宽带电力线通信网络中MAC层协议的研究与验证

摘要

电力线通信(PLC)技术是指建立在电力输送网络基础上的,实现电力线通信网络内部的各个节点之间以及与其他通信网络之间通信的系统。低压电力线在家庭、公司以及各种场所处处可达,因此PLC技术用作局域网通信载体有其显著的优点:成本低、施工方便、一线两用、延伸方便。但是低压电力线不是专为数据通信而设计,其带宽有限、衰减强、干扰严重、噪声多样等不利因素,使得通信环境极为恶劣,仅仅依靠提高物理层通信性能的方法,并不能解决网络通信的所有问题,更必须在介质访问控制(MAC)层应用恰当的数据通信协议,合理分配信道资源,以提供可靠且高效率的网络服务。
　　 本文首先对一般室内电力线拓扑进行了简单的分析,分别给出了办公室环境和家庭环境下的PLC系统可能的结构；分析了电力线信道的传输特性,通过多径信道的回声模型,给出了低压电力信道的冲击响应；介绍了低压电力线信道独特的噪声环境,对两类共五种噪声进行了简单的分析和归纳。随后研究了目前低压电力线网络通信MAC层应用的各种主流协议包括ALOHA,CSMA,CSMA／CD,CSMA／CA,HomePlug1.0,HomePlug AV等,对其性能进行了分析,并以HomePlug AV协议的CSMA／CA算法模块作为研究重点；通过对CSMA／CA算法模块化的思想,将算法划分为发送与接收两大模块,并将发送端细化为:MPDU准备模块、包队列模块、发送协调模块、退避模块和数据泵模块；将接收端细化为:MPDU校验模块、MPDU过滤模块、帧组装模块、接收协调模块以及信道状态模块,对每一模块主要函数使用MATLAB进行了软件设计；并通过OPNET网络仿真工具,建立了办公室环境下的低压电力线网络仿真环境,设置恰当的仿真参数,对该算法进行了全面的仿真与比较。最后介绍了FPGA硬件开发流程,对硬件描述语言(HDL)和ISE仿真环境做了概括性的说明；对HomePlug AV协议的CSMA／CA算法简化为发送模块、退避模块、CRC校验模块和接收模块,对每一模块功能采用Verilog语言描述,在ISE仿真环境下进行了硬件仿真和验证,基本完整的实现了整个算法的功能。