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随着电力线通信技术的突破,电力线通信网络具备了更加便利的连通性和更高的数据传输率。目前,它已成为实现家庭网络系统自动化、智能化与部署工业物联网的最佳备选方案之一,并取得了巨大的商业成功。由于电力线通信网络媒介访问控制层所使用的IEEE 1901协议对其性能表现有着十分重要的影响,基于IEEE 1901协议标准的嵌入式设备与芯片在最近几年内已经愈来愈广泛地受到了工业界与规范化组织关注,并得到了大力的推广应用。与无线网络中使用的IEEE802.X系列协议不同,IEEE 1901协议的载波侦听/冲突避免机制在执行回退计数器过程的同时引入了一种被称为延时计数器的过程。该过程使得执行1901协议的站点在不经过传输尝试的情况下也能进入更高的回退阶段,而IEEE 1901协议也因此具有了更大的状态空间与更加复杂的状态转换过程（相较于802.X系列协议）。相应地,对IEEE 1901协议进行性能分析就具有了较大的挑战性。目前越来越多的工作开始着眼于对电力线通信网络媒介访问控制层使用的IEEE 1901协议进行研究,然而,其中针对IEEE 1901协议性能分析的研究工作存在如下不足之处。首先,这些工作大多数以更新理论和强大数定理为数学支撑构建IEEE 1901协议的性能分析模型,而使用更新理论方法不易于对1901协议状态转换的详细过程进行形式化表达。与此同时,这些工作假设电力线通信网络处在饱和状态和同构数据流环境下,且在分析过程中未考虑有限缓冲区大小对电力线通信网络媒介访问控制性能的影响。其次,目前针对电力线通信网络1901协议的性能分析建模工作仅仅局限于单跳网络结构。换言之,在多跳电力线通信网络环境中,IEEE 1901协议受到多跳结构、隐藏终端、中继数据流以及时间重叠现象影响的性能表现如何依旧未得到验证分析。最后,尽管RET（射频能量转移）技术作为当前极具潜力的能量采集方法已被引入无线通信系统和电力线通信系统中,然而现有研究提出的能量采集媒介访问控制协议仅适用于无线通信系统。因此,如何基于RET技术对电力线通信网络媒介访问控制层的1901协议进行优化改进,即利用RET技术获取传输能量并使用电力线介质完成数据传输以实现协作通信也是亟需解决的研究问题。鉴于以上工作中存在的问题,有必要对IEEE 1901协议进行更加深入细致的性能分析,并完成相应的协议优化设计。为此,本文基于马氏随机过程与排队理论方法完成如下的研究内容:（1）提出了一个用于单跳、非饱和电力线通信网络的IEEE 1901协议统一性能分析模型。该工作设计了一个多层离散马氏链模型以分析IEEE 1901协议在单跳电力线通信网络环境中的载波侦听/冲突避免机制,并利用排队理论对有限缓冲区中的数据包排队行为进行了形式化描述。在此基础上,该工作进一步推导得出了用于异构数据流环境的IEEE 1901协议性能分析框架。由于该模型具备了可伸缩特性,它亦可被用于分析处于饱和状态的电力线通信网络IEEE 1901协议性能。仿真实验结果验证了不论处于何种数据流环境（同构流或异构流）,本工作提出的模型都可以精确地分析单跳、非饱和电力线通信网络的IEEE 1901协议性能。该研究对后续优化电力线通信网络媒介访问控制层性能,设计异构融合网络媒介访问控制协议有着较为重要的启发价值。（2）提出了用于多跳电力线通信网络环境的IEEE 1901协议性能分析模型。该模型在考虑延时计数器过程与缓冲区影响的同时,综合考虑了多跳结构、中继数据流、隐藏终端以及时间重叠现象对IEEE 1901协议性能表现的影响。整个建模分析过程分为两个部分。在本地建模分析部分,构建了一个全新的二维离散马氏链模型以形式化描述IEEE 1901协议在多跳环境下的载波侦听/冲突避免过程。在耦合排队建模分析部分,利用杰克逊排队系统构造了一个适用于多跳环境的耦合队列模型,以此分析数据包在连续多跳之间的传输过程。在此基础上,进一步推导得出了在多跳电力线通信网络中1901协议的站点吞吐量、数据包阻塞概率、路径实际吞吐量、端到端时延等性能指标对应的解析表达式。通过仿真实验,评估了在多跳网络结构下的IEEE 1901协议性能,并验证了所提出性能分析模型的准确性。该研究为设计家庭接入通信系统,以及进一步优化多跳电力线通信网络媒介访问控制层性能提供了参数依据与理论方法指导。（3）设计了一个基于RET技术,用于电力线通信系统的能量采集媒介访问控制协议,即RET-PLC MAC。首先,通过增加咨询控制帧和确认占据空间帧对IEEE 1901协议的时间帧序列进行改进,以便让已占据电力线介质的站点能够获得合适的采集能量,并使整个电力线通信系统以一种按需、自持续的方式运行。在此基础上,给出了完整的RET-PLC MAC协议工作机制。此外,构建了一个二维三态离散马氏链分析模型对RET-PLC MAC进行性能评估。在该分析模型中,引入了RET-PLC MAC信息质量的概念。之后,该研究推导得出了RET-PLC MAC协议最佳系统吞吐量和期望信息质量的全局最优解。通过仿真实验,评估了在不同参数配置下RET-PLC MAC协议的性能表现,并验证了所提出分析模型的准确性。该研究中实现的协作通信机制可为进一步优化电力线通信网络能量采集媒介访问控制协议提供方法与设计基础。（4）对IEEE 1901协议性能分析的理论完备性进行论证。该研究首先以二维离散马氏链模型为基础,利用微分方法与不动点理论证明了所提出的IEEE1901协议性能分析模型具有可解性。之后,证明了非饱和1901协议的MAC指标（系统吞吐量与数据包成功传输概率）存在确界性能。最后,借助Kolmogorov方程证明了IEEE 1901协议在非饱和条件下具有结构稳定性。该工作为本文开展的IEEE 1901协议性能分析与研究提供了严谨的理论依据与支撑。