该终端节点要求提升到交换节点以服务于尝试加入网络的新节点。该算法由终端节点验证所接收的提升需要协议数据单元（PNPDU）请求具有可接受的信噪比（SNR）。该算法为减小网络拥塞的目的生成随机数退避（back-off），并且由终端节点根据延迟基于概率函数向基础节点传输上提过程消息，该延迟基于节点的层级和所生成的随机数乘以节点PNPDU的层级。附图说明 [0013] 图1是示出在其中可以使用先进交换节点选择的电力线通信网络的示例的图示； [0014] 图2是示出先进交换节点选择的示例性概略流程图； [0015] 图3是示出在先进交换节点选择期间的示例性上提传输过程的详细流程图；以及[0016] 图4是示出在先进交换节点选择期间的示例性下提选择过程的状态图。 [0017] 在附图的各图中，相同的参考数字用来表示相同或相似的部分。具体实施方式 [0018] 单词“示例性”在此用来意味着“用作示例、实例或图示说明”。在此描述为“示例性”的任何实施例不必需解释为比其他实施例更优选或更有利。 [0019] 本发明公开了用于减小总体网络开销且同时确保交换节点的适当选择并使PLC网络中的层级数目最小化的算法。该算法确保在节点提升过程期间减轻流量开销。其也确保提升具有适当信噪比（SNR）的终端节点。该算法描述了终端节点到交换节点的提升过程。 [0020] 图1是示出在其中可以使用先进交换节点选择的电力线通信网络100的示例的图示。电力从发电站102向升压变压器104传输，在升压变压器104中电压被提高以便使用高压传输线106b经过长距离传输。电压可以在到达配电分站110之前在升压变压器104或者一个或更多传输分站108中被升高到在765kV-230kV138kV之间的值。在配电分站110处，可以使用分站降压变压器112降低电压以便经由配电传输线106b输送到消费者。例如，26kV和69kV电力可以被分配给二次传输消费者114例如大型工厂。13kV电力可以被分配给一级消费者例如中等规模工厂。120V和240V电力可以被分配给二级消费者或居民消费者。配电分站110通常是含有数据集中器（未示出）的基础节点。因此，图1示出了可以用于电力线通信的从发电站到消费者的示例性格状网络。 [0021] 图2是示出先进交换节点选择200的示例性概略流程图。先进交换节点算法可以按照电力线智能计量演进规范草案进行详细描述。然而，本领域技术人员将认识到先进交换节点算法可应用于任何PLC标准。 [0022] 当新终端节点尝试加入网络时，其在步骤202中发起请求消息。例如，在PRIME标准中，如果终端节点不能检测到来自现有交换节点的任何信标，则以数据帧的形式发出PNPDU（提升需要协议数据单元）请求。该数据帧实质上请求通常位于配电分站110处的数据集中器或基础节点（BN）将邻近新终端节点的终端节点之一提升为交换节点。 [0023] PNPDU是潜在可以由邻近的多个终端节点收听的单跳（one-hop）广播。在步骤204中，邻近终端节点向BN发送PROMOTION UP PROCESS（PRO_REQ_S）帧，该帧请求将该节点提升到交换节点以服务于尝试在步骤204中加入新网络的新节点。控制流程进行到步骤206。 [0024] 在步骤206中，数据集中器或基础节点将基于专有算法确定需要提升为交换节点的适当终端节点，该专有算法包含在图3和图4中分别详述的上提和降级过程。控制流程进行到步骤208。 [0025] 在步骤208中，数据集中器向将被提升为交换节点的终端节点传输PRO_DN（PRO_REQ_B）消息。控制流程进行到步骤210。 [0026] 在步骤210中，新提升的交换节点为将要加入网络的新终端节点传输信标。以此方式，新节点可以加入网络，即使其初始不能收听到任何信标。 [0027] 图3是示出在先进交换节点选择206期间的示例性上提传输过程的详细流程图。该上提传输过程减少网络中的总体层级以及交换节点的数目，同时确保交换节点是充分鲁棒的，即在与新节点通信时具有大于预定阈值的信噪比（SNR）。其也确保减轻在该过程期间的流量开销，并且网络在节点提升过程期间是稳定的。 [0028] 上提传输在基础节点接收到来自终端节点的请求之后在步骤302开始，该终端节点要求被提升到交换节点以便服务于尝试加入网络的新节点。控制进行到步骤304。 [0029] 在步骤304中，当终端节点接收到PNPDU时，其将该PNPDU与PNA或扩展唯一标识符（EUI）地址一起添加到PNPDU列表。控制流程进行到步骤306。 [0030] 在步骤306中，如果终端节点已经参与该请求终端节点或任何其他请求终端节点的上提过程，则不需要发起上提过程，并且控制流程因此进行到步骤308，其中不需要提升并且控制流程进行到步骤310。否则，控制流程进行到步骤322。 [0031] 在步骤322中，终端节点首先检验所接收的PNPDU的SNR。如果SNR低于预定阈值（例如10dB），则不为该节点执行上提进程，并且控制流程进行到步骤308，其中不需要提升并且控制流程进行到步骤310。否则，对于与新节点进行有效通信来说SNR是可接受的，并且控制流程进行到步骤316。 [0032] 在步骤316中，终端节点首先为了减小网络拥塞的退避目的而生成随机数。控制流程进行到步骤314。 [0033] 在步骤314中，终端节点根据在步骤316中生成的随机数基于概率函数向基础节点传输上提过程消息，并且控制流程进行到步骤310。根据延迟传输上提请求，该延迟基于在接收乘以节点PNPDU的层级的随机数之后的节点的层级。期望具有较少层级的网络，并且该方案支持更靠近DC的节点以将它们提升为交换节点。这通过与更远离DC的节点相比为更靠近DC的节点等待较小数目的PNPDU来实现。 [0034] 上提请求仅在该延迟之后生成，并且将在PRIME中按照CSMA/CA程序进行传输。由于PNPDU在PRIME中由每个节点以相当高的速率生成，因此应注意到因为PNPDU的产生将自动触发由相同节点多次传输PRO_REQ_S帧，所以与其他控制帧不同，上提过程帧不需要任何重传输。 [0035] 在步骤310中，为更多的唯一EUI地址检查PNPDU列表。如果在列表中没有更多的唯一地址，则控制流程在步骤312结束。否则控制流程进行到步骤318。 [0036] 在步骤318中，如果预定超时时段已经期满，则节点可以接受来自相同请求节点或任何其他节点的任何PNPDU以执行上提程序，并且控制返回到步骤304。否则，控制流程进行到步骤320，其中在随后返回到步骤304之前，节点为任何正在进行的提升（ongoing promotion）过程等待来自DC的响应（PRO_REQ_B帧）。 [0037] 图4是示出先进交换节点选择的示例性下提选择程序400或降级过程的状态图。基础节点402或交换节点（404，408，410）可以在任何时间中断新节点406的交换功能。降级机制使用PRO控制数据包为所有降级事务提供该过程。PRO控制数据包的PRO.NSID字段含有作为降级事务的一部分的被降级节点的SID。PRO.PNA字段不用在任何降级过程事务中，并且其内容不在任一端解释。在成功完成降级过程之后，交换节点应立即停止信标的传输并且从交换功能状态改变成终端功能状态。基础节点可以在（macMaxCtlReTx+1）*macCtlReTxTimer秒之后向请求提升的其他终端节点重分配由降级交换节点使用的SID和信标时隙。 [0038] 以此方式，本发明公开了用于提升交换节点且同时也确保最优可能节点被选择以便提升为交换节点的有效算法。防止收听到请求消息以便同时开始提升过程的所有终端节点在网络中泛滥而干扰控制（ALV消息）和数据（短周期和长周期计量表读数）流量到已经是该网络一部分的节点的传输。因为提升请求与邻近节点内的不同节点隔开，因此该过程允许较少的流量并维持网络中的连通性以及计量表读数和其他操作的可用性。 [0039] 本领域技术人员进一步认识到，结合在此公开的实施例描述的各种图示逻辑块、模块、线路和算法步骤可以实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为说明硬件和软件的这种可交换性，各种图示部件、区块、模块、线路和步骤已在上面按照它们的功能性一般地描述。这样的功能性是否实施为硬件或软件取决于特定应用和在整体系统上施加的设计约束。技术人员可以用变化的方式为每个特定应用实施所描述的功能性，但这样的实施决策不应解释为导致背离本发明的保护范围。 [0040] 结合在此公开的实施例描述的各种图示逻辑块、模块和线路可以用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或被设计为执行在此描述的功能的其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件或其任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换实施例中，该处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实施为计算装置的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或更多微处理器或者任何其他此类配置。 [0041] 结合在此公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接在硬件、由处理器执行的软件模块或两者的组合中实施。软件模块可以位于RAM 存储器、闪存存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除磁盘、CR-ROM或本领域中已知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质被耦合到处理器，以使处理器可以从该存储介质读取信息并且将信息写入到该存储介质。在替换实施例中，存储介质可以与处理器是一体的。处理器和存储介质可以位于ASIC中。ASIC可以位于用户终端中。在替换实施例中，处理器和存储介质可以作为分立部件位于用户终端中。 [0042] 在一个或更多示例性实施例中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。如果在软件中实施，则这些功能可以作为一个或更多指令或代码存储在计算机可读介质上或者在计算机可读介质上传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，该通信介质包括有利于将计算机程序从一处传递到另一处的任何介质。存储介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。例如并非限制地，此类计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁性存储装置或者可以用来以指令或数据结构的形式承载或存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。 [0043] 同样，任何连接被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光缆、双绞线对、数字用户线路（DSL）或无线技术例如红外、无线电和微波从网站、服务器或其他远程来源传输该软件，则该同轴电缆、光缆、双绞线对、DSL或无线技术例如红外、无线电和微波被包括在介质的定义中。如本文所用，磁盘和光盘包括高密度光盘（CD）、激光盘、光盘、数字通用光盘（DVD）、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘用激光光学地复制数据。上面的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。 [0044] 已经针对各种装置或元件描述了电气连接、耦合与连接。连接与耦合可以是直接的或间接的。在第一和第二电气装置之间的连接可以是直接电气连接或者可以是间接电气连接。间接电气连接可以包括插入元件，该插入元件可以处理从第一电气装置到第二电气装置的信号。 [0045] 尽管已经以某种程度的特殊性描述并图示说明了本发明，但应理解本公开仅作为示例，并且可以在不背离如在随附权利要求中要求保护的本发明的精神和范围的情况下存在各部分的组合与布置的众多变化。

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