基于忙音检测和通信确认信道的防冲突协议研究

林秀清，蒋雯倩，李金瑾，梁捷，陈珏羽

(广西电网有限责任公司计量中心, 广西 南宁 530023)

0 引 言

电力线通信(power line carrier communication，PLC)是利用现有电力线通过载波传输数据的通信方式。优点在于电力线分布广和成本可控，可利用现有配电网通信，无需重新布线。因此，在解决通信网络“最后1公里”的问题上，PLC技术具有很强的竞争力[1]。

同时，PLC也面临着许多技术困难。一是电力线设计是为了传输电能，其阻抗呈现时变特性，信道中存在多径效应，信号在电力线传输过程中伴有严重衰减和相位畸变，以致信号失真；二是电力线信道中存在大量的干扰源，会降低接收端信噪比，影响通信服务质量；三是电力线网络存在总线型结构分布式子网络，缺乏集中式协调设备，导致数据冲突概率显著增加。综上，传统网络架构与技术方案并不能满足PLC通信需求。

本文着眼于PLC技术的发展与应用，探讨PLC通信网络架构、组网方式与技术实现，重点分析PLC通信网络的防冲突技术难点，并提出了一种基于忙音检测和通信确认信道的防冲突协议。

1 电力线衰落特性

图1 电力线等效模型

信号在电力线传输过程中会产生衰减，其原因有两种：一是耦合衰减，二是线路衰减。在耦合电路中，若存在阻抗不匹配问题，就会造成耦合衰减。线路衰减是指由于受传输距离和电阻发热损耗等因素影响，电力线传输的信号幅度减弱。根据电路与传输线的相关理论，电力线等效模型[2]如图1所示。

由图1结合基尔霍夫定律，可得：

(1)

(2)

式中：x为电力线位置；u(x,t)、i(x,t)分别为位置x处的t时刻电压和电流；u(x+dx,t)、i(x+dx,t)分别为位置x+dx处的t时刻电压和电流；G′、R′、L′、C′分别为单位长度电力线的电导、电阻、电感和电容。

由上式推导可得，电力线特性阻抗ZPLC为：

(3)

假设电力线的衰减系数λ，则有：

(4)

式中:实部α和虚部β分别为幅度衰减和相位衰减。对于高频信号而言，ωL′≫R′，ωC′≫G′，则式(3)和式(4)可近似为：

(5)

(6)

依据均匀传输线理论，电力线电阻率会受到集肤效应影响，则可近似为：

(7)

式中：f为信号频率。

k1、k2、k3均为常数，将式(6)用常数变换为：

(8)

实部α是频率的函数，可表示为：

α=a0+a1fk

(9)

式中：a0、α1、k均为常数;k的取值在(0,1)区间内，此处k=0.5。

若某电力线长度为d，多径延时传输函数[2]为：

H(f)=e-λd=e-αd-jβd=e-αd·e-βd

(10)

在上式中，实部为幅度衰减。则信号在电力线中传输时的衰减为：

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

(11)

由此可知，信号幅度衰减与传输距离、频率有密切关系，随着距离和频率增大，信号衰减也随之增加。大幅度的信号衰减间接造成隐藏节点和暴露节点问题，导致通信数据在传输时冲突概率增大。

2 电力线通信技术的实现

2.1 电力线通信网络架构

PLC网络是在现有配电网基础上搭建的，故两者架构极其相似。为满足通信需求，本文提出一种PLC通信网络架构，如图2所示。

图2 PLC通信网的网络架构

由图2可知，网络架构由电力线、用户端、中继器、集中器和网关等组成。对用户端而言，电力线既提供电能，也能作为数据通信。各用户端都能调制解调PLC信号，集中器起到通信协调和数据交换的作用。由于信号在传输时衰减严重，故适当添加中继节点，以保证通信正常。集中器与中继器的数量越多，则结构越复杂，功耗也越大。

整个PLC通信网络由三相电力线延伸而成，各电力线在网络中有多个分支，每个分支中的用户数量、信号传输距离和拓扑结构各不相同。星型结构网络中，用户直接与集中器通信，集中器对用户数据通信统一协调，用户间无公用的通信介质，故不存在信道争用现象。图2中的B相左侧分支是总线型结构，存在多个用户共用部分传输介质。若多个用户同时发送数据，则有可能发生数据冲突，故总线型结构网络需引入防冲突机制以提高通信效率。

2.2 正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)在PLC网络中的应用

PLC网络分支众多，各用户电力线接入长度不同，导致信号经由不同路径传输至接收端，产生多径效应。信号分量互相重叠、互相干扰，致使接收端无法正常识别数据。OFDM利用不同载波间的正交性，极大提高了频谱效率。OFDM的子载波在频域上有部分重叠，只要子载波间满足特定的正交约束条件，每个子信道都能将信号恢复。由于OFDM对多径效应引起的符号间干扰具有鲁棒性，故广泛应用在PLC网络中。OFDM的信号处理流程如图3所示。

图3 OFDM信号处理流程

由图3可知，发送节点调制数据流，信号依次经过串并变换和OFDM调制。高速串行数据流分解成若干子信号，再将子信号转为并行传输方式，如此每个子载波的符号周期延长数倍，抗多径能力有所提高。之后将并行数据再转换成串行数据，并插入循环前缀生成OFDM码元。为了便于接收端进行同步和信道估计，数据帧中要加入同步序列与信道估计序列。OFDM实质上是将高速串行数据流转换成低速并行数据流实现传输。

2.3 PLC网络的信道分配方法

当PLC网络中的多个节点共用信道时，就会存在数据冲突的可能性。目前，竞争性信道接入协议主要有ALOHA、载波侦听多址接入/碰撞检测协议(carrier sense multiple access with collision detection，CSMA/CD)、载波侦听多址接入/避免冲撞协议(carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA)[3]和双忙音多址接入协议(dual busy tone multiple access protocol, DBTMA)[4-5]等。

2.3.1 ALOHA协议

ALOHA是最早使用的信道访问控制技术协议，其信道使用规则简单，并未引入多点协调的思想，节点任何时刻都能发送数据。在ALOHA中，若网络中某个节点有数据发送需求时，就会马上发送信号，无需与其他设备协调。当用户较少时，ALOHA尚且能满足需求，但随着通信节点增加，数据冲突重叠的几率增加，导致数据包无法正常接收。如此，发送端则需对数据重传，若重传无帧冲突发生，则数据正常接收。若数据冲突再次发生，则继续重传。故ALOHA在大规模网络中的数据传输效率极其低下。

2.3.2 CSMA/CD协议

CSMA/CD是一种分布式、争用型的介质访问控制协议，且有冲突检测功能。在发送数据前，节点要先载波侦听信道是否空闲。若信道空闲，则发送数据；若信道被占用，则依据算法退避一定时间后再发送。此外，节点在发送信号过程中仍对信道状态检测，若检测到信号发生混叠或误码，则说明在同一时刻同一传输介质中有多个节点发送数据。在这种情况下，节点立即停止传输数据，依据算法延时后再发送。与此同时，节点还要发送一个加强冲突的阻塞信号，以便通知信道上所有节点有冲突发生。

2.3.3 CSMA/CA协议

CSMA/CA是基于竞争的随机接入协议，具有很高的灵活性和可扩展性[6]。CSMA/CA协议采用RTS-CTS-DATA-ACK机制，有效规避了数据冲突。具体流程如下：

(1)源节点在数据发送前先对信道状态检测。若信道空闲，则等待一个分布式帧间间隙后，发送请求发送(request to send，RTS)报文进行握手；若信道繁忙，则采用退避机制，等待一段时间后再尝试RTS握手。

(2)当目的节点成功接收RTS握手报文后，等待一个短帧间间隙，而后向源节点发送清除发送(clear to send，CTS)报文。若通信范围内的非目的节点收到RTS报文，则设一个NAV计时器，在一定时间内保持静默。

(3)源节点收到目的节点的CTS响应后，等待一个短帧间间隙，然后向源节点发送数据。其他节点收到CTS报文后，则设一个NAV计时器，在一定时间内保持静默。

(4)若数据完整接收，则目的节点等待一个短帧间间隙后发出确认(acknowledge character，ACK)报文响应，源节点接收到响应，则此次传输完成。

通过RTS-CTS握手机制和NAV通信静默机制，CSMA/CA在很大程度上消除了隐藏节点引起的冲突。通过ACK回应机制，保证帧正确传输。该协议能有效减少数据传输冲突，但其仅解决了隐藏节点问题，未能有效解决暴露节点问题。

2.3.4 DBTMA协议

DBTMA是一种竞争性的多信道接入协议，具有控制信道和忙音标记的功能。忙音是一种具有某个特定频率的正弦信号，只能在某个频带上通过能量检测的方法在载波侦听范围内被正确识别，其所占的带宽极少。DBTMA的数据信道用于通信数据传输，控制信道则用于CTS-RTS握手和忙音标记。由于CTS-RTS握手在独立的信道上，故降低了数据冲突的概率。

3 基于DBTMA与CSMA/CA的防冲突协议

CSMA/CA未解决暴露节点问题，从而影响网络吞吐量。DBTMA无ACK响应机制，缺乏可靠性。针对现有协议难以满足PLC通信防冲突需求，本文将两种协议相结合，提出一种基于忙音检测和通信确认信道的防冲突协议。该协议的原理如图4所示。

由图4可知，信道被划分为数据信道和控制信道，控制信道包括接收忙音信道、通信确认信道，其中：接收忙音信道接收数据，通信确认信道接收CTS、ACK，从而确认RTS、数据是否被正确接收。工作流程如下：

图4 协议原理图

(1) 节点A在数据发送前对接收忙音信道检测。若无接收忙音，则等待一个分布式帧间间隙后，发送RTS进行握手；若有接收忙音，则退避一段时间后尝试RTS握手。

(2) 节点B成功接收RTS握手报文后，等待一个短帧间间隙后，向源节点A发送一个CTS报文。为解决暴露节点问题，通信范围内的其他节点收到RTS报文后，仍正常发送数据，但不接收数据。

(3) 节点A收到节点B的CTS响应后，等待一个短帧间间隙后向源节点发送数据，并挂起接收忙音。

(4) 若数据完整接收，则节点B通过数据确认信道发送确认信息，源节点A检测到该信号，则此次传输完成。

经分析，节点A发送数据时，其周围暴露节点依旧通信。该协议单独设置一个数据确认信道，有效避免了接收端接收确认响应发生冲突。

4 结束语

本文分析了电力线传输信号的衰减特性，阐述了PLC网络架构，探讨了OFDM技术和信道分配算法在PLC领域的应用。针对现有CSMA/CA、DBTMA的不足，提出了一种基于忙音检测和通信确认信道的防冲突协议。该协议结合了两者的优点，利用忙音检测信道和数据确认信道实现冲突避免，提高吞吐量并减少传输延时。