自適應(yīng)信道變化的電力線載波MAC工作方法探究

楊君中 徐俊 湯海濤 泰州供電公司

1 引言

PLC技術(shù)體系結(jié)構(gòu)由物理層、介質(zhì)訪問控制（Medium Access Control，MAC）層、邏輯鏈路層等構(gòu)成，其中MAC 層主要完成數(shù)據(jù)收發(fā)間鏈路的建立和維護(hù)、確認(rèn)幀的發(fā)送和接收、信道的接入控制等功能，在數(shù)據(jù)收發(fā)通信中起著重要作用。

客觀上，PLC通信性能往往受制于其所處的信道環(huán)境[1] ，中低壓配電網(wǎng)點(diǎn)多面廣，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，PLC部署場(chǎng)景的差異性也導(dǎo)致了其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)性能的不確定性；主觀上，現(xiàn)有PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺乏能夠靈活應(yīng)對(duì)差異化信道條件與應(yīng)用場(chǎng)景的有效機(jī)制，造成其通信可靠性較差、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率低。因此，如果 PLC 節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)選擇一個(gè)噪聲和衰減都比較小的頻段，那么通信鏈路的可靠性將會(huì)得到大幅改善。

2 MAC工作流程分析

以兩個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)PLC站點(diǎn)（分別為主站、從站）為例，定義一個(gè)包含所有默認(rèn)工作頻率前導(dǎo)信號(hào)的時(shí)隙，各個(gè)默認(rèn)頻率的前導(dǎo)序列在時(shí)間上前后相連并不重疊，這個(gè)時(shí)隙稱為PRMBL時(shí)隙[2]。

系統(tǒng)有三種工作階段：默認(rèn)頻率配置階段、同步階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。

當(dāng)系統(tǒng)具有初始默認(rèn)頻率配置且剛開機(jī)時(shí)，或者從站連續(xù)N_syn_miss_th個(gè)幀內(nèi)沒有收到任何頻段上的前導(dǎo)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入同步階段；當(dāng)從站在某個(gè)頻段上接收到主站的前導(dǎo)信號(hào)后，據(jù)此完成同步；下行PRMBL時(shí)隙中接收各默認(rèn)頻段上的前導(dǎo)信號(hào)，選出較好的頻段并在上行PRMBL時(shí)隙的相應(yīng)位置發(fā)送上行前導(dǎo)信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。

3 頻率自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)過程

在上行PRMBL時(shí)隙中，主站依次將工作頻段調(diào)整到到 到 上，檢測(cè)是否有從站發(fā)送的前導(dǎo)。

由于從站不了解主站何時(shí)在何頻率上發(fā)送前導(dǎo)，需要在某個(gè)頻段上持續(xù)檢測(cè)一段時(shí)間，稱為頻段同步時(shí)間，記做 Tsense

采用順序檢測(cè)方法，即從帶寬最小的頻段fN開始檢測(cè)。若Tsense時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到 ，則轉(zhuǎn)向檢測(cè)頻段 ，依次類推。

一旦從站檢測(cè)到某個(gè)頻段上的前導(dǎo)信號(hào)，便可據(jù)此推測(cè)出主站發(fā)送其他前導(dǎo)的時(shí)間，也即完成了同步，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。但當(dāng)很多輪檢測(cè)后仍沒有檢測(cè)到前導(dǎo)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)提示當(dāng)前默認(rèn)頻段不可用，自動(dòng)進(jìn)入默認(rèn)頻率配置階段。

當(dāng)從站與主站同步后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。從站根據(jù)接收到前導(dǎo)情況、頻段可信概率及業(yè)務(wù)需求選擇工作頻段，然后在上行PRMBL時(shí)隙中所選頻段對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)發(fā)送上行前導(dǎo)。主站接收到從站發(fā)出的前導(dǎo)后即掌握了從站選擇的工作頻段，然后主站和從站開始進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 MAC交互過程

(1）頻率選擇和更換過程

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MAC 工作過程比較簡(jiǎn)單，僅包含上行頻率選擇和默認(rèn)頻率更換兩個(gè)過程。當(dāng)上行鏈路質(zhì)量較差時(shí)，主站通過控制包要求從站在上行 PRMBL 時(shí)隙中依次通過各默認(rèn)頻段發(fā)送前導(dǎo)，并根據(jù)前導(dǎo)情況來選出上行工作頻段；此外，系統(tǒng)在工作過程中可以根據(jù)實(shí)際情況來更換某個(gè)帶寬的默認(rèn)頻率。

(2）MAC層ARQ機(jī)制

主站和從站均支持自動(dòng)重傳請(qǐng)求（AutomaticRepeat-reQuest，ARQ）機(jī)制。當(dāng)使用ARQ 時(shí)，需要為每個(gè)包分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符。假設(shè)包標(biāo)識(shí)符為6 位，能夠同時(shí)標(biāo)識(shí) 64 個(gè)不同的包。ARQ 窗口長(zhǎng)度用 5 位表示，最大窗口尺寸為32。

1）ARQ 機(jī)制

當(dāng)采用ARQ機(jī)制時(shí)，發(fā)送端依次將落入發(fā)窗口中的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，發(fā)送窗口中最后一個(gè)數(shù)據(jù)包 ARQ 子頭的ARQ.FLUSH段置為 1。此外，發(fā)送端為發(fā)出的每個(gè)數(shù)據(jù)包設(shè)置計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)器到時(shí)還沒有收到對(duì)該數(shù)據(jù)包的回復(fù)時(shí)，發(fā)送端重傳該數(shù)據(jù)包。

當(dāng)接收窗口已滿、收到ARQ.FLUSH=1的數(shù)據(jù)包、或者等待時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，接收端發(fā)送ACK/NACK 數(shù)據(jù)包。當(dāng)發(fā)送端窗口長(zhǎng)度大于 1 時(shí)，接收端可以將對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)包的回復(fù)整合在一個(gè)控制包中發(fā)送。

2）ARQ窗口

剛開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，接收窗口的初始值為 1，數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)為0，即傳統(tǒng)的“停止等待”ARQ 機(jī)制。在數(shù)據(jù)交互過程中，收發(fā)雙發(fā)可以根據(jù)接收數(shù)據(jù)包情況來動(dòng)態(tài)調(diào)整ARQ 窗口大小，并通過 ARQ子頭來通知對(duì)方。

5 結(jié)論

本文提出了一種支持快速頻率切換的PLC點(diǎn)對(duì)點(diǎn) MAC工作方法，PLC主/從站綜合考慮接收前導(dǎo)和發(fā)送前導(dǎo)的相關(guān)值、頻段的帶寬及可信概率、業(yè)務(wù)需求等因素，選擇合適的工作頻段；分三個(gè)階段論述了上下行頻率自適應(yīng)工作機(jī)制和轉(zhuǎn)換狀態(tài)，并給出了基于順序檢測(cè)法的頻率自適應(yīng)算法、實(shí)現(xiàn)過程及MAC層交互過程，為提高PLC通信性能提供了有效方法。