專利名稱：智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)系統(tǒng)和組網(wǎng)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)組網(wǎng)技術領域，尤其涉及智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)系統(tǒng)和組網(wǎng)方法。
背景技術：
在智能電網(wǎng)的無線監(jiān)測與遠程抄表系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術的選擇一般要具備:一是組建的網(wǎng)絡要有自動組網(wǎng)功能、數(shù)據(jù)傳輸可靠等性能；二是靈活的組網(wǎng)方式、低成本的控制、低能量的消耗、較高的傳輸安全性是無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)所必須具備的?，F(xiàn)階段，發(fā)展起來熱門流行的短距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術分別是W1-F1、藍牙技術、ZigBee、超寬帶技術(Ultra Wideband,簡稱UWB)和近距離無線傳輸(Near FieldCommunication,簡稱NFC)技術,下面對這些技術分別進行介紹:1、藍牙技術(Bluetooth)藍牙技術克服了紅外需要對準才能傳輸?shù)娜秉c，利用藍牙技術來實現(xiàn)設備間的無線通信。藍牙的出現(xiàn)實現(xiàn)了設備在小范圍內(nèi)的快速、安全、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸，也是目前無線個域網(wǎng)(Wireless PersonalArea Network,簡稱WPAN)的主流技術之一。它米用了全球通用的2.4GHz的ISM頻率段，確保了在全世界能夠暢通無阻地使用。該頻率段采用了 23個或79個頻道間隔為IMz時分雙工方式，使用快速調(diào)頻(1600跳/s)技術抗干擾，在發(fā)射功率為ImW時，IOm范圍內(nèi)都可以傳輸，當加大功率到IOOmW時，通信距離可以擴展到100m。藍牙技術組網(wǎng)靈活，目前已廣泛運用于三合一電話、內(nèi)特網(wǎng)橋、交互性會議、數(shù)碼相機中圖像的無線傳輸和各種家用電器中。2、W1-Fi(IEEE802.11)W1-Fi是IEEE定義的無線網(wǎng)絡通信的工業(yè)標準(IEEE802.11)。W1-Fi最早是在1997年提出來的，主要定義了介質訪問層(MAC層)和物理層。在物理層，W1-Fi定義了一個2.4GHz的ISM頻段，總的數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mb/s。1999年，IEEE又定義了兩個補充版本:802.1la和802.lib。其中802.1la是在5GHz的ISM頻段上速率為54Mb/s的物理層，而802.1lb則是在2.4GHz的ISM頻段上傳輸速率為llMb/s的物理層。由于2.4GHz在世界上大多數(shù)國家通用，所以IEEE802.1lb得到了更多的應用，也是當前應用最為廣泛的WLAN標準，W1-Fi技術具有的特點有:第一，覆蓋面積廣，半徑能達到100m,可在整棟大樓中應用。而最近Vivato公司推出的一款新型交換機能把W1-Fi無線網(wǎng)絡的通信距離擴大到6500m。第二，W1-Fi網(wǎng)絡的傳輸速度很快，可以達到llMb/s，但是傳輸?shù)馁|量不是太好，安全性能不及藍牙。第三，廠商進入該領域的門檻較低。第四，W1-Fi優(yōu)異的帶寬是以較大的能耗為代價的，所以一般的W1-Fi裝置都需要經(jīng)常充電。3、超寬帶技術(UWB)超寬帶技術的發(fā)展模式類似于W1-Fi，最早應用在軍事領域里。超寬帶系統(tǒng)中心頻率高于2.5GHz，并且至少具備500MHz的-1OdB頻寬?，F(xiàn)在也可用于無線局域網(wǎng)(WLAN)和短距離雷達等。4、近距離無線傳輸(NFC)基于無線設備問的“非接觸式射頻識別”(RFID)及互聯(lián)技術的基礎上，Philips、Nokia和Sony三家公司推出了短距離無線通信技術標準。與RFID不同的是，NFC采用了雙向識別和連接。其傳輸距離最長為20cm，工作在13.56MHz頻段，傳輸速率高。NFC滿足了任意兩個無線設備之間的信息交換和服務交換，讓信息的傳遞變得更加簡單化。5、ZigBeeZigBee是一種低速率、短距離的無線通信技術，它是介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術。和其他的技術相比，ZigBee是一種最節(jié)約能源的技術之一。它同樣適用
2.4GHz國際通用頻段，理論上可以組建65536個網(wǎng)絡節(jié)點。所以ZigBee技術適用于對數(shù)據(jù)傳輸速率不高，又需要大量節(jié)點和節(jié)約能耗的網(wǎng)絡，故在很多領域有較廣泛的運用。ZigBee協(xié)議棧比較簡單，實現(xiàn)起來也很容易，只要8位的處理器和4KB ROM和64KB的RAM就可以滿足最低需求。ZigBee協(xié)議棧是由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、應用匯聚層和高層應用規(guī)范組成。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是由IEEE制定的，而ZigBee聯(lián)盟負責定義高層應用規(guī)范、應用匯聚層、網(wǎng)絡層。應用匯聚層把安全屬性設置和多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚功能映射到ZigBee網(wǎng)絡上；網(wǎng)絡層采用了 Ad-Hoc技術的路由協(xié)議，在擁有常用的網(wǎng)絡層功能之外還應該和底層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準同樣低能耗。此外，ZigBee協(xié)議棧為了降低網(wǎng)絡的維修成本，還應該有自組網(wǎng)和自動維護功能。ZigBee采用了 2.4GHz和868/915MHz的物理層信道，2.4GHz物理層通過高階調(diào)制技術之后能達到250kbps的傳輸速度。868/915MHz都米用簡單的DSSS(Spread Spectrum,擴展頻譜)方法，其中868MHz是歐洲附加的ISM頻段，915MHz是美國的附加頻段，在這兩個頻段上工作則可以避開2.4GHz頻段的其他無線通信技術的無線電干擾。868MHz上的傳輸速度為20kbps，915MHz的傳輸速度為40kbps。使用ZigBee技術，兩個節(jié)點之間的有效傳輸距離根據(jù)環(huán)境狀況為10到75米，通信時延為15.30ms (典型搜索時延為30ms，休眠激活時延15ms,活動接入時延15ms)。此外，ZigBee采用了 64bit的IEEE地址和16bit的本地地址。在智能電網(wǎng)的搭建過程中，通過對電網(wǎng)組網(wǎng)方式的研究，合理地設計電表的采集和射頻節(jié)點分布的拓撲結構，優(yōu)化節(jié)點參數(shù)，解決耗電量、傳輸速率、空間傳輸頻譜利用率，帶寬等問題。還需要針對目前電力系統(tǒng)中平均負荷變換較大的特點，優(yōu)化資源配置，提高設備傳輸容量和利用率，在不同區(qū)域間進行及時調(diào)度，平衡電力供應缺口，實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)優(yōu)化運行。電力數(shù)據(jù)的無線傳輸方式中，引入認知無線電技術，利用未授權的頻譜，優(yōu)先使用暫時未被占用的頻段進行數(shù)據(jù)傳輸，為智能電網(wǎng)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式提供新的方法，解決空中頻譜資源稀缺，頻譜利用率低的問題。一般來講，利用無線傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡中無線通信技術的理想選擇是ZigBee技術，基于其節(jié)約能源，成本也較低，適合節(jié)點數(shù)量較多的無線傳感器網(wǎng)絡。雖然ZigBee技術是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的理想解決方案，但在實際的工程應用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范圍內(nèi)使用的頻率是2.4GHz，屬于微波范疇，特點是頻率高、波長短、直線傳播，在傳播方向上幾乎繞不開障礙物，再加上ZigBee節(jié)點的射頻發(fā)射功率非常低，因此ZigBee無線信號的穿透障礙物能力非常有限。雖然可以通過增加布置ZigBee路由節(jié)點來繞開障礙物，但這將會增加網(wǎng)絡的容量以及網(wǎng)絡的成本，而且有的場合是不允許再布置一個網(wǎng)絡節(jié)點的。此外，當網(wǎng)絡節(jié)點密度較大時，采用單獨的ZigBee頻段，可能會導致傳輸效率下降、網(wǎng)絡擁塞等情況。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題針對上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術問題是智能電網(wǎng)覆蓋面擴大后產(chǎn)生的通信瓶頸矛盾，及專網(wǎng)230MHz通信容量有限的問題。(二)技術方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)系統(tǒng)，所述通信網(wǎng)系統(tǒng)包括:傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和骨干網(wǎng)；所述傳感器節(jié)點包括傳感模塊、計算控制模塊和第一無線通信模塊；其中所述第一無線通信模塊包括認知選擇控制模塊和具有無線通信功能的ZigBee射頻模塊及230MHz射頻模塊，所述認知選擇控制模塊周期性檢測網(wǎng)絡中空閑頻段的信道可用性，如果所選空閑頻段的信道可用性符合通信要求則進入所選頻段相應的ZigBee射頻模塊或230MHz射頻模塊進行通信；所述傳感器節(jié)點感知頻譜空閑情況，并選擇合適頻段與所述匯聚節(jié)點通信；所述匯聚節(jié)點對所述傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行匯總和壓縮，采用電力線載波的通信方式上傳到所述骨干網(wǎng)。進一步地，所述無線通信模塊還包括定位跟蹤模塊，在所述傳感器節(jié)點之間建立起無線定位網(wǎng)絡，所述無線定位網(wǎng)絡包括協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點和定位節(jié)點，所述協(xié)調(diào)器用于所述無線定位網(wǎng)絡內(nèi)部的通信和對外的通信，所述參考節(jié)點的地理位置固定且已知，所述定位節(jié)點的地理位置變化，通過定位引擎結合與所述參考節(jié)點的相對位置進行定位。進一步地，所述無線通信模塊還包括地址識別模塊，用于創(chuàng)建路由表，為每個傳感器節(jié)點分配相應的地址，根據(jù)所述路由表內(nèi)的地址找到下一個節(jié)點。進一步地，所述認知選擇控制模塊包括頻譜感知模塊，用于在空閑頻段進行通信時感知所述空閑頻段的通信質量變差或所述空閑頻段的授權用戶占用所述空閑頻段進行通信時，立即對其他頻段的信道可用性進行檢測，再選擇符合通信要求的頻段進行通信。進一步地，所述認知選擇控制模塊還包括信道評估模塊，用于對空閑頻段的信道可用性進行評估。進一步地，所述匯聚節(jié)點包括具有無線通信功能的ZigBee射頻模塊及230MHz射頻模塊，不包括所述認知選擇控制模塊，所述匯聚節(jié)點輪詢所述ZigBee射頻模塊和230MHz射頻模塊，采集所述傳感器節(jié)點上報的信息，并轉發(fā)所述骨干網(wǎng)下達的配置信息。為解決上述技術問題，本發(fā)明還提供了一種智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信組網(wǎng)方法，所述方法具體包括:S1:傳感器節(jié)點搜索所在范圍內(nèi)是否有傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，如果沒有則不作處理，否則進入步驟S2 ；S2:在所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡范圍內(nèi)選定協(xié)調(diào)器，并發(fā)起入網(wǎng)請求，等待所述協(xié)調(diào)器的回復；S3:所述協(xié)調(diào)器對所述入網(wǎng)請求進行處理，確認是否答應所述傳感器節(jié)點的入網(wǎng)請求，如果答應則返回給所述傳感器節(jié)點允許應答，并為所述傳感器節(jié)點分配網(wǎng)絡地址作為標識符，成功加入所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，否則不返回響應，入網(wǎng)失??；S4:所述傳感器節(jié)點入網(wǎng)成功后，周期性檢測所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)空閑頻段的信道可用性，如果所選空閑頻段的信道可用性符合通信要求則利用所選頻段相應的ZigBee2.4GHz頻段或230MHz專用網(wǎng)頻段進行通信；S5:所述傳感器節(jié)點感知頻譜空閑情況，并選擇合適頻段與匯聚節(jié)點通信；S6:所述匯聚節(jié)點對所述傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行匯總和壓縮，采用電力線載波的通信方式上傳到骨干網(wǎng)。進一步地，所述步驟S3中傳感器節(jié)點入網(wǎng)成功后所述傳感器節(jié)點之間建立起無線定位網(wǎng)絡，用于所述傳感器節(jié)點在傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)改變位置或申請離開所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡時所述傳感器節(jié)點的定位；當所述傳感器節(jié)點在傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)改變位置時，所述傳感器節(jié)點的標識符不變，所述協(xié)調(diào)器為所述傳感器節(jié)點分配新的坐標，根據(jù)新的坐標計算并判斷通信質量知否變差，如果變差則所述傳感器節(jié)點重新對其它的空閑頻段進行信道可用性評估，選擇所述信道可用性符合通信要求的空閑頻段進行通信；當所述傳感器節(jié)點申請離開所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡時，所述傳感器節(jié)點向所述協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送離網(wǎng)請求；所述協(xié)調(diào)器或所述路由器接收所述離網(wǎng)請求，回復離網(wǎng)應答，并將所述傳感器節(jié)點的標識符從列表中刪除；判斷所述傳感器節(jié)點離網(wǎng)后是否移動到所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡的內(nèi)部還是外部，如果是內(nèi)部則發(fā)送位置更新指令，否則不做操作。進一步地，所述傳感器節(jié)點離網(wǎng)后，所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡重復步驟S1-S4組建新的傳感器節(jié)點網(wǎng)絡。進一步地，在用空閑頻段進行通信時對所述空閑頻段的信道可用性進行評估，感知所述空閑頻段的通信質量變差或所述空閑頻段的授權用戶占用所述空閑頻段進行通信時，立即對其他頻段的信道可用性進行檢測，再選擇符合通信要求的頻段進行通信。進一步地，所述傳感器節(jié)點加入所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡的同時創(chuàng)建路由表，為每個傳感器節(jié)點分配相應的地址，根據(jù)所述路由表內(nèi)的地址找到下一個節(jié)點。(三)有益效果本發(fā)明提供了智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)系統(tǒng)和組網(wǎng)方法，利用2.4GHz頻段和230MHz頻段相結合組建傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，運用認知無線電到智能電網(wǎng)的傳輸中，感知當前頻譜占用情況，實現(xiàn)在多個頻段中自動切換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化、高效率傳輸。同時由于頻譜靈活性和自適應感知解決了無線傳感器網(wǎng)絡中的頻譜傳輸問題，節(jié)約帶寬，節(jié)省資源。


圖1為本發(fā)明實施例一中的一種智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構圖；圖2為本發(fā)明實施例一中傳感器節(jié)點的組成示意圖；圖3為本發(fā)明實施例一中傳感器節(jié)點的工作流程示意圖；圖4為本發(fā)明實施例一中路由選擇的流程示意圖；圖5為本發(fā)明實施例一中匯聚節(jié)點的組成示意圖；圖6為本發(fā)明實施例二中的一種智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)組網(wǎng)方法的步驟流程圖；圖7為本發(fā)明實施例二中的刪除傳感器節(jié)點流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實施例一本發(fā)明實施例一中提供了一種智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)絡架構如圖1所示，本實施例中以樓宇內(nèi)智能電網(wǎng)組網(wǎng)架構為例進行說明，具體包括:傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和骨干網(wǎng)。傳感器節(jié)點的組成示意圖如圖2所示，具體包括傳感模塊11、第一計算控制模塊12和第一無線通信模塊13。其中，傳感模塊11包括電力傳感器，具有探測電力信息(電量、電流、電壓等)能力。計算控制模塊12根據(jù)傳感模塊11探測到的信息進行模數(shù)轉換，進一步計算，以實現(xiàn)控制。第一無線通信模塊13是傳感器節(jié)點中的主控發(fā)射模塊，具有定位、能量檢測、識別位置等功能，具體包括認知選擇控制模塊131和具有無線通信功能的ZigBee射頻模塊132及230MHz射頻模塊133。認知選擇控制模塊131周期性檢測網(wǎng)絡中空閑頻段的信道可用性，如果所選空閑頻段的信道可用性符合通信要求則進入所選頻段相應的ZigBee射頻模塊或230MHz射頻模塊進行通信。ZigBee射頻模塊使用2.4GHz頻段通信，230MHz射頻模塊使用230MHz電網(wǎng)專用頻段通信，使用兩個頻段，通過認知無線電功能選擇當前適合的可用頻段傳輸數(shù)據(jù)。認知選擇控制模塊131包括頻譜感知模塊1311，在利用譜感知模塊1311感知當前環(huán)境中可用于無線通信的空閑頻段，在盡量不影響此頻段的授權用戶正常使用的前提下，如果當前頻段的通信質量和信道容量都符合電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件，就可以通過臨時占用此授權頻段來實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的傳輸。在空閑頻段進行通信時感知空閑頻段的通信質量變差或空閑頻段的授權用戶占用空閑頻段進行通信時，立即對其他頻段的信道可用性進行檢測，再選擇符合通信要求的頻段進行通信。認知選擇控制模塊131還包括信道評估模塊1312，用于對空閑頻段的信道可用性進行評估，信道可用性體現(xiàn)在信道容量、干擾噪聲、延遲和衰減指數(shù)等方面。根據(jù)這些參數(shù)的計算，得到較優(yōu)的信道進行通信。通過認知選擇控制模塊131可以解決頻譜資源短缺和用戶數(shù)據(jù)傳輸信道臨時阻塞的問題。第一無線通信模塊13還包括定位跟蹤模塊134，在傳感器節(jié)點之間建立起無線定位網(wǎng)絡，無線定位網(wǎng)絡包括協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點和定位節(jié)點，協(xié)調(diào)器用于無線定位網(wǎng)絡內(nèi)部的通信和對外的通信，參考節(jié)點的地理位置固定且已知，定位節(jié)點的地理位置變化，通過定位引擎結合與參考節(jié)點的相對位置進行定位。隨著參考節(jié)點數(shù)量的增加，定位的精準度也會增加。第一無線通信模塊13還包括地址識別模塊135，用于創(chuàng)建路由表，為每個傳感器節(jié)點分配相應的地址，根據(jù)路由表內(nèi)的地址找到下一個節(jié)點，實現(xiàn)路由功能。第一無線通信模塊13還具有能量檢測功能，通過內(nèi)置接收信號強度顯示器，得到代表接收信號的強度的二進制碼，通過8個周期內(nèi)的平均值得到。進行信號傳輸之前，要對已經(jīng)接入的信道進行信道可用性檢測，通過檢測超出閾值的能量、載波判斷和帶有超出閾值能量的載波判斷，來進行清潔信道評估功能。傳感器節(jié)點還包括第一電源模塊14，為傳感器節(jié)點中的各個模塊正常工作提供能量。在本實施例的無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)中，在監(jiān)測范圍內(nèi)有大量的監(jiān)測節(jié)點，每個節(jié)點均可以作為路由器和協(xié)調(diào)器。在網(wǎng)絡中最初啟動的節(jié)點會充當協(xié)調(diào)器功能，它會發(fā)起一個網(wǎng)絡，管理并維護它。它會為接下來依次加入網(wǎng)絡的節(jié)點分配網(wǎng)絡地址，安全密鑰的分發(fā)等。每個節(jié)點都可以將采集到的數(shù)據(jù)保存到存儲器中，也可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的監(jiān)控設備上，工作流程如圖3所示。一個協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口連接到電腦(PC)上，就可以用作一臺監(jiān)控上位機。監(jiān)控上位機可以管理節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，還可以監(jiān)控節(jié)點的通訊情況和電量情況，從而根據(jù)情況對各個節(jié)點分配情況，最大的利用節(jié)點資源，從而提高網(wǎng)絡質量和壽命。在組建的網(wǎng)絡中，充當非協(xié)調(diào)器的傳感器節(jié)點主要的功能就只有環(huán)境參數(shù)的采集，并發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)的可以是他的父節(jié)點或者協(xié)調(diào)器。除此之外，當沒有事件需要處理時，它都可以進入睡眠模式。但是一旦有外部中斷的到來，節(jié)點又會被激活，回到工作的狀態(tài)。之后上電的傳感器節(jié)點首先對其硬件進行初始化，經(jīng)過一段時間后，傳感器節(jié)點也會搜索其通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡，如果通信范圍內(nèi)沒有網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點不能入網(wǎng)。如果傳感器節(jié)點搜索到網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點就會選定網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，根據(jù)所獲得的網(wǎng)絡信息發(fā)送一個入網(wǎng)請求，并等待協(xié)調(diào)器的回復。當協(xié)調(diào)器收到入網(wǎng)請求之后，根據(jù)收到的信息確定是否答應其入網(wǎng)。如果答應傳感器節(jié)點入網(wǎng)，協(xié)調(diào)器就會返回一個請求響應，并分配一個網(wǎng)絡地址作為網(wǎng)絡內(nèi)的標識符。傳感器節(jié)點收到請求回應之后，則成功加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡。如果協(xié)調(diào)器經(jīng)過認證不同意傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡，則傳感器節(jié)點無法入網(wǎng)。在無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)中，由于傳感器節(jié)點可能會隨時損壞、增加或者位置有改變，都會造成原本建立的鏈路的改變，于是需要網(wǎng)絡的動態(tài)網(wǎng)絡維護。當傳感器節(jié)點不能正常工作、電源電量不足或者強制被要求離開網(wǎng)絡的時候，就可以發(fā)送離網(wǎng)請求來要求脫離網(wǎng)絡。當設備脫離網(wǎng)絡之后，通過回復確認應答來確認結果。如果是協(xié)調(diào)器或者路由器接收到離網(wǎng)請求，協(xié)調(diào)器的地址參數(shù)將等于空(NULL)。傳感器節(jié)點將發(fā)送離網(wǎng)請求，離網(wǎng)請求中包含斷開命令，其目的地址參數(shù)設置為全1，表明是MAC廣播。斷開命令幀的命令選擇域的請求子域設置為O。在傳送斷開命令請求之后，它會發(fā)送一個確認信息給自己上層，將其本地地址參數(shù)設置為空。
如果是終端設備接收到離網(wǎng)請求，它將再次發(fā)送另一條離網(wǎng)請求，離網(wǎng)請求中包含斷開命令，其目的地址是它父傳感器節(jié)點的16位網(wǎng)絡地址，表明是MAC單播。斷開命令幀的命令選擇域的請求和斷開子設備子域應設置為O。斷開命令幀傳送之后，它將向高層發(fā)送一個ACK確認原語，其本地地址參數(shù)為空。傳感器節(jié)點脫離網(wǎng)絡之后，網(wǎng)絡會根據(jù)組網(wǎng)的原理重新組網(wǎng)。路由選擇是網(wǎng)絡中一個路由節(jié)點發(fā)起，其他傳感器節(jié)點合作，通過ZigBee路由算法來度量路由好壞，從而找出一條最優(yōu)路徑。ZigBee路由成本是路由中的每一個鏈路成本之和,選擇最好的路徑就是選擇成本最小的路徑。每個傳感器節(jié)點都會記錄鄰近傳感器節(jié)點的鏈路消耗，然后將其加起來作為路由判斷依據(jù)。 通過請求命令和應答命令幀，就可以進行新的路由搜索。當收到了路由請求命令幀，傳感器節(jié)點就可以判斷其是否具有路由選擇功能。如果傳感器節(jié)點沒有路由選擇功能，則判斷數(shù)據(jù)是否來自于自己的子節(jié)點或者父節(jié)點，如果不是，則對接收的數(shù)據(jù)幀不予理睬，否則將路由請求命令幀中的目的地址與它所有的終端子節(jié)點進行比較，判斷是否目的節(jié)點是其子節(jié)點。如果請求命令的目的節(jié)點就是傳感器節(jié)點本身，他將發(fā)送一個應答命令幀。如果傳感器節(jié)點具有路由選擇功能，則將路由請求命令幀中的目的地址和自己以及自己的子節(jié)點地址比較，來判斷自身和子節(jié)點中是否有目的節(jié)點，該路由選擇的流程示意圖如圖4所示。傳感器節(jié)點感知頻譜空閑情況，并選擇合適頻段與匯聚節(jié)點通信。傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點自組織形成WSNs (Wireless Sensor Networks,無線傳感網(wǎng)絡)。WSNs中節(jié)點資源的有限性決定了組網(wǎng)過程不應存在過多復雜控制信息的交互過程，同時在網(wǎng)絡運行中應盡量保持各節(jié)點間的能耗均衡。在本實施例中每一樓層的傳感器節(jié)點匯通過ZigBee電力線載波系統(tǒng)轉換器聚成一個匯聚節(jié)點，多個樓層的匯聚節(jié)點再通過電力載波通信或以太網(wǎng)轉換器連接到骨干網(wǎng)。傳感器節(jié)點網(wǎng)絡部署時考慮節(jié)點之間的最大通信距離和實際測量通信效果、使用方法為準，一些場景下的最大通信距離如表I所示。表I節(jié)點通信距離表
隔樓層MAM醒
場景 I，工走廊(混泥土結(木質裝飾__^___構)(}板)
約 80 約 40 約 5~6 約 15 約 20距咼(m)______匯聚節(jié)點的組成示意圖如圖5所示，具體包括具有無線通信功能的第二計算控制模塊21、第二通信模塊22和第二電源模塊23，第二通信模塊22包括ZigBee射頻模塊及230MHz射頻模塊，不包括認知選擇控制模塊，匯聚節(jié)點輪詢ZigBee射頻模塊和230MHz射頻模塊，采集傳感器節(jié)點上報的信息，并轉發(fā)骨干網(wǎng)下達的配置信息。匯聚節(jié)點對傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行匯總和壓縮，采用電力線載波的通信方式上傳到骨干網(wǎng)。通過使用上述通信網(wǎng)系統(tǒng)，利用2.4GHz頻段和230MHz頻段相結合組建傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，運用認知無線電到智能電網(wǎng)的傳輸中，感知當前頻譜占用情況，實現(xiàn)在多個頻段中自動切換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化、高效率傳輸。同時由于頻譜靈活性和自適應感知解決了無線傳感器網(wǎng)絡中的頻譜傳輸問題，節(jié)約帶寬，節(jié)省資源。實施例二本發(fā)明實施例二中還提供了一種智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)組網(wǎng)方法，步驟流程如圖6所示，具體包括以下步驟:步驟S1:傳感器節(jié)點搜索所在范圍內(nèi)是否有傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，如果沒有則不作處理，否則進入步驟S2。步驟S2:在傳感器節(jié)點網(wǎng)絡范圍內(nèi)選定協(xié)調(diào)器，并發(fā)起入網(wǎng)請求，等待協(xié)調(diào)器的回復。在組建的網(wǎng)絡中，充當非協(xié)調(diào)器的傳感器節(jié)點主要的功能就只有環(huán)境參數(shù)的采集，并發(fā)送出去，接收的可以是他的父節(jié)點或者協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器在接收到傳感器節(jié)點發(fā)送的入網(wǎng)請求后會根據(jù)發(fā)送的參數(shù)信息決定是否同意該傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡。步驟S3:協(xié)調(diào)器對入網(wǎng)請求進行處理，確認是否答應傳感器節(jié)點的入網(wǎng)請求，如果答應則返回給傳感器節(jié)點允許應答，并為傳感器節(jié)點分配網(wǎng)絡地址作為標識符，成功加入傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，否則不返回響應，入網(wǎng)失敗。傳感器節(jié)點加入傳感器節(jié)點網(wǎng)絡的同時創(chuàng)建路由表，為每個傳感器節(jié)點分配相應的地址，根據(jù)路由表內(nèi)的地址找到下一個節(jié)點。步驟S3中傳感器節(jié)點入網(wǎng)成功后傳感器節(jié)點之間建立起無線定位網(wǎng)絡，用于傳感器節(jié)點在傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)改變位置或申請離開傳感器節(jié)點網(wǎng)絡時傳感器節(jié)點的定位。當傳感器節(jié)點在傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)改變位置時，傳感器節(jié)點的標識符不變，協(xié)調(diào)器為傳感器節(jié)點分配新的坐標。傳感器節(jié)點在通信范圍內(nèi)任意改變位置都沒有關系，但是在不同的位置鏈路傳輸?shù)馁|量會不同。根據(jù)新的坐標計算并判斷通信質量知否變差，如果變差則傳感器節(jié)點重新對其它的空閑頻段進行信道可用性評估，選擇信道可用性符合通信要求的空閑頻段進行通信。這一過程會造成少許延時，當時該延時并不影響電力數(shù)據(jù)到達數(shù)據(jù)中心，相比之下，頻譜和信道資源的節(jié)約還是很客觀的。當傳感器節(jié)點申請離開傳感器節(jié)點網(wǎng)絡時，傳感器節(jié)點向協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送離網(wǎng)請求。協(xié)調(diào)器或路由器接收離網(wǎng)請求，回復離網(wǎng)應答，并將傳感器節(jié)點的標識符從列表中刪除。判斷傳感器節(jié)點離網(wǎng)后是否移動到傳感器節(jié)點網(wǎng)絡的內(nèi)部還是外部，如果是內(nèi)部則發(fā)送位置更新指令，否則不做操作。上述步驟流程如圖7所示。傳感器節(jié)點離網(wǎng)后，傳感器節(jié)點網(wǎng)絡重復步驟S1-S2組建新的傳感器節(jié)點網(wǎng)絡。步驟S4:傳感器節(jié)點入網(wǎng)成功后，周期性檢測傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)空閑頻段的信道可用性，如果所選空閑頻段的信道可用性符合通信要求則利用所選頻段相應的ZigBee2.4GHz頻段或230MHz專用網(wǎng)頻段進行通信。步驟S5:傳感器節(jié)點感知頻譜空閑情況，并選擇合適頻段與匯聚節(jié)點通信。在用空閑頻段進行通信時對空閑頻段的信道可用性進行評估，感知空閑頻段的通信質量變差或空閑頻段的授權用戶占用空閑頻段進行通信時，立即對其他頻段的信道可用性進行檢測，再選擇符合通信要求的頻段進行通信。
步驟S6:匯聚節(jié)點對傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行匯總和壓縮，采用電力線載波的通信方式上傳到骨干網(wǎng)。當網(wǎng)絡組建之后，傳感器節(jié)點之間就可以進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸包括了數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中怎樣進行傳遞和網(wǎng)絡的具體拓撲結構相關。當一個傳感器節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，會發(fā)送一個數(shù)據(jù)發(fā)送的請求Request，然后等待目標傳感器節(jié)點回復。當目標傳感器節(jié)點返回一個請求響應ACK之后，就可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送了。在接收數(shù)據(jù)的過程中，還要判斷數(shù)據(jù)是否有溢出。當應用層確定發(fā)送數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)會根據(jù)ZigBee協(xié)議層中規(guī)定的形式構建幀數(shù)據(jù)，由上到下逐層封裝，幀構建好之后，將調(diào)用MAC層請求Request，等到收到請求響應ACK后返回。當接收到數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)由下至上逐層進行拆裝。通過上述組網(wǎng)方法，利用2.4GHz頻段和230MHz頻段相結合組建傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，運用認知無線電到智能電網(wǎng)的傳輸中，感知當前頻譜占用情況，實現(xiàn)在多個頻段中自動切換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化、高效率傳輸。同時由于頻譜靈活性和自適應感知解決了無線傳感器網(wǎng)絡中的頻譜傳輸問題，節(jié)約帶寬，節(jié)省資源。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述通信網(wǎng)系統(tǒng)包括: 傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和骨干網(wǎng)； 所述傳感器節(jié)點包括傳感模塊、計算控制模塊和第一無線通信模塊； 其中所述第一無線通信模塊包括認知選擇控制模塊和具有無線通信功能的ZigBee射頻模塊及230MHz射頻模塊，所述認知選擇控制模塊周期性檢測網(wǎng)絡中空閑頻段的信道可用性，如果所選空閑頻段的信道可用性符合通信要求則進入所選頻段相應的ZigBee射頻模塊或230MHz射頻模塊進行通信； 所述傳感器節(jié)點感知頻譜空閑情況，并選擇合適頻段與所述匯聚節(jié)點通信； 所述匯聚節(jié)點對所述傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行匯總和壓縮，采用電力線載波的通信方式上傳到所述骨干網(wǎng)。
2.如權利要求1所述的通信網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述無線通信模塊還包括定位跟蹤模塊，在所述傳感器節(jié)點之間建立起無線定位網(wǎng)絡，所述無線定位網(wǎng)絡包括協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點和定位節(jié)點，所述協(xié)調(diào)器用于所述無線定位網(wǎng)絡內(nèi)部的通信和對外的通信，所述參考節(jié)點的地理位置固定 且已知，所述定位節(jié)點的地理位置變化，通過定位引擎結合與所述參考節(jié)點的相對位置進行定位。
3.如權利要求1所述的通信網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述無線通信模塊還包括地址識別模塊，用于創(chuàng)建路由表，為每個傳感器節(jié)點分配相應的地址，根據(jù)所述路由表內(nèi)的地址找到下一個節(jié)點。
4.如權利要求1所述的通信網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述認知選擇控制模塊包括頻譜感知模塊，用于在空閑頻段進行通信時感知所述空閑頻段的通信質量變差或所述空閑頻段的授權用戶占用所述空閑頻段進行通信時，立即對其他頻段的信道可用性進行檢測，再選擇符合通信要求的頻段進行通信。
5.如權利要求1所述的通信網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述認知選擇控制模塊還包括信道評估模塊，用于對空閑頻段的信道可用性進行評估。
6.如權利要求1所述的通信網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于，所述匯聚節(jié)點包括具有無線通信功能的ZigBee射頻模塊及230MHz射頻模塊，不包括所述認知選擇控制模塊，所述匯聚節(jié)點輪詢所述ZigBee射頻模塊和230MHz射頻模塊，采集所述傳感器節(jié)點上報的信息，并轉發(fā)所述骨干網(wǎng)下達的配置信息。
7.一種智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信組網(wǎng)方法，其特征在于，所述方法具體包括: S1:傳感器節(jié)點搜索所在范圍內(nèi)是否有傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，如果沒有則不作處理，否則進入步驟S2 ； S2:在所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡范圍內(nèi)選定協(xié)調(diào)器，并發(fā)起入網(wǎng)請求，等待所述協(xié)調(diào)器的回復； S3:所述協(xié)調(diào)器對所述入網(wǎng)請求進行處理，確認是否答應所述傳感器節(jié)點的入網(wǎng)請求，如果答應則返回給所述傳感器節(jié)點允許應答，并為所述傳感器節(jié)點分配網(wǎng)絡地址作為標識符，成功加入所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡，否則不返回響應，入網(wǎng)失??； S4:所述傳感器節(jié)點入網(wǎng)成功后，周期性檢測所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)空閑頻段的信道可用性，如果所選空閑頻段的信道可用性符合通信要求則利用所選頻段相應的ZigBee2.4GHz頻段或230MHz專用網(wǎng)頻段進行通信； 55:所述傳感器節(jié)點感知頻譜空閑情況，并選擇合適頻段與匯聚節(jié)點通信； 56:所述匯聚節(jié)點對所述傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行匯總和壓縮，采用電力線載波的通信方式上傳到骨干網(wǎng)。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中傳感器節(jié)點入網(wǎng)成功后所述傳感器節(jié)點之間建立起無線定位網(wǎng)絡，用于所述傳感器節(jié)點在傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)改變位置或申請離開所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡時所述傳感器節(jié)點的定位； 當所述傳感器節(jié)點在傳感器節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)改變位置時，所述傳感器節(jié)點的標識符不變，所述協(xié)調(diào)器為所述傳感器節(jié)點分配新的坐標，根據(jù)新的坐標計算并判斷通信質量知否變差，如果變差則所述傳感器節(jié)點重新對其它的空閑頻段進行信道可用性評估，選擇所述信道可用性符合通信要求的空閑頻段進行通信； 當所述傳感器節(jié)點申請離開所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡時，所述傳感器節(jié)點向所述協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送離網(wǎng)請求； 所述協(xié)調(diào)器或所述路由器接收所述離網(wǎng)請求，回復離網(wǎng)應答，并將所述傳感器節(jié)點的標識符從列表中刪除； 判斷所述傳感器節(jié)點離網(wǎng)后是否移動到所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡的內(nèi)部還是外部，如果是內(nèi)部則發(fā)送位置更新指令，否則不做操作。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述傳感器節(jié)點離網(wǎng)后，所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡重復步驟S1-S2組建新的傳感器節(jié)點網(wǎng)絡。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，在用空閑頻段進行通信時對所述空閑頻段的信道可用性進行評估，感知所述空閑頻段的通信質量變差或所述空閑頻段的授權用戶占用所述空閑頻段進行通信時，立即對其他頻段的信道可用性進行檢測，再選擇符合通信要求的頻段進行通信。
11.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述傳感器節(jié)點加入所述傳感器節(jié)點網(wǎng)絡的同時創(chuàng)建路由表， 為每個傳感器節(jié)點分配相應的地址，根據(jù)所述路由表內(nèi)的地址找到下一個節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明公開了智能電網(wǎng)中基于認知無線電的通信網(wǎng)系統(tǒng)和組網(wǎng)方法，系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和骨干網(wǎng)；傳感器節(jié)點中無線通信模塊包括認知選擇控制模塊和具有無線通信功能的ZigBee射頻模塊及230MHz射頻模塊，認知選擇控制模塊周期性檢測網(wǎng)絡中空閑頻段的信道可用性，如果符合通信要求則進入所選頻段相應的射頻模塊進行通信；傳感器節(jié)點感知頻譜空閑情況，并選擇合適頻段與匯聚節(jié)點通信；匯聚節(jié)點對上傳的數(shù)據(jù)進行匯總和壓縮，基于電力線載波上傳到骨干網(wǎng)。本發(fā)明利用2.4GHz頻段和230MHz頻段相結合，運用認知無線電到智能電網(wǎng)的傳輸中，感知當前頻譜占用情況，在多個頻段中自動切換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化、高效率傳輸。
文檔編號H04W84/22GK103179696SQ20131008449
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權日2013年3月15日
發(fā)明者侯賓, 俎云霄, 胡冬晶, 丁俊杰 申請人:北京郵電大學