一种高效低时延的宽带电力线通信网多跳MAC协议*

任 智，刘顺辉，任 冬，甘泽锋

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

0 引 言

宽带电力线通信[1](Broadband Power Line Communication，BPLC)是一种以电力线作为信号传输媒介的通信方式。BPLC也叫高速电力线通信，能实现1 Mb/s以上的数据传输速率且抗干扰能力较强。宽带电力线通信被广泛应用在用电信息采集系统[2]、智能电网[3]、智能家居[4]和多表集抄[5]等领域。文献[6]针对传统置零法引起的非线性失真问题，提出了一种基于迭代消除非线性失真的改进置零法，可有效增加PLC系统对脉冲噪声的抵抗能力。文献[7]提出一种应用在电力线载波通信(Power Line Communication,PLC)里面的Luby变换码，可明显降低译码的开销和耗时。

目前，针对宽带电力线通信的媒体接入控制(Medium Access Control,MAC)协议已有一些研究。文献[8]采用时分复用(Time Division Multiple Access,TDMA)和带有冲突避免的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid,CSMA/CA)混合接入技术，在大规模PLC网络中能提高网络的稳定性和数据传输效率，但不适用小规模的PLC网络，具有一定的局限性。文献[9]提出了一种将电力线和无线通信网络融合的统一MAC协议，设计并统一MAC时隙划分、组网过程和资源调度等关键技术，但提高了系统的复杂度，只适用于某特殊环境下，不具有普遍性。文献[10]引入跨层思想，在保证QoS的前提下，提出了一种基于MAC层QoS优先级调度功能的宽带电力线跨层资源分配方案，根据优先级函数对物理层资源分配，但提高了系统的复杂度，且对物理层要求高。文献[11]提出了一种改进的自适应P坚持CSMA协议，在负载较高的情况下，通过动态调整概率P，降低了数据包的碰撞概率，但在负载较小的情况下会造成信道使用率较低等问题。文献[12]考虑到PLC受传输距离的限制，提出了一种中继节点转发的PLC网络，在源节点到目的节点中间通过中继节点转发，保证数据传输的可靠性。文献[13]提出了一种基于用户延迟情况和信道条件的自适应MAC协议，通过调整数据发送速率和竞争窗口大小来提高系统的吞吐量，但破坏了节点的公平性。文献[14]提出了一种改进的CSMA/CA算法，适用于电力线和无线混合网络场景。该算法与现有标准IEEE1901和802.11中的CSMA/CA算法兼容。文献[15]对PLC系统MAC协议的最新技术进行了全面调查，目前在PLC系统使用的MAC协议主要是CSMA/CA，少部分使用TDMA协议。由IEEE通信协会电力线通信委员会发布的宽带电力线通信标准(IEEE1901.1)[16]规定了物理层和媒体访问控制子层的关键技术。草案[17]对文献[16]的标准做了补充，增加了物理层和MAC层的测试用例和测试场景。然而研究发现，IEEE1901.1 MAC协议存在信标时隙利用不充分和控制开销过大等问题。

鉴于此，本文提出了一种ELDM-MAC(Efficient and Low Delay Multi-hop MAC)协议，通过基于节点层级号的信标时隙分配机制和基于拓扑信息的信标帧高效广播机制来有效改善上述问题。

1 网络模型与问题描述

1.1 网络模型

宽带电力线通信网络由一个主节点(Central Coordinator,CCO)、多个代理节点(Proxy Coordinator,PCO)和多个普通节点(Station,STA)组成，共同构成多跳树形场景，如图1所示。

图1 网络场景

宽带电力线通信网络将信道资源划分为一个一个的信标周期结构，如图2所示。从图中可知，一个信标周期又分为信标时隙、CSMA时隙、TDMA时隙和绑定CSMA时隙，而信标时隙由CCO分为若干个无竞争的小时隙，已入网的节点在此时隙广播信标帧；节点在CSMA时隙使用CSMA/CA的方式竞争信道进行数据的传输；在TDMA时隙，由CCO分配给某些具有特殊业务的节点，采用无竞争的方式接入信道；绑定CSMA时隙由CCO分配给某些特殊业务使用，采用CSMA/CA的方式竞争信道。

图2 信标周期时隙分配

CCO在信标时隙中的第一个时隙广播信标帧，信标帧中包含信标周期的所有时隙分配信息。已入网节点收到信标帧后，取出目的地址，形成一跳邻居表，根据时隙分配信息，确定CCO给自身安排的时隙位置，转发信标帧；未入网节点收到信标帧后，同样确定时隙位置和形成一跳邻居表，在CSMA时隙发送入网请求帧，由已入网节点转发至CCO，CCO收到后若同意节点加入网络，则确定该节点的层级号，发送入网确认帧。节点在加入网络后，在每个路由周期发送10次发现列表报文，发现列表报文包含自身的邻居节点信息，节点收到发现列表后更新邻居表，此时邻居表包含一跳和两跳邻居节点。

1.2 问题描述

(1) 节点在发送完信标帧后，不能立即进入CSMA时隙，需要等到信标时隙结束后才进入CSMA时隙。节点在发送完信标帧到CSMA时隙这一段时间都处在等待状态，不能获取到任何信道资源，造成了信标时隙利用不充分和信道资源浪费问题，降低了信道利用率。

(2) 由于各个节点无法获知全网拓扑信息，在广播过程中，时隙分配信息的内容不会改变，各节点收到信标帧后会无条件地转发所有节点的时隙分配信息，造成许多无效的时隙分配信息继续被节点广播，使得控制开销过大。

2 ELDM-MAC

针对IEEE1901.1 MAC协议存在时隙浪费、控制开销较大和信道利用率低等问题，对IEEE1901.1 MAC协议进行了如下改进：一是提出“基于节点层级号的信标时隙分配”新机制，按照节点层级号从小到大的顺序依次分配信标时隙，在节点广播信标帧后，计算不会对信标帧发送造成干扰的时间，提前进入CSMA时隙;二是提出“基于拓扑信息的信标帧高效广播”新机制，即通过拓扑信息精简时隙分配消息，使得节点不再广播冗余无效的时隙分配消息。

2.1 基于节点层级号的信标时隙分配

基于节点层级号的信标时隙分配机制的核心思想是：CCO根据节点的层级号从小到大依次分配时隙，层级号越小，在信标时隙中的位置越靠前，且CCO为第0级;然后CCO在信标时隙中的第一个时隙里广播信标帧;已入网节点收到后获取时隙分配信息，确定各个时隙段的位置，在CCO安排的时隙广播信标帧;发送完信标帧后，节点查看自己的邻居表，等待自身的邻居节点发送完信标帧后，提前进入CSMA时隙。在这段时间，节点不会与由CCO已经安排需要发送信标帧的节点发送碰撞，提高了时隙利用率。该新机制的具体操作步骤如下：

Step1 CCO在生成时隙分配信息字段前，根据节点的层级号从小到大的顺序分配信标时隙，节点层级号越小，其在时隙分配信息表中的位置越靠前，然后在信标时隙中的第一个时隙里广播信标帧。

Step2 节点收到信标帧后，取出信标帧的目的地址字段，更新一跳邻居表。根据时隙分配信息获取信标周期的长度，以及信标时隙、CSMA时隙、TDMA时隙和绑定CSMA时隙的位置。若该节点未入网，节点在CSMA时隙里使用CSMA/CA的方式竞争信道发送入网请求帧；否则，执行Step 3。

Step3 节点根据时隙分配信息计算CCO给自己安排发送信标帧的时隙位置，在该时隙发送信标帧。在发送完信标帧后，节点根据自身的邻居表，查看自己的两跳邻居节点，若有两跳邻居节点，转Step 4；否则，执行Step 5。

Step4 找出时隙分配信息中的两跳邻居节点的最大时隙索引号，计算节点发送完信标帧后到最大时隙索引号的节点发送信标帧后的这段时间为T，经过时间T后，节点就可以使用CSMA/CA的方式竞争信道，提前进入CSMA时隙。

Step5 当节点没有两跳邻居节点时，查看时隙分配信息，找出大于自身时隙索引号的一跳节点或同层级号节点的最大时隙索引号。时隙分配信息里是否还有大于最大时隙索引号的节点，若没有，节点在CAMA时隙里使用CSMA/CA竞争信道的方式接入信道；否则，执行Step 6。

Step6 若存在大于最大时隙索引号的节点的时隙分配信息，则判断其余节点不是自身节点的子孙节点，计算节点在发送完信标帧后到最大时隙索引号的节点发送信标帧后的时间为T，经过时间T后，节点就可以使用CSMA/CA的方式竞争信道，提前进入CSMA时隙。

基于节点层级号的信标时隙分配新机制的操作流程如图3所示。

图3 基于节点层级号的信标时隙分配流程

2.2 基于拓扑信息的信标帧高效广播

基于拓扑信息的信标帧高效广播机制的核心思想是：CCO根据节点的层级号从小到大的顺序分配信标时隙，CCO在信标时隙的第一个时隙里广播信标帧；已入网的节点收到信标帧后，根据时隙分配信息计算自身发送信标帧的时隙，并且根据拓扑信息，删除不大于自身层级号的节点和大于其层级号且在两跳范围内的非其子孙节点的时隙分配信息，减少不必要的节点时隙分配信息广播，缩短信标帧的长度和内容，提高接入效率。该新机制的具体操作步骤如下：

Step1 在信标时期，CCO生成时隙分配字段前，CCO按照节点层级号的从小到大的顺序进行排序。依次分配信标时隙给每个已经入网的节点发送信标帧，层级号越小的节点在信标时隙中的位置越靠前，在信标时隙的第一个时隙里广播信标帧。

Step2 普通节点收到信标帧后，取出目的地址，更新自身的邻居表。根据时隙分配信息计算自身发送信标帧的时隙和信标时隙、CSMA时隙、TDMA时隙和绑定CSMA时隙的位置。

Step3 普通节点在广播信标帧之前，首先查看自身时隙分配信息的位置，若其位置之前存在其他节点的时隙分配信息，则删除这些层级号不大于自身层级号节点的时隙分配信息；若还存在大于自身层级号节点的时隙分配信息，则进一步查看邻居表，若邻居表中存在与时隙分配信息中相同的节点，则可知这些节点为自身的子孙节点；否则，删除比自身层级号大且在两跳范围内的非子孙节点的时隙分配信息。

Step4 普通节点查看删除完满足条件的时隙分配信息后，发现无自身子孙节点的时隙分配信息，则判断自身为边缘节点。若为边缘节点，执行Step 5；否则，执行Step 6。

Step5 节点为边缘节点，则广播精简的信标帧，精简信标帧的时隙分配信息里只保留信标周期的长度和信标时隙、CSMA时隙、TDMA时隙和绑定CSMA时隙的长度，无信标时隙的分配信息。

Step6 节点广播删除完满足条件的时隙分配信息的信标帧。

基于拓扑信息的信标帧高效广播新机制的操作流程如图4所示。

图4 基于拓扑信息的信标帧高效广播流程

3 仿真验证及结果分析

为验证ELDM-MAC协议的性能，本文采用OPNET Modeler 14.5仿真工具对ELDM-MAC协议进行仿真验证，选取IEEE1901.1 MAC协议作为参考协议，分析了信道利用率、控制开销和数据平均时延等性能。

3.1 仿真场景和参数设置

基于OPNET Modeler 14.5仿真工具，模拟了1个主节点、10～50个代理和普通节点的网络场景。BPLC网络场景由1个主节点、多个代理节点和多个普通节点组成，节点之间的通信范围为800 m，网络的拓扑层级共有8级。具体仿真参数设置如表1所示。

表1 主要仿真参数表

主节点在每个信标周期内广播信标帧，节点收到信标帧后获取时隙分配信息，继续广播信标帧。在仿真验证中，通过设置不同的网络节点数，重复50次实验得到信道利用率、数据平均时延和控制开销的平均值，来验证节点数目对信道利用率、数据平均时延和控制开销等性能指标的影响。

由于TDMA和绑定CSMA时隙目前还未有具体的用途，在仿真过程中不做考虑，即信标周期只包含信标和CSMA时隙。

3.2 仿真结果分析

3.2.1 信道利用率

信道利用率指节点占用信道进行有效数据传输所用的时间与网络运行时间的比值。图5所示为在节点数目不同的条件下，ELDM-MAC和IEEE1901.1 MAC两种协议的信道利用率。由图可知，随着节点数量的增加，信道利用率都在显著提高。这是由于信道还未达到饱和，但随着业务量增加，信道趋向饱和，信道利用率随着提高。ELDM-MAC协议的信道利用率要高于原IEEE1901.1 MAC协议。由于在ELDM-MAC协议里使用了基于节点层级号的信标时隙分配，节点在由CCO指定时隙发送完信标帧后，节点根据自己的邻居表和时隙分配信息计算自身进入CSMA时隙的时间，而不是和IEEE1901.1 MAC那样，在信标时隙中自身只占用一个时隙发送信标帧，其空闲时间一直在等待CSMA时隙的到来，ELDM-MAC协议会使自身提前进入到CSMA时隙，节点通过CSMA/CA的方式竞争信道。在信标时隙期间增加了节点占用信道进行数据传输的时间，减少了信标时隙的浪费，从而提高了信道利用率。

图5 信道利用率

3.2.2 数据平均时延

数据平均时延指数据帧从产生到目的节点成功接收的平均耗时。图6所示为在节点数目不同的条件下，ELDM-MAC和IEEE1901.1 MAC两种协议的平均时延。由图可见，所提出的ELDM-MAC协议的平均时延性能优于IEEE1901.1 MAC协议。这是由于ELDM-MAC协议通过基于节点层级号的信标时隙分配新机制，节点能尽早地进入到CSMA时隙传输数据消息，使节点有足够的时隙来传输数据包，从而减少数据消息的时延。

图6 数据平均时延

3.2.3 控制开销

图7所示为ELDM-MAC协议和IEEE1901.1 MAC协议的控制开销，由图可知，在这两种协议下的控制开销随着节点数的增加而增加，相较于IEEE1901.1 MAC协议，ELDM-MAC协议通过基于拓扑信息的信标帧高效广播新机制，降低了网络的控制开销。每个节点在广播信标帧时，节点只广播其两跳节点以内的子孙节点和大于两跳节点的所有时隙分配信息，冗余的时隙分配信息不再广播，删除时隙分配信息里不必要的相关字段，缩短了信标帧的长度，降低了控制开销。

图7 控制开销

4 结束语

本文针对宽带电力线通信网络，提出了一种高效低时延的多跳MAC协议。ELDM-MAC协议在保证数据传输可靠性的前提下，通过基于节点层级号的信标时隙分配机制有效减少了信标时隙的浪费，提高了信道利用率；基于拓扑信息的信标帧高效广播机制有效减少了节点广播无效的时隙分配信息，降低了网络的控制开销。OPNET Modeler 14.5仿真结果表明，ELDM-MAC协议在信道利用率、数据平均时延和控制开销等性能指标方面均优于IEEE1901.1 MAC协议。未来的研究工作可围绕进一步减少信标时隙浪费问题展开。