本發(fā)明涉及信道傳輸技術領域,特別是一種用于解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法。
背景技術:
電力線通信plc是一種前景非常廣闊的配用電通信網(wǎng)通信方式,它可以降低網(wǎng)絡建設的復雜性。由于電力線通信是采用電力線傳輸數(shù)據(jù)的通信方式,因此在配網(wǎng)中的建設成本極低。隨著配電通信網(wǎng)的廣泛發(fā)展,通信的管理和控制變得更加復雜。同時,隨著多點傳輸數(shù)據(jù)量的加大,電網(wǎng)對通信的可靠性和傳輸質(zhì)量的要求也更加嚴格。但是,電力線通信的傳輸距離有限,吞吐量受到電力負荷的波動影響較大,且容易收到接入用電設備的噪聲影響。因此,解決多傳輸節(jié)點爭用plc信道的問題,提高傳輸成功概率,對plc網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的提高有重要作用。
目前,o.amrani等提出了一種plc網(wǎng)絡下的提供競爭監(jiān)測和解決的介質(zhì)訪問控制(mac)協(xié)議。這是一種有效的隨機訪問控制協(xié)議。該協(xié)議的目的是令唯一一個節(jié)點競爭得到訪問電力線信道的機會。但是該算法并沒有考慮如何最大化plc通信傳輸成功概率。在plc通信中,吞吐量和時延也是一項非常重要的指標。t.elbatt等研究了電配電網(wǎng)通信中無線傳輸縮小時延的解決方法,但是并不能在plc網(wǎng)絡環(huán)境下的配電通信網(wǎng)中使用。因此,為了提高plc網(wǎng)絡競爭傳輸環(huán)境下的通信成功率,提高qos指標,設計一種解決plc訪問沖突的方法具有很重要的研究價值。
為了解現(xiàn)有技術的發(fā)展狀況,對已有的論文和專利進行了檢索、比較和分析,篩選出如下與本發(fā)明相關度比較高的技術信息:技術方案1:專利號為cn102355405b的《低壓配電網(wǎng)電力線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)方法》專利,涉及一種路由轉(zhuǎn)發(fā)方法,主要通過十一步完成:第一,基站在低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡中的全部n個節(jié)點發(fā)起組網(wǎng)廣播,低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡n個節(jié)點中的m個節(jié)點接收到基站的組網(wǎng)廣播,并在mac層組成m-1邊蛛網(wǎng)結構的第k層邏輯子網(wǎng),n、m均為大于1的整數(shù),且m<n,k=1;;第二,在步驟一所述的m-1邊蛛網(wǎng)結構的第k層邏輯子網(wǎng)內(nèi)選擇一個節(jié)點作為中心節(jié)點,所述中心節(jié)點為能夠與所述第k層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的所有周邊節(jié)點進行可靠通信的節(jié)點;第三,第k層邏輯子網(wǎng)的中心節(jié)點對低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡中的全部n個節(jié)點中未組網(wǎng)的節(jié)點發(fā)起組網(wǎng)廣播;第四,低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡中的全部n個節(jié)點中未組網(wǎng)的節(jié)點中的w個節(jié)點接收到第k層邏輯子網(wǎng)的中心節(jié)點發(fā)起的組網(wǎng)廣播,所述w個節(jié)點組成第k+1層邏輯子網(wǎng),在所述第k+1層邏輯子網(wǎng)內(nèi)選擇一個能夠與所述第k+1層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的所有周邊節(jié)點進行可靠通信的節(jié)點作為中心節(jié)點,并令k=k+1,返回執(zhí)行步驟三,直至低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡中的全部n個節(jié)點均實現(xiàn)與基站實現(xiàn)直接通信或中繼通信,w為正整數(shù);第五,令k=1,低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡中的每個節(jié)點初始化;第六,基站廣播數(shù)據(jù)包,第k層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點均接收該數(shù)據(jù)包,當?shù)趉層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)源地址為基站地址時,則第k層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的每個節(jié)點均根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包創(chuàng)建數(shù)據(jù)包;第七,第k層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的周邊節(jié)點將創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包發(fā)給該層邏輯子網(wǎng)的中心節(jié)點,中心節(jié)點接收所有第k層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的周邊節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包,并形成第k層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包,并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送至基站,基站接收并記錄第k層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包;第八,第k層邏輯子網(wǎng)的中心節(jié)點廣播第k層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包,第k+1層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點均接收所述的第k層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包,當?shù)趉+1層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包的層數(shù)大于k層邏輯子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的分層標志位時,第k+1層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的每個節(jié)點根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)包;第九,第k+1層邏輯子網(wǎng)內(nèi)的周邊節(jié)點將創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包發(fā)給該層邏輯子網(wǎng)的中心節(jié)點,該中心節(jié)點接收所有第k+1層邏輯子網(wǎng)內(nèi)中的周邊節(jié)點數(shù)據(jù)包,并形成第k+1層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包,并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送至第k層邏輯子網(wǎng)的中心節(jié)點;第十,當?shù)趉層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包的節(jié)點層數(shù)小于第k+1層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包的分層標志位時,第k層邏輯子網(wǎng)的中心節(jié)點將第k+1層邏輯子網(wǎng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至基站,實現(xiàn)第k+1層邏輯子網(wǎng)與基站之間的數(shù)據(jù)通信;否則,返回執(zhí)行步驟八;第十一,令k=k+1,返回執(zhí)行步驟八,直到每個邏輯子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點,即低壓配電網(wǎng)電力線通信網(wǎng)絡中的全部n個節(jié)點均實現(xiàn)與基站進行數(shù)據(jù)通信時,結束低壓配電網(wǎng)電力線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)。
技術方案2:專利號為cn103262434a的《用于電力線通信的介質(zhì)訪問控制層》專利,涉及一種用于電力線通信(plc)的介質(zhì)訪問控制(mac)層的系統(tǒng)和方法,主要通過四步完成:第一,接收在plc網(wǎng)絡上傳輸?shù)亩鄠€包,所述多個包中的每個與優(yōu)先級代碼關聯(lián),每個優(yōu)先級代碼與其相應的包的時間或到達所述plc設備的次序無關;第二,執(zhí)行載波偵聽多路訪問即csma操作;第三,響應于允許傳輸?shù)腸sma操作,傳輸所述多個包的第一子集,其中與所述第一子集中的包關聯(lián)的優(yōu)先級代碼高于與所述多個包中的第二子集中的包關聯(lián)的優(yōu)先級代碼;第四,緩沖在所述第二子集中的所述包,以便稍后在隨后的csma操作后傳輸。
技術方案3:專利號為cn103370884b的《通過電力線通信的方法》專利,涉及一種用于在電力線通信(plc)中進行信道選擇的系統(tǒng)和方法,主要通過三步完成:第一,定義多個幀,所述多個幀的每個幀具有多個時隙;第二,在所述多個幀的每個幀中的多個時隙的每個時隙內(nèi)組裝一對信標和帶掃描分組;第三,通過電力線在多個不同頻帶的相應頻帶內(nèi)向第二plc裝置順序傳輸所述多個幀的每個幀關聯(lián)幀與頻帶或信道,將幀添加到超幀中。
技術方案1是采用一種路由轉(zhuǎn)發(fā)方法,通過提出一種解決低壓配電網(wǎng)電力線通信系統(tǒng)通信可靠性差的方法,利用人工蛛網(wǎng)組網(wǎng)技術在低壓配電網(wǎng)電力線通信系統(tǒng)的mac層組成多個邏輯子網(wǎng),將大型網(wǎng)絡分割成若干小型子網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸,成功降低了總線型信道的數(shù)據(jù)沖突率,大幅度提高了信道的利用率和系統(tǒng)的效率,提高了低壓配電網(wǎng)電力線通信系統(tǒng)的通信可靠性。該方法的優(yōu)點是采用人工蛛網(wǎng)技術,將大型網(wǎng)絡分割成若干小型子網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸,降低了總線型信道的數(shù)據(jù)沖突率,提高了信道的利用率和系統(tǒng)的效率,使得低壓配電網(wǎng)電力線通信系統(tǒng)的通信可靠性得以大幅度提高。通過比較節(jié)點層數(shù)與分層標志位的數(shù)據(jù),判斷數(shù)據(jù)包的來源與去向,減少了數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù),降低了信道的繁忙率。這種將大型網(wǎng)絡分割成若干小型子網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式有利于降低總線型信道的數(shù)據(jù)沖突率,提高信道的利用率和系統(tǒng)的效率。缺點是網(wǎng)絡建設復雜度大。技術方案2是采用一種用于電力線通信(plc)的介質(zhì)訪問控制(mac)層的方法,接收在plc網(wǎng)絡上傳輸?shù)亩鄠€包,每個包均與優(yōu)先級代碼關聯(lián),每個優(yōu)先級代碼與其相應的包的時間或到達plc設備的次序無關,通過執(zhí)行載波偵聽多路訪問(csma)操作,以及響應于允許傳輸?shù)腸sma操作,傳輸多個包的第一子集。該方法的優(yōu)點是可以識別包括與plc網(wǎng)絡中鄰近plc設備的多個服務節(jié)點中的每個關聯(lián)的鏈路質(zhì)量指示,在多個服務節(jié)點中選擇具有最高lqi的一個,向排除了其他的服務節(jié)點的選擇的服務節(jié)點傳輸推廣所需要的包數(shù)據(jù)單元,缺點是沒有考慮系統(tǒng)吞吐量。技術方案3的方法采用定義多個幀,每個幀具有多個時隙。在每個幀的每個時隙內(nèi)組裝一對信標與帶掃描分組,在多個不同頻帶的相應頻帶上順序傳輸每個幀。每個帶掃描分組可包括指示其在其幀內(nèi)位置的時隙索引或指示多個不同頻帶的一個頻帶的帶索引。響應于已傳輸多個幀,該方法可包括接收一個或更多個分組,分組指示多個不同頻帶的一個或更多個頻帶的選擇以用于后續(xù)的通信。該發(fā)明的優(yōu)點是考慮了分時傳輸,提高了系統(tǒng)的傳輸能力,但是未考慮具體情況下的傳輸質(zhì)量控制。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足而提供一種用于解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法,解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法,通過時域和頻域復用的方式,提高傳輸成功概率。
本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
根據(jù)本發(fā)明提出的一種用于解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法,包括以下步驟:
步驟一、將n個節(jié)點都連接在一個plc網(wǎng)絡中,每個節(jié)點包括發(fā)送機和接收機,將時間劃分成固定大小的傳輸周期,plc網(wǎng)絡的上行、下行信號分別由發(fā)送機的饋送端口和接收機的接收端口傳輸與接收;在每個傳輸周期中,發(fā)送機或接收機采用多個頻率信道;
步驟二、plc網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時間同步,發(fā)送機之間的信道爭用發(fā)生在頻域中:每個發(fā)送機在傳輸周期的開始時,隨機拾取信道,如果存在爭用問題即一個以上的發(fā)送機選擇相同的信道,則通過在每個時隙中隨機執(zhí)行載波感測操作和載波傳輸操作來解決爭用問題;
步驟三、在每個時隙中,如果檢測到信道繁忙,則發(fā)送機推遲數(shù)據(jù)包傳輸至下一發(fā)送周期;如果發(fā)送機無法探測到載波,爭用問題會繼續(xù)存在;在最后一個時隙,剩余的發(fā)送機發(fā)送節(jié)點所選擇通道上的前同步碼;在此之后,接收機從第一個信道開始掃描,當監(jiān)測到第一非空閑頻信道的數(shù)據(jù)包時,鎖定并接收。
作為本發(fā)明所述的一種用于解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法進一步優(yōu)化方案,上行信號或下行信號傳輸成功的概率平均值πp為
其中,pn(n)是節(jié)點網(wǎng)絡的概率密度分布函數(shù),πp(n)是信號傳輸成功的概率,n∈{2,...,n},n表示連接到總線的節(jié)點數(shù)量。
作為本發(fā)明所述的一種用于解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法進一步優(yōu)化方案,n為50。
作為本發(fā)明所述的一種用于解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法進一步優(yōu)化方案,n為49。
作為本發(fā)明所述的一種用于解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法進一步優(yōu)化方案,n為51。
本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比,具有以下技術效果:
(1)本發(fā)明方法利用兩個頻域和時域的選擇來解決總線訪問沖突提出了plc爭用解決方法,并可以提高系統(tǒng)性能;
(2)本發(fā)明方法令系統(tǒng)具有更好的抵抗信號沖突的能力,系統(tǒng)吞吐量和時延情況都得到改善。
附圖說明
圖1是信道競爭示意圖。
圖2是沖突解決算法模型圖。
圖3是n=50,m=2,k=6時的信號成功傳輸?shù)母怕省?/p>
圖4是γ=0.6時的信號成功的傳輸概率。
圖5是不同時隙數(shù)下的吞吐量變化。
圖6是γ=0.6時網(wǎng)絡規(guī)模變化對系統(tǒng)成功傳輸概率的影響。
圖7是25個節(jié)點參與競爭時的傳輸時隙分布圖;其中,(a)是25個節(jié)點的網(wǎng)絡中,發(fā)送第一個分組時,信道競爭時的傳輸時隙分布,(b)是25個節(jié)點的網(wǎng)絡中,發(fā)送所有分組時,信道競爭時的傳輸時隙分布。
圖8是5個節(jié)點參與競爭時的傳輸時隙分布圖;其中,(a)是5個節(jié)點的網(wǎng)絡中,發(fā)送第一個分組時,信道競爭時的傳輸時隙分布,(b)是5個節(jié)點的網(wǎng)絡中,發(fā)送所有分組時,信道競爭時的傳輸時隙分布。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明:
本發(fā)明的目的在于研究解決多節(jié)點傳輸爭用plc信道資源的方法,通過時域和頻域復用的方式,提高傳輸成功概率?;趍ac層理論,設計沖突解決算法,通過概率分析,計算出每個信道的最優(yōu)傳輸向量,利用過濾協(xié)議選擇競爭時隙,最后計算吞吐量,分析方法的性能指標。
通過研究發(fā)現(xiàn),使用多個頻率信道可以潛在地通過信道間周期性切換防止干擾,提高系統(tǒng)對噪聲干擾的魯棒性。在一個時隙當中,節(jié)點會感應到繁忙的信道,并把它們從競爭中強制下線,在一個相同的信道發(fā)送載波的節(jié)點將移動到下一個時隙。本發(fā)明的目的是研究一種新的plc網(wǎng)絡mac協(xié)議,通過時域和頻域復用相結合的方式,解決傳輸信道爭用問題。協(xié)議的工作方式如下:首先,每個發(fā)射器在基于一定的概率選擇一個可用的信道頻率,然后,在每一個頻率信道下,分成多個時隙傳送載波,以解決信道爭用。在最后一個時隙,接收機從第一個信道開始掃描信號電平,從第一個非空頻率數(shù)據(jù)包開始鎖定并進行接收。該方法的目標是通過導出分布式信道選擇和沖突解決,減少信道爭用的可能性。
n個節(jié)點都連接到一個plc網(wǎng)絡中。時間被劃分成固定大小的傳輸周期,其中發(fā)送機或接收機可以使用多個頻率信道。假設每個節(jié)點包括一個信號饋送和接收端口,plc網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均為時間同步。首先,發(fā)送機之間的信道爭用發(fā)生在頻域中,每個發(fā)送機在傳輸周期的開始時,隨機拾取的信道。然后,如果存在一個以上的發(fā)送機選擇相同的信道,則爭用問題通過在每個時隙中隨機執(zhí)行載波感測操作(cs)和載波傳輸操作(ct)解決。在每個時隙中,如果檢測到信道繁忙,則發(fā)送機推遲其傳輸至下一發(fā)送周期。如果發(fā)送者無法探測到載波,爭用會繼續(xù)存在。在最后一個時隙,剩余的發(fā)送器發(fā)送其選擇通道上的長前同步碼。在此之后,接收機從第一個信道開始掃描,當監(jiān)測到第一非空閑頻信道的數(shù)據(jù)包時,鎖定并接收。
圖1是信道競爭示意圖。下面給出一個解決節(jié)點信道爭用的例子。假設有三個時隙,并且左和右分支分別對應于載波感測操作和載波傳輸操作。在第一時隙中,每個節(jié)點以概率q選擇載波傳輸,選擇載波感測操作的節(jié)點意味著信道被占用,將退出競爭。在第二時隙中,如果節(jié)點已在第一時隙發(fā)送載波,則節(jié)點以概率q1選擇載波傳輸,反之選擇載波傳輸?shù)母怕适莙0。每個時隙的載波傳輸概率概率確定方式相同對于k個爭用時隙的情況下,如果描述一組k個二進制數(shù)字的整個過程,其中第1位和0對應于載波傳輸和載波感測的操作,可以得到,高優(yōu)先級節(jié)點能最大程度贏得競爭。
圖2是沖突解決算法模型圖。假設在給定時間內(nèi),n個節(jié)點嘗試發(fā)送過直流電源線的數(shù)據(jù)包,在已知所有節(jié)點的網(wǎng)絡中,概率密度函數(shù)分布為
其中,n∈{2,...,n},n表示連接到總線的節(jié)點數(shù)量,
令p=(p1,p2,...,pm)表示信道分配因子,其中pm表示第m個信道被發(fā)送機選擇的概率,1≤m≤m且m為整數(shù),假設沖突選擇算法應用在k個時隙中,令q(m)表示模為
其中,p0為0,pm表示第m個信道被發(fā)送機選擇的概率,τq(m)(i)為m信道中有i個節(jié)點選擇時成功解決沖突的概率;
對于向量p,其分量表示為
其中,m∈{1,...,m},l∈{1,...,n},pn(n)表示網(wǎng)絡中n個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率密度函數(shù)。
πp表示通信成功概率的平均值。
下面通過沖突解決算法在假定pm已知的情況下,求解的矩陣q,以得到πp的最大值。
步驟1:令
步驟2:初始化參數(shù)。設置b=2k,b=10b,u0=0。
步驟3:對i=1到b,令
步驟4:令x(0)=0,x(b)=1。對t=1到b-1,令
步驟5:令
步驟6:對j=0到2l-1,將j轉(zhuǎn)化成l位二進制數(shù)c。則
下面結合實例說明:
假設,n=50,m=2,k=6,則不同分布形狀參數(shù)下的成功傳輸?shù)母怕史植既鐖D3所示,可以得到分布形狀參數(shù)γ=0.6時,成功傳輸概率分布最佳。因此,分析γ=0.6、時隙數(shù)不同時的成功傳輸概率分布,如圖4所示。
從圖4可以看出,成功傳輸概率和系統(tǒng)吞吐量隨時隙數(shù)的變化發(fā)生明顯變化。隨著競爭時隙數(shù)和頻率信道的增加,成功傳輸概率也在增長。但是,隨著競爭時隙數(shù)的增加,多個頻率信道的增益減小。
假設,數(shù)據(jù)包的大小相對增加,設γ=1/60。在圖5中,每個點表示該條曲線所示的系統(tǒng)最大吞吐量??梢缘玫?,隨著時隙數(shù)的增加,信道數(shù)越小,最大吞吐量越大。當時隙數(shù)較大時,增加信道數(shù)量并不會提升系統(tǒng)性能。
圖6表示γ=0.6時網(wǎng)絡規(guī)模變化對系統(tǒng)成功傳輸概率的影響??梢缘贸觯攌=6,m=2時,系統(tǒng)傳輸成功概率的下降最小。
圖7表示在n=50,γ=0.6,k=4,m=3的環(huán)境下,當有25個節(jié)點參與競爭時數(shù)據(jù)包的傳輸時隙數(shù)概率分布情況。圖7是25個節(jié)點參與競爭時的傳輸時隙分布圖;其中,圖7中的(a)是25個節(jié)點的網(wǎng)絡中,發(fā)送第一個分組時,信道競爭時的傳輸時隙分布,圖7中的(b)是25個節(jié)點的網(wǎng)絡中,發(fā)送所有分組時,信道競爭時的傳輸時隙分布。
圖8表示在n=50,γ=0.6,k=4,m=3的環(huán)境下,當有5個節(jié)點參與競爭時數(shù)據(jù)包的傳輸時隙數(shù)概率分布情況。圖8是5個節(jié)點參與競爭時的傳輸時隙分布圖;其中,圖8中的(a)是5個節(jié)點的網(wǎng)絡中,發(fā)送第一個分組時,信道競爭時的傳輸時隙分布,圖8中的(b)是5個節(jié)點的網(wǎng)絡中,發(fā)送所有分組時,信道競爭時的傳輸時隙分布。
從圖7和圖8的對比可以得出,該方法對于不同競爭情況的網(wǎng)絡都具有減緩時延的特性。
以上所述的具體實施方案,對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明,所應理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方案而已,并非用以限定本發(fā)明的范圍,任何本領域的技術人員,在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前提下所做出的等同變化與修改,均應屬于本發(fā)明保護的范圍。