【毕业学位论文】（Word原稿）低压电力线全双工通信网络的研究

兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 1 第一章 绪论 究背景 及目的和意义 电力线网络是一种 真正意义上 的 普遍 网络，只要 通电的地方就有电力线网络，所以利用 电力线 进行 通信 比专用 通信 网络具有 强大的优势。低压电力线通信网络就是以低压 配电网 作为传输媒介， 所有 的通信节点组成一个多跳的网络系统。由于低压电力线 通信 网络 是以 低压电力线路传输数据， 不 需要 重新 架构线路并且供电方便 ， 直接克服了无线传感器网络的能量限制问题。此外具有节约 通信资源、网络安装费用和维护成本低、传输可靠性高、覆盖面广、方便用户、永久在线、实现多媒体通信等优点。如今利用电力网络建立新的通信 业务是突破通信频带资源缺少的有效途径， 加上 我国低压配电网分布庞大，所以 研究 电力线通信技术具有极大的经济效益， 引领 “智能电网” 的发展趋势 1。 然而，电力线的功能主要是供电，原本不是用来传输数据的，所以 电力线的某些物理特性决定着电力线在数据传输方面的能力。特别是我国关于电器设备的电磁兼容标准没有建立，造成低压电力线的通信环境更加复杂，使得低压电力线通信的应用受到很大限制。目前低压电力线网络的可靠性和连通性是应用受限的最主要原因，所以结合我国低压配电网的特点进行低压电力线通信网络研究 是 十分必要 的 。 对于低压电 力线通信技术来说，一直以来都侧重于通过对电力线通信设备的研究来提高通信的连通性。随着载波芯片技术的发展，电力线通信技术可实现的调制解调方式越来越多， 尤其是 基于面向对象技术开发的 低压电力线 真 系统 2已及研究该系统在 通带 和 基带传输系统 应用的对比 3， 使得有关物理层的通信连通性问题基本得到解决。但低压电力线网络其他层特别是网络拓扑和路由协议方面的研究仍处于探索阶段，比如：电力线物理拓扑的复杂性和易变性，加上通信介质的多样性和共享性，导致低压电力线通信拓扑的未知性；由于电子技术的飞速发展，各类电气负载 明显增多， 信道噪声干扰非常严重， 加剧了电力线通信信道的复杂性，同时加剧了低压电力线通信网络逻辑拓扑 结构 的动态未知性。因此 ,研究低压电力线通信可靠性问题需要不断深入 ,不断挖掘新的角度，这是电力线通信发展的必然趋势。 本论文的研究目的是综合考虑低压电力线网络拓扑稳定性差、普通节点处理能力低、网络节点数量大、通信速率较低、通信信道共享等特点的基础上对实现 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 2 快速可靠组网进行研究，以提高低压电力线网络的可靠性和连通性。该内容是低压电力线通信网络研究具有挑战性的问题，这些问题的解决 有助于 扩大低压电力线通信的应用规模和应用 领域，对通信技术的发展具有重要的意义。 力线通信的发展现状 电力线通 信（ 是一种通过中低电压电力网络来提供通信服务的技术。尽管 它首次应用时，是从一个频率范围较低级别开始，然而如今的 越来越多地在高频段中得以应用，这一应用也常被称作宽带电力线（ 很长一段时间以来，电力网络也应用于发电和配电领域低速的网络监控和远程控制。如今，发电和配电都不能忽视标准化的问题。非常有趣的是，电力网 络的部署、它们之间的互连以及不断增长的电器数量已经造就了第一个网络标准化实体，这就是国际电工委员会（ 外电力线通信的发展现状 术背 后的原理并不是最近才出现的。 1945 年，第二次世界大战结束之后，电力线载波（ 词经常被缩写为 那个年代，众多电话线和电力线已遭损坏，但是残存的电力线数量要比电话线多出许多。出于通信的目的，系统往往设计成通过高压或中压电 力线进行数据传输，传输的方式就是模仿已经在电力线上付诸使用的远程电表读数抄写系统的工作原理。 如图1示说明了 20 世纪 90 年代以来 展变化的情况。 图 1 低速和高速 术 现在，国际上多个组织与机 构都在试图推动 络标准制定的工作。 在欧洲 ，标准化工作在欧洲国家内部、欧洲和国际 3 个层面展开。每一个标准化委 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 3 员会分别负责 一些 标准化领域。 在欧洲，协调一致的国际标准条款将在所谓新方式的大背景下得以应用，这种新的方式为：按照欧盟委员会与相关标准机构之间达成的一般性方法，在欧盟委员会授权的框 架下与成员国协商后，使用欧洲指令的形式明确欧洲的国际性标准的应用。除此之外， 备必须满足电磁兼容特性（ 低电压（ 令中的基本要求。就 说，应当将 品与 统、网络的工作分开来讲。截至目前，关于 品的研究工作修订了 2 标准，这是一个国际出版物。 此外，该标准也应该能够定义不同电力线通信设备之间的共存与互操作机制、所提供的服务的质量，以及数据保密性等。 由于作为通信介质的电网是共享的，因此，这些不同技术以共同的频带共存于电力电缆之上。 费 性电子电力线通信联盟）内涉及电力线通信的各相关方协同工作，力图使这些技术之间具备互操作性。互操作性标准正力图解决 家用、专业及公用电力网络等领域出现的多种电力线通信规范与技术之间的交互问题。 内电力线通信的发展现状 目前 国内对电力线通信 技术 已经开展了 广泛 深入的研究， 取得了 许多 积极的实验结果。主要的研究 方面 有： 低压配电网的输入阻抗特性分析、衰减 特性分析 、噪声干扰特性分析、 通信 模型研究、 输出 阻抗匹配 研究、 耦合电路设计研究、 抑制 噪声 技术研究、 功率自适应控制 研究 、 信方式 应用 研究 ，以及跳频通信 技 术的创新和应用等 。 上述的研究成果 旨在提升电力线上点对点的通信性能，同时 对电力线通信的原理、技术和方法都 有重大 改进，使得国内电力线通信水平 大幅 提高，在国际上也具有较好的先进性水平。 当前 国电通信中心已 引 进 高速 电力线通信 系统 ，开始了小规模的实地测试。 国内 生产 备 的知名企业同时 在全国范围内集中进行高速 点 ,所以 低压 电力线宽带接入 系统 技术 也有了 相应的 规范。 但在低压配电网中，低压电力线还要靠中继的手段进行节点通信 4。 国内 典型 的低压电力线通信系统 属 自动抄表系统，按照载波 通信 芯片的调制解调方式可分成三类 ： 第一类系统层采用的是 制技术，载波芯片的 工作频率是 270使用人工中继 路由 以及非竞争轮询控制的 传输 策略 ；第二类系统 采用的是直序扩频调制技术，载波芯片的 工作 频率是 120由 以及非竞争轮询控制的传输策略。第三类系统 采用的是术，载波芯片的频率是 9使用人工中继以及非竞争轮询控制的 传输 策略。可见低压电力线通信系统主要在调制解调 方式 上有差异， 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 4 而 在 的传输协议基本区分不大。 这些 通信 系统 的 设计并不复杂，但是由于配置中继以及 设定 网络参数 采用的是人工方式， 加上 配电网络的复杂，尤其 出现 中继节点失效的情况下， 必然导致 传输数据失败。 还有 低压电力线网络 的工作负载数量庞大 ，使用非竞争轮询媒介控制策略， 还会存在 信道有效利用率低 的问题 。 从目前电力线的芯片应用来看，无论是哪种调制方式，关键性能的提升还是依靠算法改变发送和接收的处理方式 5。 压电力线 通信组网 问题 的提出 及解决 方案 目前 要想保证 低压电力线 通信系统 的 可靠性 ，同时 实现在家庭和商业中的 低压电力线 网络 的组建，那么低压电力线通信 组网 问题 的研究就显得尤为重要 。而关于低压电力线通信组网的研究 并不多 ，有 利用加中继的方法组网 （ 中继选择的方法一般就是指定静态中继 ） ，也有利用 术提高组网连接的稳定性 6。 实验表明 ，作为传输电能的电力线网络没有像计算机网络那样对通信长度和性能指标有着严格的要求，导致固定的中继是无法适应信道和信号传输距离的变化，并没有达到理想的效果。 以 低压电力线自动 抄表 系统为例 ， 网络管理中多采用集中式路由、固定中继等方式， 但是 对网络的动态时 变特性等 不能适应。为了解决这个问题，采用分布式路由，或集中式和分布式路由结合的方式 进行 动态组网，并且借鉴无线传感器网络中分簇路由的方法。但 是，上述方法在低压电力线通信 系统 中应用时，受到调制解调芯片的限制，使 得 网络组网时间过长，通常一栋高层楼宇中组网长达 1 至 2 天。并且其中某些节点在网络中的通信质量发生变化时，也需要较长的维护和 修正时间。 产生上述问题的主要原因是： 现有的调制解调芯片在三相电网的某一相上，采用同频率的半双工通信，所以 在这种方式下， 即使采用上述较为先进的分布式组网和 动态分簇路由算法时， 的协调和控 制机制非常复杂，导致组网时间过长。以 现有的调制解调芯片 为例， 在 采用同频率的半双工通信， 也就是 发送的时候无法接收，发送完毕切换 到接收状态，才能接受其它节点发来的通信帧。当已经加入网络的节点在发送组网所用的信标帧时，需要先载波侦听，检查是否有其它节点在使用线路。 这里 又出现 如下两个问题：现有的载波芯片没有 功能，需要软件 来实现；由于通信速率低或通信条件时变，在载波侦听时检查到无节点使用网络，实际是其它节点载波侦正在线上，只是尚未到达或不能到达侦听节点。以上原因使得组网时间过长，当网络中除信标帧外，还有其它数据帧时，问题变得更为复杂。 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 5 如果 在低压电力线 通信网络中 实现全双工通信，将极大地提高组网及通信效率，系统框图如 1示。 全 双工通信的实现分为分时全双工和分频全双工，分时全双工仍然使用同频率载波，通过收发信双方在时间片上的切换配合，实现全双工。在双方定时上要求比较严格，一般用于点对点通信，用于网络时，定时更为复杂。国内主要载波芯片弥亚微和青岛鼎信，都是分时传输，但是所占市场份额较小。分频全双工在收发信道采用不同的载波频率，技术上较为容易。需要付出的代价是在一个通信节点上增加一个调制解调芯片，配合微处理器及外围接口电路实现，例如双端口 断信号等。因为弥亚微芯片的中心频率有三个，所以只要再增加一个弥亚微载波模块，让原有的调制 解调技术保留，而每个通信节点的发送接收就可以利用不同的频率在 低压 电力线上传输。 所以，把全双工通信方式应用到低压电力线通信组网问题上，建立一个 能够适应网络拓扑动态变化的 低压电力线 全双工通信网络， 是 提高 解决低压电力线组网 效率 的有效手段。 图 1低压电力线全双工通信系统 低压电力线通信网络的网络特性在很多情况下 还 与 络相似，比如网络拓扑结构动态变化、传输信息需要多次转发，通信环境实时变化等特点。关于 络的路由研究已经很多，主要有基于分层的路由模型、基于网格的路由模型，基于分簇的路 由模型等方面。分层路由模型一般是两层模型，结合分簇算法与其他算法，成功解决了 络的可靠路由问题。所以在国内外对电力线通信路由方面基本没有什么可以直接应用的经验基础上，借鉴上述方法进行理论探索也是值得的 7 究的思路及主要内容 本文 主要针对低压电力线通信网络组网效率低以及组网后网络维护能力差和通信性能评价不高的问题，给出低压电力线全双工通信网络方案。在给出易于实现的低压电力线全双工通信系统模型的基础上，分析低压电力线网络的特征，给出合适的低压电力线全双工通信网络组网方法，指出全双 工通信方式在低压电 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 6 力线通信网络路由重构的优势 ，构建低压电力线全双工通信网路的性能评价模型。关于网络重构和性能评价都是通过 真 平台 验证。本文的 内容 安排如下： 第二章的内容主要剖析低压电力线通信 网络 的特征，主要是传输信道特征、干扰特征和网络结构特征这三个方面；再阐述低压电力线网络的功能；重点引出低压电力线如何组网并制定合适的组网方案。 第三章的内容 提出 低压电力线全双工通信组网方案：基于 网方法。围绕 网方法，剖析帧的格式设计、 址分配方案以及 网初始化算法。组网完成后，如何进行网络维护 ， 通过 真平台搭建组网模型，指出全双工通信方式在网络重构 的 方面具有比以前更快更好的优势 第四章 的内容中主要进行低压电力线全双工通信网络的性能评价，首先分析低压电力线帧排队传输的延时特性，在此基础上给出低压电力线网络是否采用全双工通信方式而出现的两种网络性能评价模型（排队网络模型），最后通过真平台搭建排队网络模型，验证全双工通信方式对网络性能的影响以及网络性能评价 。 第五章的内容主要 给出本文的研究结论和可深入 研究的 方向 。 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 7 第二章 低压电力线通信网络 与组网 策略 压电力线通信网络 特征 低压电力线通信网络的特性有两个 重要 方面： 通信 信道变化 复杂和网络拓扑结构时变 。 根本原因是 低压配电网上存在各 类 电气设备以及网络的物理拓扑结构复杂。 在安装网络时，必须充分考虑 络可能受到和可能导致的干扰。构建 低压电力线通信 网络时，安装 备的楼宇的电气拓扑也是一个关键的考虑因素，有研究基于信道特征构建独立的拓扑结构 10。 因此，准确、详细地描述电气网络拓扑一个必不可少的关键步骤。它对 络的数据传输性能起着决定性的作用。无论是移动式，还是安装在电气网络中得固定式 备，它们所提供的数据链 路质量可能各不相同，并且与它们的位置、附近的干扰信号特性以及用于防止杂散频率信号注入电气网络的滤波器等相关。 压电力线通信网络 传输信道 特征 低压电力线通信 技术的物理通道是电力线。电力线原本不是用来传输数据的，因此其物理 特征 参数的选取主要取决于电力传输，主要有电压和频率，例如110V/60以为了更好地理解电力线在数据传输方面的能力（包括优点和缺点），对电力线 信道 的某些物理 特征 进行深入的分析是十分必要的。 有 学者提出 通过精确的计算来描述传输信道特征 11，但仍然不能缺少定性的分析。一般 电 力线可以用阻抗 Z 来表征其特性（电力网络中各种组件的电阻、电感和电容的模值），它不是一个固定值。电气设备经常从电力网络上连接或断开，这改变了线路的阻抗，因此很难对通信媒介建立起模型，传输信道也是一样的。与此同时，电气设备的阻抗是与工作模式、速率、时间、设计等情况相关的函数。研究表明，典型的民用供电设备阻抗在 10 1间。 连接到电力网络中的各种设备都一定电容和电感，其数值与电路中电流和频率（在 5060线性变化）有关。 电路的阻抗是由电阻（ R）、电感（ L）和电容（ C）组成的，它们一起从电力角度完整 地描述了阻抗特性。这些特性作为网络中电流的函数，影响着整个网络的进行。从计算机科学方面看，这些特性形成了一个特别的物理层模型，旨在获取尽可能高的信道传输质量。当电流通过多个电路时，串联、并联的复杂网络阻抗形成它们的联合阻抗。每个部分随时都可能连接或断开。同样，各种阻抗会影响电流的产生，并影响到磁场和电场的产生。从信道传输的 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 8 观点看，这些属性会有惊人的应用。既然电感和电容特性的不断变化将直接影响到物理传输信道，那么 输技术就必须予以优化和加强。 由于电力线通信信道的输入阻抗不匹配，信号需要多次反射，所以对 电力线通信介质最有用的描述 是将 其比作 一个多径信道 模型 12。 这种方法已 被证明是符合 电力线信道实际测量的结果，但也 有不足之处 ：一是需要 估计路径延迟 , 振幅等参数 ,所以 计算量非常大；二是这是一个时间域方法 ,要考虑相当数量的反射路径和不匹配 的 负载终端。 鉴于已有学者提出 宽带室内 电力线 信道模型 13， 就是通过等效的级联双端口信道分析，将电力线通信传输通道 用传输矩阵描述 。也有通过电缆四线特征来描述传输信道模型 14 压电力线通信网络干扰特征 （ 1）电磁噪声和干扰 影响低压电力线通信可靠性最主 要的 关键之一就是噪声 干扰 16 由于电力线上或其周围连接有各种电器设备，传输信道就会存在有一定强度的噪声。 噪声强度跟低压配电网分布有关，还有很强的时变性 18。有关 线路上或其周围的不同噪声类型如下：电气设备关闭或开启的脉冲噪声 （已有学者根据随机变化机理构建脉冲噪声模型） 19；宽带白噪声，即其功率谱在所有频率上相同；在不同频率上的周期性噪声；谐波噪声，其频率为网络中设备使用频率的线性倍数（如50生 300600的谐波）。 干扰这一概念对于 络极为重要。 电力线上传播 时，会在电缆周边辐射频段为 1 30电磁信号，且连接在电力网络上的设备也会对 外，对于两个 作站之间的链路来说，两个方向的通信也不可避免地存在特性不一致的现象。通信介质的物理特性（阻抗、电荷、电容）也可能因信号传播方向的改变而改变。对于工作在电力网络上的 备，各个国家的，或欧盟的以及国际的标准机构均颁布了相应的法规，试图限制这些 备的电磁辐射。电网插座所连接的电气设备对 络有着干扰作用和电磁干扰。电气设备在启动和工作期间，会产生各种噪声（广谱噪声、脉冲噪 声、高斯噪声等）。这些噪声均一化后，相当于覆盖 1 30整个频段、幅值为 30dB/m 的噪声。 除了电力线中的噪声，连接在电力网络，或者未连接但距离电力线很近的设备也会在传输信道上产生一定的骚扰电平。这种复杂技术问题被称为电磁兼容（ 题。从电磁兼容观点看，每个电气设备都会产生电子干扰，它可能是传导式的（通过电力网网络传输）或者是辐射式的（在无线电环境中辐射）。 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 9 欧洲的 国际 许多工作组都建立了标准，明确包括电力线设备不同种类的电气设备骚扰权威的限值。同时，欧洲的 国际的 信标准化组织也正在研究骚扰门限，优化传输信道，并且研究信号处理技术，使得得最好的性能。 致力于这类问题，以优化 型中的物理层。国际无线电干扰特别委员会（ 三工作租在 150 30段上界定了 气设备的骚扰允许限值。 到的和引起的电磁兼容骚扰是另一个方面的研究课题。该课题的研究目标是对每一个（类）设备的发射电平指定标准，以便在此电平条件下得到高效的传输信道。 （ 2）衰减 无线电信号通过电波传输时，其能量衰减是距离的函数； 电缆时，其衰减也是距离的函数。与此类似，电信号能量同样也是传输距离的函数。在使用 络时必须考虑电力线的这些特性。为了使得 络能提供更好的服务，我们将更加仔细地研究参数的选择。这些参数根据信号的距离函数以及衰减等情况有很大的差别 ，更好的情况是做一下信道阻抗和衰减特性的现场测量 20 电力网络的阻抗变化会在某些频率上导致多径效应，因其信号的开槽或者幅度激增。在家庭网络中，根据电力网络的内容和拓扑结构，电力线信号衰减在20 60围内。对于一个工作于 20上频率的系统，其电能表和 电路断路器的最小衰减为 30于 20下的系统，其平均衰减为 50且，在某些频率下，好的 合器能将衰减减少 10 15制解调器的信号频率 4 25间，其功率谱密度为 50z22。 表 2结了重要电力线网路设备的衰减值。许多对家用电力配电网的研究表明，平均信号衰减为 50dB/ 表 2低压配电网络中电器设备的衰减 电器设备 衰减 注释 磁电式电能表 15够导致私人网络的 号可以向外传输 电子式电能表 15磁电式电能表相同 断路 5多的断路器，造成信号大大衰减 插线板 10线板的结构质量对衰减影响很大 电子式电能表 20 30有过大的衰减，但无法给 号提供保护 信号衰减是 低压 电力线输入阻抗 的函数 。其中， R 是主导电阻 ，G 是电导 ， L 是电感 ， C 是电容。 由这些参数决定，并且它们均与主 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 10 频有关。取长为 l 传输线，则数据从信号源到接收终端的 传输单元基本函数 23( ) 2 ( )( ) 2 ( )LR f j L f j C f（ 2 ( ) ( ( ) 2 ( ) ) ( ( ) 2 ( ) )f R f j L f G f j C f （ 2 ( ) ( ) ( )f f j f （ 2 ( ) ( ) ( )() f l a f l j f lH f e e e （ 2 根据实测结果表明电力线特性，如果低压电力线通信所使用的 主频范围 在1 30( ) 2 ( )R f fL f， ( ) 2 ( )G f fC f , L 和 C 也可以忽略不计。因此 就可以表示为 （ 2 1 ( ) 1( ) ( ) 222 f Z j f L （ 2 02()R f （ 2 式中0是磁导率 ， k 是电导率 ， r 是电力线半径。 由于 f 与 ()的值相似 ， 取 的实数部分 和虚数部分 021( ) R f fZ k r （ 2 12( ) R ef k f k f （ 2 3( ) I mf k f（ 2 经过实际测量， 得到频域 实际传输损耗 的公式 01() kf a a f （ 2 其 中01,a a 长度为 l 的电力线 信号 衰减 01()(), ka a fa f l lA f l e e （ 2 其 中01,a a 性 参数。 （ 3）相线之间的耦合 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 11 当低压电力线中存在高频变化的电信号时，它会在电力线附近产生磁场，这就称作耦合。当感应耦合发生在同一电力网络的不同组件之间时，这种耦合称作串扰。如果是不同的电力网络，它们之间通过大地电流实现耦合。 压电力 线通信网络 结构 特征 低压电力线网络的结构在很多方面可以与有线网络类比，而且与 有相似之处。 （ 1）电力网络结构 所有楼宇，无论是家用、专业还是工业楼宇，其电力网络布线类型具有两种： 一种是 单相，仅有两根电缆（中性线和相线）。两根电缆之间的电压为 110V 或220V。该电压从断路器控制面板流至各个插座，并为 楼宇提供照明用电。 另一种是 三相，有四根电缆（中心线和三根相线）。中性线与相线之间的电压 11020V；任意两根相线之间的电压差为 190V 或 380V。 相对于单相电网来说，三相电网的传输功率更大， 可以为楼宇内的更多电气设备提供电源，因此某些楼宇更加偏向于使用三相电网，而不是单相电网。三相网络也用于为工作时需要三相电压的电机供电。 在家庭、商用、社区的 络的工程安装中，电力网络拓扑被看成是承载多路 号和传输局域网的终端间交换数据的共享媒介。所以将区分“公共”网络和“私人”网络，“公共”网络是提供电力给个人、商用以及社区的网络。“私人”网络由一栋建筑的配电网组成，从电能表到插座。但对于这两种网络而言，共享媒介的概念是相同的。表 2 电压 值对 电力网络 进行分类 。 表 2电气电压值 当前的叫 法 传统的名称 法国的通常电压值 高压 400000V、 225000V 高压 90000V、 65000V 压 20000V 低压 220V（单相）、 380V（三相） （ 2）低压电力线通信网络 物理 拓扑结构 根据电力网络结构的不同，低压电力线 通信网络的 拓扑结构存在差异。 低压电力线通信网络 结构 使用的是：主 从模式（ 图 2典型的低压电力线通信系统物理拓扑结构。 出于平衡各网关负载的考虑，所有通信终端大致平分在每一相内。从图中可 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 12 知电力 线三相之间是并列且相对独立的，所以以单相的拓扑结构作为研究对象是可行的 25在低压电力线通信系统中，基站 /网关向下发送消息到所有的通信终端，每个通信终端直接或通过中继节点接收消息；所有通信终端向上传送的消息可以被基站 /网关以及其他的用户终端接收。 图 2典型低压电力线 物理 拓扑 结构 在类似家用的低压电力网络的 络（如公寓、住宅、医院、旅馆、学校）中，各种主设备（即在电力网络中可能存在的用来构成特定的网络或者用来中继 号的集中设备）可能的功能如 表 2示 表 2主设备和对 应技术结论及相应的解决方案 性能 技术解决方案 帧冲突 A 时分复用 理层链路状态列表 载波列表 50络帧同步 过零 每个频率 子带 的信噪比 侦听噪声电平 监督 帧和 督帧 指示标志区域化和指示模式 （ 3）低压电力线通信网络逻辑拓扑结构 在低压电力线通信实际应用当中，这种主 物理 网络 结构 都没有跨相通信，所以整个低压电力线通信系统的组网是对 三相电力线的每一相 分别组网。因为每一相电力线的组网特点基本相同，这里就以 A 相电力线 组网为例，组网后 的 网络 逻辑 拓扑 结构可分以下三种情况： 1）星形 网络 结构。 如图 2示， 在通信终端数量少，通信距离比较短以 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 13 及信道状况好 的 情况下，所有的通信终端都可以直接与集中器通信，没有中继节点，不需要跳级通信。 图 2星形逻辑拓扑结构 2）线型 网络 结构。 如图 2示， 在通信终端数量多，通信距离比较远以及电网情况复杂时，集中器与通信终端不能直接通信，需要中继的一级一级转发才能完成通信。 图 2线型逻辑拓扑结构 3） 树形 网络 结构。 如图 2示，集中器 通过少量的中继就能完成与通信终端之间的通信。 这也是比 较常见的电力线通信网络结构 27。 图 2树形逻辑拓扑结构 压电力线通信网络功能 由于在低压电力线通信网络中所使用的技术易于集成到简单的芯片中，所以网络组建的制造成本相当低。这些网络组件与引入的低压电力线通信接口密切相关，最终的目的就是为了提高设备的吞吐量。 低压电力线通信网络利用了固定网络中许多成熟的技术，特别是 太网技术等。 气组件采取了必要的技术使得 路稳定可靠，克服了这类网络结构的主要薄弱点。 目前低压电力线通信网络主要功能如下： 1）网络模式 用 于各种低压电力线通信设备之间的网络管理和通信。 这是 州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 14 网络一个最主要的功能。根据定义，网络中是由几个互相交换数据的设备所组成的。因此，为了实现设备之间交换数据的组织性、最优性，有必要建立一个交换管理系统。 2）低压电力线通信帧管理模式：用于解决大量数据流传输问题，特别是数据的分包和重组。 3）媒介接入技术：包括网络设备的同步和优先权的管理。 为了优化传输通道的使用，特别是在数据传输速率方面，低压电力线通信网络采用采用了其他一些网络功能。这一功能的实现是根据低压电力线通信链路的质量，在物理层采用动态适应数据 传输速率而实现的。通过只向参与的低压电力线通信设备发送数据来实现整个带宽的优化利用。这些功能与其他网络技术的某些功能类似，例如 8。如下： 1）比特率的动态适应：低压电力线通信技术不停地在重新调整网络工作站之间的链路条件。因为低压电力线通信链路取决于媒介条件，以及网络或引入的电力设备的干扰，所以对于 号形成的帧而言，要选择不同的调制方式来不停地调整传输速率。 2）单播、广播、组播： 采取单播模式也是有可能的，这是因为 辨识是通过它的 址来确定的，如果一个工作站知道其他工作站的 址，那么它就能够直接和独立地向该工作站发送 3）服务质量：在低压电力线通信环境下提供语音、视频数据的传输。树形结构。 集中器只需要通过少量的中继就能完成与通信终端之间的通信。 压电力线通信网络组网 策略 压电力线通信网络 组网 要求 为了增强低压电力线通信网络 的连通性和 通信可靠性，提出 低压 电力线通信分层模型，如图 2示。 网络接口层实现信号耦合、调制与解调、扩频与解扩等功能，属于物理层功能，提供电力线物理接口。接入层利用接口层发出的信道信息， 实现基于 A （ 波侦听多路接入 /避免冲突）技术接入媒介，同时通过避免冲突的发生和获知接入媒介时所发生的冲突的最大概率来解决“ 隐藏终端 ”和“ 暴露终端 ”冲突避免问题，为路由协议层提供稳定的数据链路服务。根据应用层要求和信道访问协议层的信道服务功能，路由协议层对选定的通信节点进行路由优化，并利用最优路由进行通信。自动路由功能提高了低压电力线通信的可靠性，而且该模型 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 15 易于在低压电力线通信中实现 29。 图 2低压电 力线通信分层模型 根据低压电力线通信网络的特征，低压电力线通信网络组网方法应具备： （ 1） 解决组合优化问题。当低压电力线通信网络的规模较大时，通信节点越多，路由选择和优化越复杂。 （ 2） 处理非闭合路径优化问题。低压电力线通信网络的中心节点和目标节点之间通常不构成回路，这和常规的组合优化问题（比如旅行商问题）有所不同。 （ 3） 适应通信网络拓扑未知。低压配电网的网络拓扑一般是树形和星形的混合拓扑结构，所以会存在通信节点之间的连接未知性和网络结构的盲状态。 （ 4） 具备路由自愈能力和网络重构能力。由于随机 接入网络中的电气负载的影响，造成信道特征不断发生变化，必然会使原有的数据链路受到破坏。为保证逻辑拓扑的连通性和可靠性，低压电力线通信网络必须有自愈合能力。同时当网络逻辑结构再改变时，网络应能够重新进行路由搜索，继续维持网络拓扑的连通性。 压电力线通信网络 组网方案 低压电力线组网过程就是通过算法找出逻辑拓扑结构的过程 30，所以通过低压电力线通信网络 特征 和功能 分析可知， 关于低压电力线通信网络 组网方案必须 注意 ： 利用低压电力线进行通信的过程中，由于低压电力线信道具有时变性，所以不可能进行人工测试来 创建网络，势必无法保证 通信 节点 之间的通信质量 ，造成网络性能大大降低。组网要考虑本身具有 一定的自行组网 能力， 能够 在 电气设备工作却无 任何网络信息的情况下， 低压电力线通信系统根据电力线载波通信方式 31的不同发起 组网 ，并对通信节点 之间的通信质量进行 评估，创建 优化的网络结构。 组网的目的就是构建基站 /网关 到目 用户终端之间的最佳通信路径，当 原有的通信网络遭到破坏时，系统 本身 要能够 自动 完成对网络的更新。同时当用户终端出现通信故障 时，系统 本身 要 能够完成对网络 重构。所以组网考虑 具备一定的自适应能力。 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 16 第三章 低压电力线 全 双工 通信网络 的 组网及 网络重构 压电力线 全双工通信网络的组网 背景 技术 P 协议是开放的标准协议，已经成为互联网事实上的标准。目前，P 协议宽带电力线载波中已广泛使用。主要用于家庭、楼宇的局域网连接，以便共享与公网的接口，避免重复布线，节省成本。宽带电力线载波传输速率高（ 1数据帧长（大于 1K 字节），载波芯片有完善的数据链路成所需的媒体访问控制（ 能，所以，在宽带电力线通信中，P 协议的移植和使用没有障碍。 但是，低压电 力线通信传输速率低（数百位每秒到数 数据帧短（一般小于 500 字节），更为困难的是，大多数低压电力线通信不具有 能，而具有 能的芯片成本又比较高。因此，需要用软件的方法，实现 是在低压电力线通信网络中采用 P 协议，需要解决的一个主要问题。 低压电力线通信通常用于用电节点监控、楼宇自动化、自动抄表等领域，与宽带电力线通信传输的多媒体和计算机通信相比，数据量要少很多。加之电网管理部门对电网上的电磁污染管理较为严格，监控、楼宇自动化、自动抄表等领域只能是窄带应用，并 且规定了严格的载波频带内外的辐射标准。从目前的 低压电力线通信的 应用来说，如果选择了一个窄带电力线载波芯片，从网络结构的角度来看，从应用层以下，甚至应用层的功能，都要受限于芯片提供商，其网络层的组网和路由功能，都是私有的，限制了窄带应用的可扩展性。而 P 协议是开放的、标准化的网络通信协议，如果在网络层采用 P 作为通信协议，可使整个窄带应用仅在底层依赖芯片提供商，把窄带应用开发人员从整个网络维护任务中解脱出来，仅关注应用层的开发就可以了。 经过考虑，本文给出低压电力线全双工通信网络 的基于 网方法（系统本身能够结合用户终端实际通信情况动态对网络进行重构或优化），从而使基站 /网关与用户终端之间产生最好的通信效果 32。 图 3通信节点的内部软件结构图，其中模块 10 是窄带电力线通信芯片的驱动程序，依赖于芯片提供商。此驱动程序的实现要根据芯片商提供的数据手册，把 来的要发送的数据，放到芯片的发送缓冲寄存器；也通过中断或查询，把芯片的接收缓冲寄存器中的内容，取出送给 处理。其框图如图 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 17 3示。 图 3通信节点的内部结构图 图 3接入结构 的数据传输过程 压电力线全双工通信网络 的组网方法 格式设计 在图 3的模块 20 是用软件的方法实现了 A 协议功能；模块 30是所移植的 P 协议。为了实现模块 20、模块 30 的功能，设计数据帧格式。此基于 网算法不针对任何载波芯片，因此，与此算法对应的帧格式， 各类帧的数据域结构如图 3示， 只限于载波芯片通信帧的用户数据区。 具体特征 图 3帧的数据域结构 是用户数据区的第一个字节表 示的是帧类型。帧类型包括 网算法所用到帧、载波芯片 物理帧头 帧类型 载波芯片 物理帧尾 用户数据区 帧类型 用户数据区信息域 0x 01 发起节点 地址 ( 6 字节 ) ： x x x x x x x x x x x x 网络 址： x x x .x x x . 子网 地址 字节 0x 02 发起节点 地址 ： x x x x x x x x x x x x 请求 址 节点 的 地址 ： # # # # # # # # # # # 0x 03 请求 址 节点 的 地址 发起节点 地址 x x x . x x x . 地址 字节 . x 0x 04 发起节点 地址 请求 址 节点 的 地址 x x x . x x x . 地址 字节 . x 0x 05 发起组播 节点 地址 x x x . x x x . 子网 地址 字节 发起组播 节点 址 0x 06 发起组播 节点 地址 应答节点 地址 发起组播 节点 址 应答 节点 址 0x 07 目标 节点 地址 源 节点 地址 目标 节点 址 源 节点 址 注：帧类型为 0信息 域结构与帧类型为 0相同 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 18 网络管理帧及普通点对点通信所用到的帧。 设计的 帧类型有： 组网广播帧 0 址请求帧 0 址分配帧 0 址确认帧 0 组播帧 0 组播应答帧 0 点对点请求帧 0 点对点应答帧 0 定 址分配方案 址的分配方案采用 类域间路由）地址方案，以解决子网数和主机数不平衡的问题。决定采用 成子网和主机 址。 类的保留地址，用于 机编址。是一个 B 类的定制子网掩码（非标准子网掩码， B 类的标准子网掩码是 以上子网和 址方案用 示就是： 4。这种方案生成的子网数是 254 个，每个子网上可容纳的主机数是 254 个，完全可以满足单台变下载波节点通过 P 进行通信的需求。 表 3相位与子网的网络地址对应关系 相位 子网的网络地址范围 子网网络地址后两字节的判断特征位 A 63 个子网） 0000 0001 011 1111 64 个子网） 0100 0000 111 1111 128 个子网） 1000 0000 111 1110 一相位上的载波模块单独组网，分配给不同的网络地址，相位与子网的网络地址对应关系如 表 3示。每个相位上的主动节点所在的网络地址是所有子网地址中最小的，其主机地址又是其所在子网中最小的。A 相主动节点所在的网络地址是 B 相主动节点所在的网络地址是 主机地址是 兰州大学硕士研究生学位论文 低压电力线全双工通信网络的研究 19 C 相主动节点所在的网 络地址是 于 网初始化算法 （ 1）随机退避算法 任何节点发送之前，都处于接收状态，检测是否接收到有效帧的同步头字节。所有收到同步头子节的节点，都要保持接收状态，继续接收直到长度字节，然后根据长度字节，判断此帧是否全部接收完毕。根据所接收帧中的帧类型字节，判断所接收的帧是广播帧、组播帧还是点对点通信帧，并据此判断目标节点是否是自己，无论是否是自己，都要根据帧类型及帧长度，判断自身应该等待的时间，然后启动定时器，等待这个时间长度， 并继续保持接收状态。 发