基于忙音檢測和通信確認信道的防沖突協(xié)議研究

林秀清，蔣雯倩，李金瑾，梁捷，陳玨羽

(廣西電網(wǎng)有限責任公司計量中心, 廣西 南寧 530023)

0 引 言

電力線通信(power line carrier communication，PLC)是利用現(xiàn)有電力線通過載波傳輸數(shù)據(jù)的通信方式。優(yōu)點在于電力線分布廣和成本可控，可利用現(xiàn)有配電網(wǎng)通信，無需重新布線。因此，在解決通信網(wǎng)絡“最后1公里”的問題上，PLC技術(shù)具有很強的競爭力[1]。

同時，PLC也面臨著許多技術(shù)困難。一是電力線設計是為了傳輸電能，其阻抗呈現(xiàn)時變特性，信道中存在多徑效應，信號在電力線傳輸過程中伴有嚴重衰減和相位畸變，以致信號失真；二是電力線信道中存在大量的干擾源，會降低接收端信噪比，影響通信服務質(zhì)量；三是電力線網(wǎng)絡存在總線型結(jié)構(gòu)分布式子網(wǎng)絡，缺乏集中式協(xié)調(diào)設備，導致數(shù)據(jù)沖突概率顯著增加。綜上，傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)與技術(shù)方案并不能滿足PLC通信需求。

本文著眼于PLC技術(shù)的發(fā)展與應用，探討PLC通信網(wǎng)絡架構(gòu)、組網(wǎng)方式與技術(shù)實現(xiàn)，重點分析PLC通信網(wǎng)絡的防沖突技術(shù)難點，并提出了一種基于忙音檢測和通信確認信道的防沖突協(xié)議。

1 電力線衰落特性

圖1 電力線等效模型

信號在電力線傳輸過程中會產(chǎn)生衰減，其原因有兩種：一是耦合衰減，二是線路衰減。在耦合電路中，若存在阻抗不匹配問題，就會造成耦合衰減。線路衰減是指由于受傳輸距離和電阻發(fā)熱損耗等因素影響，電力線傳輸?shù)男盘柗葴p弱。根據(jù)電路與傳輸線的相關理論，電力線等效模型[2]如圖1所示。

由圖1結(jié)合基爾霍夫定律，可得：

(1)

(2)

式中：x為電力線位置；u(x,t)、i(x,t)分別為位置x處的t時刻電壓和電流；u(x+dx,t)、i(x+dx,t)分別為位置x+dx處的t時刻電壓和電流；G′、R′、L′、C′分別為單位長度電力線的電導、電阻、電感和電容。

由上式推導可得，電力線特性阻抗ZPLC為：

(3)

假設電力線的衰減系數(shù)λ，則有：

(4)

式中:實部α和虛部β分別為幅度衰減和相位衰減。對于高頻信號而言，ωL′?R′，ωC′?G′，則式(3)和式(4)可近似為：

(5)

(6)

依據(jù)均勻傳輸線理論，電力線電阻率會受到集膚效應影響，則可近似為：

(7)

式中：f為信號頻率。

k1、k2、k3均為常數(shù)，將式(6)用常數(shù)變換為：

(8)

實部α是頻率的函數(shù)，可表示為：

α=a0+a1fk

(9)

式中：a0、α1、k均為常數(shù);k的取值在(0,1)區(qū)間內(nèi)，此處k=0.5。

若某電力線長度為d，多徑延時傳輸函數(shù)[2]為：

H(f)=e-λd=e-αd-jβd=e-αd·e-βd

(10)

在上式中，實部為幅度衰減。則信號在電力線中傳輸時的衰減為：

A(f,d)=e-(a0+a1fk)d

(11)

由此可知，信號幅度衰減與傳輸距離、頻率有密切關系，隨著距離和頻率增大，信號衰減也隨之增加。大幅度的信號衰減間接造成隱藏節(jié)點和暴露節(jié)點問題，導致通信數(shù)據(jù)在傳輸時沖突概率增大。

2 電力線通信技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 電力線通信網(wǎng)絡架構(gòu)

PLC網(wǎng)絡是在現(xiàn)有配電網(wǎng)基礎上搭建的，故兩者架構(gòu)極其相似。為滿足通信需求，本文提出一種PLC通信網(wǎng)絡架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 PLC通信網(wǎng)的網(wǎng)絡架構(gòu)

由圖2可知，網(wǎng)絡架構(gòu)由電力線、用戶端、中繼器、集中器和網(wǎng)關等組成。對用戶端而言，電力線既提供電能，也能作為數(shù)據(jù)通信。各用戶端都能調(diào)制解調(diào)PLC信號，集中器起到通信協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)交換的作用。由于信號在傳輸時衰減嚴重，故適當添加中繼節(jié)點，以保證通信正常。集中器與中繼器的數(shù)量越多，則結(jié)構(gòu)越復雜，功耗也越大。

整個PLC通信網(wǎng)絡由三相電力線延伸而成，各電力線在網(wǎng)絡中有多個分支，每個分支中的用戶數(shù)量、信號傳輸距離和拓撲結(jié)構(gòu)各不相同。星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡中，用戶直接與集中器通信，集中器對用戶數(shù)據(jù)通信統(tǒng)一協(xié)調(diào)，用戶間無公用的通信介質(zhì)，故不存在信道爭用現(xiàn)象。圖2中的B相左側(cè)分支是總線型結(jié)構(gòu)，存在多個用戶共用部分傳輸介質(zhì)。若多個用戶同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則有可能發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，故總線型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡需引入防沖突機制以提高通信效率。

2.2 正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)在PLC網(wǎng)絡中的應用

PLC網(wǎng)絡分支眾多，各用戶電力線接入長度不同，導致信號經(jīng)由不同路徑傳輸至接收端，產(chǎn)生多徑效應。信號分量互相重疊、互相干擾，致使接收端無法正常識別數(shù)據(jù)。OFDM利用不同載波間的正交性，極大提高了頻譜效率。OFDM的子載波在頻域上有部分重疊，只要子載波間滿足特定的正交約束條件，每個子信道都能將信號恢復。由于OFDM對多徑效應引起的符號間干擾具有魯棒性，故廣泛應用在PLC網(wǎng)絡中。OFDM的信號處理流程如圖3所示。

圖3 OFDM信號處理流程

由圖3可知，發(fā)送節(jié)點調(diào)制數(shù)據(jù)流，信號依次經(jīng)過串并變換和OFDM調(diào)制。高速串行數(shù)據(jù)流分解成若干子信號，再將子信號轉(zhuǎn)為并行傳輸方式，如此每個子載波的符號周期延長數(shù)倍，抗多徑能力有所提高。之后將并行數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，并插入循環(huán)前綴生成OFDM碼元。為了便于接收端進行同步和信道估計，數(shù)據(jù)幀中要加入同步序列與信道估計序列。OFDM實質(zhì)上是將高速串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成低速并行數(shù)據(jù)流實現(xiàn)傳輸。

2.3 PLC網(wǎng)絡的信道分配方法

當PLC網(wǎng)絡中的多個節(jié)點共用信道時，就會存在數(shù)據(jù)沖突的可能性。目前，競爭性信道接入?yún)f(xié)議主要有ALOHA、載波偵聽多址接入/碰撞檢測協(xié)議(carrier sense multiple access with collision detection，CSMA/CD)、載波偵聽多址接入/避免沖撞協(xié)議(carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA)[3]和雙忙音多址接入?yún)f(xié)議(dual busy tone multiple access protocol, DBTMA)[4-5]等。

2.3.1 ALOHA協(xié)議

ALOHA是最早使用的信道訪問控制技術(shù)協(xié)議，其信道使用規(guī)則簡單，并未引入多點協(xié)調(diào)的思想，節(jié)點任何時刻都能發(fā)送數(shù)據(jù)。在ALOHA中，若網(wǎng)絡中某個節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時，就會馬上發(fā)送信號，無需與其他設備協(xié)調(diào)。當用戶較少時，ALOHA尚且能滿足需求，但隨著通信節(jié)點增加，數(shù)據(jù)沖突重疊的幾率增加，導致數(shù)據(jù)包無法正常接收。如此，發(fā)送端則需對數(shù)據(jù)重傳，若重傳無幀沖突發(fā)生，則數(shù)據(jù)正常接收。若數(shù)據(jù)沖突再次發(fā)生，則繼續(xù)重傳。故ALOHA在大規(guī)模網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸效率極其低下。

2.3.2 CSMA/CD協(xié)議

CSMA/CD是一種分布式、爭用型的介質(zhì)訪問控制協(xié)議，且有沖突檢測功能。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，節(jié)點要先載波偵聽信道是否空閑。若信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道被占用，則依據(jù)算法退避一定時間后再發(fā)送。此外，節(jié)點在發(fā)送信號過程中仍對信道狀態(tài)檢測，若檢測到信號發(fā)生混疊或誤碼，則說明在同一時刻同一傳輸介質(zhì)中有多個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種情況下，節(jié)點立即停止傳輸數(shù)據(jù)，依據(jù)算法延時后再發(fā)送。與此同時，節(jié)點還要發(fā)送一個加強沖突的阻塞信號，以便通知信道上所有節(jié)點有沖突發(fā)生。

2.3.3 CSMA/CA協(xié)議

CSMA/CA是基于競爭的隨機接入?yún)f(xié)議，具有很高的靈活性和可擴展性[6]。CSMA/CA協(xié)議采用RTS-CTS-DATA-ACK機制，有效規(guī)避了數(shù)據(jù)沖突。具體流程如下：

(1)源節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送前先對信道狀態(tài)檢測。若信道空閑，則等待一個分布式幀間間隙后，發(fā)送請求發(fā)送(request to send，RTS)報文進行握手；若信道繁忙，則采用退避機制，等待一段時間后再嘗試RTS握手。

(2)當目的節(jié)點成功接收RTS握手報文后，等待一個短幀間間隙，而后向源節(jié)點發(fā)送清除發(fā)送(clear to send，CTS)報文。若通信范圍內(nèi)的非目的節(jié)點收到RTS報文，則設一個NAV計時器，在一定時間內(nèi)保持靜默。

(3)源節(jié)點收到目的節(jié)點的CTS響應后，等待一個短幀間間隙，然后向源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。其他節(jié)點收到CTS報文后，則設一個NAV計時器，在一定時間內(nèi)保持靜默。

(4)若數(shù)據(jù)完整接收，則目的節(jié)點等待一個短幀間間隙后發(fā)出確認(acknowledge character，ACK)報文響應，源節(jié)點接收到響應，則此次傳輸完成。

通過RTS-CTS握手機制和NAV通信靜默機制，CSMA/CA在很大程度上消除了隱藏節(jié)點引起的沖突。通過ACK回應機制，保證幀正確傳輸。該協(xié)議能有效減少數(shù)據(jù)傳輸沖突，但其僅解決了隱藏節(jié)點問題，未能有效解決暴露節(jié)點問題。

2.3.4 DBTMA協(xié)議

DBTMA是一種競爭性的多信道接入?yún)f(xié)議，具有控制信道和忙音標記的功能。忙音是一種具有某個特定頻率的正弦信號，只能在某個頻帶上通過能量檢測的方法在載波偵聽范圍內(nèi)被正確識別，其所占的帶寬極少。DBTMA的數(shù)據(jù)信道用于通信數(shù)據(jù)傳輸，控制信道則用于CTS-RTS握手和忙音標記。由于CTS-RTS握手在獨立的信道上，故降低了數(shù)據(jù)沖突的概率。

3 基于DBTMA與CSMA/CA的防沖突協(xié)議

CSMA/CA未解決暴露節(jié)點問題，從而影響網(wǎng)絡吞吐量。DBTMA無ACK響應機制，缺乏可靠性。針對現(xiàn)有協(xié)議難以滿足PLC通信防沖突需求，本文將兩種協(xié)議相結(jié)合，提出一種基于忙音檢測和通信確認信道的防沖突協(xié)議。該協(xié)議的原理如圖4所示。

由圖4可知，信道被劃分為數(shù)據(jù)信道和控制信道，控制信道包括接收忙音信道、通信確認信道，其中：接收忙音信道接收數(shù)據(jù)，通信確認信道接收CTS、ACK，從而確認RTS、數(shù)據(jù)是否被正確接收。工作流程如下：

圖4 協(xié)議原理圖

(1) 節(jié)點A在數(shù)據(jù)發(fā)送前對接收忙音信道檢測。若無接收忙音，則等待一個分布式幀間間隙后，發(fā)送RTS進行握手；若有接收忙音，則退避一段時間后嘗試RTS握手。

(2) 節(jié)點B成功接收RTS握手報文后，等待一個短幀間間隙后，向源節(jié)點A發(fā)送一個CTS報文。為解決暴露節(jié)點問題，通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點收到RTS報文后，仍正常發(fā)送數(shù)據(jù)，但不接收數(shù)據(jù)。

(3) 節(jié)點A收到節(jié)點B的CTS響應后，等待一個短幀間間隙后向源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，并掛起接收忙音。

(4) 若數(shù)據(jù)完整接收，則節(jié)點B通過數(shù)據(jù)確認信道發(fā)送確認信息，源節(jié)點A檢測到該信號，則此次傳輸完成。

經(jīng)分析，節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)時，其周圍暴露節(jié)點依舊通信。該協(xié)議單獨設置一個數(shù)據(jù)確認信道，有效避免了接收端接收確認響應發(fā)生沖突。

4 結(jié)束語

本文分析了電力線傳輸信號的衰減特性，闡述了PLC網(wǎng)絡架構(gòu)，探討了OFDM技術(shù)和信道分配算法在PLC領域的應用。針對現(xiàn)有CSMA/CA、DBTMA的不足，提出了一種基于忙音檢測和通信確認信道的防沖突協(xié)議。該協(xié)議結(jié)合了兩者的優(yōu)點，利用忙音檢測信道和數(shù)據(jù)確認信道實現(xiàn)沖突避免，提高吞吐量并減少傳輸延時。