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1、硕士论文 PLC网络中基于状态感知的信道分配算法的研究目 录1绪论111论文的背景及意义112 PLC中信道分配技术的研究现状2121两级信道分配模型3122分布式的信道分配方案4123集中式的分配方案51-3本文所作的工作及章节安排72基于多信道的PLC网络模型的设计与仿真1121基于多信道的PLC网络模型的设计11211 PLC网络的体系结构1l212多信道的实现12213信道调度机制的设计1422基于多信道的PLC网络模型的仿真一15221网络仿真器的选择l 5222 PLC网络信道模型的仿真16223信道调度机制的仿真18224网络接口的仿真19225网络流量模型的选择2l2t3仿真结
2、果及分析2224本章小结233 PLC信道噪声的建模与仿真2531噪声特性分析25311一般的背景噪声26312脉冲噪声2732信道干扰的模式2833信道干扰的仿真3034仿真结果及分析3 135本章小结324基于线性优化的静态信道分配算法3341信道分配优化模型33III目录 硕士论文lV42仿真结果与分析36421系统配置与模型求解37422仿真与结果分析3843本章小结435基于网络状态感知的动态信道分配算法4551动态分配协议4552基于网络状态感知的动态信道分配4753仿真与结果分析5 154本章小结556总结与展望5761总结5762展望57致谢59参考文献。61硕士论文 PLC网
3、络中基于状态感知的信道分配算法的研究1绪论11论文的背景及意义电力线通信(Power Line Communications，简称PLC)，是指利用电力线及其形成的电网作为介质，实现数据传输的一种通信技术【1。该技术出现于20世纪20年代初期，早期应用于电力线电话领域。20世纪90年代以来，电力传输网已经被电力部门用来完成远端监控与测量等任务。这类电力线通信系统的传输速率仅为几千比特每秒，传输带宽较窄，因此被称为窄带电力线通信系统。同时期，大量的研究推动电力线通信系统向大容量、高速率方向发展，数据传输速率达到十几兆比特每秒，通常被称为宽带电力线通信系统。1991年美国电子工业协会确认了三种家庭
4、总线，电力线是其中一种。通过宽带电力线通信技术，家庭用户可以进行打电话、上网等多种业务，同时免去了重新布线的麻烦。进入2l世纪，随着信息技术的迅速发展，更先进的调制技术(如正交频分复用)、纠错编码技术(如LDPC码)、信道均衡技术以及灵活高效的上层协议等先后被用于电力线通信系统的研制中，推动了宽带电力线路通信的进一步发展12J。目前，电力线通信系统物理层的传输速率已达到200Mbiffs，抗干扰能力和系统性能也显著改善，能充分满足不同用户的QoS要求。应用范围也逐步扩展，可用于因特网接入、家庭联网、家庭智能控制以及电力安全生产监控和增值服务等在内的众多领域。标志着宽带电力线通信技术时代的到来。
5、电力线通信技术以电力线作为介质实现数据传输，其基本原理如图11所示。发送端通过调制解调器把载有数据的高频信号耦合到电力线上。接收端通过滤波和解调，得到原数据，从而实现数据传递。电力线通信技术不需要架设新的传输电缆，利用现有的电力传输线即可实现音视频业务的承载。终端用户只需要插上电源插头，就可以接入因特网、接收电视节目及打电话。当前电力线通信技术主要用于接入网、室内网和智能电网等领域。低压配电网宽带PLC技术被认为是解决通信网络最后一公里问题的一个比较经济的技术方案，通常称为PLC接入网。当前，涉及PLC技术在接入领域开发和应用的研究非常活跃。世界各地也在进行着各种各样的PLC现场实验，而且已经
6、有若干个PLC的接入网投入了商业应用，PLC的用户也在不断的增加。另一方面，PLC通信系统目前尚无成熟统一的标准，还有大量的问题急待解决。因此，PLC技术当前处于一个非常重要的发展阶段，这一阶段将决定它未来的发展前景、应用领域和在电信领域的深入程度。l绪论 硕士学位论文图11电力线通信原理不意图此外，中压和室内PLC网络的开发和测试也在快速进行中。目前，越来越多的电子数字设备专为家庭设计，而且消费者喜欢将音视频节目从电脑复制到家庭数字娱乐系统中播放。这些变化加速了电脑与电视的整合。在我国，三网融合已经开始进行，这也使得对电力线通信的需求越来越强烈。电力线通讯调制解调器的出现，则是PLC技术的最
7、新发展。它使用建筑物内已有的电力线配电网组建数字通信网络，将电脑、电视、监控设备以及其它智能电气设备连接起来，从而传输数据及音视频。研究和开发电力线通信技术，对于充分利用现有的电力网络资源有十分重要的意义。然而，电力线最初并非为传输数字信号而设计，信号失真、电缆损耗及环境噪声都使信号的正确接收变得困难。为改善这一状况，除应用先进的调制和纠错编码技术之外，链路层的信道分配技术也是提高资源利用率、增大网络容量的重要手段。本文拟设计并优化用于电力线网络的信道分配算法，为此首先综述电力线通信网络信道分配技术的研究现状。12 PLC中信道分配技术的研究现状早期的电力线通信技术的典型应用是室内网通信。在1
8、990年提出的室内网技术主张利用室内有线电缆，包括电力线、电话线和同轴电缆线等传输数字信息f31。其中，电力线通信系统因无需敷设新的传输线，只需将电力线调制解调器插入插座就可组建通信网络(Plug&Play)，非常经济和方便。此外，无线本地无线局域网(WLANs)传输质量较差这一固有缺陷也是促进电力线通信研究的原因。欧盟为促进PLC技术的发展，从2004年1月启动OPERA(Open PLC EuropeanResearchAlliance)计划，旨在联合欧洲的主要PLC研发力量致力于制定欧洲的PLC统一技术标准、推动大规模商业化应用，并将PLC作为实现“eEurope”(信息化欧洲)的重要技
9、术手段14J。美国HPA联盟(Home Plug Powerline Alliance)从2005年8月开始研硕士论文 PLC网络中基于状态感知的信道分配算法的研究究宽带PLC(BPLC)5】。2006年10月，该技术被引入日本市场。同年，国际电信联盟(ITUT)发起Ghn项目，期望开发出可以兼容所有家庭有线线路的收发器，包括同轴电缆、电话线、cat一5线与电力线，成为统一的家庭网络规范。国内的相关单位，如中国电力科学研究院、国电通信中心等也在积极进行该领域的研究。有关PLC技术的各种研究中，通过信道分配技术充分利用宝贵的网络资源，提高网络的通信能力一直是研究的热点。121蕊级信道分配模型信道
10、分配技术是通信网络中一种关键的资源分配技术。对信道分配技术的研究，集中在如何合理地分配有限的信道资源，以最大限度地减小链路干扰。为了使电力线通信网络的结构和实际的电力线设施相吻合，电力线通信网络被划分为一个或者多个簇，称为电力线单元【6”。由于相邻的PLC单元之间可能存在干扰，因此需要资源共享策略来解决这一问题。这些策略使得PLC单元内的信号传输不会干扰其它PLC单元内的信号传输。为了达成这一目的，可用的频率带宽和时间资源被划分成资源单元(RU)，这些资源单元将被分配给各个PLC单元。在一个PLC单元内，再通过一定的分配方案将资源单元分配到各个节点。因此资源分配问题可以划分成两个子问题，也称为
11、两级资源分配模型。在第一级(上层)，资源被分配到各个PLC单元。在OFDM系统中，频谱被细分到称为子载波的小频段，如果两个相邻很近的基站使用相同频率的子载波，将会产生干扰。因此必须实现子载波(即频率)的分配，使得每个基站有足够的频带为用户服务，且不与相邻的基站形成干扰。为了简化问题，假设可以使用的子载波的集合可以捆绑在一起构成固定容量的PLC信道。在这种情况下，基站的频率分配问题可以被称为信道分配问题。一般来说，在PLC网络信道分配的研究中，面临如下问题：夺链路干扰问题链路干扰会造成网络性能下降。在通信系统的研究中，广泛采用文献【8】中提出的两个干扰模型协议模型和物理模型。协议模型非常简单，物
12、理模型接近实际但是复杂。考虑到物理模型的复杂性，目前信道分配的研究多是使用协议模型【2 6|。夺网络连通性问题起源于图论【9I，是信道分配中的一个重要概念。网络的连通性可用单位圆图和网络拓扑结构来表示。单位圆图初步给出网络节点之间的距离，可作为信道分配的基础，网络拓扑可用于指定信道分配的连接要求。在协议模型中广泛采用单位圆图表示网络【l。此外，因为分配到相同信道的接13数量越多，节点之间的干扰也就越大。因此，必须在保证连通性和降低干扰之间进行折衷：最大限度减少干扰的同时，满足连接要求。网络稳定性问题l绪论 硕士学位论文文献【11指出不良的信道分配方案可能会导致涟漪效应和信道振荡。节点需要位于同
13、一个信道才能通信，当有信道切换后，为了不破坏原有的连通性，引发一连串的信道切换就称为涟漪效应。信道振荡与涟漪效应类似，指信道分配方案不收敛，在几个可能的选择中来回变化。涟漪效应和信道振荡现象都会破坏网络的稳定性。因为信道的切换会造成时延和流量冲突等问题，涟漪效应和信道振荡导致的频繁信道切换会严重影响网络的性能。除上述问题外，信道分配还需考虑许多其它因素，如网络容错性、公平性等之间的相互关联【2 61。有些因素存在互利性，例如“更好的连接性与更好的容错性”。有些存在折中关系，例如，支持公平通常以牺牲整体吞吐量为代价，需要根据具体的要求进行权衡。在第二级(下级)，将通过第一级分配得到的资源单元分割成更小的单元，然后把这些更小的单元分配给PLC
