基于OPNET的電力線網絡的MAC協議仿真研究

張小玲，張有兵，翁國慶

（浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023）

基于OPNET的電力線網絡的MAC協議仿真研究

張小玲，張有兵，翁國慶

（浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023）

隨著低碳經濟的興起，智能電網成為當前的研究熱點.智能電網的底層通信以現有的電力線網絡為基礎，因此電力線網絡的性能深刻影響智能電網的有效運行.針對電力線信道的特性，主要探討智能電網中的電力線網絡MAC協議的性能.文章先介紹非時隙ALOHA和1-堅持型CSMA協議的基本原理，然后采用OPNET，仿真了電力線網絡分別采用非時隙ALOHA協議和1-堅持型CSMA協議時的網絡性能.在電力線網絡接入不同的用戶數時，仿真用戶數的變化對網絡性能的影響；電力線網絡的接入用戶數目都為30，考慮網絡受到電力線信道的時延和信道誤比特率的影響，仿真電力線信道特性對電力線網絡性能的影響.仿真結果為電力線網絡MAC協議的研究提供了一定的參考.

電力線網絡；非時隙ALOHA；1-堅持型CSMA；OPNET

從2000年最初提出智能電網［1－2］的概念，到2009年美國總統奧巴馬提出智能電網計劃，再到我國提出發展自己的智能電網，智能電網已然成為當今的研究熱點.智能電網的底層通信以現有的電力線網絡為基礎，電力線網絡性能的好壞深刻影響智能電網的有效運行.由于電力線遍布城鄉各處，使得電力線網絡的構建具有成本低，施工方便等優點.但是電力線信道的高噪聲和時變的阻抗特性，使電力線網絡上的數據傳輸受到很大影響.為了改善電力線網絡的性能，除了在物理層采用合適的調制技術（如OFDM）提高數據傳輸效率，還需要在網絡的媒介訪問控制層（Media access control layer）采用合適的MAC協議來管理信道，合理分配信道資源，實現高效的網絡性能.

最基本的MAC協議有基于競爭的ALOHA協議，CSMA協議，帶沖突檢測的CSMA／CD協議，避免沖突的CSMA／CA協議以及基于非競爭方式的輪詢協議和預約協議.預約協議是最近的研究熱點.HALID提出了一種基于TDMA的預約協議［3］，這種協議在競爭階段采用ALOHA方式訪問信道而在非競爭階段采用輪詢方式.HANIPH等人提出一種分布式控制預約協議PCF／MAC協議［4］.采用這種協議，網絡中的每個用戶都可以分配信道資源并糾正其他用戶在資源分配中出現的錯誤.OHMI提出了一種混合MAC協議［5］，這 種 協 議 結 合 了 TDMA 和 CSMA／CA 協議，它結合了競爭協議和預約協議的優點，能夠給網絡提供有效的QoS保證.但是預約協議的實現非常復雜，對網絡的消耗也非常高，網絡利用率受到影響.因此文章主要研究基本的MAC協議，根據電力線網絡結構的特點，利用OPNET仿真電力線網絡，并分析分別采用非時隙ALOHA協議和1-堅持型CSMA協議的電力線網絡性能.

1 電力線網絡的總線結構

實際的電力線網絡通常具有數個網絡分支，每個分支上接入若干數目的用戶，整個電力線網絡形成樹狀的拓撲結構.盡管實際的網絡拓撲結構各有不同，在邏輯上可以把電力線網絡看成總線結構［6］，如圖1所示.在這個總線結構中，電力線網絡的基本單元包括一個基站（基站可以放在變壓器內）和若干個接入用戶.電力線通過基站連接到外部網絡.

圖1 電力線網絡的總線結構Fig.1 Bus architecture of power line network

電力線網絡上多個接入用戶共享信道資源，信道分為上行和下行兩部分.下行信道中，只允許基站向用戶發送數據，用戶只負責接收，此時信道中不存在沖突；上行信道中，用戶向基站發送數據，有可能多個用戶同時發送數據到基站，造成信道沖突.因此必須采用MAC協議來管理信道，減少數據傳輸沖突，提高電力線網絡性能.

2 MAC協議

文章主要采用了非時隙ALOHA和1-堅持型CSMA協議來研究電力線網絡的性能，下面簡要介紹這兩種協議的原理.

2.1 非時隙ALOHA協議

非時隙ALOHA協議［7］的工作原理十分簡單，當用戶有數據包要發送時，不顧信道的當前狀態，立即以系統允許的最大速率發送出去.若接收用戶成功收到數據包則回復一個確認幀ACK給發送者.若發送用戶收到ACK，則馬上準備下一個數據包的發送.反之，發送用戶在規定時間內沒有收到ACK確認幀，則隨機等待一段時間再重新發送該數據包.

對于非時隙ALOHA系統，假設網絡內的用戶以泊松方式產生數據包并發送到信道上，每個數據包長度相等，設單位時間內進入信道的業務量為G，其中成功傳輸的業務量為信道吞吐量S，則有S＝Ge－2G（1）式（1）反映了非時隙ALOHA系統的吞吐量與信道總業務量之間的關系.

2.2 1-堅持型CSMA協議

1-堅持型CSMA的基本原理是：網絡中的任何一個用戶在發送數據包之前，首先偵聽一下信道中是否有其他用戶在發送數據.如果偵聽到信道上有數據包在發送，則判定信道忙碌，否則判定信道為空閑.當信道空閑時，用戶立即發送數據；反之，用戶繼續堅持檢測信道，直到信道空閑時立即發送數據.

對于1-堅持型CSMA方式，它的吞吐量［7］為

其中：a為信道傳播時延，當忽略時延，即a→0，此時有

對式（3）求極值，可得，當G＝1.0時，最大吞吐量Smax＝0.538.

3 OPNET建模

OPNET［8］采用對象的建模方法和圖形化的編輯器，為通信網絡和分布式系統的建模提供全面的模擬開發環境.OPNET提供了三層建模機制：最底層為進程模型，實現協議算法；中間層為節點模型，采用進程模型實現相應的設備功能；最上層為網絡模型，采用節點模型構建反映現實網絡結構的拓撲.筆者采用該三層建模機制，針對非時隙ALOHA和1-堅持型CSMA兩種MAC協議，進行了電力線通信網絡模型的構建.

3.1 接收機節點建模

接收節點只實現接收數據的功能，因此，非時隙ALOHA和1-堅持型CSMA的網絡可以采用同一個接收機節點模型.

圖2給出了接收節點模型，該模型由處理器processor和總線接收模塊bus-receiver組成.其中，模塊bus-receiver從總線信道上接收數據，模塊processor收集這些數據并統計網絡特性.模塊processor的進程模型是由如圖3所示的有限狀態機實現的，圖中的宏PKT-RCVD表示有數據包到達，此時進程執行狀態轉移函數proc-pkt（）獲取數據包、銷毀過期的數據包，并統計數據包數目.宏ENDSIM表示在仿真結束時，執行record-stats（）函數，該函數負責統計網絡的業務量G和吞吐量S.

3.2 發射機節點建模

非時隙ALOHA和1-堅持型CSMA的發射機節點模型有所不同.

圖4為非時隙ALOHA的發射機節點模型.圖中，gen模塊產生數據包，tx-proc模塊從gen模塊獲得數據包并作相關的處理，總線發射模塊bus-tx把數據傳輸到信道上.tx-proc模塊內部的進程模型如圖5所示，宏PKT-ARVL表示有數據包到達.當數據包到達時，進入狀態tx-pkt，獲取數據包，向模型外部發送數據包.

1-堅持型CSMA協議的發射機節點增加了包處理模塊sink和一個總線接收模塊bus-rx，如圖6所示.sink模塊負責接收和銷毀從bus-rx收到的數據包，圖中的虛線為統計線，可以偵聽信道狀態，并在信道發生變化時通知tx-proc進行相應的處理.

tx-proc模塊的進程模型也相應的增加了一個監聽狀態（wt-free），如圖7所示.OPNET調用自身的核心函數op-stat-local-read（）判斷信道是否空閑，如果返回值為信道空閑，直接進入tx-pkt狀態發送數據包；如果信道忙碌，則進入wt-free狀態，直到收到“CH-GOES-FREE”（信道重新空閑）的中斷，轉向tx-pkt狀態.宏PKTSQUEUED定義了狀態tx-pkt中排隊等待發送的數據包，當信道忙碌即“PKTS-QUEUED＆＆！FREE”，進入 wt-free 狀 態，當 信 道 空 閑 即 “PKTSQUEUED＆＆FREE”，則馬上發送數據包.

3.3 構建電力線網絡模型

在OPNET中調用相關的節點模型和總線鏈路，即可構建接入一定數量用戶的電力線網絡模型，如圖8所示.圖中，節點21采用接收機節點模型，實現電力線網絡中基站的功能.節點1-20采用相同的發射機節點模型，實現電力線網絡接入用戶的功能.基于非時隙ALOHA的電力線網絡采用非時隙ALOHA發射機節點，基于1-堅持型CSMA的電力線網絡采用1-堅持型CSMA發射機節點，這兩種網絡模型采用相同的接收機節點模型.

圖8 OPNET中的電力線網絡模型Fig.8 Model of power line network in OPNET

4 仿真分析

在OPNET中建立電力線網絡模型后，考慮不同電力線信道情況，對非時隙ALOHA和1-堅持型CSMA協議的網絡性能進行了詳細仿真，結果見圖9－13，所有的S—G圖中，縱坐標為網絡吞吐量S，橫坐標為網絡總業務量G.

圖9給出了電力線網絡接入用戶N＝30，在理想的信道情況下，1-堅持型CSMA和非時隙ALOHA協議的網絡吞吐量.從圖中可以看出，1-堅持型CSMA電力線網絡的最大網絡吞吐量達到0.5左右，而非時隙ALOHA電力線網絡的最大網絡吞吐量小于0.2，1-堅持型CSMA的網絡性能明顯高于非時隙ALOHA網絡.

圖9 非時隙ALOHA和1-堅持型CSMA系統的網絡吞吐量Fig.9 System throughput of non-slotted ALOHA and 1-persistent CSMA

圖10和圖11分別給出了在理想信道情況下，非時隙ALOHA和1-堅持型CSMA在不同用戶數N下的網絡吞吐量.在用戶數較少時，隨著N的增加，網絡吞吐量S逐漸達到最大理論值，非時隙ALOHA的值約為0.184，1-堅持型CSMA的值約為0.53.然而，隨著N的進一步增加，S的值又開始減少.圖10中，當N＝120時，S接近0.184，當N＝200時，S只有0.16左右，網絡利用率明顯下降.圖11中，當N＝150時，網絡吞吐量S接近0.53，當N＝200時，S減少到0.5左右.仿真結果表明，當接入用戶數增加到一定程度后，網絡的性能開始下降；在不影響網絡性能的前提下，相對于非時隙ALOHA網絡，1-堅持型CSMA網絡可以接入更多的用戶.

圖12 1-堅持型CSMA在不同誤比特率下的網絡吞吐量Fig.12 System throughput of 1-persistent CSMA with different bit error rates

圖12給出了用戶數N＝30不變，電力線信道的比特誤碼率BER取不同值時，1-堅持型CSMA的網絡性能情況.由圖可知，當BER＝10－5時，網絡吞吐量接近BER＝0的理想情況，當BER＝10－4時，網絡的最大吞吐量小于0.5，隨著誤碼率的進一步增加，吞吐量明顯下降，當BER＝10－3時最大吞吐量降到0.2左右，網絡性能嚴重惡化.

圖13給出了接入用戶N＝30不變，不考慮信道誤碼，只考慮信道的時延a變化時的網絡性能情況.從圖中可以看出，網絡吞吐量S的最大值隨著a的增加逐漸減少，當a＝0.01時，S的最大值小于0.3，遠小于0.53的理論值，網絡性能嚴重下降.

圖13 1-堅持型CSMA在不同信道時延下的網絡吞吐量Fig.13 System throughput of 1-persistent CSMA with different channel delay

5 結 論

在相同的電力線信道條件下，非時隙ALOHA的網絡性能不如1-堅持型CSMA；電力線網絡中的接入用戶數N增加到一定數量后，網絡的性能會開始惡化，同非時隙ALOHA網絡相比，1-堅持型CSMA網絡可以容納更多的用戶；當電力線信道的比特誤碼率和時延增加到一定值時，1-堅持型CSMA網絡的總體性能也會急劇下降.因此，在設計電力線網絡時，要充分考慮電力線信道的比特誤碼率和時延對網絡性能的影響，選擇合適的MAC協議，有效提高網絡性能.

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The simulation using OPNET for MAC protocol of power line network

ZHANG Xiao-ling，ZHANG You-bing，WENG Guo-qing
（College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China）

With the rise of low-carbon economy，the smart grid has become the research focus.The communication in the smart grid is based on the existing power line network，and the power line network makes profound impact on the effective running of the smart grid.This paper discusses the performance of power line network using MAC protocol considering the characteristics of power line channel.Nonslotted ALOHA and 1-persistant CSMA protocol are introduced firstly，and the network performance is simulated using OPNET when the power line network separately takes non-slotted ALOHA protocol and 1-persistant CSMA protocol.The performance of the network is simulated when the numbers of access users are different in the power line network.The performance of the network is also simulated when the network is affected by the delay and the BER of the power line channel with 30 access users in the network.These simulation results provide useful advices to the research on the MAC protocol of power line network.

power line network；non-slotted ALOHA；1-persistent CSMA；OPNET

TN915.853

A

1006-4303（2012）01-0050-05

2010-10-09

國家自然科學基金資助項目（50777057）

張小玲（1983—），女，浙江義烏人，碩士研究生，研究方向為電力線通信，E-mail：izzehg＠gmail.com.

（

劉 巖）