基于电力传输线的新型物联网络TDMA_CSMA协议研究_井翠红
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基金项目： 陕西省科技厅工业攻关项目（ 2011k06 － 34）
声影响、 信号衰弱、 多径效应和反射等， 这势必带来数据通 目前尚不能设计一个很好的数学模 信的不可靠性。而且， 型来研究这些盲点。因此， 如何提高电力线通信网络的吞 吐量， 提升信息传输的可靠性， 进而使电力通信网络接近电 成为当前电力通信网络中的研究热点。 信级服务质量， 本文对 CSMA 多址接入协议进行改进， 提出一种 TDMA / CSMA 协议。并通过建立马尔可夫数学模型导出了
《电视技术》 投稿网址 http： www．VideoE．cn | 第 37 卷第 1 期（ 总第 402 期）
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数字家庭 DIGITAL HOME t = 0． 01， 参数 ρ 是影响信道吞吐量的一个因素。取 m = 1， 仿真可得单一时分信道吞吐量 S 随 ρ 的变化曲线如图 3 所示。观察图 3 可知， 数据帧到达率一定的情况下， 系统 从而 的最大吞吐量随着数据帧长度参数 ρ 的减小而增大， 系统性能越好。但是考虑到传输时间， 帧长不宜过长。
图2 信道状态转移图
－ λt
数据帧的到达过程是速率为 λ 的 Poisson 到达过程， 所以系统中没有数据帧到达的概率为 e ， 因此， 根据其 马尔可夫性， 可得该过程的状态转移矩阵为
－ t e －λt 1 － λte －λt － e －λt λte λ （ 1） p = ρ（ 1 － e －λt ） 1 － ρ + ρe －λt 0 1 0 0 式中： 元素 p ij 表示状态 S i 到状态 S j 的转移概率。
图1 基于电力传输的家庭物联网络简化模型
Markov 性能分析［8］ 为方便分析， 对系统做出以下假设： 1） 网络中有无穷多个节点； 2） 帧（ 包括新到达帧和重传帧） 的到达过程是速率
1． 2
网络特点 传输通道是电力 在基于电力传输线的物联网络中，
线， 电力线最初并不是为通信网络应用而设计的， 所以， 为 了保证数据链路的正常运行， 不得不添加网络功能模块。 在物理层， 使用最优化的编码、 调制和纠错技术， 实现物联 网络网元设备之间最佳的连接性和理想的传输速率， 完全 对数据 可以和以太网以及 WiFi 网络互联。在数据链路层， 进行分包和重组， 优化了服务质量。鉴于网络中的所有网 元设备在网络中的地位是等同的， 各节点通过竞争获得信 道的使用权， 在以太网中使用的 CSMA / CD / CA 协议， 不能 为了进一步提高数据传输 CSMA 协议
协议模型 在以往电力线网络的多址协议的研究中， 采用的是
1
1． 1
电力线物联网络
网络架构 并不完全等同于 基于电力传输线的物联网络架构，
— —CSMA 协 从 ALOHA 协议演变出的一种改进型协议— 议
［ 6 ］
， 它在一定程度上可以减少要发送的帧与正在传输
电力线通信技术， 在生产场景和生活场景中， 将生产设备 配以与网络服务相对应的 或家用电器作为网络终端主体， 传感器， 接入网络。从网络纵向看， 由电力通信平台、 控制 由电力传输网络、 平台和传感平台构成。从网络横向看， 以太传输网络和有线传感器网络构成。通过专有的通信 形成物联网、 以太网以及无线网络全程全网。 协议和接口， 从而构建起通过电力线传输的新型物联网络系统。 基于电力传输线的物联网络， 通过公共电力网络进 一步向用户侧延伸， 其物联网络家庭简化模型如图 1 所 示。这种网络结构并不遵循公共电力网络结构清晰的工 虽然还是总线拓扑， 但空气开关、 电表以及不确定 程规则， 都与通信网络差距较大。这样， 基于电 的阻抗特性网段， 力传输线的物联网络可以被看作一个等效于拥有巨大容 各个终端设备连接其上。 量的数据总线，
图3
ρ 作参数的仿真图
由上述转移概率矩阵知， 此马尔可夫链存在着稳态 分布。设其稳态分布为 π = ｛ π1 ， π2 ， π3 ｝ ， πj 为状态 S j 趋 那么通过求解方程组 πj = 于稳态的概率。 和 ∑π P ，
i ij
2． 3． 2
传播时延作为仿真参数
上面的式子可看出， 当 m = 1， ρ = 0． 2 时， 传播时延也 是系统吞吐量的影响因素之一。其传播时延变化曲线如 观察仿真结果可得， 当数据帧到达率 λ 一定时， 图 4 所示， 系统吞吐量随着传播时延 t 的减小而增大， 但是考虑到最 因此合理的传播时延在系统运行中至关重要。 佳帧长，
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单个时分信道接入以及多个时分信道接入时系统吞吐量 的公式。最后本文模拟仿真了各个因素对系统性能的影 响并得出相关结论。
靠性， 在以往的研究积累下， 提出一种 TDMA / CSMA 协议。
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J］ ． 电视技术， 2013， 37（ 1） ． 【本文献信息】 井翠红， 孙友伟． 基于电力传输线的新型物联网络 TDMA / CSMA 协议研究［
基于电力传输线的新型物联网络 TDMA / CSMA 协议研究
井翠红， 孙友伟
( 西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)
［ 5 ］ 主要包括噪 种理想的载体，电力线通信环境非常恶劣 ，
， 今天已经发展到物联层面。传统的物联网构
以无线传感器网络为基础， 部署灵活快捷， 在军事领域 建， 普遍采用， 但存在能源不持续、 无线电波互相影响等问题。 在民用领域， 无论是生活场景还是生产场景， 机动灵活已 经显得不再重要， 而利用现有的各种资源， 低成本、 长时 稳定地部署， 成为首先考虑的问题。基于电力传输线 期、 路的物联网构成， 就是利用现有的电力传输线路， 构建有 其研究目标是针对生活场景和生产场景中所 线物联网络， 有电力线能够覆盖的地域和所有用电设备， 开发网络构架 和协议体系。 鉴于电力线是在单个变压器范围内共享传输带 宽
Research on TDMA / CSMA Protocol in Late－model IOT Based on Power Transmission Line
JING Cuihong， SUN Youwei
（ Institute of Communication Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121 ， China）
【Abstract】In the next generation IOT is based on the power transmission line， collisions of communication are inevitable． Thus， CSMA protocol is improvedand TDMA / CSMA hybrid protocol is advanced． And then Markov chain is used to analyze the influence of the various factors on the network performance qualitatively and quantitatively． At last，the simulation results prove that TDMA / CSMA can effectively improve the channel transmission rate and throughput of the network，and probability of sending conflict is greatly reduced． 【Key words】power line communications； TDMA / CSMA protocol； multiple access； throughput
［ 6 ］
。
结合本文设计的新型家庭物联网络体系， 将房间里的 有线电视、 计算机等 Internet 接入设备， 温度湿度传感器、 空 电冰箱、 洗衣机等家用 气质量传感器等室内环境监测设备， 电器传感器， 门禁及家庭防盗系统等划分为多组信道竞争 节点， 分别为其分配一个时间帧。这样就形成了几个独立 每个组内的节点均采用 CSMA 多址接 的时分信道子系统， 入协议。其运行性能， 用 Markov 数学模型进行分析。 2． 2
为 λ 的 Poisson 到达过程； 3） 帧长服从参数为 ρ 的几何分布； 4） 传播时延是 t 个单位时隙。 当 m = 1 时， 系统就是单个的时分信道， 当前时隙的 信道状态只依赖于前一个时隙的信道状态。因此， 该过程 S1 表明当前时隙无 具有马尔可夫性。信道状态有 3 种， S2 表明当前时隙仅有一帧传输， S3 帧传输， 即传输成功， 表明当前时隙有多个帧传输， 即发生了碰撞， 导致接收端 无法正确接收。状态转移图如图 2 所示。
的帧之间的碰撞， 提高系统的利用率。但是， 在一定距离 一旦有通信建立， 其他节点就可检测到此通信信 范围内， 号而必须等待， 从而信道的利用率受到限制。所以， 按照 CSMA 接入控制方式， 存在比较严重的问题， 某一节点的 从而信道容量没有 成功通信牺牲了其他相邻节点的通信， 被充分利用， 造成系统吞吐量下降
【摘 要】 基于电力传输线路的下一代物联网络， 通信信息发生碰撞不可避免， 因而提出了一种 CSMA 多址协议的改进型方案， TDMA / CSMA 混合协议， 并运用马尔可夫链定性定量地分析了各个因素对网络性能的影响。实验结果证明该方案有效地提高了 结果显示节点间发送冲突的概率大为减少。 信道的传输速率和系统的吞吐量， 【关键词】 电力线通信； TDMA / CSMA 协议； 多址接入； 吞吐量 【中图分类号】 TN949． 194； TP393． 1 【文献标志码】 A
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声影响、 信号衰弱、 多径效应和反射等， 这势必带来数据通 目前尚不能设计一个很好的数学模 信的不可靠性。而且， 型来研究这些盲点。因此， 如何提高电力线通信网络的吞 吐量， 提升信息传输的可靠性， 进而使电力通信网络接近电 成为当前电力通信网络中的研究热点。 信级服务质量， 本文对 CSMA 多址接入协议进行改进， 提出一种 TDMA / CSMA 协议。并通过建立马尔可夫数学模型导出了
《电视技术》 投稿网址 http： www．VideoE．cn | 第 37 卷第 1 期（ 总第 402 期）
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图2 信道状态转移图
－ λt
数据帧的到达过程是速率为 λ 的 Poisson 到达过程， 所以系统中没有数据帧到达的概率为 e ， 因此， 根据其 马尔可夫性， 可得该过程的状态转移矩阵为
－ t e －λt 1 － λte －λt － e －λt λte λ （ 1） p = ρ（ 1 － e －λt ） 1 － ρ + ρe －λt 0 1 0 0 式中： 元素 p ij 表示状态 S i 到状态 S j 的转移概率。
图1 基于电力传输的家庭物联网络简化模型
Markov 性能分析［8］ 为方便分析， 对系统做出以下假设： 1） 网络中有无穷多个节点； 2） 帧（ 包括新到达帧和重传帧） 的到达过程是速率
1． 2
网络特点 传输通道是电力 在基于电力传输线的物联网络中，
线， 电力线最初并不是为通信网络应用而设计的， 所以， 为 了保证数据链路的正常运行， 不得不添加网络功能模块。 在物理层， 使用最优化的编码、 调制和纠错技术， 实现物联 网络网元设备之间最佳的连接性和理想的传输速率， 完全 对数据 可以和以太网以及 WiFi 网络互联。在数据链路层， 进行分包和重组， 优化了服务质量。鉴于网络中的所有网 元设备在网络中的地位是等同的， 各节点通过竞争获得信 道的使用权， 在以太网中使用的 CSMA / CD / CA 协议， 不能 为了进一步提高数据传输 CSMA 协议
协议模型 在以往电力线网络的多址协议的研究中， 采用的是
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1． 1
电力线物联网络
网络架构 并不完全等同于 基于电力传输线的物联网络架构，
— —CSMA 协 从 ALOHA 协议演变出的一种改进型协议— 议
［ 6 ］
， 它在一定程度上可以减少要发送的帧与正在传输
电力线通信技术， 在生产场景和生活场景中， 将生产设备 配以与网络服务相对应的 或家用电器作为网络终端主体， 传感器， 接入网络。从网络纵向看， 由电力通信平台、 控制 由电力传输网络、 平台和传感平台构成。从网络横向看， 以太传输网络和有线传感器网络构成。通过专有的通信 形成物联网、 以太网以及无线网络全程全网。 协议和接口， 从而构建起通过电力线传输的新型物联网络系统。 基于电力传输线的物联网络， 通过公共电力网络进 一步向用户侧延伸， 其物联网络家庭简化模型如图 1 所 示。这种网络结构并不遵循公共电力网络结构清晰的工 虽然还是总线拓扑， 但空气开关、 电表以及不确定 程规则， 都与通信网络差距较大。这样， 基于电 的阻抗特性网段， 力传输线的物联网络可以被看作一个等效于拥有巨大容 各个终端设备连接其上。 量的数据总线，
图3
ρ 作参数的仿真图
由上述转移概率矩阵知， 此马尔可夫链存在着稳态 分布。设其稳态分布为 π = ｛ π1 ， π2 ， π3 ｝ ， πj 为状态 S j 趋 那么通过求解方程组 πj = 于稳态的概率。 和 ∑π P ，
i ij
2． 3． 2
传播时延作为仿真参数
上面的式子可看出， 当 m = 1， ρ = 0． 2 时， 传播时延也 是系统吞吐量的影响因素之一。其传播时延变化曲线如 观察仿真结果可得， 当数据帧到达率 λ 一定时， 图 4 所示， 系统吞吐量随着传播时延 t 的减小而增大， 但是考虑到最 因此合理的传播时延在系统运行中至关重要。 佳帧长，
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《电视技术》 第 37 卷第 1 期（ 总第 402 期） | 投稿网址 http： www．VideoE．cn
数字家庭 DIGITAL HOME
单个时分信道接入以及多个时分信道接入时系统吞吐量 的公式。最后本文模拟仿真了各个因素对系统性能的影 响并得出相关结论。
靠性， 在以往的研究积累下， 提出一种 TDMA / CSMA 协议。
数字家庭 DIGITAL HOME
J］ ． 电视技术， 2013， 37（ 1） ． 【本文献信息】 井翠红， 孙友伟． 基于电力传输线的新型物联网络 TDMA / CSMA 协议研究［
基于电力传输线的新型物联网络 TDMA / CSMA 协议研究
井翠红， 孙友伟
( 西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)
［ 5 ］ 主要包括噪 种理想的载体，电力线通信环境非常恶劣 ，
， 今天已经发展到物联层面。传统的物联网构
以无线传感器网络为基础， 部署灵活快捷， 在军事领域 建， 普遍采用， 但存在能源不持续、 无线电波互相影响等问题。 在民用领域， 无论是生活场景还是生产场景， 机动灵活已 经显得不再重要， 而利用现有的各种资源， 低成本、 长时 稳定地部署， 成为首先考虑的问题。基于电力传输线 期、 路的物联网构成， 就是利用现有的电力传输线路， 构建有 其研究目标是针对生活场景和生产场景中所 线物联网络， 有电力线能够覆盖的地域和所有用电设备， 开发网络构架 和协议体系。 鉴于电力线是在单个变压器范围内共享传输带 宽
Research on TDMA / CSMA Protocol in Late－model IOT Based on Power Transmission Line
JING Cuihong， SUN Youwei
（ Institute of Communication Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121 ， China）
【Abstract】In the next generation IOT is based on the power transmission line， collisions of communication are inevitable． Thus， CSMA protocol is improvedand TDMA / CSMA hybrid protocol is advanced． And then Markov chain is used to analyze the influence of the various factors on the network performance qualitatively and quantitatively． At last，the simulation results prove that TDMA / CSMA can effectively improve the channel transmission rate and throughput of the network，and probability of sending conflict is greatly reduced． 【Key words】power line communications； TDMA / CSMA protocol； multiple access； throughput
［ 6 ］
。
结合本文设计的新型家庭物联网络体系， 将房间里的 有线电视、 计算机等 Internet 接入设备， 温度湿度传感器、 空 电冰箱、 洗衣机等家用 气质量传感器等室内环境监测设备， 电器传感器， 门禁及家庭防盗系统等划分为多组信道竞争 节点， 分别为其分配一个时间帧。这样就形成了几个独立 每个组内的节点均采用 CSMA 多址接 的时分信道子系统， 入协议。其运行性能， 用 Markov 数学模型进行分析。 2． 2
为 λ 的 Poisson 到达过程； 3） 帧长服从参数为 ρ 的几何分布； 4） 传播时延是 t 个单位时隙。 当 m = 1 时， 系统就是单个的时分信道， 当前时隙的 信道状态只依赖于前一个时隙的信道状态。因此， 该过程 S1 表明当前时隙无 具有马尔可夫性。信道状态有 3 种， S2 表明当前时隙仅有一帧传输， S3 帧传输， 即传输成功， 表明当前时隙有多个帧传输， 即发生了碰撞， 导致接收端 无法正确接收。状态转移图如图 2 所示。
的帧之间的碰撞， 提高系统的利用率。但是， 在一定距离 一旦有通信建立， 其他节点就可检测到此通信信 范围内， 号而必须等待， 从而信道的利用率受到限制。所以， 按照 CSMA 接入控制方式， 存在比较严重的问题， 某一节点的 从而信道容量没有 成功通信牺牲了其他相邻节点的通信， 被充分利用， 造成系统吞吐量下降
【摘 要】 基于电力传输线路的下一代物联网络， 通信信息发生碰撞不可避免， 因而提出了一种 CSMA 多址协议的改进型方案， TDMA / CSMA 混合协议， 并运用马尔可夫链定性定量地分析了各个因素对网络性能的影响。实验结果证明该方案有效地提高了 结果显示节点间发送冲突的概率大为减少。 信道的传输速率和系统的吞吐量， 【关键词】 电力线通信； TDMA / CSMA 协议； 多址接入； 吞吐量 【中图分类号】 TN949． 194； TP393． 1 【文献标志码】 A
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