电力线通信协议机制设计与仿真验证

摘要

电力线通信是一种利用配电线作为传输媒介进行数据传输的通信方式。目前，该技术主要应用于远程抄表系统、智能家居、消防报警、路灯控制等领域。由于电力线具有维护成本低、广泛分布、无需重新布线和易于接入等优势，电力线通信具有巨大的潜在市场，已成为社会各界关注和研究的热点。G.hn协议和IEEE1901协议作为行业最成熟的标准，在欧美等地区得到了较为广泛的应用，但并不适用于国内复杂的用电环境，在国内的应用存在不兼容的问题。因此，针对国内的用电环境和需求，需要深入研究并制定符合国情的电力线载波通信机制和方案。 本文选择低压电力线宽带载波通信技术规范作为研究对象，选用课题组搭建的仿真平台，对该规范的数据链路层机制进行仿真验证，结合测试结果评估协议机制性能并提出优化方案。首先，简单介绍了低压电力线宽带载波通信技术规范的逻辑拓扑结构和协议栈，重点分析数据链路层相关机制，主要包括信道接入、数据封装及传输、单网络组网等内容。其次，分析了MAC协议基础仿真平台的整体架构、底层接口和主要功能模块，在此基础上设计了低压电力线宽带载波通信技术规范数据链路层仿真系统，实现了信标周期规划、CSMA/CA多址接入方式、数据传输机制、单网络组网机制以及基于路由的数据转发机制。然后，为验证仿真系统的正确性，并对组网性能进行测试，选择耗时和信标周期利用率作为组网过程的性能指标，根据拓扑结构、网络规模、白名单配置、信标周期时长的不同设计了多个测试用例，对组网过程进行了仿真，结合仿真结果评估协议性能并给出优化建议。最后，针对网络因掉电故障或重启后，现有组网机制无法实现网络快速恢复的问题，提出了一种基于中心节点主控的树型拓扑网络恢复方法，基于仿真平台实现了对该方法的性能验证，并将测试结果与组网过程的性能进行对比分析，仿真结果表明相较于组网过程，所提出的方法具有用时少且效率高的优点，能够实现网络的快速恢复。

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