基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法组成比例

基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，涉及通信领域。本发明专利技术是为了解决现有的电力线载波通信信道分配方法自适应性差且信道利用率低的问题。本发明专利技术所述的电力线载波通信信道动态分配方法，利用TDMA协议为通信网络中的所有节点分配信道，当信道分配完毕出现空时隙时，利用CSMA/CA协议为非主要节点分配信道。结合了TDMA和CSMA/CA的优势，在减少网络冲突的同时在网络负载实时变化的过程中，提高了信道利用率。可以应用在智能家居、楼宇自动化、轨道交通等多个领域。

Dynamic distribution method of power line carrier communication channel based on TDMA and CSMA/CA

The dynamic distribution method of power line carrier communication channel based on TDMA and CSMA/CA is involved in the field of communication. The present invention is to solve the problem that the existing power line carrier communication channel allocation method has poor adaptability and low channel utilization. The power line carrier communication channel dynamic allocation method of the invention utilizes TDMA protocol to allocate channels for all nodes in the communication network. When the channel allocation is completed, there is an empty slot, and the CSMA/CA protocol is used to allocate the channel to the non main nodes. Combined with the advantages of TDMA and CSMA/CA, the channel utilization is improved in the process of reducing network conflict and changing the network load in real time. It can be used in many fields, such as smart home, building automation, rail traffic and so on.

【技术实现步骤摘要】
基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法
本专利技术属于通信领域，尤其涉及电力线载波通信信道动态分配方法。
技术介绍
目前，网络资源中输配电网络覆盖面最广，并且具备数据通信的功能。基于电力线的通信技术与其他通信方式相比，最大的优势在于连接方便、分布广泛、开发方便且不需维护。利用低压电力线网络进行通信，可以应用在智能家居、远程抄表、楼宇自动化等领域。然而，电力线通信信道及网络的拓扑结构具有很强的时变性，这就要求设计出与之相匹配的信道动态分配方法。现有的电力线载波通信信道分配方法存在以下问题：1、自适应性差信道分配方法多采用CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，载波帧听多路访问/冲突避免)，它能有效降低冲突发生的几率。然而，该机制采用随机退避方式，自适应性比较差，特别是随着网络设备的增加，冲突会急剧增加，网络吞吐量和效率较低，导致网络不稳定。2、信道利用率低采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess，时分多址)固定时隙分配机制的信道分配方法在网络负载较重时也能保持良好的自适应性，但是如果节点在自己被分配的时隙内没有发送请求，就会出现空时隙，导致信道资源浪费，信道利用率低。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的电力线载波通信信道分配方法自适应性差且信道利用率低的问题，现提供基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法。基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，利用TDMA协议为通信网络中的所有节点分配信道，当信道分配完毕出现空时隙时，利用CSMA/CA协议为非主要节点分配信道，所述非主要节点满足以下要求：当前时刻属于非主时隙的主要节点帧听时段，且有数据发送需求。所述方法具体包括以下步骤：步骤一：通信网络中所有通信节点上电后，利用CCO占据第一个时隙并周期性广播当前通信网络的状态；步骤二：除CCO外的其他节点获取当前时刻；步骤三：判断各个节点当前时刻是否属于主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤四，否则执行步骤五；步骤四：判断节点是否要发送数据，是则占用信道发送数据，完成信道的分配，否则返回步骤二；步骤五：判断各个节点当前时刻是否属于非主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤六，否则返回步骤二；步骤六：节点对信道进行帧听，判断信道是否空闲，是则执行步骤七，否则执行步骤八；步骤七：启动退避计数器开始倒计时，倒计时完毕时，判断是否有其他节点要占用信道，即：信道冲突，是则执行步骤八，否则占用信道发送数据，完成信道的分配；步骤八：利用退避算法进行延时，然后返回步骤二。步骤四完成信道的分配后，返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。步骤七完成信道的分配后，执行步骤八进行延时，然后再返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。本专利技术所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，以TDMA固定时隙分配为基础，在不影响固定时隙分配的基础上，充分利用了信道资源。结合了TDMA和CSMA/CA的优势，在减少网络冲突的同时在网络负载实时变化的过程中，将信道利用率提高了3％。同时，本专利技术还具有以下优点：1、具有良好的自适应性，在网络负载加剧或减轻时都能表现出良好的网络性能。2、具有很强的通用性，可以应用在智能家居、楼宇自动化、轨道交通等多个领域。3、采用退避算法可以保证网络冲突尽可能小。本专利技术实现简单，通用性强，在低压电力线载波通信的各个应用领域均可投入使用。附图说明图1为TDMA时隙结构示意图；图2为一个节点的时间轴示意图；图3为基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法的流程图；图4为三种典型的物理拓扑结构示意图。具体实施方式在固定时隙分配方式中，人为定义并设定一个逻辑上的主节点为CCO(CentralCoordinator，中央协调器)。CCO按照节点的入网顺序依次将时隙分配给每个节点。将某时隙被分配给的节点称为该时隙的主要节点。将节点已被分配的时隙称为该节点的主时隙。TDMA时隙的结构如图1所示。节点对应的时间轴如图2所示。若某主要节点有发送请求，则在其主时隙到达时立刻占用信道发送数据。若在固定分配的时隙内信道空闲且主要节点没有发送请求，那么就会出现空时隙，导致信道资源浪费，信道利用率低。在本专利技术所述的动态分配方法中，为了充分利用信道资源，规定在空时隙内，满足以下两个条件的非主要节点也可以竞争信道：(1)时间到达其帧听时段；(2)有发送需求。满足条件的节点根据其优先级启动倒计时窗口，当数值减为0时，节点竞争信道，若无冲突，节点占用信道并发送数据。为了不影响后续固定时隙分配，规定节点占据且仅占据1个空时隙。若节点优先级相同而产生冲突，则采用退避算法更新帧听时刻。参照图3对上述动态分配方法进行具体说明，所述方法包括以下步骤：步骤一：通信网络中所有通信节点上电后，利用CCO占据第一个时隙并周期性广播当前通信网络的状态；步骤二：除CCO外的其他节点获取当前时刻；步骤三：判断各个节点当前时刻是否属于主时隙的主要节点帧听时段，是则节点为主要节点，执行步骤四，否则节点为非主要节点，执行步骤五；步骤四：判断节点是否要发送数据，是则占用信道发送数据，完成信道的分配，否则返回步骤二；步骤五：判断各个节点当前时刻是否属于非主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤六，否则返回步骤二；步骤六：节点对信道进行帧听，判断信道是否空闲，是则执行步骤七，否则执行步骤八；步骤七：启动退避计数器开始倒计时，倒计时完毕时，判断是否有其他节点要占用信道，即：信道冲突，是则执行步骤八，否则占用信道发送数据，完成信道的分配；步骤八：利用退避算法进行延时，然后返回步骤二。在步骤四完成信道的分配后，可以返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。在步骤七完成信道的分配后，可以执行步骤八，对时间进行更新，然后再返回步骤二，重新获取节点时刻，进行下一次的信道分配。上述步骤八中利用退避算法进行延时的具体方法为：利用下式实现延时：BC＝Int(CW×Rand())μs其中，BC表示延长的时间，CW表示指数竞争窗口参数，Rand()边坡是产生0-1之间的任一随机数，Int表示取整函数，μs表示微秒时间单位。上式中，CW取值范围从CWmin到CWmax之间。CW的取值方法具体为：初始化，取最小值CWmin；第i次退避时(其中i为正整数)，判断CWi≥CWmax，是则取CWi＝CWmax，否则使i＝i+1，CWi增大，并利用增大后的CWi计算BC。具体的，在初始化时，CW取值最小，当步骤七中出现冲突时，则CW增大，并获得对应的BC进行延时，即：完成一次退避。使用退避算法延时，直至数据发送成功，则初始化，CW恢复到CWmin，等待下次退避。当CW增加到CWmax时，则始终保持CWmax不变，即延时的时长不变。退避次数BPC与CW的取值关系如表1所示。表1BPC与CW关系具体实施例构建三种典型的物理网络拓扑结构，如图4所示，其中黑色实心节点为CCO。从Type(类型)1到Type3，网络中节点的集中程度由高至低，网络结构由简单到复杂。节点全部上电后，CCO周期性广播网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，利用TDMA协议为通信网络中的所有节点分配信道，当信道分配完毕出现空时隙时，利用CSMA/CA协议为非主要节点分配信道，所述非主要节点满足以下要求：当前时刻属于非主时隙的主要节点帧听时段，且有数据发送需求。

【技术特征摘要】
1.基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，利用TDMA协议为通信网络中的所有节点分配信道，当信道分配完毕出现空时隙时，利用CSMA/CA协议为非主要节点分配信道，所述非主要节点满足以下要求：当前时刻属于非主时隙的主要节点帧听时段，且有数据发送需求。2.根据权利要求1所述的基于TDMA与CSMA/CA的电力线载波通信信道动态分配方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤一：通信网络中所有通信节点上电后，利用CCO占据第一个时隙并周期性广播当前通信网络的状态；步骤二：除CCO外的其他节点获取当前时刻；步骤三：判断各个节点当前时刻是否属于主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤四，否则执行步骤五；步骤四：判断节点是否要发送数据，是则占用信道发送数据，完成信道的分配，否则返回步骤二；步骤五：判断各个节点当前时刻是否属于非主时隙的主要节点帧听时段，是则执行步骤六，否则返回步骤二；步骤六：节点对信道进行帧听，判断信道是否空闲，是则执行步骤七，否则执行步骤八；步骤七：启动退避计数器开始倒计时，倒计时完毕时，判断是否有其他节点要占用信道，即：信道冲突，是则执行步骤八，否则占用信道发送数据，完成信道的分配；步骤八：利用退避算法进行延时，然后返回步骤二。...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓胜，邹德琴，张佳瑞，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23