CN104639308B - 高速窄带电力线通信中的串扰容忍竞争接入机制 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制，包括：利用双信道在高速窄带电力线通信系统HNPLC竞争接入机制中引入并行传输机制，以解决HNPLC网络拓扑中大量存在的暴露发送节点和隐藏接收节点问题；利用基于系统信道特性和物理层参数的启发式寻优算法解决信道分配问题；使用扩展的握手协议对节点状态进行判断，并兼容基于优先级或参数自适应调整的媒质接入控制MAC机制改进竞争接入策略，实现MAC机制的多途径跨层优化与整合。本发明的机制具有实现复杂度低，节点状态的识别效率高，寻优算法稳定可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种高效的媒质接入竞争机制，更具体地，涉及一种基于双信道的串扰容忍的高速窄带电力线通信的媒质接入竞争机制。
背景技术
高速窄带电力线通信(HNPLC)作为建设新型智能电力系统的有力支持，为智能电网双向信息交互提供了极具竞争力的通信选择方式。媒质接入控制(MAC)作为HNPLC骨干架构中承上启下的中间层，其核心的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制是影响和制约系统效率及传输质量的关键环节，因而也成为了HNPLC工业及学术领域关注的焦点问题。HNPLC网络拓扑中大量存在隐藏接收节点和暴露发送节点问题严重制约着HNPLC系统性能，因此设计并实现一种新型的竞争接入机制，充分挖掘MAC竞争接入机制的传输性能，对推动HNPLC的发展与工业应用，进而推动智能电网的发展具有十分重要的意义。
目前技术的缺点是：已有HNPLC竞争接入机制仅结合了电力线信道环境或PHY层相关参数，其自底向上的着眼方式使现有机制缺少对系统整体布局的把握，从而忽视了HNPLC网络拓扑特性可带来的接入性能的提高。另外，现有机制在处理业务量增加引起的竞争接入性能下滑问题时，使用设定辅助量或引入预约机制的方法，由于受信道独占及协议实现机制的约束，这些方法均难以使系统整体通信效率得到合理改善。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种高速窄带电力线通信中的串扰容忍竞争接入机制。该机制具有实现复杂度低，节点状态的识别效率高，寻优算法稳定可靠的优点。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制，包括：利用双信道在高速窄带电力线通信系统HNPLC竞争接入机制中引入并行传输机制，以解决HNPLC网络拓扑中大量存在的暴露发送节点和隐藏接收节点问题；利用基于系统信道特性和物理层参数的启发式寻优算法解决信道分配问题；以及使用扩展的握手协议对节点状态进行判断，并兼容基于优先级或参数自适应调整的媒质接入控制MAC机制改进竞争接入策略，实现MAC机制的多途径跨层优化与整合。
根据本发明实施例的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制，串扰容忍接入策略的实现复杂度低，节点状态的识别效率高，寻优算法稳定可靠，不仅可用于高速窄带电力线通信系统的MAC层，还可以应用于其他通信网络的MAC接入机制中，例如无线个域网、Zigbee通信等。
另外，根据本发明上述实施例的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述HNPLC竞争接入机制指以子载波为单位将基于正交频分复用技术OFDM的HNPLC信道划分为控制信道和数据信道。
在一些示例中，所述利用基于系统信道特性和物理层参数的启发式寻优算法解决信道分配问题，包括：基于既定的物理层动态调整策略和系统参数，寻找控制信道与数据信道的最佳带宽比，从而最小化双信道中信息传输的统计平均耗时。
在一些示例中，所述扩展的握手协议的传输帧包括：握手帧类型、握手序列号、数据包长度、收、发节点的地址信息以及校验信息。
在一些示例中，所述兼容基于优先级或参数自适应调整的媒质接入控制MAC机制改进竞争接入策略，包括：在已有策略的基础上引入TXvic标志量和RXvic标志量，以指示节点是否受到邻居节点的发送和接收影响。
在一些示例中，通过实际传输场景仿真环境验证所述高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制的性能，其中，实际传输场景仿真环境包括：网络层Mesh拓扑、MAC层接入机制以及物理层动态调整策略的HNPLC变包长随机传输环境。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的信道配置寻优算法的启发式搜索的伪代码；
图2为本发明实施例的扩展握手协议帧格式；
图3为本发明实施例的扩展握手协议的消息序列图；
图4为本发明实施例的协议实现总体流程图；
图5为本发明实施例的发送流程图；
图6为本发明实施例的仿真系统拓扑结构图；
图7为本发明实施例在变包长随机传输环境下的仿真性能与原CSMA/CA的对比；
图8为本发明实施例在9节点拓扑中各节点的通信概率统计情况。
图9(a)至图9(d)分别为CSMA/CA+CP机制暴露发送节点场景电力线噪声示意图、暴露发送节点模型示意图、隐藏接收节点场景电力线噪声示意图以及隐藏接收节点模型示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
针对现有技术的不足，本发明在MAC竞争接入机制中引入基于拓扑特性的传输需求，允许HNPLC网络中大量存在的隐藏接收节点和暴露发送节点在已有通信的基础上进行合法的并行传输，进而有效解决大业务HNPLC网络的碰撞和资源浪费问题，大幅提高系统的通信速率和传输质量。
根据HNPLC信道特性和系统的参数规范，设计允许串扰容忍的接入机制，包括：利用启发式寻优算法解决信道分配问题，使用扩展的握手协议对节点状态进行判断，在基于优先级或参数调整策略的竞争接入机制中引入标志量来实现串扰容忍，在跨层的变包长随机传输环境中对机制进行仿真验证。
本发明实施例的规范实现复杂度低，节点状态的识别效率高，寻优算法稳定可靠，仿真环境真实展现了实际HNPLC传输情况，本发明适用于子域级联型组网的HNPLC应用系统。
以下结合附图描述根据本发明实施例的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制。
本发明实施例的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制，包括：利用双信道在高速窄带电力线通信系统HNPLC竞争接入机制中引入并行传输机制，以解决HNPLC网络拓扑中大量存在的暴露发送节点和隐藏接收节点问题；利用基于系统信道特性和物理层参数的启发式寻优算法解决信道分配问题；以及使用扩展的握手协议对节点状态进行判断，并兼容基于优先级或参数自适应调整的媒质接入控制MAC机制改进竞争接入策略，实现MAC机制的多途径跨层优化与整合。
进一步地，HNPLC竞争接入机制指以子载波为单位将基于正交频分复用技术OFDM的HNPLC信道划分为控制信道和数据信道。
进一步地，利用基于系统信道特性和物理层参数的启发式寻优算法解决信道分配问题，包括：基于既定的物理层动态调整策略和系统参数，寻找控制信道与数据信道的最佳带宽比，从而最小化双信道中信息传输的统计平均耗时。
进一步地，扩展的握手协议的传输帧包括：握手帧类型、握手序列号、数据包长度、收、发节点的地址信息以及校验信息。
进一步地，兼容基于优先级或参数自适应调整的媒质接入控制MAC机制改进竞争接入策略，包括：在已有策略的基础上引入TXvic标志量和RXvic标志量，以指示节点是否受到邻居节点的发送和接收影响。
进一步地，通过实际传输场景仿真环境验证所述高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制的性能，其中，实际传输场景仿真环境包括：网络层Mesh拓扑、MAC层接入机制以及物理层动态调整策略的HNPLC变包长随机传输环境
根据本发明实施例的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制，串扰容忍接入策略的实现复杂度低，节点状态的识别效率高，寻优算法稳定可靠，不仅可用于高速窄带电力线通信系统的MAC层，还可以应用于其他通信网络的MAC接入机制中，例如无线个域网、Zigbee通信等。
作为一个具体的示例，以基于OFDM的高速窄带电力线通信系统为例，详细阐述本发明实施例的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制(简称：串扰容忍机制)的设计过程。
具体来说，信道配置过程就是寻求控制信道和数据信道的最佳子载波分配比，使双信道中信息传输的统计平均耗时最小。
控制信道：用Nc表示分配的控制信道子载波的个数；Mc表示选定的调制阶数；Lc表示握手信息的总长度，单位：字节；Nc_conv为卷积编码添加的初始化比特数；Ac表示编码效率；物理层握手信息的包头长度用其占用的物理层符号数Nc_head来度量，因此，握手交互需要发送的物理层符号数Nc_sym可表示为：
则握手交互时间Tc为：
其中，Tc_sym表示控制信道中一个物理层OFDM符号占用的时间长度，由物理层规范中设定的采样频率fsa和单个符号的组成点数Nc_point决定，Nc_point受控制信道子载波个数Nc的制约。将式(1)代入(2)即可得到握手交互时间Tc的表达式。基于HNPLC物理层规范，Tc实际上是Nc的函数Tc(Nc)。表示向上取整。Tc(Nc)为，
用数据信道中载荷有效长度区间上的均匀分布描述物理帧数据载荷的长度Ld_MAC，即：Ld_MAC～U[Vmin,Vmax]。这样，数据载荷长度的统计平均值(单位：字节)为：
本发明实施例的HNPLC信道多径模型，用基于测量得到的典型向量集和其统计概率分布集进行粗略描述。其中hi是信道模型向量，pi是其对应的概率分布。
数据信道的可用子载波数Nd最大为N-Nc，N是由HNPLC规范决定的系统可用子载波总数。HNPLC物理层DSM策略根据数据发送时的信道状况，选取适宜的数据调制阶数Md(i)和使用的子载波数Nd(i)。Md(i)取自系统规定的可用调制阶数集如：若可用的调制方式为DBPSK、DQPSK和D8PSK，则记作Nd(i，Nc)；i指明了对应的信道情况。则数据信息包的传输耗时Td(i,Nc)为：
其中，Ld_RS为数据包RS编码添加的监督码元的字节数；Nd_conv为数据包卷积编码添加的初始化比特数；Ad为编码效率；Nd_head为数据帧的包头长度，用其占用的物理层符号数来度量；Nd_FFT、Nd_CP和Nd_OV分别表示FFT点数、循环前缀点数和升余弦滚降点数。
使信息传输的统计平均耗时最小，则信道配置的目标函数为：
配置得到的最佳控制信道子载波数为：
如图1所示，为本发明实施例的信道配置寻优算法的启发式搜索的伪代码。
如图2所示，为本发明实施例的扩展握手协议帧格式。
如图3所示，为本发明实施例的扩展握手协议的消息序列图。
本发明实施例的协议实现流程中定义了TXvic和RXvic两个标志量来指示节点是否受到邻居节点的发送和接收影响：TXvic＝1表示有邻居节点正在进行发送操作，本节点不可进行额外的接收任务；RXvic＝1表示有邻居节点正在进行接收操作，本节点不可执行发送任务。TXvic和RXvic两个标志量还对应有各自的计时器，计时器分别用于记录TXvic和RXvic的有效置位时间，当定时器超时后，对应标志位清零。
如图4所示，为本发明实施例的协议实现总体流程图。
如图5所示，为本发明实施例的发送流程图。
如图6所示，为本发明实施例使用的仿真系统拓扑结构图。其中，图6(a)为本发明实施例的9节点网络拓扑及其逻辑通信范围；图6(b)为本发明实施例的9节点网络的定量通信链接图。
如图7所示，为本发明实施例在变包长随机传输环境下的仿真性能与原CSMA/CA的对比。图7(a)为系统的平均传输速率随数据包平均到达时间间隔的变化情况；图7(b)为系统数据包的平均延时随数据包平均到达时间间隔的变化情况。
如图8所示，为本发明实施例在9节点拓扑中各节点的通信概率统计情况。
通过本发明实施例的基于扩展握手协议解决HNPLC系统中隐藏接收节点和暴露发送节点问题，使本发明实施例的实现复杂度低，节点状态的识别效率高，结合使用基于系统信道特性和物理层参数的启发式寻优算法，并兼顾基于优先级和参数自适应的改进策略，实现MAC机制的多途径跨层优化、整合。在反映实际传输场景的变包长随机传输环境下的仿真实验，真实展现了本发明实施例的性能优势，满足具有子域级联拓扑的传输应用系统。
结合图9(a)至图9(d)所示，在本发明中，高速窄带电力线(HNPLC)通信系统媒质接入控制(MAC)机制-基于串扰容忍(crosstalk permission,CP)的CSMA/CA+CP机制。该机制利用双信道引入并行传输机制，有效解决高速窄带电力线通信中普遍存在且严重制约其性能的隐藏接收节点和暴露发送节点问题。对于CSMA/CA+CP实现过程中最为核心的信道分配问题，本发明给出了基于信道特性和物理层参数的启发式寻优算法。同时，为便于工程实现，本发明使用扩展的握手协议对通信节点状态进行判断，并兼顾优先级和参数调整策略，实现MAC机制的多途径跨层优化与整合。结合实际传输场景，本发明构建了包括网络Mesh拓扑、MAC层接入机制以及物理层动态调整的HNPLC变包长的随机传输仿真环境，在该环境下的仿真结果表明：本发明提出的CSMA/CA+CP机制，通过提供邻域割集节点的并行通信机会，显著减少了数据包的平均传输延时；当网络业务量增多时，CSMA/CA+CP能有效改善竞争冲突引起的速率下滑问题，使系统的传输速率得到有效提升。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (6)
1.一种高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入方法，其特征在于，包括：
利用双信道在高速窄带电力线通信系统HNPLC竞争接入机制中引入并行传输机制，以解决HNPLC网络拓扑中大量存在的暴露发送节点和隐藏接收节点问题；
利用基于系统信道特性和物理层参数的启发式寻优算法解决信道分配问题；以及
使用扩展的握手协议对节点状态进行判断，并兼容基于优先级或参数自适应调整的媒质接入控制MAC机制改进竞争接入策略，实现MAC机制的多途径跨层优化与整合。
2.根据权利要求1所述的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入方法，其特征在于，所述HNPLC竞争接入机制指以子载波为单位将基于正交频分复用技术OFDM的HNPLC信道划分为控制信道和数据信道。
3.根据权利要求1所述的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入方法，其特征在于，所述利用基于系统信道特性和物理层参数的启发式寻优算法解决信道分配问题，包括：基于既定的物理层动态调整策略和系统参数，寻找控制信道与数据信道的最佳带宽比，从而最小化双信道中信息传输的统计平均耗时。
4.根据权利要求1所述的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入方法，其特征在于，所述扩展的握手协议的传输帧包括：握手帧类型、握手序列号、数据包长度、收、发节点的地址信息以及校验信息。
5.根据权利要求1所述的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入方法，其特征在于，所述兼容基于优先级或参数自适应调整的媒质接入控制MAC机制改进竞争接入策略，包括：在已有策略的基础上引入TXvic标志量和RXvic标志量，以指示节点是否受到邻居节点的发送和接收影响。
6.根据权利要求1所述的高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入方法，其特征在于，通过实际传输场景仿真环境验证所述高速窄带电力线通信中的串扰容忍的MAC竞争接入机制的性能，其中，实际传输场景仿真环境包括：网络层Mesh拓扑、MAC层接入机制以及物理层动态调整策略的HNPLC变包长随机传输环境。
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| Narrowband power line communications: Enabling the smart grid;Anim Amarsingh et al.;《IEEE POTENTIALS》;20140107;全文 * |
| 基于优先级策略的跨层优化NPLC CSMA/CA机制;刘雯静 等;《清华大学学报（自然科学版）》;20140915;第54卷(第9期);全文 * |
| 高速窄带OFDM电力线通信实时动态频谱分配;张童飞 等;《中国电机工程学报》;20140205;第34卷(第4期);全文 * |
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