基于人工蛛网网络的自适应载波侦听多路访问协议.pdf
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1、DOI:10.20079/j.issn.1001-893x.210531005引用格式:吴笛,白桦,王正用,等.基于人工蛛网网络的自适应载波侦听多路访问协议J.电讯技术,2023,63(7):1080-1085.WU D,BAI H,WANG Z Y,et al.Adaptive carrier sense multiple access protocol based on artificial cobwebJ.Telecommunication Engineering,2023,63(7):1080-1085.基于人工蛛网网络的自适应载波侦听多路访问协议吴吴 笛笛1 1,白白 桦桦1 1,王
2、王正正用用1 1,王王韬韬樾樾2 2,林林 斌斌2 2,褚褚如如旭旭2 2(1.浙江华云电力工程设计咨询有限公司,杭州 310006;2.杭州智微易联电力科技有限公司,杭州 310012)摘 要:低压电力线通信(Low Voltage Power Line Carrier Communication,LVPLC)的介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议是影响网络吞吐量的重要因素。针对 LVPLC 精确人工蛛网网络中由于非对称 PLC 信道影响而导致吞吐量相对较低的问题,改进了已有的 p-载波侦听多路访问协议(p-persistent Carrier Sense
3、Multiple Access,p-CSMA),提出了一种自适应载波侦听多路访问(Adaptive Carrier Sense Multiple Access,ACSMA)协议来优化有限负载下的吞吐量。该协议可通过动态调整概率,降低了数据包的冲突概率,优化了电力线信道的传输状态,最大限度地提高了吞吐量。仿真实验结果表明,ACSMA 显著提升了多种通信状态下的吞吐量。关键词:低压电力线通信(LVPLC);自适应载波侦听;人工蛛网网络;多路访问控制协议开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN913.6 文献标志码:A 文章编号
4、:1001-893X(2023)07-1080-06Adaptive Carrier Sense Multiple Access Protocol Based on Artificial CobwebWU Di1,BAI Hua1,WANG Zhengyong1,WANG Taoyue2,LIN Bin2,CHU Ruxu2(1.Zhejiang Huayun Power Engineering Design Consulting Co.,Ltd.,Hangzhou 310006,China;2.Hangzhou Zhiwei Yilian Power Technology Co.,Ltd.,
5、Hangzhou 310012,China)Abstract:Low voltage power line communication(LVPLC)medium access control(MAC)protocol is an important factor affecting network throughput.For the problem of low throughput in LVPLC precise artificial cobweb network due to asymmetric PLC channel,the existing p-persistent carrie
6、r sense multiple access(p-CSMA)protocol is improved and an Adaptive Carrier Sense Multiple Access(ACSMA)protocol is proposed to optimize throughput under limited load.The protocol can reduce the collision probability of packets by dynamically adjusting the probability,optimize the transmission state
7、 of power line channel,and maximize the throughput.Simulation results show that ACSMA can significantly improve the throughput in various communication states.Key words:low voltage power line communication(LVPLC);adaptive carrier sense;artificial cobweb;multiple access control(MAC)protocol0 引 言电力线通信
8、(Power Line Carrier Communication,PLC)在智能电网中发展迅速。IEEE 1901 为高数据速率本地网络提出了不同的解决方案1。尽管80%的 PLC 设备遵循 IEEE 1901 规范,但与 PHY 层相比,该规范的 MAC 层很少受到关注2。特别是0801第 63 卷 第 7 期2023 年 7 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol.63,No.7July,2023收稿日期:2021-05-31;修回日期:2021-06-17通信作者:王韬樾与无线通信相比,针对 PLC 中的研究与应用较少。PLC 信道是一种非常苛刻和有
9、噪声的传输介质,因为它是频率选择性的,并且受到脉冲噪声的影响3-4,这些因素导致了对性能的影响相对较低。在文献5中,作者的工作主要集中在对具有饱和负载的 p-CSMA 协议在无差错信道条件下的行为进行建模,即传输失败仅仅是由于与网络中其他包的冲突造成的。Cali 等人6提到了 p-CSMA 模型,证明了保证概率 p 对网络性能的影响很大,指出了采用固定概率 p 不能保证网络性能的问题。文献7提出了忽略不同传输速率和信道干扰时的饱和吞吐量数学模型,但只讨论了竞争窗口的大小,没有进一步分析吞吐量。在文献8中,传输的数据包由于多径而经历噪声和衰落,即使没有冲突,接收器也可能检测不到受损的数据包,这也
10、会导致吞吐量降低。因此,建立 PLC 网络中的可用吞吐量模型至关重要。为了提高网络的性能,本文对 MAC 协议进行了研究,提 出 了 一 种 自 适 应 载 波 侦 听 多 路 访 问(Adaptive Carrier Sense Multiple Access,ACSMA)协议。进一步地,与无线通信相比,在 PLC 中的应用较少。考虑到 PLC 的共享性,本文从无线网络通信的角度提出了参考意见。1 低压 PLC 网络拓扑1.1 低压配电网物理拓扑对于低压配电网,变压器二次侧相间的信号衰减相对较大9。在没有相位耦合的情况下,每个相位可以被认为是平行的和相对独立的,因此,任何一个阶段的网络拓扑结
11、构都可以成为研究的重点10。在物理拓扑的基础上,本文建立了低压配电网中的单相,结构如图 1 所示。图 1 低压配电网物理拓扑1.2 低压 PLC 的通信逻辑拓扑在树型物理拓扑的基础上,需要建立站间通信逻辑拓扑,以提高通信可靠性。有了电气站可以根据需要进行开关操作,改变了站的运行状态,也改变了通道状态。因此,它导致 LVPLC 的逻辑拓扑变化。目前,PLC 网络是树形拓扑结构,对网络的可靠性和抗毁性相对较低。为了提高可靠性,本文提出了一种精确的人工蛛网 PLC 网络拓扑结构11-12。2 精确的人工蛛网网络算法2.1 精确人工蛛网拓扑受天然蜘蛛网的启发,Zhang 等13详细分析了PLC 网络
12、MAC 逻辑拓扑向单层人工蜘蛛网拓扑的转化过程。但这种拓扑结构是通过舍弃部分通信链路来提高网络可靠性的,实际切断了有用的通信链路。因此,本文进一步提出了一种精确的人工蛛网逻辑拓扑,以提高网络的可靠性,其结构如图 2 所示。图 2 网络逻辑拓扑2.2 精确的人工蛛网网络算法在 PLC 网络中,站之间是相同的,因此,很难自动选择 CCO、代理站和站点。准确的蛛网网络算法流程如下:Step 1 每个电台同时通电并静音 5 s,随机延迟最短时间的电台向传输范围内的其他电台发送选择信标。如果站在应答帧间空间(Reduced Interframe Spacing,RIFS)之后成功地接收到应答(ACK)帧
13、,CCO 选择成功;如果站没有收到 ACK,则 CCO 选择失败。重复上述选择机制,直到成功选择 CCO q。Step 2 CCO q 首先为自己分配信标时隙,如图3(a)所示。在信标时隙中,CCO q 通过广播向对方发送信标帧,如图 3(b)所示。当一个或多个站接收到信标帧时,这些站通过 CSMA 接入信道发送ASSOC.REQ 帧。当帧在信道中碰撞时,这些站随机地延迟很短的时间。当信道再次空闲时,站再次1801第 63 卷吴笛,白桦,王正用,等:基于人工蛛网网络的自适应载波侦听多路访问协议第 7 期接入信道。我们假设站 s 访问信道并向 CCO q 发送ASSOC.REQ 帧。图 3 CC
14、O/站点信标插槽Step 3为了避免重复接收 ASSOC.REQ 帧,q直接回复 ACK 帧。当时隙结束时,q 在收敛周期(CP0)中通过广播发送 ASSOC.CNF 帧。站 s 收到ASSOC.CNF 帧后回复 ACK 帧,获取 CCO q 分配的终端设备标识 TEI,并与 CCO q 建立垂直链路。Step 4 为了避免网络中的层数过多,q 再次为自己分配信标时隙,使站点尽可能多地加入第一层网络。如果有新的站点加入网络,q 将重复上述联网机制;否则,q 在 CP0 周期中将信标时隙分配给加入的网络站。Step 5 根据 IEEE 1901 协议,q 每次为 4 个站分配信标时隙。以第一层的
15、 s 站和 t 站为例,给出了其余 n-3 站的组网过程。具体地说,如果站 s 首先得到 q 分配的信标时隙顺序,则 s 在传输范围内通过广播向另一站发送网络信标。Step 6 当站点接收到站点 s 的信标帧时,如果站点已经加入,则站点 s 将这些站点存储在邻居表中,并建立链路;如果站 a 发送 ASSOC.REQ 帧,则站 s 在接收到该帧之后直接回复 ACK 帧。其他站点加入与站点 a 有类似的网络过程。当插槽结束时,工作站将发送 ASSOCu ALL。请求帧到 q,q 回复 ACK 帧,并发送 ASSOC u ALL。最后广播确认帧(包括 CCO 分配新加入站的 TEI)。Step 7
16、获得 TEI 的新加入的网络站回复 ACK帧,第二个网络已经完成,站 s 和 t 成为代理站,站a,b,c,d,e,f,g 和 h 成为连接站,如图 4 所示。图 4 精确的人工蛛网立体网络2.3 网络仿真与结果为了评估网络算法,在 OMNeT+4.0 上进行了离散事件仿真。该网络由 30 个节点组成,以 800 m为单位随机分布 800 m 区域。表 1 仿真参数参数数值带宽/MHz1.8,20PRS0/s35.84RIFS/s140CIFS/s140有效载荷时间/ms6数据包时间/ms6.65物理层速率/(Mb/s)1 数据包长度/B136在表 1 所示的仿真参数下,使用网络算法得到网络结
17、果,如图 5 所示。与其他拓扑结构相比,该拓扑结构更接近实际的 PLC 网络拓扑结构,也为研究网络性能提供了重要的基础。图 5 精确的蛛网网络拓扑3 p-CSMA 模型的吞吐量优化3.1 假设本节将介绍基于 PLC-IEEE 1901 标准的 p-CSMA 模型。列举数值分析的几个假设如下:竞争站点被认为是一个完全连通的网络和有限个站点N;有一个理想的信道条件,没有由于物理层造成的数据包丢失或错误,传输失败只是由于数据包冲突。考虑饱和条件:站点始终有一个要发送的数据包;仅电讯技术 2023 年交换数据包和 ACK 帧。3.2 吞吐量数学模型站用静态协议发送数据包,因此,它对于网络操作相对简单,
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