自适应信道变化的电力线载波MAC工作方法探究

杨君中 徐俊 汤海涛 泰州供电公司

1 引言

PLC技术体系结构由物理层、介质访问控制（Medium Access Control，MAC）层、逻辑链路层等构成，其中MAC 层主要完成数据收发间链路的建立和维护、确认帧的发送和接收、信道的接入控制等功能，在数据收发通信中起着重要作用。

客观上，PLC通信性能往往受制于其所处的信道环境[1] ，中低压配电网点多面广，网络拓扑结构复杂多变，PLC部署场景的差异性也导致了其在实际应用时性能的不确定性；主观上，现有PLC系统设计缺乏能够灵活应对差异化信道条件与应用场景的有效机制，造成其通信可靠性较差、网络覆盖率低。因此，如果 PLC 节点能够自动选择一个噪声和衰减都比较小的频段，那么通信链路的可靠性将会得到大幅改善。

2 MAC工作流程分析

以两个点对点PLC站点（分别为主站、从站）为例，定义一个包含所有默认工作频率前导信号的时隙，各个默认频率的前导序列在时间上前后相连并不重叠，这个时隙称为PRMBL时隙[2]。

系统有三种工作阶段：默认频率配置阶段、同步阶段和数据传输阶段。

当系统具有初始默认频率配置且刚开机时，或者从站连续N_syn_miss_th个帧内没有收到任何频段上的前导时，系统进入同步阶段；当从站在某个频段上接收到主站的前导信号后，据此完成同步；下行PRMBL时隙中接收各默认频段上的前导信号，选出较好的频段并在上行PRMBL时隙的相应位置发送上行前导信号，系统进入数据传输阶段。

3 频率自适应实现过程

在上行PRMBL时隙中，主站依次将工作频段调整到到 到 上，检测是否有从站发送的前导。

由于从站不了解主站何时在何频率上发送前导，需要在某个频段上持续检测一段时间，称为频段同步时间，记做 Tsense

采用顺序检测方法，即从带宽最小的频段fN开始检测。若Tsense时间内没有检测到 ，则转向检测频段 ，依次类推。

一旦从站检测到某个频段上的前导信号，便可据此推测出主站发送其他前导的时间，也即完成了同步，进入数据传输阶段。但当很多轮检测后仍没有检测到前导信号时，系统提示当前默认频段不可用，自动进入默认频率配置阶段。

当从站与主站同步后，系统进入数据传输阶段。从站根据接收到前导情况、频段可信概率及业务需求选择工作频段，然后在上行PRMBL时隙中所选频段对应时间内发送上行前导。主站接收到从站发出的前导后即掌握了从站选择的工作频段，然后主站和从站开始进行数据交互。

4 MAC交互过程

(1）频率选择和更换过程

点对点MAC 工作过程比较简单，仅包含上行频率选择和默认频率更换两个过程。当上行链路质量较差时，主站通过控制包要求从站在上行 PRMBL 时隙中依次通过各默认频段发送前导，并根据前导情况来选出上行工作频段；此外，系统在工作过程中可以根据实际情况来更换某个带宽的默认频率。

(2）MAC层ARQ机制

主站和从站均支持自动重传请求（AutomaticRepeat-reQuest，ARQ）机制。当使用ARQ 时，需要为每个包分配一个唯一的标识符。假设包标识符为6 位，能够同时标识 64 个不同的包。ARQ 窗口长度用 5 位表示，最大窗口尺寸为32。

1）ARQ 机制

当采用ARQ机制时，发送端依次将落入发窗口中的数据包发送出去，发送窗口中最后一个数据包 ARQ 子头的ARQ.FLUSH段置为 1。此外，发送端为发出的每个数据包设置计时器，当计时器到时还没有收到对该数据包的回复时，发送端重传该数据包。

当接收窗口已满、收到ARQ.FLUSH=1的数据包、或者等待时间较长时，接收端发送ACK/NACK 数据包。当发送端窗口长度大于 1 时，接收端可以将对多个数据包的回复整合在一个控制包中发送。

2）ARQ窗口

刚开始进行数据传输时，接收窗口的初始值为 1，数据包标识为0，即传统的“停止等待”ARQ 机制。在数据交互过程中，收发双发可以根据接收数据包情况来动态调整ARQ 窗口大小，并通过 ARQ子头来通知对方。

5 结论

本文提出了一种支持快速频率切换的PLC点对点 MAC工作方法，PLC主/从站综合考虑接收前导和发送前导的相关值、频段的带宽及可信概率、业务需求等因素，选择合适的工作频段；分三个阶段论述了上下行频率自适应工作机制和转换状态，并给出了基于顺序检测法的频率自适应算法、实现过程及MAC层交互过程，为提高PLC通信性能提供了有效方法。