（电磁场与微波技术专业论文）基于ofdm的低压电力线通信网络的协议研究.pdf

东南大学倾十研究生学位论文 摘要 低压电力线通信网络作为一种新的局域网接入方式，与其它接八方式相比有 显藩秘侥点：一方螽鸯予幂需要镱设裁线秘默成本套更低；另一方晒更重要酶是 由于电源插头随处可见，所以几乎可以在家里的每个地方实现网络履联。但是由 于电力线信遗恶劣的噪声环境和信遗待槛，实现高速互连的电力线遇信网络有稂 大困难，正交频分复用( 0 f d m ) 调制方式在抗干扰方面的优捧表现促使电力线通 信网络的物理层协议采用o f d m 技术。为了能与其它接八方式竞争，电力线网 络系统盛须提供可靠而高性能的服务质量，处理好共用信邋的冲突，合理地分配 和辫分配信道资源，所以在网络的数据镳路层鼹采用合适的煤质访问控制 ( m a c ) 蕨接入协议。 本论文首先讨论了低压电力线上的数据传榆特性，然后在此基础上介绍了系 统采竭砖物理昙o f d m 技术，并研究了o f d m 系统在电力线逯信斓络上应用的 优缺点。 根据实鼯的电力线网络拓扑结构，建立了电力线网络模型，分析了在这个模 型下数据链路层中所采用的m a c 层接入技术，包括完全随机的a l o h a 协议， 载波帧听多址( c s m a ) 协议，带碰撞检测的c s m a 协i y ( c s m a c d ) 。农设定 了电力线嘲络鼹采餍砖数据帻结构以后，仿奏了在电力线嗣络孛篱蓼而实髑髓几 种接八方式( 非时隙a l o h a 协议，非时隙1 一坚持型c s m a 协议，非时隙1 坚 特整c s m a c d 秘议) ，并攘分毒亏了在接入髑户数、信遥兜跨误码攀、单稼传播 时她等参数在不同馓下的陛能，最詹提出了在不同的需求和网络环境下所采用的 m a c 层接八协议。 【暮键词l 低压电力线通信正交额分复用( o f d m ) 媒质访问控制( m a c ) a l o h a 载波帧骣多址( c s m a ) 蛟续梅 东南大学硕十研究生学位论文 a b s t r a c t l o w v o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ( l v p l c ) n e t w o r ki s an e wl o c a la r e a n e t w o r k ( l a n ) a c c e s sm e t h o d i td o e sh a v es o m ea p p e a l i n ga t t r i b u t e sc o m p a r e dt o o t h e rs o l u t i o n s ：f i r s t ，n on e ww i r ei sn e e d e d ， s ot h ec o s tc a nb e1 0 w e r ；m o r e i m p o r t a n t l y ，p o w e ro u t l e t s a r ea l m o s te v e r y w h e r es o m e o n em i g h tw a n tt ou s ea n e t w o r k e dd e v i c ea th o m e b u tb e c a u s eo f i t sf i e r c en o i s ea n dc h a r m e lc h a r a c t e r i z e s ， p l ci s c e r t a i n l yav e r yd i f f i c u l tm e d i u mt oi m p l e m e n tt h eh i g h - s p e e dl i n k s t h e p h ) r s i c a ll a y e r ( p h y ) u s e so r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) a s t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u eb e c a u s eo f d mh a ss o m ew o n d e r f u lv i r t u e si na n t i - j a m m i n g t ob ea b l et oc o m p e t e a g a i n s t o t h e ra c c e s sm e t h o d s ，t h ep l c s y s t e m sh a v e t oo f f e ra b i gp a l e r eo f t e l e c o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e sw i t has a t i s f i e dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ， s o l v et h ec o l l i s i o ni nt h ep u b l i cc h a n n e l ，a l l o c a t ea n dr e a l l o c a t et h er e s o u r c eo f p l c c h a n n e l s ot h ed a t al i n kl a y e r l l ) m u s tt a k ep r o p e rm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e r a c c e s sp r o t o c 0 1 i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s st h ed a t at r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r so fl v p o w e r l i n e a n d t h e nw ei n t r o d u c ea n dr e s e a r c ht h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo f d m t e c h n i q u e a tt h el v p l cn e t w o r k b a s e do nt h ep r a c t i c a lp o w e r l i n en e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r e ，w e p r o p o s et h e p o w e r l i n en e t w o r km o d e l ，a n da n a l y z et h em a cl a y e ra c c e s st e c h n o l o g y ， w h i c h i n c l u d e t h o r o u g h l y r a n d o ma l o h ap r o t o c o l ，c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s ( c s m a ) ，c s m a w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ( c s m a c d ) a f t e r p r o p o s i n g t h eu s e dd a t a f r a m es t r u c t u r e ，w es i m u l a t es o m e s i m p l ea n dp r a c t i c a la c c e s st e c h n o l o g i e s ( t m s l o t t e d a l o h a ，u n s l o t t e d l - p e r s i s t e n t c s m a ，u n s l o t t e d 1 - p e r s i s t e n tc s m a c d ) w e a n a l y z et h ep e r f o r m a n c e s a ts o m e p a r a m e t e r s ， s u c ha sa c c e s su n i t s ，b i te r r o rr a t e ， p r o p a g a t i o nd e l a yp e rm e t e r ， a n dt a k ed i f f e r e n tm a ca c c e s sp r o t o c o l sa td i f f e r e n t u s e rd e m a n d sa n dn e t w o r ke n v i r o n m e n t k e y w o r d s l o w v o l t a g e p o w e r h n ec o m m u n i c a t i o n ( l v p l c ) o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) a l o h ac a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s ( c s m a ) f la m es t r u e t u r e i j 学位论文独创性声明 本人声鞠所漫交豹学位论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及取褥 驰硬究成果。尽我所知，除了文中特男攘以标注释致落浆遮方辨，论文中不包含 其他人融经发淤成撰写过的研究成果，1 妃不包禽为获得东南大学戚其它激育机构 瓣学袋或证书藤镬惩过滤率| 瓣。与我醚工箨静同恚黠本磷究所敲薛餐籍贡熬均 已在论文中作丁明确的说明并裁示了谢意， 签名：绰日期：堕炒 美手学位论文使爱授权懿说臻 东南大学、中国科学技术信息研究所、国象图书馆谢权保鳃本人所送交学使 论文魏鬣酃猝弱鬼子文稻，可戳采甭影鞠、缩印躐萁穗簸潮手段傈存论文。本人 电子文档蛉内容鄹纸鏖谂文的杰窭相一致，除在保密期肉蜓缳密论文终，兔许论 文被查测和借阅可l 三l 公布( 包括干0 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 惩于| l 登) 授权畚潦大学疆变生筑办理。 整名；雌导师签名：毒畦匿期：丝璺：兰! 兰7 东南夫学硕上研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 低压电力线通信( l o w - v o l t a g e p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是指利用现有的低 压电力线通信网络进行语音及数据业务的一项新技术。局域网接入方式有很多 种，一类是建立新的网络，可以建立无线本地环路系统、卫星小系统，还有其它 一些新的固定接入网络，另外一类是利用现存的网络系统作为接入网络，包括 x d s l 技术，有线电视网( c a t v ) 等，低压电力线通信网络就是其中之一。利 用现存网络作为接入手段有明显的优点；成本低、施工方便。另外由于电力线在 家庭、公司及各种场所处处可达，比线缆甚至电话线更为广泛，用户能自由选择 在家中任何有电插座的角落进行数据通信，甚至高速i n t e m e t 接入。 为了提高电力线网络的市场竞争力，就必须要求电力线网络对通信服务提供 可靠高性能的服务质量( q o s ) ，电力线网络作为新的通信接入方式，要提供的 各种通信服务具体包括： ( 1 ) 、面向连接的服务，比如电话服务，也包括另外一些固定比特率( c b r ) 的 服务。 ( 2 ) 、面向无连接的数据服务，那些可以不用完全保证服务质量的服务，比如 i n t e m e t 接入应用。 ( 3 ) 有服务质量保证的数据传输，比如可变比特率数据服务( v b r ) 。 ( 4 ) 提供其它具体的电力线数据服务，比如远程抄表，楼宇的自动化控制等等。 对于电力线网络最重要的应用是( 1 ) 和( 2 ) ，两种服务提供不同的服务质 量。 近年来，国内外对于高速电力线通信网络的应用研究非常活跃，自从1 9 9 7 年以来每年都要举行一次国际性电力线通信( p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n s ) 年会 并出版相应的论文集。美国成立了由多家著名公司组成的h o m e p l u g 电力线联盟， 并在2 0 0 1 年6 月发布了第一个高速低压电力线通信的工业标准( h o m e p l u g p o w e r l i n e a l l i a n c ei n d u s t r ys p e c i f i c a t i o nv 1 0 ) ，以i n t e l l o n 为首的几家公司办在 2 0 0 2 年7 月开发出了符合此项工业标准的调制解调单芯片，从而使得成本比无 线局域网更低。 虽然国外已经研制出实用的调制解调芯片，但是由于我国的电网特性、电网 结构、居民住宅分布状况、电力线载波通信的应用领域等各个方面与国外不完全 相同。所以国外的芯片在国内使用效果并不理想，到目前为止还没有真正适合国 内电力线载波通信的调制解调i 芯片。本课题的目的就是为了设计符合我国信道特 东南大学坝十研究生学位论文 性和噪声环境的调制解调芯片。课题的题目是“基于正交频分复用( o f d m ) 的 宽带高速电力线载波通信系统开发”。 1 2 论文安排 本论文是该课题项目的一部分，主要研究内容是低压电力线通信网络中的协 议研究，包括物理层的o f d m 技术和m a c 层协议的接入方式研究。全文共分 五章，各章内容如下： 第一章介绍了本论文的课题背景和论文安排。 第二章讨论了低压电力线上的数据传输特性，包括电力线信道的噪声特性、 多径效应和衰落特性。 第三章的研究基于国内实际电力线通信环境，物理层主要采用o f d m 技术， 首先介绍了o f d m 的基本原理，然后设定物理层参数模型并建立o f d m 仿真系 统，然后讨论了在电力线上o f d m 的抗干扰性能。 第四章首先讨论了实际电力线网络结构，然后分析了在电力线网络中所采用 的m a c 层接入技术，并设定了在m a c 层接入技术中所采用的帧格式。 第五章是各种m a c 层接入方式在电力线信道环境下的仿真性能，包括在接 入用户数目、信道比特误码率、信道传播时延等不同情况下的信道吞吐性能以及 这些接入方式性能的比较。 东南人学硕士研究生学位论文 第二章低压电力线上的数据传输特性 低压电力线是一种复杂的通信媒质，其初始目的是为了传输电力而设计的， 对于作为传输数据的信道来说环境十分恶劣，图2 1 显示的是一般电力线信道模 型。 h ( f ) 是电力线信道的传输函数。低压电力线上的数据传输特性主要包括： 信道噪声、多径效应、信道衰落。 n o i s e n c i l h r t l s n f l j t | 甜 图2 1电力线信道模型 2 1 电力线信道噪声 2 1 1 噪声分类 电力线信道中的噪声是低压电力线上最大的干扰源，它不是简单的加性高斯 白噪声，而是一种时变噪声，并随着环境的不同而改变，其主要是由电网中工作 的各种用电设备产生。包括开关电源或业余无线电产生的背景噪声，以及与电网 频率同步的周期脉冲噪声和电网中设备产生的瞬间异步脉冲噪声等。根据文献电 力线信道的噪声分为以下五类： 0 000 0 | 叫延“u 呲u ； 一一一 图2 2 电力线信道噪声的分类 东南大学硕十研究生学位论文 1 有色背景噪声： 由很多小功率的噪声源叠加产生，它的功率谱密度( p s d ) 随频率的增加 而降低，而且随时间变化很慢。 2 窄带噪声： 多为调幅的正弦信号，主要由中短波广播信号的干扰而产生，它通常随 着白天与夜晚而不同，夜晚一般比白天幅度高。 3 周期脉冲噪声( 与电网频率不同步) ： 这种噪声主要由开关电源产生，大部分按5 0 k 2 0 0 k h z 频率重复，在频 域上是一些离散谱。 4 周期脉冲噪声( 与电网频率同步) ： 主要由与电网同步的电源开关( 可控硅器件工作时) 产生，噪声频率与 电网频率同步，重复周期是5 0 h z 或1 0 0 h z ，它的持续时间短( 几毫秒) ， 功率谱密度( p s d ) 随频率的增加而降低。 5 异步脉冲噪声： 由电网设备的开关瞬间产生，持续时间从几微秒至几毫秒，到达时间随 机，p s d 有时会高出背景噪声5 0 d b 。 对于前面3 种噪声，由于第2 种窄带噪声通常是随着时间( 白天或黑夜) 的 变化而变化，o f d m 系统考虑这类噪声作为背景噪声，第3 种类型周期脉冲噪 声有高的重复率，而且很低的功率谱密度( p s d ) ，所以也可以看作一种背景噪 声。这三种类型被分作背景噪声，它们的频谱是这三种频谱的综合，如图2 t 3 所 示。在o f d m 系统中对这些噪声通常的解决办法是或者避免使用这些频段，或 者是在这些噪声频段上采用低比特速率的子信道。 图2 3 背景噪声的频谱 4 星* 最 东南人学硕士研究生学位论文 背景噪声是比较稳定的一种噪声，但是对于类型中的4 和5 来说，它们却 是时变的，它们的变化通常都是几微秒至j l 毫秒级的。与第5 种噪声类型相比， 第4 类噪声的噪声频率与电网频率同步，重复周期是5 0 h z 或1 0 0 h z ，它的持续 时间短( 几毫秒) ，功率谱密度( p s d ) 随频率的增加而降低。正是因为这些原 因，第4 种噪声模型假定在建立模型时不会产生错误。而第5 种，持续时间从几 微秒至几毫秒，到达时间随机，p s d 有时会高出背景噪声5 0 d b 。在这种噪声环 境下信道可以用两状态的m a r k o v 链来建模。两个状态为to n 和to f f ，如图2 4 所示。 图2 4 两状态的m a r k o v 链 其中1 f r 代表一个脉冲的持续时问，在这个时间当中，信道被看作是受干 扰的，信息不能传输。j i j n 代表没有脉冲，信道可以使用。这两个状态能代表 两个指数分布的随机变量。 2 1 2 实测电力线信道噪声分析 由于本课题的主要目的是提供电力线网络中的高速通信，所以主要使用的是 高频段范围，通常在5 0 0 k h z 2 0 m h z 之间。噪声测试地点分别选在居民小区和 学校实验室( 类似于办公楼) ，居民小区的用电设备主要是电视、日光灯等家用 电器，实验室动力线上的用电设备主要是计算机。 图2 5 选取了有代表性的在用电高峰期时的噪声情况，那时候信道环境比较 恶劣。 在家庭小区，如图2 5 a 所示噪声功率谱，在3 0 m h z 以下频段，家用电器产 生的周期性脉冲噪声和单脉冲噪声是主要的干扰；3 0 m h z 以上的背景噪声十分 平坦，短波广播信号的引起的窄带噪声是主要的干扰，。 在学校实验室，如图2 5 所示噪声功率谱，主要的干扰来自于计算机开关电 源产生的周期性脉冲噪声，频谱表现为按一定的频率重复的离散谱，干扰的幅 度最高高出背景噪声4 0 d b ，且频域分布很广，可达到8 m h z ；在9 m h z 以上， 是十分平滑的背景噪声。 比较a 图和b 图可以看到，实验室内的背景噪声功率谱比家庭内的背景噪声 东南人学硕士研究生学位论文 功率谱高1 0 d b 以上，主要是由于家庭环境里接的电器设备相对较少，比学校实 验室要干净许多。 a 一般家庭小区噪声功率谱( 居民区1 9 ：0 0 时) b 学校实验室噪声功率谱( 9 ：0 0 时) 图2 5 电力线实测噪声 2 2 电力线信道传输模型 2 2 1 多径效应和信道衰落 多径效应是指信号经过不同路径到达目的地时由于信号延迟而相互干扰引 起的现象。低压电力网连接的设备数量巨大，种类众多，整个网络的阻抗处于动 态变化之中，这必然造成很多用电设备工作在阻抗不匹配的状态。如果某些设备 阻抗不匹配，信号到达该处时必然会产生反射，这样一来，有用信号就可能经过 若干条不同地路径到达接收点，由于信号在每条路径上经历的时间不同，在接收 点就会发生多径效应，当多径信号延迟较短时，这种干扰可以忽略；如果延迟较 长的话，就会对有用信号产生严重的码间干扰。 信道中的衰落也严重影响了信号的传输，其中变电立占是电力线通信衰落的主 东南大学硕士研究生学位论文 要原因，衰落值通常可以达到2 0 3 0 d b ，在我们论文研究当中通常不考虑跨变 压器操作，只考虑本地局域网内同一个变压器内的数据传输。另外由于本地电力 线网络中各种负载的不断切入与切出，信道的衰落情况经常处于不断变化中，一 秒钟内的某一频率下可以衰落达到2 0 d b ，一般采用均衡技术来消除由于衰落而 引起的误码，但是当传输速率很高时快速均衡难以实现。 2 2 2 电力线信道传输模型 根据文献，通用的电力线信道传输模型为 h ，) 。窆k ，) i 冁，门砖一( 蛳+ q 广珥妒一，2 霄，。 m i 鬲一a t t e n u a t i o n 。矿 曲f 蝶蕊姆 、摩 j o r t e r mt e r m ( 2 1 ) 其中： i 表示路径数目，延时最短时系数i = l ； a o ，a j 表示衰落参数； k 表示衰落因子指数； g 表示路径i 的权衡因子，通常是复数，为该路径的反射因子传输因子； d 表示路径i 的长度； t 表示路径i 的时延。 信道的实时性由延时项( d e l a yt e r m ) 来体现，随着信道长度和频率的变化 而产生低通特性，信道衰落由衰落项( a t t e n u a t i o nt e r m ) 来体现，而权衡因子 ( w e i g h t i n gf a c t o r ) 包括反射因子和传输因子，一般是复数，而且是与频率相关。 在大多数的实际情况下，频率相关权衡因子g ；能被简化成非频率相关的复 数，可以表示为路径的权值。另外考虑到延时t ，信道长度d 。，与相速v 。之间 的关系： c i ：生：一d i ( 2 2 ) c 0v d 东南人学硕上研究生学位论文 型 其中c 。是在真空中的光速，为绝缘材料的介电常数。 所以可以把式( 2 1 ) 中t ，用式( 2 2 ) 来代替，从而得到简化的信道传输模 ，* ，( ，) ：窆蕊g 柏岫 碡p _ ，2 z ，音 f lo 、，- - 7 、- v | - 。 俐加蜘嚣 d i 摩# 矧“蜊 出柳 釉t ” “”。”m t 2 3 1 上面的式子代表了典型电力线信道的基本模型。 东南大学钡十研究生学位论义 第三章物理层采用的o f d m 技术 本章首先介绍了o f d m 的基本原理，然后设定了物理层参数模型并建立 o f d m 仿真系统，最后讨论了在电力线上o f d m 的抗干扰性能和实现o f d m 调 制技术的主要难点。 3 1 o f d m 的基本原理 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用) 是一种多 载波调制技术，它将高速串行传输的码流转变成并行的低速码流，并且调制到n 个频率问隔相等的一组正交的子载波信道上，各子载波上可以采用任意的调制方 法，这样符号周期就被延长到原来的n 倍。传统的频分复用系统当中各载波频 谱是不重叠的，以便接收时可以用滤波器分离提取，所以频谱利用率很低。而 o f d m 系统为了提高频谱利用率，将各子载波的频谱重叠，但载波间隔的选择 使这些载波在整个符号周期上是正交的。显然载波问隔等于符号周期倒数的整数 倍时，可以实现正交。一般选择载波间隔正好为符号周期的倒数，如图3 1 所示 就是在时域上正交频域上混叠的o f d m 信号的频谱。 l a rm b 。d e 口 一 ： 一s 】m 畦吨，：1 4 , 7 a r 一 ： 1 邋 、 n f 。 。忪凇j3 b i v 丽闶暂g7 丽w 可可即。， 图3 1o f d m 信号频谱 原先的o f d m 系统采用直接产生信号的方法，如图3 2 所示，每个子载波采 用独立的调制设各，在发射端将需要大量频率精确的频率源，而在接收端不但需 东南大学硕士研究生学位论文 要同样数量同样精度的频率源，而且还需要陡峭的滤波器用于提取各子载波分 最。当子载波数很大时，这样的系统复杂度难以估计，而且实用性也难以保证。 图3 2 直接产生的o f d m 系统 1 9 7 1 年1 0 月，w e i n s t e i n 和e b c n 提出了用离散傅立叶变换( d f t ) 和逆 离散傅立叶变换( i d f t ) 来实现o f d m 系统中的全部调制和解调功能的方法， 使得o f d m 系统结构变得很简单。 设o f d m 信号的周期为 o ，t ，在一个周期内传输的n 个符号为( c 。，c l ， c 。) ，其中c 。为复数。 因为c 。调制到第k 个载波上，所以合成的o f d m 信号可以表示为 x ( t ) = r 关闭某些了信道 壤初发送所有于载波衰落后采取自适应措施 图3 1 l 衰落后自适应关闭某些子信道 正是由于这些抗干扰性能，又由于采用f f t i f f t 的o f d m 系统结构简单， 频谱利用率很高，所以广泛应用于高速无线接入系统，宽带接入，数字音频广播， 高清晰度电视等许多其它领域。 3 4 采用o f d m 技术的主要难点 第一个难点是同步问题，包括载波同步( c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ) 、o f d m 符 号同步( s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ) 和采样频率同步( s a m p l i n gf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n ) 。由于o f d m 系统要求子载波之间正交，载波频偏会破坏子载 波之间的正交性，它不仅降低了子载波上的信号功率，而且会导致子载波问干扰 ( i c i ) ，理论分析表明，o f d m 系统对载波频偏更加敏感。另外在接收端，信息 符号是连续到来的，要正确解调，就必须找到o f d m 符号的正确位置，这就是 o f d m 的符号同步问题。采样频率同步主要解决由于接收机和发射机之间的采 样频率偏移而产生的信号幅度减小而失去同步的问题。 另一个难点是由于o f d m 各载波是相互统计独立而且是同分布的，由中心 极限定理可知，当子载波数n 很大时，o f d m 信号的分布趋向于高斯分布，这 样信号的峰均比( p a p r ，p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 就会很高，最大可能的 峰均比是单载波调制方式的2 n 倍( n 为子载波个数) 。高的峰均比要求系统中 的前端放大器和a d 变换器具有极大的线性范围，以避免传输信号的频谱扩散 和非线性失真，这增加了系统成本和实现难度。 峰值平均比定义为：p a p r ：j 型型二( 3 1 0 ) e i x ( t ) i 一 其中x ( t ) 为o f d m 信号。 在o f d m 信号中p a p r 较大的点较少，于是可以用一种最简单的方法削 东南大学硕上研究生学位论文 峰法来减少峰均比，即把峰均比超过一定阀值的信号点重新置阀值。但是这样做 的代价其一是o f d m 信号的幅度产生非线性失真，从而引起自身干扰，增加误 码率。其二在频域上会产生带外频谱的扩展。实际上削峰可以看成是原o f d m 信号和一个矩形窗的相乘，频谱上反映出来的是原o f d m 信号的频谱和矩形窗 的频谱的卷积。这样，带外频谱扩展的程度就和窗的宽度有关。为了改进带外频 谱扩展问题，一种方法就是把o f d m 信号在峰值较大的点上乘以一个非矩形的 窗。加窗时应考虑两方面，一方面所加窗的频谱应越窄越好，使频谱带外扩展越 小越好。另一方面时域上也应该使窗的长度越来越短，使原o f d m 信号尽量少 的点被影响。当然，这两方面不可能同时满足，只能在根据各自的要求下取得平 衡。通常用的窗有：c o s i n e 窗，k a i s e r 窗和h a m m i n g 窗，以及g a u s s 窗。利用 峰值加窗修正以后，可以用性能较差的功率放大器。其最后达到的效果和用较好 的功率放大器达到的效果相比较，只差0 8 d b ，而由于加窗产生的非线性而造成 的b e r 损失在0 3 d b 以内。 东南大学硕j ：研究生学位论文 第四章m a c 层接入技术与数据帧格式 本章首先讨论了实际电力线网络结构，然后分析了在电力线网络中所采用的 m a c 层接入技术，并设定了在m a c 层接入技术中所用的数据帧格式。 4 1 电力线网络结构 4 1 1 低压电力线网络的拓扑结构 低压电力线网络有很多不同的结构，它跟很多因素有关，比如电力线网络所 在的位置( 是在城市还是农村) 、网络用户的密度、电力线网络传播距离的长短、 电力线网络具体设计等。 图4 1 显示了一个典型的低压电力线局域网络，萨如我们看到的，从最上面 的变压器到各个具体的用户有很多不同的网络结构，有的对称，有的不对称，在 各个不同部分网络之间的距离也不尽相同。由于变压器对电力载波信号有阻隔作 用，所以只考虑在一个变压器区域范围内传送的情况。 图4 1实际低压电力线局域网络 4 1 2 用于m a c 层协议研究的电力线网络模型 一般情况下，一个电力线接入网络都要通过一个主站与外面的主干网连接， 也就是所有用户与外界的联络都需要通过这个主站中转，把这个主站定义为“基 站”，这个基站可以建议放在变压器里面。整个电力线网络模型就包括一个基站 和数个接入用户单元，各个接入用户通过电力线信道与基站互连，并通过基站连 接外部广域网( w a n ) ，尽管实际的电力线网络可能有不同的物理拓扑结构( 一 般为树状物理结构，图4 1 ) ，但是在逻辑上电力线局域网络可以看作是总线型的， 1 9 东南人学硕士研究生学位论文 如图4 2 所示。 图4 2电力线逻辑总线结构 定义上行线路和下行线路： 下行线路从基站到接入用户单元的传输方向，由于这个方向上的数据传 输被所有的接入用户接收到，不存在接入竞争冲突的情况，所以下行线路是不复 杂的。 上行线路接入用户单元到基站的传输方向，在总线型电力线局域网络 中，多个用户实体共享一条公共信道来实现实体之间的通信，即所谓“共享信道 多址通信”，由这样的信道组成的通信系统称作“公共信道系统”，它是一种资源 共享系统，系统资源就是信道的带宽。总线型的共享信道与用户节点之间需要考 虑如何把信道资源分配给各节点使用的问题，由于信道是共享的，所以可同时建 立多条逻辑链路以实现同时通信，接入信道的目的，是为了建立接入用户与基站 之间的数据链路连接，所以信道接入控制实际上是链路管理过程。虽然下行线路 不产生竞争冲突，但是上行线路是不同接入节点对基站的传输，所以用户之间传 输数据就会产生冲突，媒质访问控制( m a c ：m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层协议就 是用来管理这些竞争冲突和信道分配的。 4 2m a c 层接入技术 4 2 1a l o h a 技术 如果电力线信道连接的各个网络用户节点的数据业务特征具有很明显的突 发性和问歇性，即在业务量和发送速率上都具有很高的峰均比，典型的1 0 0 ：1 或者更高。此时每个网络节点绝大部分时间不产生帧，一旦出现帧要求传送，立 即以信道的总带宽所允许的最高速率突发发送出去。在这种情况下电力线信道可 东南人学硕士研究生学位论文 由所有网络节点完全随机地使用。这种完全随机式多址接入方法称为“a l o h a ” 方法。 各节点完全独立而随机地使用信道就会出现使用冲突。只要不同节点发送的 帧在时间上有一个比特以上的重迭，就会使重迭的每个帧都出错。这种出错不但 接收基站能发现( 通过帧校验发现) ，而且发送节点本身也能发现( 通过自发自 收校验) 。主要的a l o h a 协议包括“非时隙a l o h a ”( 亦称“p a l o h a ”) 和 “时隙a l o h a ”( 亦称“s a l o h a ”) 。 4 2 1 1 非时隙a l o h a 设m 个网络用户每个都独立地以平均九个帧秒的泊松过程产生并装帧发送 数据帧长度固定，并且发送一个帧的时间为t 秒。 n 1回! 垒- n 2 土；。毒j _ j 尘叫+ f m l !l 鸶三= 兰回二， _ _ _ _ t _ _ _ _ - _ 最卓马三三0 毒三j j ， 电力线倩鲎e 互商由回由由- ， 图4 3 非时隙a l o h a 工作原理 如图4 3 所示，当节点n 。发送帧m ，。和节点n 。发送帧m 。时，假设没有任 何其它节点发送数据，因此，这两个帧送入信道后不被别的帧重迭。如果理想情 况下不考虑信道质量引起的差错，则这两个帧肯定将被接收节点成功接收，不需 要重新传送。但是，当n 。发送帧m ，：期间，节点n ，却发送帧m 造成m ：与m ， 的部分重迭，这是由于两个节点在使用信道上出现冲突而发生的“碰撞现象”。 节点n 。在从信道上收回自己发出的帧m ，并确认有错后，延迟一个随机时间间 隔t 。再发出m 1 2 0 节点n ，在从信道上收回自己发出的帧m ，也确认有错后，也独 东南大学硕士研究生学位论文 立地延迟一个随机时问问隔t ，再发出m 3 。由于t 。和t ，是两个节点分别产生的独 立随机数，所以m 。：与m ，。再次发生碰撞的概率极小。但是总存在两次碰撞的可 能性，而且重发帧还可能与别的节点发送的新帧相碰撞。凡是遇到上述碰撞情况， 则重复以上重发过程，直到成功传输为止。 如果发生碰撞的帧不止两个，分解碰撞的方法是一样的。不过，k 个帧在 时间上重迭的概率随k 的增大而迅速下降。为便于理论分析，作如下假设： ( 1 ) 、先考虑电力线信道在传输中本身不产生差错。 ( 2 ) 、每个节点的帧到达为泊松过程，帧长度固定相等，每帧的发送时间 为t 秒。 ( 3 ) 、单位时间内进入信道的业务量为g ，其中成功传输的业务量，即信 道吞吐量为s ，则有：g = s + 单位时间内的重发帧数，而且假定g 的分布仍然是 泊松的。 既然s 表示在单位时间内成功传输的平均帧数，那么，若以t 秒作为单位 时间，s 即等于单位时间内一个帧的成功传输概率，应有s 1 ，但g 可能大于1 。 网络节点按完全随机方式发送帧时，为保证这个帧不被别的节点发送的帧所碰撞 而损坏，就必须保证在发送当前这个帧的t 秒内以及此帧开始发送之前的t 秒内 都没有任何其它帧发送到公共信道上。 ：窒塑田， ik = 0 ；l f l ； ；t 秒；t 秒； 易损区间 图4 4 非时隙a l o h a 的易损区间 如图4 4 所示，在一个帧发送期间t 秒及之前t 秒共2t 秒的时间区间， 被称为“易损区间”。如能保证在这个区间内信道上只存在当前这个帧在传输， 则这个帧必能成功传输。 根据泊松公式，当单位时间t 内的帧到达率为g 时，则在t 期间内出现k 个 帧的概率为 东南大学硼上研究生学位论文 p ( k ) = t g k e - 6 ( 4 1 ) 在易损区问的2t 秒内成功传输一个帧的概率应该是“前一个t 秒内不发送 峻”积“屠一个t 秒悫只发送一个峻”这嚣搴l 牛同时发生懿概枣。戮姥，成功概 率r , o ( 即系统吞吐鬣s ) 为： 魏= s = p ( o ) p ( 1 ) = g e - 2 g ( 4 2 ) 式( 4 2 ) 反映了非时骧a l o h a 系统的系绞吞睦鬣与信遴犍务量之闻的定量关 系。为了求出最大释吐量，令 d s m g = ( 1 - 2 g ) e 一2 6 = 0 ( 瘁3 ) 从而解得当g = 0 5 为最佳业务量时，得到系统最大吞吐量为 s 。= 1 2 e * 0 1 8 4 ( 4 。4 ) s 与g 的关系曲线如图4 5 所示。 图4 5a l o h a 系统的吞吐特性 4 2 12 时涨a l o h a 为了提态系统眷畦量，需要设法减少各节点发送帧时发生冲突的机会。从图 4 4 麓出，缡小易损区间就可减少冲突机会。如果能将这个区间从2t 秒缩小到 t 移，粥由下面懿分褥可知，吞吐鬣可甄掇商一话。 使易损区间缩小到t 的方法就是将工作时间划分成定长的时隙序列，每一时 藩宽度为t 秽，正好露传赣一个季寅。这样，器节点奁一令辩陈内弱这豹顿不能再 像非时隙a l o h a 那样随到随发了，必须限制在每个时隙的起始时刻发送到信道 上去。这就癸求鼹终中瑟有节点懿发送搡佟都登矮被阐步于统一懿辩藩定对荚系 中。 东南大学硕士研究生学位论文 按照这种分时隙控制方法，信道上无冲突地发送帧的概率等于在一个t 内整 个网络内只有一个帧到达的概率，即： p 0 、= s = g e 一6 ( 4 5 ) 令d s d g = - ( 1 g ) e “= o ，从而解得当g = 1 0 时，得到系统最大吞吐量为 s 一= 1 e * o 3 6 8 ( 4 6 ) 可见，时隙a l o h a 系统的吞吐量比非时隙方式确实提高了一倍，如图4 5 所示。系统性能的这种提高，其代价是对发送随机性做了限制和采用了网同步技 术，用增加帧时延和节点控制机构的复杂度来换取的吞吐量提高。 4 2 2c s m a 技术 在a l o h a 协议当中，网络各节点不顾信道当前是忙还是闲，一旦有帧到达 就独自地决定将帧发送到信道上。显然这种控制策略存在严重的盲目性。因此， 即使是稍有改进的时隙a l o h a ，其最大吞吐量也只能达到约0 3 6 8 。若要进一 步提高系统吞吐量，还应进一步设法减少节点间发送冲突的概率。为此，除了缩 小易损区间以外，还可以从减少发送策略的盲目性着手，在发送之前进行“载波 检测”来确定信道忙闲状态，然后再决定发送与否。这就是载波帧昕多址接入 ( c s m a ：c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 方法。 4 2 2 1 c s m a 原理和基本方式： c s m a 的基本原理是：任一个网络节点在它有帧发送之前，先检测一下信道， 看是否存在别的节点正在发送帧。如果载波检测到有这种信号，说明信道正忙， 否则信道是空闲的。然后，根据预定的控制策略来决定： ( 1 ) 若测得信道是闲的，应该立即将自己的帧发送出去还是为慎重起 见暂时不发送出去。 ( 2 ) 若测得信道是忙的，应该继续坚持检测载波还是暂时退避一段时 间来检测。 针对这两种情况的不同处理决策，c s m a 可细分为不同的几种实现方式： 非坚持型c s m a ；1 一坚持型c s m a ；p 一坚持型c s m a 。 既然每个节点都在发送之前先确认了信道的忙闲状态，然后再决定发送帧， 那是否就可以完全消除发送冲突了呢? 这关系到信道传播时延与控制决策之间 的关系。 通常信道按传播时延的明显差别可分为两类：一类是传播时延相当大的信 道，如通信卫星信道，两个地面站经卫星中继一上一下的传播时延典型的为2 7 0 东南人学硕士研究生学位论文 毫秒。这样长的时延一般大于一个帧的传输时间t 。另一类信道的传播时延则远 远小于帧传输时间t ，电力线信道属于此类情况。 定义： a = t 。t ( 4 7 ) 其中a 为归一化的传播时延，t 为电力线信道上一对相距最远的节点间的信号传 播时延，t 为一个帧的传输时间。 对于电力线信道来说，根据第三章物理层参数设定，一个o f d m 符号的发 送时问为t 。= t + t c e = 9 4 1 h s ，电力线上发送一个帧的长度取固定值3 5 个 o f d m 符号。则发送时间为t = 0 3 2 9 m s ，再考虑最远传播时延t 。图4 6 是实际 电力线信道上的传播长度与传播时延的数掘： 测量信道号 1234 传播长度( m ) 1 5 01 8 82 6 43 9 7 l传播延时( 1 as ) 1 01 2 51 7 62 6 4 图4 6 单位长度传播时延 对上面的各个信道求算术平均，得到单位距离的传播时延为6 6 6 n s m ，一个 中等典型电力线网络最远传播距离为5 0 0 m ，所以得到最远传播时延t = 3 3 3 9 s ， 归一化的传播时延： a = t 。x - = 3 3 3 3 2 9 2 0 0 1 ( 4 8 ) 由于电信号在介质中的这个传播时延，在不同的观察点上检测到同一信号的 出现或者消失的时刻是不同的。例如，在a 点发送的载波信号，在距离很近的b 点上可能立即就检测到该信号，确知信道是忙的，但在距离很远的c 点，信号 尚未到达，确认为信道是闲的。这是影响控制决策的原因之一。设信道的最大传 播时延为a t ，一个节点在某一时刻检测到的信道状态，实际上包括最近和最远 节点发送情况的综合。因此，要求任一节点对信道上载波的检测时间必须大于 a t ，否则检测结果是不可信的。 由此可见，检测方式只适用于信道最大传播时延很小的信道，由式( 4 8 ) 可 知，电力线信道的a 远小于1 ，所以适用c s m a 方式。 当然如果有两个或两个以上节点离发送源节点距离相等或相近，它们将会同 时检测到载波信号的消失而确认信道已经空闲。若这时它们都有帧需要发送的 话，就必然会造成发送冲突。这是影响控制决策的原因之二。从这点上看，c s m a 东南大学硕十研究生学位论文 方式仍然不能完全消除碰撞现象。 对于上述两种影响控制策略因素的不同解决，就导致了具有不同系统性能的 c s m a 的不同实现形式： ( 1 )