王清，荊臻，代燕杰，李琮琮

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司營(yíng)銷服務(wù)中心(計(jì)量中心)，濟(jì)南 250000)

0 引 言

精確的時(shí)間信息對(duì)于提高低壓配電網(wǎng)可靠運(yùn)行、用戶用電服務(wù)管理水平十分關(guān)鍵。近年來(lái)，電網(wǎng)公司已建立了用電信息采集主站、采集終端、電能表之間的時(shí)間同步體系，時(shí)鐘誤差被限定在數(shù)秒以內(nèi)，為用戶用電信息數(shù)據(jù)分析，分時(shí)電價(jià)、階梯電價(jià)政策執(zhí)行提供了堅(jiān)實(shí)保障[1]。隨著新型電源(大量分散小容量戶用光伏)、負(fù)荷(儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車)的接入，末端電網(wǎng)運(yùn)行隨機(jī)性與波動(dòng)性特征日益明顯[2]，為了解決新型電源與負(fù)荷需求時(shí)空不平衡的難題，加強(qiáng)低壓配電網(wǎng)精益化運(yùn)行的管控，電網(wǎng)公司對(duì)低壓配電網(wǎng)提出了“可觀可測(cè)可控”的要求，目的是實(shí)現(xiàn)全面、敏捷、精準(zhǔn)地掌握低壓電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)時(shí)做出響應(yīng)控制。為此，電網(wǎng)公司將加大低壓配電網(wǎng)分鐘級(jí)信息采集頻率應(yīng)用范圍[3]，逐步建設(shè)配變、智能開(kāi)關(guān)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)“微妙級(jí)”信息監(jiān)測(cè)能力[4]，從而更好地為臺(tái)區(qū)互聯(lián)供需平衡、分段線損精細(xì)化計(jì)算、停電上報(bào)、用電負(fù)荷辨識(shí)等新興業(yè)務(wù)提供支撐[5-8]。

以上新興業(yè)務(wù)的發(fā)展均離不開(kāi)臺(tái)區(qū)設(shè)備高精度時(shí)鐘同步的保障。自2016年以來(lái)，電網(wǎng)公司已在低壓臺(tái)區(qū)推廣應(yīng)用了基于正交頻分復(fù)用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的寬帶電力線載波通信(HPLC, High-speed Power Line Communicaiton)[9-13]，HPLC技術(shù)是一種高速電力線通信技術(shù)，電力線通信技術(shù)是指利用電力線作為通信介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。由于電力線是最普及、覆蓋范圍最為廣闊的一種物理媒體，利用電力線傳輸數(shù)據(jù)信息，具有極大的便捷性，無(wú)需重新布線，即可將所有與電力線相連接的電器組成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行信息交互和通信。這種方式實(shí)施簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可以有效降低運(yùn)營(yíng)成本、減少構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)的支出，因而已成為智能電網(wǎng)、能源管理、智慧家庭、光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車充電等應(yīng)用的主要通信手段。HPLC面向電力抄表的高速電力線通信工作頻率范圍包含 2.4 MHz～5.6 MHz、2 MHz～12 MHz、0.7 MHz～3 MHz、1.7 MHz～3 MHz，具有相對(duì)較寬的帶寬，能夠提供數(shù)百Kbps至幾Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，且電力線在高頻段的噪聲相對(duì)較弱，相對(duì)于窄帶電力線通信，通信可靠性和穩(wěn)定性顯著提升,有力支撐了低壓臺(tái)區(qū)高速數(shù)據(jù)通信需求。寬帶電力線載波通信更高的數(shù)據(jù)傳輸速率意味著更低的通信時(shí)延，為應(yīng)用同步授時(shí)協(xié)議實(shí)現(xiàn)低壓設(shè)備時(shí)間同步提供了基礎(chǔ)條件。

目前，已發(fā)布的寬帶電力線載波通信協(xié)議規(guī)定了用電信息采集主站、采集終端與電能表之間時(shí)間同步方法[14-17]。采集終端和電能表均支持內(nèi)部時(shí)鐘單元，用電信息采集主站可以通過(guò)實(shí)時(shí)點(diǎn)抄方式或通過(guò)集中器周期廣播方式對(duì)電能表進(jìn)行校時(shí)。同時(shí)，通過(guò)在電能表載波模塊中增加時(shí)鐘誤差監(jiān)測(cè)功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電能表與采集終端時(shí)差越限事件，并主動(dòng)生成事件報(bào)文上報(bào)給采集終端或用采主站。文獻(xiàn)[18]研究了針對(duì)GPS、PTP協(xié)議[19]、NTP協(xié)議等多時(shí)鐘源的時(shí)間判定方法，從而有效地提高了用電信息采集主站主時(shí)鐘精度。文獻(xiàn)[20]通過(guò)令采集終端主動(dòng)與用采主站對(duì)時(shí)，降低了對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)與采集業(yè)務(wù)的沖突概率，提高了對(duì)時(shí)可靠性。文獻(xiàn)[21]提出了在用采主站與采用終端之間通過(guò)多次對(duì)時(shí)判斷通道傳輸時(shí)延是否穩(wěn)定，從而獲得信道傳輸條件良好情況下的鐘差校準(zhǔn)值，有效減輕了因通信傳輸時(shí)延波動(dòng)性導(dǎo)致對(duì)時(shí)不準(zhǔn)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[22]提出了一種基于采集終端中繼時(shí)延越限判斷的改進(jìn)同步對(duì)時(shí)協(xié)議，也有效提高了對(duì)時(shí)準(zhǔn)確率。

電力線載波通信以電力線作為傳輸介質(zhì)，載波信號(hào)傳輸電磁環(huán)境復(fù)雜，且多分支等效阻抗與載波接收模塊的耦合電路輸入阻抗難以完全匹配，導(dǎo)致了載波信號(hào)傳輸?shù)亩鄰叫?yīng)、信號(hào)衰減以及鄰區(qū)干擾等現(xiàn)象[23-28]，導(dǎo)致通信時(shí)延波動(dòng)范圍大，需增加中繼節(jié)點(diǎn)逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，這就容易造成對(duì)時(shí)偏差大、逐級(jí)對(duì)時(shí)誤差累計(jì)等現(xiàn)象。多數(shù)文獻(xiàn)的時(shí)間傳遞主要依賴應(yīng)用層業(yè)務(wù)規(guī)約攜帶時(shí)間信息的方式，忽略了載波通信時(shí)延以及采集設(shè)備解碼應(yīng)用層時(shí)間戳信息處理時(shí)延。

綜上，文中綜合考慮了協(xié)議處理時(shí)延和載波中繼傳輸延遲的影響，設(shè)計(jì)了相關(guān)延遲估計(jì)和糾偏方法。特別地，針對(duì)載波通信信號(hào)傳輸延遲，文中提出在本級(jí)信標(biāo)幀中增加了“前級(jí)對(duì)時(shí)誤差”數(shù)據(jù)域，本級(jí)設(shè)備可以利用該數(shù)據(jù)域提供的時(shí)間誤差信息有效抑制載波通信傳輸延時(shí)波動(dòng)、以及多級(jí)中繼累計(jì)誤差給精準(zhǔn)對(duì)時(shí)帶來(lái)的影響。

1 現(xiàn)有低壓載波通信時(shí)鐘同步業(yè)務(wù)

現(xiàn)有HPLC技術(shù)體制的時(shí)鐘同步技術(shù)已有研究機(jī)構(gòu)做了全面詳盡的闡述。現(xiàn)有HPLC技術(shù)所包含的精準(zhǔn)時(shí)鐘同步業(yè)務(wù)包括周期廣播對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)、精確廣播對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)、特定表計(jì)點(diǎn)抄單播校時(shí)業(yè)務(wù)以及表計(jì)時(shí)鐘誤差監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)四種類型。周期廣播對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)是由集中器CCO對(duì)臺(tái)區(qū)所有STA執(zhí)行的。一般每天在臺(tái)區(qū)內(nèi)進(jìn)行一次全臺(tái)區(qū)的表計(jì)時(shí)鐘廣播同步操作，將各個(gè)表計(jì)的時(shí)鐘同步到集中器本地時(shí)鐘，通過(guò)HPLC廣播校時(shí)命令進(jìn)行全網(wǎng)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。精確廣播對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)，一般認(rèn)為HPLC的廣播通信時(shí)延可以忽略不計(jì)，但針對(duì)臨域干擾多、本地網(wǎng)絡(luò)層級(jí)深、通信質(zhì)量惡劣的臺(tái)區(qū)，HPLC本地廣播通信時(shí)延可能會(huì)達(dá)到數(shù)秒，需要采用預(yù)置對(duì)時(shí)時(shí)間的方式實(shí)現(xiàn)高精度的廣播對(duì)時(shí)[29]。特定表計(jì)點(diǎn)抄單播校時(shí)業(yè)務(wù)是主站發(fā)起對(duì)某個(gè)表計(jì)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)。針對(duì)某些時(shí)鐘超差表計(jì)，其時(shí)鐘誤差超過(guò)廣播校時(shí)的容許范圍時(shí)，無(wú)法通過(guò)廣播校時(shí)進(jìn)行校時(shí)時(shí)，采用實(shí)時(shí)點(diǎn)抄的方式由主站直接進(jìn)行節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的校時(shí)。表計(jì)時(shí)鐘誤差監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)是通過(guò)集中器或主站采集表計(jì)時(shí)鐘信息，并估算誤差實(shí)現(xiàn)的。集中器或主站可以周期性針對(duì)臺(tái)區(qū)內(nèi)的所有表計(jì)進(jìn)行當(dāng)前時(shí)鐘信息的招測(cè)，由集中器或主站進(jìn)行時(shí)鐘誤差的分析，針對(duì)誤差大的表計(jì)進(jìn)行點(diǎn)抄單點(diǎn)校時(shí)；針對(duì)時(shí)鐘誤差問(wèn)題比較大的臺(tái)區(qū)，可以在載波STA模塊中增加時(shí)鐘誤差監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)電能表的時(shí)鐘與集中器的時(shí)鐘誤差出現(xiàn)超差時(shí)，主動(dòng)生成事件上報(bào)報(bào)文，集中器將該事件轉(zhuǎn)發(fā)到主站，最終由主站進(jìn)行超差表計(jì)時(shí)鐘的處置。

集中器CCO針對(duì)廣播校時(shí)命令則是處理1 376.2中的廣播命令報(bào)文，發(fā)起HPLC標(biāo)準(zhǔn)中的廣播校時(shí)命令。集中器CCO對(duì)精確對(duì)時(shí)命令的執(zhí)行步驟包括處理1 376.2中擴(kuò)展的精確對(duì)時(shí)命令報(bào)文，發(fā)起HPLC本地精確校時(shí)命令。集中器CCO針對(duì)表計(jì)時(shí)鐘超差事件的處理則是接收STA發(fā)來(lái)的表計(jì)時(shí)鐘超差事件，生成相關(guān)事件上報(bào)集中器。

采集器PCO針對(duì)廣播校時(shí)命令進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)，并向其下游電能表轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)電能表時(shí)鐘與集中器的同步，忽略廣播通信的延時(shí)。采集器PCO針對(duì)精確對(duì)時(shí)機(jī)制的廣播校時(shí)命令，在轉(zhuǎn)發(fā)廣播命令后，等到報(bào)文中聲明的時(shí)刻進(jìn)行下游電能表對(duì)時(shí)命令的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步的精確對(duì)時(shí)，對(duì)廣播通信延時(shí)進(jìn)行屏蔽。采集器PCO執(zhí)行時(shí)鐘相關(guān)的抄表命令時(shí)，針對(duì)各類抄表報(bào)文，可以執(zhí)行相關(guān)的單播校時(shí)及時(shí)鐘信息采集業(yè)務(wù)。采集器PCO針對(duì)表計(jì)時(shí)鐘誤差的監(jiān)測(cè)步驟包括：將集中器的時(shí)鐘和電能表的時(shí)鐘進(jìn)行比對(duì)，如果超過(guò)了技術(shù)要求的規(guī)定，上報(bào)相關(guān)時(shí)鐘超差事件。

在執(zhí)行以上業(yè)務(wù)時(shí)，表計(jì)STA針對(duì)廣播校時(shí)命令進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)，并向其下游電能表轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)電能表時(shí)鐘與集中器的同步，忽略廣播通信的延時(shí)。表計(jì)STA針對(duì)精確對(duì)時(shí)機(jī)制的廣播校時(shí)命令，在轉(zhuǎn)發(fā)廣播命令后，等到報(bào)文中聲明的時(shí)刻進(jìn)行下游電能表對(duì)時(shí)命令的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步的精確對(duì)時(shí)，對(duì)廣播通信延時(shí)進(jìn)行屏蔽。表計(jì)STA針對(duì)表計(jì)時(shí)鐘誤差的監(jiān)測(cè)是將集中器的時(shí)鐘和電能表的時(shí)鐘進(jìn)行比對(duì)，如果超過(guò)了技術(shù)要求的規(guī)定，上報(bào)相關(guān)時(shí)鐘超差事件。

2 低壓配電網(wǎng)載波通信對(duì)時(shí)誤差估計(jì)方法

低壓配電網(wǎng)單臺(tái)區(qū)載波通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，集中器載波通信單元作為中央?yún)f(xié)調(diào)器 (Central Coordinator, CCO)、采集器載波通信單元作為代理協(xié)調(diào)器(Proxy Coordinator, PCO)、電能表載波通信單元作為站點(diǎn) (Station, STA)，所有設(shè)備均遵從載波通信數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議[16]組網(wǎng)和收發(fā)數(shù)據(jù)。CCO、PCO與STA的載波通信MAC層協(xié)議是基于信標(biāo)的載波偵聽(tīng)多址接入(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)，這就要求CCO、PCO與STA之間必須存在某種物理層幀同步機(jī)制，支撐全網(wǎng)時(shí)隙資源占用協(xié)調(diào)。

圖1 載波通信中繼鏈路示意圖

文中第1小節(jié)介紹的低壓載波通信時(shí)鐘同步業(yè)務(wù)是基于載波通信幀同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。載波通信幀同步是通過(guò)在COO設(shè)備中維護(hù)一個(gè)32位計(jì)時(shí)器，數(shù)值為網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)時(shí)間(Network Time Baseline, NTB)，其被定義為中央信標(biāo)MPDU的幀控制的第一個(gè)非零樣本(采樣間隔為40 ns)出現(xiàn)在發(fā)射端設(shè)備的模擬輸出上的那一瞬時(shí)時(shí)刻的計(jì)時(shí)器的值，該值被封裝在中央信標(biāo)中的“信標(biāo)時(shí)間戳”并向全網(wǎng)站點(diǎn)廣播，全網(wǎng)設(shè)備同樣維持一個(gè)與COO頻率相同(25 MHz)的32位計(jì)時(shí)器，通過(guò)前導(dǎo)序列自相關(guān)實(shí)現(xiàn)信標(biāo)捕獲后，將自身計(jì)時(shí)器取值與CCO的NTB取值保持一致，這樣就實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)站點(diǎn)對(duì)信標(biāo)周期內(nèi)的時(shí)隙分配結(jié)果的統(tǒng)一理解，保障了數(shù)據(jù)收發(fā)正確性。從以上載波通信物理層幀同步機(jī)制分析中發(fā)現(xiàn)：該機(jī)制雖然達(dá)到了40 ns同步的粒度，但僅實(shí)現(xiàn)了CCO、PCO與STA之間相對(duì)同步滿足全網(wǎng)時(shí)隙分配結(jié)果，該同步機(jī)制并未令它們的時(shí)鐘與統(tǒng)一世界時(shí)保持一致，而如停電上報(bào)、費(fèi)控等業(yè)務(wù)需依賴事件發(fā)生、結(jié)束的絕對(duì)時(shí)刻，因此無(wú)法直接運(yùn)用于業(yè)務(wù)應(yīng)用的授時(shí)。

文中集中器CCO單元已通過(guò)對(duì)時(shí)協(xié)議獲取到的主站精準(zhǔn)時(shí)鐘為T(mén)M，TCCO、TPCO、TSTA分別為CCO、PCO、STA單元時(shí)鐘時(shí)刻，它們分別作載波通信全網(wǎng)主時(shí)鐘、透明時(shí)鐘及從時(shí)鐘。TCCO、TPCO、TSTA參照北斗時(shí)定義，為當(dāng)前時(shí)刻距2006年1月1日0時(shí)0分0秒?yún)f(xié)調(diào)世界時(shí)的累計(jì)采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)，CCO、PCO、STA時(shí)鐘包含一個(gè)56位計(jì)數(shù)器記錄當(dāng)前時(shí)刻的采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)。TCCO、TPCO通過(guò)擴(kuò)展文獻(xiàn)[16] 5.1.2.4.2小節(jié)“信標(biāo)幀載荷字段”保留的64比特實(shí)現(xiàn)，這就意味著利用中央信標(biāo)、代理信標(biāo)周期性廣播，全網(wǎng)站點(diǎn)都可以獲取到主時(shí)鐘、透明時(shí)鐘的精確時(shí)間。

下文給出主時(shí)鐘、透明時(shí)鐘的精準(zhǔn)對(duì)時(shí)方法的詳細(xì)設(shè)計(jì)。當(dāng)集中器主時(shí)鐘獲取主站精準(zhǔn)時(shí)鐘后，映射到中央信標(biāo)的主時(shí)鐘為：

TCCO=TM+EH+ES

(1)

式中EH為集中器，將TM映射到MAC層信標(biāo)幀載荷的協(xié)議處理時(shí)延，這個(gè)時(shí)延值通過(guò)事先測(cè)量獲得，事實(shí)上文獻(xiàn)[16] 5.2.9.2小節(jié)規(guī)定了從NTB實(shí)際發(fā)送時(shí)間與經(jīng)過(guò)MAC層處理后映射到信標(biāo)幀載荷BTS的處理時(shí)延誤差小于±1 250抽樣點(diǎn)(±50 μs)。ES為集中器獲取中央信標(biāo)MPDU的幀控制的第一個(gè)非零樣本的采樣誤差，文獻(xiàn)[16] 5.2.9.2小節(jié)同樣規(guī)定了該誤差抖動(dòng)小于0.25 μs。

(2)

(3)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸時(shí)延的估計(jì)，文中設(shè)計(jì)了一種校時(shí)確認(rèn)幀發(fā)送機(jī)制：在TDMA時(shí)隙中預(yù)留一段時(shí)間片，由CCO(或PCO)向PCO(或STA)逐一發(fā)送校時(shí)確認(rèn)幀，如圖2所示；校時(shí)確認(rèn)幀基本結(jié)構(gòu)類似于SOF確認(rèn)幀的ACK反饋，如圖3所示。參照文獻(xiàn)[16] 5.1.2.2小節(jié)“MPDU幀控制格式”中“表9 MPDU幀控制字段”，定界符類型擴(kuò)充一個(gè)值“4”代表校時(shí)確認(rèn)幀，可變區(qū)域由源TEI修改為目的站點(diǎn)的TEI，基于校時(shí)確認(rèn)的雙方對(duì)時(shí)隙分配的統(tǒng)一理解基礎(chǔ)之上，當(dāng)PCO(或STA)的下行校時(shí)確認(rèn)幀到達(dá)時(shí)，通過(guò)對(duì)前導(dǎo)的自相關(guān)捕獲可以獲得下行傳輸時(shí)延估計(jì)值。

圖2 全網(wǎng)校時(shí)確認(rèn)幀發(fā)送示意圖

圖3 校時(shí)確認(rèn)幀幀結(jié)構(gòu)示意圖

此外，站點(diǎn)接受到該校時(shí)確認(rèn)幀后，比對(duì)解碼的目的TEI判斷是否為自身校時(shí)確認(rèn)幀，同時(shí)將可變區(qū)域的信標(biāo)時(shí)間戳與自身已同步的NTB值比對(duì)判斷在一個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)，以上條件同時(shí)滿足則認(rèn)為下行傳輸時(shí)延估計(jì)值是真實(shí)可信的。在獲得各類對(duì)時(shí)誤差值后，PCO及STA就可以根據(jù)式(2)、式(3)更新自身時(shí)鐘，從而為各類具有精準(zhǔn)授時(shí)需求的業(yè)務(wù)提供精準(zhǔn)時(shí)間信息。

由圖2可知，校時(shí)確認(rèn)幀時(shí)長(zhǎng)是前導(dǎo)、控制幀及BIFS總和，根據(jù)文獻(xiàn)[17]規(guī)定的物理層幀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，單個(gè)校時(shí)確認(rèn)幀耗時(shí)總計(jì)約1.5 ms，按照臺(tái)區(qū)200個(gè)站點(diǎn)規(guī)模測(cè)算，全網(wǎng)校時(shí)確認(rèn)幀耗時(shí)約占300 ms，相較于數(shù)秒～數(shù)十秒的信標(biāo)周期而言增加量在可接受范圍之內(nèi)。CCO根據(jù)整網(wǎng)節(jié)點(diǎn)路由信息安排自身及各級(jí)PCO校時(shí)確認(rèn)幀發(fā)送次序，如圖2所示；同時(shí)，COO擴(kuò)展信標(biāo)載荷內(nèi)容，將文獻(xiàn)[16] 5.1.2.4.2小節(jié)中的“表35時(shí)隙分配條目”中保留的10個(gè)比特用于指示“校時(shí)確認(rèn)TDMA時(shí)隙長(zhǎng)度”，單位為1 ms。

3 低壓配電網(wǎng)載波通信對(duì)時(shí)協(xié)議流程

基于上述研究，文中提出了一種基于電力線載波通信協(xié)議的時(shí)鐘同步流程，如圖4所示。

圖4 基于電力線載波通信協(xié)議的時(shí)鐘同步流程示意圖

圖4具體步驟如下：初始狀態(tài)：CCO、PCO、STA初始時(shí)鐘時(shí)刻TCCO、TPCO、TSTA；輸出結(jié)果：TPCO、TSTA更新后的時(shí)鐘時(shí)刻。

步驟1：CCO時(shí)鐘單元根據(jù)主站對(duì)時(shí)協(xié)議精準(zhǔn)同步于主站時(shí)鐘，并將根據(jù)式(1)更新的TCCO映射至信標(biāo)幀載荷字段預(yù)留比特位，傳輸至下一級(jí)PCO；

步驟4：PCO或STA未收到信標(biāo)幀或校時(shí)確認(rèn)幀解碼獲得信標(biāo)時(shí)間戳不在當(dāng)前信標(biāo)周期，則判定出現(xiàn)了丟包或延遲超過(guò)一個(gè)以上的信標(biāo)周期，則放棄本次對(duì)時(shí)，等待下一信標(biāo)周期到來(lái)后重新對(duì)時(shí)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

文中采用了物理層OFDM調(diào)制，信標(biāo)CSMA介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議的載波通信系統(tǒng)。子載波間隔為24.424 kHz，采樣間隔為1/25 MHz。將MAC層處理時(shí)延測(cè)量誤差建模為高斯分布，誤差抖動(dòng)均值與方差通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法獲得；而將載波信號(hào)傳輸時(shí)延、采樣時(shí)刻的誤差抖動(dòng)建模為[-0.25 μs ,0.25 μs]均勻分布。CCO、PCO、STA內(nèi)部時(shí)鐘考慮真實(shí)的頻率偏移誤差，即內(nèi)部時(shí)鐘單元頻率采用以標(biāo)稱頻率(25 MHz)、固定頻偏(±25 PPM)以及頻率漂移率為系數(shù)的時(shí)間變量二次式表達(dá)，頻率漂移率可通過(guò)查找時(shí)鐘單元的產(chǎn)品手冊(cè)獲得。信標(biāo)周期可以被設(shè)定為5.12 s或10.24 s。

圖5給出了現(xiàn)有基于應(yīng)用層協(xié)議攜帶時(shí)間戳信息、忽略載波通信傳輸延遲的對(duì)時(shí)方法與文中提出的方法的對(duì)時(shí)誤差累計(jì)概率分布函數(shù)，信標(biāo)周期為5.12 s。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有方法的對(duì)時(shí)誤差在約81%的概率小于1 ms，主要原因是基于應(yīng)用層協(xié)議的對(duì)時(shí)方法增加了應(yīng)用層協(xié)議處理時(shí)延，同時(shí)當(dāng)對(duì)時(shí)報(bào)文出現(xiàn)丟包重傳時(shí)，因傳輸延遲帶來(lái)的對(duì)時(shí)偏差不斷增加。文中所提對(duì)時(shí)方法的對(duì)時(shí)精度可以在97%的概率上低于30 μs，導(dǎo)致存在3%概率同步誤差仍大于30 μs的主要原因是MAC層與硬件層時(shí)延估計(jì)存在誤差抖動(dòng)；此外， CCO、PCO、STA內(nèi)部時(shí)鐘頻率偏移導(dǎo)致在信標(biāo)周期5.12 s內(nèi)存在微小的時(shí)鐘偏差。

如圖6所示，信標(biāo)周期為10.24 s較5.12 s的對(duì)時(shí)誤差更大，分別約為50 μs和30 μs。原因是文中所提方法是按照信標(biāo)周期進(jìn)行對(duì)時(shí)，隨著對(duì)時(shí)周期的增大，由時(shí)鐘偏移帶來(lái)的影響逐漸增加。文中所提載波通信對(duì)時(shí)方法是與現(xiàn)有MAC層協(xié)議完全匹配融合，協(xié)議執(zhí)行可靠性有保障。即使存在某個(gè)STA站點(diǎn)因通信丟包而無(wú)法對(duì)時(shí)，下一周期仍可以通過(guò)更新的TCCO重新對(duì)時(shí)；此外，該方法完全基于電力線載波通信協(xié)議MAC層處理機(jī)制，更加接近硬件處理過(guò)程，協(xié)議處理延遲更低；最后通過(guò)逐級(jí)對(duì)時(shí)方式有效克服了由于載波中繼帶來(lái)的對(duì)時(shí)誤差累計(jì)的問(wèn)題。

圖5 對(duì)時(shí)誤差累計(jì)概率分布函數(shù)

圖6 站點(diǎn)對(duì)時(shí)誤差仿真結(jié)果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于電力線載波通信MAC層協(xié)議的時(shí)鐘同步方法，該方法考慮了載波信號(hào)在物理層傳輸時(shí)延、MAC層協(xié)議處理延遲以及采樣偏差(又稱作幀同步對(duì)齊偏差)等因素的影響，利用載波通信MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)了周期性全網(wǎng)對(duì)時(shí)方法，為了適配PCO、STA與CCO之間精準(zhǔn)對(duì)時(shí)需求，基于現(xiàn)有協(xié)議體系給出了協(xié)議報(bào)文修改升級(jí)內(nèi)容，并設(shè)計(jì)了對(duì)時(shí)流程。文中所提的對(duì)時(shí)方法具有精度高、與現(xiàn)有協(xié)議兼容性好、易于升級(jí)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。