基于OPNET的电力线网络的MAC协议仿真研究

张小玲，张有兵，翁国庆

（浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023）

基于OPNET的电力线网络的MAC协议仿真研究

张小玲，张有兵，翁国庆

（浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023）

随着低碳经济的兴起，智能电网成为当前的研究热点.智能电网的底层通信以现有的电力线网络为基础，因此电力线网络的性能深刻影响智能电网的有效运行.针对电力线信道的特性，主要探讨智能电网中的电力线网络MAC协议的性能.文章先介绍非时隙ALOHA和1-坚持型CSMA协议的基本原理，然后采用OPNET，仿真了电力线网络分别采用非时隙ALOHA协议和1-坚持型CSMA协议时的网络性能.在电力线网络接入不同的用户数时，仿真用户数的变化对网络性能的影响；电力线网络的接入用户数目都为30，考虑网络受到电力线信道的时延和信道误比特率的影响，仿真电力线信道特性对电力线网络性能的影响.仿真结果为电力线网络MAC协议的研究提供了一定的参考.

电力线网络；非时隙ALOHA；1-坚持型CSMA；OPNET

从2000年最初提出智能电网［1－2］的概念，到2009年美国总统奥巴马提出智能电网计划，再到我国提出发展自己的智能电网，智能电网已然成为当今的研究热点.智能电网的底层通信以现有的电力线网络为基础，电力线网络性能的好坏深刻影响智能电网的有效运行.由于电力线遍布城乡各处，使得电力线网络的构建具有成本低，施工方便等优点.但是电力线信道的高噪声和时变的阻抗特性，使电力线网络上的数据传输受到很大影响.为了改善电力线网络的性能，除了在物理层采用合适的调制技术（如OFDM）提高数据传输效率，还需要在网络的媒介访问控制层（Media access control layer）采用合适的MAC协议来管理信道，合理分配信道资源，实现高效的网络性能.

最基本的MAC协议有基于竞争的ALOHA协议，CSMA协议，带冲突检测的CSMA／CD协议，避免冲突的CSMA／CA协议以及基于非竞争方式的轮询协议和预约协议.预约协议是最近的研究热点.HALID提出了一种基于TDMA的预约协议［3］，这种协议在竞争阶段采用ALOHA方式访问信道而在非竞争阶段采用轮询方式.HANIPH等人提出一种分布式控制预约协议PCF／MAC协议［4］.采用这种协议，网络中的每个用户都可以分配信道资源并纠正其他用户在资源分配中出现的错误.OHMI提出了一种混合MAC协议［5］，这 种 协 议 结 合 了 TDMA 和 CSMA／CA 协议，它结合了竞争协议和预约协议的优点，能够给网络提供有效的QoS保证.但是预约协议的实现非常复杂，对网络的消耗也非常高，网络利用率受到影响.因此文章主要研究基本的MAC协议，根据电力线网络结构的特点，利用OPNET仿真电力线网络，并分析分别采用非时隙ALOHA协议和1-坚持型CSMA协议的电力线网络性能.

1 电力线网络的总线结构

实际的电力线网络通常具有数个网络分支，每个分支上接入若干数目的用户，整个电力线网络形成树状的拓扑结构.尽管实际的网络拓扑结构各有不同，在逻辑上可以把电力线网络看成总线结构［6］，如图1所示.在这个总线结构中，电力线网络的基本单元包括一个基站（基站可以放在变压器内）和若干个接入用户.电力线通过基站连接到外部网络.

图1 电力线网络的总线结构Fig.1 Bus architecture of power line network

电力线网络上多个接入用户共享信道资源，信道分为上行和下行两部分.下行信道中，只允许基站向用户发送数据，用户只负责接收，此时信道中不存在冲突；上行信道中，用户向基站发送数据，有可能多个用户同时发送数据到基站，造成信道冲突.因此必须采用MAC协议来管理信道，减少数据传输冲突，提高电力线网络性能.

2 MAC协议

文章主要采用了非时隙ALOHA和1-坚持型CSMA协议来研究电力线网络的性能，下面简要介绍这两种协议的原理.

2.1 非时隙ALOHA协议

非时隙ALOHA协议［7］的工作原理十分简单，当用户有数据包要发送时，不顾信道的当前状态，立即以系统允许的最大速率发送出去.若接收用户成功收到数据包则回复一个确认帧ACK给发送者.若发送用户收到ACK，则马上准备下一个数据包的发送.反之，发送用户在规定时间内没有收到ACK确认帧，则随机等待一段时间再重新发送该数据包.

对于非时隙ALOHA系统，假设网络内的用户以泊松方式产生数据包并发送到信道上，每个数据包长度相等，设单位时间内进入信道的业务量为G，其中成功传输的业务量为信道吞吐量S，则有S＝Ge－2G（1）式（1）反映了非时隙ALOHA系统的吞吐量与信道总业务量之间的关系.

2.2 1-坚持型CSMA协议

1-坚持型CSMA的基本原理是：网络中的任何一个用户在发送数据包之前，首先侦听一下信道中是否有其他用户在发送数据.如果侦听到信道上有数据包在发送，则判定信道忙碌，否则判定信道为空闲.当信道空闲时，用户立即发送数据；反之，用户继续坚持检测信道，直到信道空闲时立即发送数据.

对于1-坚持型CSMA方式，它的吞吐量［7］为

其中：a为信道传播时延，当忽略时延，即a→0，此时有

对式（3）求极值，可得，当G＝1.0时，最大吞吐量Smax＝0.538.

3 OPNET建模

OPNET［8］采用对象的建模方法和图形化的编辑器，为通信网络和分布式系统的建模提供全面的模拟开发环境.OPNET提供了三层建模机制：最底层为进程模型，实现协议算法；中间层为节点模型，采用进程模型实现相应的设备功能；最上层为网络模型，采用节点模型构建反映现实网络结构的拓扑.笔者采用该三层建模机制，针对非时隙ALOHA和1-坚持型CSMA两种MAC协议，进行了电力线通信网络模型的构建.

3.1 接收机节点建模

接收节点只实现接收数据的功能，因此，非时隙ALOHA和1-坚持型CSMA的网络可以采用同一个接收机节点模型.

图2给出了接收节点模型，该模型由处理器processor和总线接收模块bus-receiver组成.其中，模块bus-receiver从总线信道上接收数据，模块processor收集这些数据并统计网络特性.模块processor的进程模型是由如图3所示的有限状态机实现的，图中的宏PKT-RCVD表示有数据包到达，此时进程执行状态转移函数proc-pkt（）获取数据包、销毁过期的数据包，并统计数据包数目.宏ENDSIM表示在仿真结束时，执行record-stats（）函数，该函数负责统计网络的业务量G和吞吐量S.

3.2 发射机节点建模

非时隙ALOHA和1-坚持型CSMA的发射机节点模型有所不同.

图4为非时隙ALOHA的发射机节点模型.图中，gen模块产生数据包，tx-proc模块从gen模块获得数据包并作相关的处理，总线发射模块bus-tx把数据传输到信道上.tx-proc模块内部的进程模型如图5所示，宏PKT-ARVL表示有数据包到达.当数据包到达时，进入状态tx-pkt，获取数据包，向模型外部发送数据包.

1-坚持型CSMA协议的发射机节点增加了包处理模块sink和一个总线接收模块bus-rx，如图6所示.sink模块负责接收和销毁从bus-rx收到的数据包，图中的虚线为统计线，可以侦听信道状态，并在信道发生变化时通知tx-proc进行相应的处理.

tx-proc模块的进程模型也相应的增加了一个监听状态（wt-free），如图7所示.OPNET调用自身的核心函数op-stat-local-read（）判断信道是否空闲，如果返回值为信道空闲，直接进入tx-pkt状态发送数据包；如果信道忙碌，则进入wt-free状态，直到收到“CH-GOES-FREE”（信道重新空闲）的中断，转向tx-pkt状态.宏PKTSQUEUED定义了状态tx-pkt中排队等待发送的数据包，当信道忙碌即“PKTS-QUEUED＆＆！FREE”，进入 wt-free 状 态，当 信 道 空 闲 即 “PKTSQUEUED＆＆FREE”，则马上发送数据包.

3.3 构建电力线网络模型

在OPNET中调用相关的节点模型和总线链路，即可构建接入一定数量用户的电力线网络模型，如图8所示.图中，节点21采用接收机节点模型，实现电力线网络中基站的功能.节点1-20采用相同的发射机节点模型，实现电力线网络接入用户的功能.基于非时隙ALOHA的电力线网络采用非时隙ALOHA发射机节点，基于1-坚持型CSMA的电力线网络采用1-坚持型CSMA发射机节点，这两种网络模型采用相同的接收机节点模型.

图8 OPNET中的电力线网络模型Fig.8 Model of power line network in OPNET

4 仿真分析

在OPNET中建立电力线网络模型后，考虑不同电力线信道情况，对非时隙ALOHA和1-坚持型CSMA协议的网络性能进行了详细仿真，结果见图9－13，所有的S—G图中，纵坐标为网络吞吐量S，横坐标为网络总业务量G.

图9给出了电力线网络接入用户N＝30，在理想的信道情况下，1-坚持型CSMA和非时隙ALOHA协议的网络吞吐量.从图中可以看出，1-坚持型CSMA电力线网络的最大网络吞吐量达到0.5左右，而非时隙ALOHA电力线网络的最大网络吞吐量小于0.2，1-坚持型CSMA的网络性能明显高于非时隙ALOHA网络.

图9 非时隙ALOHA和1-坚持型CSMA系统的网络吞吐量Fig.9 System throughput of non-slotted ALOHA and 1-persistent CSMA

图10和图11分别给出了在理想信道情况下，非时隙ALOHA和1-坚持型CSMA在不同用户数N下的网络吞吐量.在用户数较少时，随着N的增加，网络吞吐量S逐渐达到最大理论值，非时隙ALOHA的值约为0.184，1-坚持型CSMA的值约为0.53.然而，随着N的进一步增加，S的值又开始减少.图10中，当N＝120时，S接近0.184，当N＝200时，S只有0.16左右，网络利用率明显下降.图11中，当N＝150时，网络吞吐量S接近0.53，当N＝200时，S减少到0.5左右.仿真结果表明，当接入用户数增加到一定程度后，网络的性能开始下降；在不影响网络性能的前提下，相对于非时隙ALOHA网络，1-坚持型CSMA网络可以接入更多的用户.

图12 1-坚持型CSMA在不同误比特率下的网络吞吐量Fig.12 System throughput of 1-persistent CSMA with different bit error rates

图12给出了用户数N＝30不变，电力线信道的比特误码率BER取不同值时，1-坚持型CSMA的网络性能情况.由图可知，当BER＝10－5时，网络吞吐量接近BER＝0的理想情况，当BER＝10－4时，网络的最大吞吐量小于0.5，随着误码率的进一步增加，吞吐量明显下降，当BER＝10－3时最大吞吐量降到0.2左右，网络性能严重恶化.

图13给出了接入用户N＝30不变，不考虑信道误码，只考虑信道的时延a变化时的网络性能情况.从图中可以看出，网络吞吐量S的最大值随着a的增加逐渐减少，当a＝0.01时，S的最大值小于0.3，远小于0.53的理论值，网络性能严重下降.

图13 1-坚持型CSMA在不同信道时延下的网络吞吐量Fig.13 System throughput of 1-persistent CSMA with different channel delay

5 结 论

在相同的电力线信道条件下，非时隙ALOHA的网络性能不如1-坚持型CSMA；电力线网络中的接入用户数N增加到一定数量后，网络的性能会开始恶化，同非时隙ALOHA网络相比，1-坚持型CSMA网络可以容纳更多的用户；当电力线信道的比特误码率和时延增加到一定值时，1-坚持型CSMA网络的总体性能也会急剧下降.因此，在设计电力线网络时，要充分考虑电力线信道的比特误码率和时延对网络性能的影响，选择合适的MAC协议，有效提高网络性能.

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The simulation using OPNET for MAC protocol of power line network

ZHANG Xiao-ling，ZHANG You-bing，WENG Guo-qing
（College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China）

With the rise of low-carbon economy，the smart grid has become the research focus.The communication in the smart grid is based on the existing power line network，and the power line network makes profound impact on the effective running of the smart grid.This paper discusses the performance of power line network using MAC protocol considering the characteristics of power line channel.Nonslotted ALOHA and 1-persistant CSMA protocol are introduced firstly，and the network performance is simulated using OPNET when the power line network separately takes non-slotted ALOHA protocol and 1-persistant CSMA protocol.The performance of the network is simulated when the numbers of access users are different in the power line network.The performance of the network is also simulated when the network is affected by the delay and the BER of the power line channel with 30 access users in the network.These simulation results provide useful advices to the research on the MAC protocol of power line network.

power line network；non-slotted ALOHA；1-persistent CSMA；OPNET

TN915.853

A

1006-4303（2012）01-0050-05

2010-10-09

国家自然科学基金资助项目（50777057）

张小玲（1983—），女，浙江义乌人，硕士研究生，研究方向为电力线通信，E-mail：izzehg＠gmail.com.

（

刘 岩）