自適應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技術體系結構由物理層、介質訪問控制（Medium Access Control，MAC）層、邏輯鏈路層等構成，其中MAC 層主要完成數據收發間鏈路的建立和維護、確認幀的發送和接收、信道的接入控制等功能，在數據收發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境[1] ，中低壓配電網點多面廣，網絡拓撲結構復雜多變，PLC部署場景的差異性也導致了其在實際應用時性能的不確定性；主觀上，現有PLC系統設計缺乏能夠靈活應對差異化信道條件與應用場景的有效機制，造成其通信可靠性較差、網絡覆蓋率低。因此，如果 PLC 節點能夠自動選擇一個噪聲和衰減都比較小的頻段，那么通信鏈路的可靠性將會得到大幅改善。

2 MAC工作流程分析

以兩個點對點PLC站點（分別為主站、從站）為例，定義一個包含所有默認工作頻率前導信號的時隙，各個默認頻率的前導序列在時間上前后相連并不重疊，這個時隙稱為PRMBL時隙[2]。

系統有三種工作階段：默認頻率配置階段、同步階段和數據傳輸階段。

當系統具有初始默認頻率配置且剛開機時，或者從站連續N_syn_miss_th個幀內沒有收到任何頻段上的前導時，系統進入同步階段；當從站在某個頻段上接收到主站的前導信號后，據此完成同步；下行PRMBL時隙中接收各默認頻段上的前導信號，選出較好的頻段并在上行PRMBL時隙的相應位置發送上行前導信號，系統進入數據傳輸階段。

3 頻率自適應實現過程

在上行PRMBL時隙中，主站依次將工作頻段調整到到 到 上，檢測是否有從站發送的前導。

由于從站不了解主站何時在何頻率上發送前導，需要在某個頻段上持續檢測一段時間，稱為頻段同步時間，記做 Tsense

采用順序檢測方法，即從帶寬最小的頻段fN開始檢測。若Tsense時間內沒有檢測到 ，則轉向檢測頻段 ，依次類推。

一旦從站檢測到某個頻段上的前導信號，便可據此推測出主站發送其他前導的時間，也即完成了同步，進入數據傳輸階段。但當很多輪檢測后仍沒有檢測到前導信號時，系統提示當前默認頻段不可用，自動進入默認頻率配置階段。

當從站與主站同步后，系統進入數據傳輸階段。從站根據接收到前導情況、頻段可信概率及業務需求選擇工作頻段，然后在上行PRMBL時隙中所選頻段對應時間內發送上行前導。主站接收到從站發出的前導后即掌握了從站選擇的工作頻段，然后主站和從站開始進行數據交互。

4 MAC交互過程

(1）頻率選擇和更換過程

點對點MAC 工作過程比較簡單，僅包含上行頻率選擇和默認頻率更換兩個過程。當上行鏈路質量較差時，主站通過控制包要求從站在上行 PRMBL 時隙中依次通過各默認頻段發送前導，并根據前導情況來選出上行工作頻段；此外，系統在工作過程中可以根據實際情況來更換某個帶寬的默認頻率。

(2）MAC層ARQ機制

主站和從站均支持自動重傳請求（AutomaticRepeat-reQuest，ARQ）機制。當使用ARQ 時，需要為每個包分配一個唯一的標識符。假設包標識符為6 位，能夠同時標識 64 個不同的包。ARQ 窗口長度用 5 位表示，最大窗口尺寸為32。

1）ARQ 機制

當采用ARQ機制時，發送端依次將落入發窗口中的數據包發送出去，發送窗口中最后一個數據包 ARQ 子頭的ARQ.FLUSH段置為 1。此外，發送端為發出的每個數據包設置計時器，當計時器到時還沒有收到對該數據包的回復時，發送端重傳該數據包。

當接收窗口已滿、收到ARQ.FLUSH=1的數據包、或者等待時間較長時，接收端發送ACK/NACK 數據包。當發送端窗口長度大于 1 時，接收端可以將對多個數據包的回復整合在一個控制包中發送。

2）ARQ窗口

剛開始進行數據傳輸時，接收窗口的初始值為 1，數據包標識為0，即傳統的“停止等待”ARQ 機制。在數據交互過程中，收發雙發可以根據接收數據包情況來動態調整ARQ 窗口大小，并通過 ARQ子頭來通知對方。

5 結論

本文提出了一種支持快速頻率切換的PLC點對點 MAC工作方法，PLC主/從站綜合考慮接收前導和發送前導的相關值、頻段的帶寬及可信概率、業務需求等因素，選擇合適的工作頻段；分三個階段論述了上下行頻率自適應工作機制和轉換狀態，并給出了基于順序檢測法的頻率自適應算法、實現過程及MAC層交互過程，為提高PLC通信性能提供了有效方法。