任 智，劉順輝，任 冬，甘澤鋒

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引 言

寬帶電力線通信[1](Broadband Power Line Communication，BPLC)是一種以電力線作為信號傳輸媒介的通信方式。BPLC也叫高速電力線通信，能實現(xiàn)1 Mb/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率且抗干擾能力較強。寬帶電力線通信被廣泛應用在用電信息采集系統(tǒng)[2]、智能電網(wǎng)[3]、智能家居[4]和多表集抄[5]等領域。文獻[6]針對傳統(tǒng)置零法引起的非線性失真問題，提出了一種基于迭代消除非線性失真的改進置零法，可有效增加PLC系統(tǒng)對脈沖噪聲的抵抗能力。文獻[7]提出一種應用在電力線載波通信(Power Line Communication,PLC)里面的Luby變換碼，可明顯降低譯碼的開銷和耗時。

目前，針對寬帶電力線通信的媒體接入控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議已有一些研究。文獻[8]采用時分復用(Time Division Multiple Access,TDMA)和帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid,CSMA/CA)混合接入技術(shù)，在大規(guī)模PLC網(wǎng)絡中能提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸效率，但不適用小規(guī)模的PLC網(wǎng)絡，具有一定的局限性。文獻[9]提出了一種將電力線和無線通信網(wǎng)絡融合的統(tǒng)一MAC協(xié)議，設計并統(tǒng)一MAC時隙劃分、組網(wǎng)過程和資源調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，但提高了系統(tǒng)的復雜度，只適用于某特殊環(huán)境下，不具有普遍性。文獻[10]引入跨層思想，在保證QoS的前提下，提出了一種基于MAC層QoS優(yōu)先級調(diào)度功能的寬帶電力線跨層資源分配方案，根據(jù)優(yōu)先級函數(shù)對物理層資源分配，但提高了系統(tǒng)的復雜度，且對物理層要求高。文獻[11]提出了一種改進的自適應P堅持CSMA協(xié)議，在負載較高的情況下，通過動態(tài)調(diào)整概率P，降低了數(shù)據(jù)包的碰撞概率，但在負載較小的情況下會造成信道使用率較低等問題。文獻[12]考慮到PLC受傳輸距離的限制，提出了一種中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的PLC網(wǎng)絡，在源節(jié)點到目的節(jié)點中間通過中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｎ墨I[13]提出了一種基于用戶延遲情況和信道條件的自適應MAC協(xié)議，通過調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率和競爭窗口大小來提高系統(tǒng)的吞吐量，但破壞了節(jié)點的公平性。文獻[14]提出了一種改進的CSMA/CA算法，適用于電力線和無線混合網(wǎng)絡場景。該算法與現(xiàn)有標準IEEE1901和802.11中的CSMA/CA算法兼容。文獻[15]對PLC系統(tǒng)MAC協(xié)議的最新技術(shù)進行了全面調(diào)查，目前在PLC系統(tǒng)使用的MAC協(xié)議主要是CSMA/CA，少部分使用TDMA協(xié)議。由IEEE通信協(xié)會電力線通信委員會發(fā)布的寬帶電力線通信標準(IEEE1901.1)[16]規(guī)定了物理層和媒體訪問控制子層的關(guān)鍵技術(shù)。草案[17]對文獻[16]的標準做了補充，增加了物理層和MAC層的測試用例和測試場景。然而研究發(fā)現(xiàn)，IEEE1901.1 MAC協(xié)議存在信標時隙利用不充分和控制開銷過大等問題。

鑒于此，本文提出了一種ELDM-MAC(Efficient and Low Delay Multi-hop MAC)協(xié)議，通過基于節(jié)點層級號的信標時隙分配機制和基于拓撲信息的信標幀高效廣播機制來有效改善上述問題。

1 網(wǎng)絡模型與問題描述

1.1 網(wǎng)絡模型

寬帶電力線通信網(wǎng)絡由一個主節(jié)點(Central Coordinator,CCO)、多個代理節(jié)點(Proxy Coordinator,PCO)和多個普通節(jié)點(Station,STA)組成，共同構(gòu)成多跳樹形場景，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡場景

寬帶電力線通信網(wǎng)絡將信道資源劃分為一個一個的信標周期結(jié)構(gòu)，如圖2所示。從圖中可知，一個信標周期又分為信標時隙、CSMA時隙、TDMA時隙和綁定CSMA時隙，而信標時隙由CCO分為若干個無競爭的小時隙，已入網(wǎng)的節(jié)點在此時隙廣播信標幀；節(jié)點在CSMA時隙使用CSMA/CA的方式競爭信道進行數(shù)據(jù)的傳輸；在TDMA時隙，由CCO分配給某些具有特殊業(yè)務的節(jié)點，采用無競爭的方式接入信道；綁定CSMA時隙由CCO分配給某些特殊業(yè)務使用，采用CSMA/CA的方式競爭信道。

圖2 信標周期時隙分配

CCO在信標時隙中的第一個時隙廣播信標幀，信標幀中包含信標周期的所有時隙分配信息。已入網(wǎng)節(jié)點收到信標幀后，取出目的地址，形成一跳鄰居表，根據(jù)時隙分配信息，確定CCO給自身安排的時隙位置，轉(zhuǎn)發(fā)信標幀；未入網(wǎng)節(jié)點收到信標幀后，同樣確定時隙位置和形成一跳鄰居表，在CSMA時隙發(fā)送入網(wǎng)請求幀，由已入網(wǎng)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至CCO，CCO收到后若同意節(jié)點加入網(wǎng)絡，則確定該節(jié)點的層級號，發(fā)送入網(wǎng)確認幀。節(jié)點在加入網(wǎng)絡后，在每個路由周期發(fā)送10次發(fā)現(xiàn)列表報文，發(fā)現(xiàn)列表報文包含自身的鄰居節(jié)點信息，節(jié)點收到發(fā)現(xiàn)列表后更新鄰居表，此時鄰居表包含一跳和兩跳鄰居節(jié)點。

1.2 問題描述

(1) 節(jié)點在發(fā)送完信標幀后，不能立即進入CSMA時隙，需要等到信標時隙結(jié)束后才進入CSMA時隙。節(jié)點在發(fā)送完信標幀到CSMA時隙這一段時間都處在等待狀態(tài)，不能獲取到任何信道資源，造成了信標時隙利用不充分和信道資源浪費問題，降低了信道利用率。

(2) 由于各個節(jié)點無法獲知全網(wǎng)拓撲信息，在廣播過程中，時隙分配信息的內(nèi)容不會改變，各節(jié)點收到信標幀后會無條件地轉(zhuǎn)發(fā)所有節(jié)點的時隙分配信息，造成許多無效的時隙分配信息繼續(xù)被節(jié)點廣播，使得控制開銷過大。

2 ELDM-MAC

針對IEEE1901.1 MAC協(xié)議存在時隙浪費、控制開銷較大和信道利用率低等問題，對IEEE1901.1 MAC協(xié)議進行了如下改進：一是提出“基于節(jié)點層級號的信標時隙分配”新機制，按照節(jié)點層級號從小到大的順序依次分配信標時隙，在節(jié)點廣播信標幀后，計算不會對信標幀發(fā)送造成干擾的時間，提前進入CSMA時隙;二是提出“基于拓撲信息的信標幀高效廣播”新機制，即通過拓撲信息精簡時隙分配消息，使得節(jié)點不再廣播冗余無效的時隙分配消息。

2.1 基于節(jié)點層級號的信標時隙分配

基于節(jié)點層級號的信標時隙分配機制的核心思想是：CCO根據(jù)節(jié)點的層級號從小到大依次分配時隙，層級號越小，在信標時隙中的位置越靠前，且CCO為第0級;然后CCO在信標時隙中的第一個時隙里廣播信標幀;已入網(wǎng)節(jié)點收到后獲取時隙分配信息，確定各個時隙段的位置，在CCO安排的時隙廣播信標幀;發(fā)送完信標幀后，節(jié)點查看自己的鄰居表，等待自身的鄰居節(jié)點發(fā)送完信標幀后，提前進入CSMA時隙。在這段時間，節(jié)點不會與由CCO已經(jīng)安排需要發(fā)送信標幀的節(jié)點發(fā)送碰撞，提高了時隙利用率。該新機制的具體操作步驟如下：

Step1 CCO在生成時隙分配信息字段前，根據(jù)節(jié)點的層級號從小到大的順序分配信標時隙，節(jié)點層級號越小，其在時隙分配信息表中的位置越靠前，然后在信標時隙中的第一個時隙里廣播信標幀。

Step2 節(jié)點收到信標幀后，取出信標幀的目的地址字段，更新一跳鄰居表。根據(jù)時隙分配信息獲取信標周期的長度，以及信標時隙、CSMA時隙、TDMA時隙和綁定CSMA時隙的位置。若該節(jié)點未入網(wǎng)，節(jié)點在CSMA時隙里使用CSMA/CA的方式競爭信道發(fā)送入網(wǎng)請求幀；否則，執(zhí)行Step 3。

Step3 節(jié)點根據(jù)時隙分配信息計算CCO給自己安排發(fā)送信標幀的時隙位置，在該時隙發(fā)送信標幀。在發(fā)送完信標幀后，節(jié)點根據(jù)自身的鄰居表，查看自己的兩跳鄰居節(jié)點，若有兩跳鄰居節(jié)點，轉(zhuǎn)Step 4；否則，執(zhí)行Step 5。

Step4 找出時隙分配信息中的兩跳鄰居節(jié)點的最大時隙索引號，計算節(jié)點發(fā)送完信標幀后到最大時隙索引號的節(jié)點發(fā)送信標幀后的這段時間為T，經(jīng)過時間T后，節(jié)點就可以使用CSMA/CA的方式競爭信道，提前進入CSMA時隙。

Step5 當節(jié)點沒有兩跳鄰居節(jié)點時，查看時隙分配信息，找出大于自身時隙索引號的一跳節(jié)點或同層級號節(jié)點的最大時隙索引號。時隙分配信息里是否還有大于最大時隙索引號的節(jié)點，若沒有，節(jié)點在CAMA時隙里使用CSMA/CA競爭信道的方式接入信道；否則，執(zhí)行Step 6。

Step6 若存在大于最大時隙索引號的節(jié)點的時隙分配信息，則判斷其余節(jié)點不是自身節(jié)點的子孫節(jié)點，計算節(jié)點在發(fā)送完信標幀后到最大時隙索引號的節(jié)點發(fā)送信標幀后的時間為T，經(jīng)過時間T后，節(jié)點就可以使用CSMA/CA的方式競爭信道，提前進入CSMA時隙。

基于節(jié)點層級號的信標時隙分配新機制的操作流程如圖3所示。

圖3 基于節(jié)點層級號的信標時隙分配流程

2.2 基于拓撲信息的信標幀高效廣播

基于拓撲信息的信標幀高效廣播機制的核心思想是：CCO根據(jù)節(jié)點的層級號從小到大的順序分配信標時隙，CCO在信標時隙的第一個時隙里廣播信標幀；已入網(wǎng)的節(jié)點收到信標幀后，根據(jù)時隙分配信息計算自身發(fā)送信標幀的時隙，并且根據(jù)拓撲信息，刪除不大于自身層級號的節(jié)點和大于其層級號且在兩跳范圍內(nèi)的非其子孫節(jié)點的時隙分配信息，減少不必要的節(jié)點時隙分配信息廣播，縮短信標幀的長度和內(nèi)容，提高接入效率。該新機制的具體操作步驟如下：

Step1 在信標時期，CCO生成時隙分配字段前，CCO按照節(jié)點層級號的從小到大的順序進行排序。依次分配信標時隙給每個已經(jīng)入網(wǎng)的節(jié)點發(fā)送信標幀，層級號越小的節(jié)點在信標時隙中的位置越靠前，在信標時隙的第一個時隙里廣播信標幀。

Step2 普通節(jié)點收到信標幀后，取出目的地址，更新自身的鄰居表。根據(jù)時隙分配信息計算自身發(fā)送信標幀的時隙和信標時隙、CSMA時隙、TDMA時隙和綁定CSMA時隙的位置。

Step3 普通節(jié)點在廣播信標幀之前，首先查看自身時隙分配信息的位置，若其位置之前存在其他節(jié)點的時隙分配信息，則刪除這些層級號不大于自身層級號節(jié)點的時隙分配信息；若還存在大于自身層級號節(jié)點的時隙分配信息，則進一步查看鄰居表，若鄰居表中存在與時隙分配信息中相同的節(jié)點，則可知這些節(jié)點為自身的子孫節(jié)點；否則，刪除比自身層級號大且在兩跳范圍內(nèi)的非子孫節(jié)點的時隙分配信息。

Step4 普通節(jié)點查看刪除完滿足條件的時隙分配信息后，發(fā)現(xiàn)無自身子孫節(jié)點的時隙分配信息，則判斷自身為邊緣節(jié)點。若為邊緣節(jié)點，執(zhí)行Step 5；否則，執(zhí)行Step 6。

Step5 節(jié)點為邊緣節(jié)點，則廣播精簡的信標幀，精簡信標幀的時隙分配信息里只保留信標周期的長度和信標時隙、CSMA時隙、TDMA時隙和綁定CSMA時隙的長度，無信標時隙的分配信息。

Step6 節(jié)點廣播刪除完滿足條件的時隙分配信息的信標幀。

基于拓撲信息的信標幀高效廣播新機制的操作流程如圖4所示。

圖4 基于拓撲信息的信標幀高效廣播流程

3 仿真驗證及結(jié)果分析

為驗證ELDM-MAC協(xié)議的性能，本文采用OPNET Modeler 14.5仿真工具對ELDM-MAC協(xié)議進行仿真驗證，選取IEEE1901.1 MAC協(xié)議作為參考協(xié)議，分析了信道利用率、控制開銷和數(shù)據(jù)平均時延等性能。

3.1 仿真場景和參數(shù)設置

基于OPNET Modeler 14.5仿真工具，模擬了1個主節(jié)點、10～50個代理和普通節(jié)點的網(wǎng)絡場景。BPLC網(wǎng)絡場景由1個主節(jié)點、多個代理節(jié)點和多個普通節(jié)點組成，節(jié)點之間的通信范圍為800 m，網(wǎng)絡的拓撲層級共有8級。具體仿真參數(shù)設置如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)表

主節(jié)點在每個信標周期內(nèi)廣播信標幀，節(jié)點收到信標幀后獲取時隙分配信息，繼續(xù)廣播信標幀。在仿真驗證中，通過設置不同的網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)，重復50次實驗得到信道利用率、數(shù)據(jù)平均時延和控制開銷的平均值，來驗證節(jié)點數(shù)目對信道利用率、數(shù)據(jù)平均時延和控制開銷等性能指標的影響。

由于TDMA和綁定CSMA時隙目前還未有具體的用途，在仿真過程中不做考慮，即信標周期只包含信標和CSMA時隙。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 信道利用率

信道利用率指節(jié)點占用信道進行有效數(shù)據(jù)傳輸所用的時間與網(wǎng)絡運行時間的比值。圖5所示為在節(jié)點數(shù)目不同的條件下，ELDM-MAC和IEEE1901.1 MAC兩種協(xié)議的信道利用率。由圖可知，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，信道利用率都在顯著提高。這是由于信道還未達到飽和，但隨著業(yè)務量增加，信道趨向飽和，信道利用率隨著提高。ELDM-MAC協(xié)議的信道利用率要高于原IEEE1901.1 MAC協(xié)議。由于在ELDM-MAC協(xié)議里使用了基于節(jié)點層級號的信標時隙分配，節(jié)點在由CCO指定時隙發(fā)送完信標幀后，節(jié)點根據(jù)自己的鄰居表和時隙分配信息計算自身進入CSMA時隙的時間，而不是和IEEE1901.1 MAC那樣，在信標時隙中自身只占用一個時隙發(fā)送信標幀，其空閑時間一直在等待CSMA時隙的到來，ELDM-MAC協(xié)議會使自身提前進入到CSMA時隙，節(jié)點通過CSMA/CA的方式競爭信道。在信標時隙期間增加了節(jié)點占用信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，減少了信標時隙的浪費，從而提高了信道利用率。

圖5 信道利用率

3.2.2 數(shù)據(jù)平均時延

數(shù)據(jù)平均時延指數(shù)據(jù)幀從產(chǎn)生到目的節(jié)點成功接收的平均耗時。圖6所示為在節(jié)點數(shù)目不同的條件下，ELDM-MAC和IEEE1901.1 MAC兩種協(xié)議的平均時延。由圖可見，所提出的ELDM-MAC協(xié)議的平均時延性能優(yōu)于IEEE1901.1 MAC協(xié)議。這是由于ELDM-MAC協(xié)議通過基于節(jié)點層級號的信標時隙分配新機制，節(jié)點能盡早地進入到CSMA時隙傳輸數(shù)據(jù)消息，使節(jié)點有足夠的時隙來傳輸數(shù)據(jù)包，從而減少數(shù)據(jù)消息的時延。

圖6 數(shù)據(jù)平均時延

3.2.3 控制開銷

圖7所示為ELDM-MAC協(xié)議和IEEE1901.1 MAC協(xié)議的控制開銷，由圖可知，在這兩種協(xié)議下的控制開銷隨著節(jié)點數(shù)的增加而增加，相較于IEEE1901.1 MAC協(xié)議，ELDM-MAC協(xié)議通過基于拓撲信息的信標幀高效廣播新機制，降低了網(wǎng)絡的控制開銷。每個節(jié)點在廣播信標幀時，節(jié)點只廣播其兩跳節(jié)點以內(nèi)的子孫節(jié)點和大于兩跳節(jié)點的所有時隙分配信息，冗余的時隙分配信息不再廣播，刪除時隙分配信息里不必要的相關(guān)字段，縮短了信標幀的長度，降低了控制開銷。

圖7 控制開銷

4 結(jié)束語

本文針對寬帶電力線通信網(wǎng)絡，提出了一種高效低時延的多跳MAC協(xié)議。ELDM-MAC協(xié)議在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下，通過基于節(jié)點層級號的信標時隙分配機制有效減少了信標時隙的浪費，提高了信道利用率；基于拓撲信息的信標幀高效廣播機制有效減少了節(jié)點廣播無效的時隙分配信息，降低了網(wǎng)絡的控制開銷。OPNET Modeler 14.5仿真結(jié)果表明，ELDM-MAC協(xié)議在信道利用率、數(shù)據(jù)平均時延和控制開銷等性能指標方面均優(yōu)于IEEE1901.1 MAC協(xié)議。未來的研究工作可圍繞進一步減少信標時隙浪費問題展開。