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电力线通信（PLC）计算机网络关键技术及其应用研究

作　者: 黄荣辉
导　师: 周明天
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 电力线计算机网络 MAC协议马尔可夫过程
分类号: TN915.853
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

高压电力线载波通信已有近百年的历史，它在电力调度话音通信、电力系统远动装置数据采集等方面取得了卓有成效的应用，但是利用一个台区的低压电力线建立Internet接入网是近几年来国际上刚刚兴起的技术。本文论述的电力线通信(Power Line Communications)计算机网络(以下简称PLC网络)是以低压电力线为通信介质实现数据传输或建立计算机网络的相关技术研究。由于低压电力线的普及程度比其他任何通信介质都广泛，研究电力线作为信息传输介质在技术和经济方面都有十分重要的意义。正因为如此，国际上本研究领域的专家克服重重技术难题，取得了令人充满希望的初步结果。我国是发展中国家，要赶超发达国家的信息化水平需要投入巨大的资金，而PLC网络提供了另一种可能的经济手段。尽快研究适合中国电力网环境的PLC网络技术正是本文的研究动机。作为Internet接入网，PLC网络必须具备TCP/IP协议族中各分层协议的功能，然而，由于IP协议是屏蔽下层物理网络，实现异种网络互连的标准，因此，PLC网络的研究重点是开发适合电力线介质的物理层，以及支持IP协议的数据链路层。对于IP及以上各层可采用操作系统提供的通用网络功能。鉴于网络的物理层和MAC子层直接受通信介质传输特性的影响，并且电力线介质上存在大量的干扰，因此，PLC网络的关键技术是研究其物理层和MAC子层中干扰的特点、模型，以及克服干扰的方法和措施。本文对PLC网络中的几个关键技术问题进行了深入研究，主要的创新性工作包括：给出PLC网络最佳数据帧长度模型。常规介质的计算机网络MAC层的帧长度与采用的介质访问控制方式有关。对于PLC网络，由于信道存在严重的非周期的异步脉冲干扰，其MAC层的帧长度不仅与采用的介质访问控制方式有关，而且与电力线上的脉冲干扰有关。目前国际上通常是按照常规介质计算机网络的方式确定PLC网络的帧长度，并没有深入研究脉冲干扰对帧长度的影响。本文论述了电力线信道上脉冲干扰的特性，运用概率论推导出存在脉冲干扰时求解数据帧长度的数学模型，并进行了仿真模拟验证。通过理论计算和仿真模拟，表明应用本文提出的方法可求解在给定脉冲干扰情况下的最佳数据帧长度。提出了一种适合PLC网络特性的MAC协议框架。目前国际上注重研究PLC网络的载波频率、调制方式、信号编码等关键技术。而对于PLC网络的MAC协议，却通常采用修改的常规计算机网络的MAC协议。在国内，PLC网络技术研究的主要内容是物理层技术以及针对国外PLC芯片或部件的应用，目前还未见关于PLC网络MAC协议研究的文献。本文针对电力线的信道特征和调制方式，提出了一种适合PLC网络特点的MAC协议框架。该协议充分注意到采用OFDM调制方式后PLC网络的特性，借鉴了无线网络和HFC网络的诸多优点，从而减少了信道的竞争时间，并具有稳健性较强的主从结构。推导出p比网络信道吞吐量的马尔可夫模型。传统局域网信道的基本特征是:采用单工工作方式，多用户同时争用一个信道，其MAC协议不考虑信道有特别的干扰。对于PLC网络信道，在采用OFDM调制方式并且信道存在脉冲干扰时，其信道的基本特征是:可采用双工工作方式，多用户同时争用多个子信道，必须考虑脉冲对信道的干扰。因此，对PLC网络信道吞吐量的分析，不能照搬常规局域网的分析方法。本文推导出PLC网络基于OFDM调制方式的信道吞吐量马尔可夫模型，运用该模型可从理论上分析数据帧长度、子信道数、脉冲干扰等参数对系统性能的影响。给出一种p比网络MAC层协议性能数学分析模型。当PLC网络用于控制环境时，其用户数较少，连网时间也相对固定，因此，采用Pofhng方式的MAc协议是一种很好的选择。怎样研究这种方式的MAC协议性能?目前国外学者用仿真方法。本文给出一种分析Polhng方式MAC协议性能的数学模型，并对相关性能指标进行了分析，将分析结果与国外同类仿真研究进行了对比，结果表明所得到的协议性能数学分析结果与国外同类研究的仿真模型结果一致，并可通过调整模型参数比采用仿真方式更有效地分析协议性能。本文还结合中国电力线的信道特点进行了试算。完成PLC网络技术实施。本文给出了PLC网络的一个实施实例。首先，给出了PLC网络技术实施的总体框架，以及包括LLC子层、MAC子层、PHY层功能分布、功能模块和接口说明的PLC网络芯片概要设计。然后，作者采用国外PLC芯片，组织参与开发了一个实际的PLC网络。其中探索性地使用拆拼和填充PLC网络数据帧方法，解决了PLC网络数据帧与以太网络数据帧的兼容性问题;设立IP地址到物理地址映射表和物理地址等待队列，提高了ARP包的解析响应速度。本文实例的开发结果是:实现了PLC网络文件共享、网络游戏、打印共享，并且通过以太网络访问Ihtemet的净速率达到56Kbps。

全文目录

第一章引言  13-25
  1.1 PLC网络技术的研究动机和意义  13
  1.2 PLC网络技术发展现状  13-20
    1.2.1 国外传统PLC技术分析  13-15
    1.2.2 国外高速PLC技术分析  15-19
    1.2.3 国内PLC技术研究现状  19-20
  1.3 PLC网络技术的主要优势  20-21
  1.4 PLC网络关键技术及其面临的主要问题  21-22
  1.5 论文主要研究工作  22-24
  1.6 论文章节安排  24-25
第二章 PLC网络信道噪声特性分析及LLC层数据帧长度理论研究  25-40
  2.1 低压电力线上的噪声特性分析  25-29
    2.1.1 低压电力线上噪声的周期性  26-27
    2.1.2 低压电力线上噪声的随机性  27
    2.1.3 低压电力线上噪声的多变性  27-28
    2.1.4 低压电力线上噪声特性总结  28-29
  2.2 最优数据帧长度研究  29-38
    2.2.1 非周期性脉冲干扰对传输信道的影响  29-31
    2.2.2 最优数据帧长度数学模型推导  31-32
    2.2.3 最优数据帧长度仿真求解  32-38
  2.3 相关工作  38
  2.4 本章小结  38-40
第三章 PLC网络MAC层信道吞吐量理论研究  40-70
  3.1 H协议框架  40-50
    3.1.1 CSMA/CD总线网络和令牌总线网络协议的特点  40-42
    3.1.2 高速无线局域网MAC协议  42-43
    3.1.3 HFC网络  43-44
    3.1.4 H协议的思考点  44-45
    3.1.5 H协议模型  45-47
    3.1.6 数据格式  47
    3.1.7 差错处理  47-48
    3.1.8 H协议的特点  48
    3.1.9 协议性能分析概述  48-50
  3.2 上行信道吞吐量分析  50-60
    3.2.1 马尔可夫过程基本原理  50-55
    3.2.2 H协议的马尔可夫模型  55-58
    3.2.3 系统参数对信道吞吐量的影响  58-60
  3.3 Polling方式性能分析数学模型  60-66
    3.3.1 POLLING方式吞吐量分析  61-62
    3.3.2 POLLING方式平均延时分析  62-64
    3.3.3 性能分析  64-66
  3.4 相关工作  66-68
  3.5 本章小结  68-70
第四章 PLC网络技术实施  70-104
  4.1 PLC网络技术实施总体框架  70-72
    4.1.1 PLC网络实施实例的基本目标和主要功能  70-71
    4.1.2 PLC网络实施实例的系统规模  71-72
  4.2 电力线传输介质信道特性分析  72-85
    4.2.1 输入阻抗计算  72-81
    4.2.2 高频信号的衰减分析  81-85
  4.3 调制技术分析  85-94
    4.3.1 几种常用调制技术  85-89
    4.3.2 扩频通信  89-90
    4.3.3 OFDM调制技术  90-94
  4.4 PLC网络物理层设计要点  94-100
    4.4.1 电力线信道特性总结及设计中的措施  94-95
    4.4.2 调制技术总结及调制方式选择  95-97
    4.4.3 PLC网络芯片设计概要  97-100
  4.5 AN公司PLC网络芯片简介  100-102
    4.5.1 PLC网络适配器的操作  101
    4.5.2 PLC网络的帧格式  101-102
  4.6 本章小结  102-104
第五章实例PLC网络网卡驱动程序设计  104-119
  5.1 Windows平台网络体系结构与NDIS规范  104-107
    5.1.1 Windows平台网络体系结构  104-106
    5.1.2 NDIS规范  106-107
  5.2 网卡驱动程序及其设计要求  107-111
    5.2.1 网卡驱动程序的作用机理及地位  107
    5.2.2 网卡驱动程序的类型  107-108
    5.2.3 网卡驱动程序的结构和设计要点  108-111
  5.3 Windows平台中的通信管理方法与VCOMM  111-113
    5.3.1 Windows平台中的通信体系结构  111-112
    5.3.2 端口访问方法与VCOMM  112
    5.3.3 VCOMM的客户  112-113
  5.4 PLC网络适配器网络驱动程序的实现  113-118
    5.4.1 PLC网络适配器驱动程序的设计思想  113-114
    5.4.2 PLC网络适配器驱动程序软件模块  114-115
    5.4.3 主要数据结构与算法流程图  115-118
  5.5 本章小结  118-119
第六章实例PLC网络到以太网访问服务器软件设计  119-137
  6.1 访问服务器的总体结构  119-120
  6.2 访问服务器的数据包转换原理  120-125
    6.2.1 对ARP包的处理  120-121
    6.2.2 对IP包的处理  121-124
    6.2.3 IP地址到物理地址映射表和物理地址等待队列的管理  124-125
    6.2.4 其它服务  125
  6.3 网络接口的实现方法  125-129
    6.3.1 以太网接口--Packet Driver  125-128
    6.3.2 PLC网络接口--串口中断服务处理  128-129
  6.4 访问服务器的实现  129-136
    6.4.1 程序模块功能  129-130
    6.4.2 主要数据结构  130-133
    6.4.3 总流程图  133-136
  6.5 本章小结  136-137
第七章全文总结和未来工作  137-140
  7.1 全文总结  137-138
  7.2 未来工作  138-140
致谢  140-141
参考文献  141-152
作者攻读博士期间主要科研活动及发表论文情况  152-154

电力线通信（PLC）计算机网络关键技术及其应用研究

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