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摘要：本文在研究LonTalk协议中的可预测P-坚持CSMA算法的基础上，以LonWorks平台为基础实现电力载波网络的自动路由，建立以动态路由为基础的电力线通信网络，并能够适应网络拓扑的动态变化，解决制约配电线通信可靠性问题。
关键词：配网载波通信；可预测P-坚持；CSMA ；LonWorks
【中图分类号】TM764
一、电力线载波通信组网技术
电力线载波通信网络，尤其是窄带电力线载波通信网络，其网络特性在很大程度上与Ad Hoc网络十分相似，具有网络拓扑动态变化、信息多次转发、无中心、自组织等特点。同时电力线载波通信又有其自身的特点，比如通信信道共享，窄带通信速率较低，拓扑结构复杂等。在这样的网络中实现可靠组网可谓难度很大，本文在研究LonTalk协议中的可预测P-坚持CSMA算法的基础上，建立以动态路由为基础的电力线通信网络，并能够适应网络拓扑的动态变化，解决制约电力线通信的可靠性问题。
二、传统的CSMA介质访问控制方法
CSMA即载波监听多路访问，是一种争用型的分布式介质访问控制协议，网络中的各个站节点都能独立地决定数据帧的发送与接收。CSMA控制方式的优点是：原理比较简单，技术上易实现，网络中各站点处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。CSMA在轻负载的情况下具有很好的性能，但在重负载的情况下，会出现节点碰撞的问题，这种情况下使通信效率大大降低，因此常用的CSMA不能很好地满足在大网络系统和多种通信介质、重负载下保持网络高效率。CSMA按占用信道的方式分为以下3种：（1）非坚持CSMA： （2）1-坚持CSMA：（3） P-坚持CSMA：
三、可预测P-坚持CSMA算法
（一）可预测P-坚持CSMA算法的基本原理
LonWorks的媒体访问控制（MAC）子层用于媒体访问，并带有可选的优先权和冲突检测/冲突算法。MAC子层使用可预测P-坚持CSMA协议，其类似于P-坚持CSMA集。可预测P-坚持CSMA是一种避免冲突的技术，它改进了传统的CSMA介质访问控制协议，保留CSMA协议优点的同时，注意克服了它在控制网络中的不足。可预测P-坚持CSMA所有的节点根据当前信道使用统计估计值BL（Backlog）等待随机时间片来访问控制。每个节点发送前随机的插入0～W个很小的随机时间片，因此网络中任一节点在发送普通报文之前平均插入W/2个随机时间片，为避免在高负载时吞吐量降低，W则根据当前信道使用统计估计值变化进行动态调整，随机窗口W的大小是估计信道使用统计BL的函数，若Wbase为基本窗口大小，则W=（BL*Wbase）-1，可预测P-坚持CSMA算法的工作原理，如图1所示。
图l 可预测P-坚持CSMA工作原理框图
β1为最小的交换数据包间隙区间，即固定的延迟传输间隔；β2为数据包传输冲突小区间长度；PktLength为数据包长度。选择随机延迟区间（0～1007）β2竞争间隔来阐述延迟传输，主要目的是为了减少在决定数据包传输成败与否的竞争区间的数据包冲突概率。根据理论分析和计算，可以获得每一节点在当前信道占有率的估计值，这样可以判断这个信道信道是空闲状态还是繁忙状态（发送或接收状态），以便决定此时是否发送信息。BL的估计值在发送或接收一个MPDU（媒体协议数据单元）时，进行增加或减少。信道使用统计初始化时置为1，在发送或接收非零信道使用统计增量的数据包之后，该节点的信道使用统计值由该信道使用的增量来增加。最大信道使用统计值是63，如果超过63，则信道使用溢出统计值加1。
（二）可预测P-坚持CSMA的实现
如同CSMA，可预测P-坚持CSMA在传输前也要侦听传输媒体。试图传输的节点侦听信道状态（如图2所示），如果在Betal周期内检测到没有信息发送，则确定信道处于空闲状态。在该Betal周期内没有数据包发送的节点在优先时间片内期间保持同步，并具有不少于Wbase的随机时间片。这一同步的维持，允许在Betal时间结束后到达MAC子层输出队列中的数据包，根据其他有数据包要传输的节点在有效时间片内被传射。
图2可预测P-坚持CSMA的具体实现
随后，该节点生成随机延时T（传输），时间间隔0……（BL*Wbase）-1，T定义为Beta2期间随机时间片的整倍数。如果在延迟时间内遇到信道空闲，则该节点发送数据包，否则该节点接收发送来的数据包，然后重复MAC算法。在图2中，Tmean是数据包之间的平均随机延时，并且，随机延时Tmean是均匀分布的，对于小数值的BL有：
Tmean=（Wbase－1）/2 （3-1）
通过调整随机窗口的大小作为预测负载的函数，这个算法保持沖突率不变，并且与负载无关。只要估计的信道使用统计大于或等于实际的信道使用统计，则下式成立：
Rconflict=Tmistake/Tunmistake≤Wbase/2 （3-2）
式中 Rconflict——冲突率；Tmistake——差错包周期；Tunmistake——无差错包周期。
LonWorks采用的基本窗口大小为16，这就意味着在相邻数据包之间平均有8个宽度为Beta2的随机时间片和1个宽度为Betal的时间片。而且，Beta2周期的宽度对信道使用效率是极重要的。
LonTalk协议还支持基于某一信道的优先级。如果有优先时间片，则它紧跟在数据包传输后的Betal周期之后。每个信道的优先时间片数目为0～127，优先时间片通常不是通过竞争来使用，而是唯一指定给信道上的节点。被分配了优先时间片的节点并非每个报文都必须使用它，是否使用所分配的优先时间片，是由节点根据每个报文的情况来决定的，决定的依据是检查LPDU首部的优先级标识位。可以分配给同一信道上所有节点相同的优先时间片。LonTalk协议不提供节点问的同步，因此，如果信道空闲时间长于随机化周期（Betal+优先时间片数+Tmean），对链路的访问是随机的，而不管优先级。一旦回到繁忙状态，对链路的访问就应按优先顺序。
物理层还可以选择通知MAC子层检测到冲突。MAC子层可在配置为在数据包周期使用的任何时候检查有无冲突检测通知。冲突解决可以通过冲突检测来实现。可以在前置码字段前插入对信道上的每一节点唯一的位模式来解决冲突。这样物理层必须定义在仲裁模式后面有足够长的前置码，以便在数据周期内丢失仲裁的发送节点能够回转，从刚赢得仲裁的节点接收输入数据包。
参考文献：
[1] Chen Xiaoming， Hong Geok-Soon. A simulation study of the predictive p-persistent CSMA protocol[C]. Simulation Symposium，2002：345～351.
[2] 毛秀伟，吴铁军.自应用P-持续CSMA/CD介质访问控制策略[J].通信学报，2003，24（8）： 161～167.
[3] Vinyes， Vazquez. Throughput analysis of p—CSMA based LonTalk protocols for building management systems lC]. MELECON 8th Mediterranean，1996（3）：1741～1744.
作者简介：赵刚（1990.02—），男，山东禹城市人，曲阜师范大学电气信息与自动化专业本科生
关键词：配网载波通信；可预测P-坚持；CSMA ；LonWorks
【中图分类号】TM764
一、电力线载波通信组网技术
电力线载波通信网络，尤其是窄带电力线载波通信网络，其网络特性在很大程度上与Ad Hoc网络十分相似，具有网络拓扑动态变化、信息多次转发、无中心、自组织等特点。同时电力线载波通信又有其自身的特点，比如通信信道共享，窄带通信速率较低，拓扑结构复杂等。在这样的网络中实现可靠组网可谓难度很大，本文在研究LonTalk协议中的可预测P-坚持CSMA算法的基础上，建立以动态路由为基础的电力线通信网络，并能够适应网络拓扑的动态变化，解决制约电力线通信的可靠性问题。
二、传统的CSMA介质访问控制方法
CSMA即载波监听多路访问，是一种争用型的分布式介质访问控制协议，网络中的各个站节点都能独立地决定数据帧的发送与接收。CSMA控制方式的优点是：原理比较简单，技术上易实现，网络中各站点处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。CSMA在轻负载的情况下具有很好的性能，但在重负载的情况下，会出现节点碰撞的问题，这种情况下使通信效率大大降低，因此常用的CSMA不能很好地满足在大网络系统和多种通信介质、重负载下保持网络高效率。CSMA按占用信道的方式分为以下3种：（1）非坚持CSMA： （2）1-坚持CSMA：（3） P-坚持CSMA：
三、可预测P-坚持CSMA算法
（一）可预测P-坚持CSMA算法的基本原理
LonWorks的媒体访问控制（MAC）子层用于媒体访问，并带有可选的优先权和冲突检测/冲突算法。MAC子层使用可预测P-坚持CSMA协议，其类似于P-坚持CSMA集。可预测P-坚持CSMA是一种避免冲突的技术，它改进了传统的CSMA介质访问控制协议，保留CSMA协议优点的同时，注意克服了它在控制网络中的不足。可预测P-坚持CSMA所有的节点根据当前信道使用统计估计值BL（Backlog）等待随机时间片来访问控制。每个节点发送前随机的插入0～W个很小的随机时间片，因此网络中任一节点在发送普通报文之前平均插入W/2个随机时间片，为避免在高负载时吞吐量降低，W则根据当前信道使用统计估计值变化进行动态调整，随机窗口W的大小是估计信道使用统计BL的函数，若Wbase为基本窗口大小，则W=（BL*Wbase）-1，可预测P-坚持CSMA算法的工作原理，如图1所示。
图l 可预测P-坚持CSMA工作原理框图
β1为最小的交换数据包间隙区间，即固定的延迟传输间隔；β2为数据包传输冲突小区间长度；PktLength为数据包长度。选择随机延迟区间（0～1007）β2竞争间隔来阐述延迟传输，主要目的是为了减少在决定数据包传输成败与否的竞争区间的数据包冲突概率。根据理论分析和计算，可以获得每一节点在当前信道占有率的估计值，这样可以判断这个信道信道是空闲状态还是繁忙状态（发送或接收状态），以便决定此时是否发送信息。BL的估计值在发送或接收一个MPDU（媒体协议数据单元）时，进行增加或减少。信道使用统计初始化时置为1，在发送或接收非零信道使用统计增量的数据包之后，该节点的信道使用统计值由该信道使用的增量来增加。最大信道使用统计值是63，如果超过63，则信道使用溢出统计值加1。
（二）可预测P-坚持CSMA的实现
如同CSMA，可预测P-坚持CSMA在传输前也要侦听传输媒体。试图传输的节点侦听信道状态（如图2所示），如果在Betal周期内检测到没有信息发送，则确定信道处于空闲状态。在该Betal周期内没有数据包发送的节点在优先时间片内期间保持同步，并具有不少于Wbase的随机时间片。这一同步的维持，允许在Betal时间结束后到达MAC子层输出队列中的数据包，根据其他有数据包要传输的节点在有效时间片内被传射。
图2可预测P-坚持CSMA的具体实现
随后，该节点生成随机延时T（传输），时间间隔0……（BL*Wbase）-1，T定义为Beta2期间随机时间片的整倍数。如果在延迟时间内遇到信道空闲，则该节点发送数据包，否则该节点接收发送来的数据包，然后重复MAC算法。在图2中，Tmean是数据包之间的平均随机延时，并且，随机延时Tmean是均匀分布的，对于小数值的BL有：
Tmean=（Wbase－1）/2 （3-1）
通过调整随机窗口的大小作为预测负载的函数，这个算法保持沖突率不变，并且与负载无关。只要估计的信道使用统计大于或等于实际的信道使用统计，则下式成立：
Rconflict=Tmistake/Tunmistake≤Wbase/2 （3-2）
式中 Rconflict——冲突率；Tmistake——差错包周期；Tunmistake——无差错包周期。
LonWorks采用的基本窗口大小为16，这就意味着在相邻数据包之间平均有8个宽度为Beta2的随机时间片和1个宽度为Betal的时间片。而且，Beta2周期的宽度对信道使用效率是极重要的。
LonTalk协议还支持基于某一信道的优先级。如果有优先时间片，则它紧跟在数据包传输后的Betal周期之后。每个信道的优先时间片数目为0～127，优先时间片通常不是通过竞争来使用，而是唯一指定给信道上的节点。被分配了优先时间片的节点并非每个报文都必须使用它，是否使用所分配的优先时间片，是由节点根据每个报文的情况来决定的，决定的依据是检查LPDU首部的优先级标识位。可以分配给同一信道上所有节点相同的优先时间片。LonTalk协议不提供节点问的同步，因此，如果信道空闲时间长于随机化周期（Betal+优先时间片数+Tmean），对链路的访问是随机的，而不管优先级。一旦回到繁忙状态，对链路的访问就应按优先顺序。
物理层还可以选择通知MAC子层检测到冲突。MAC子层可在配置为在数据包周期使用的任何时候检查有无冲突检测通知。冲突解决可以通过冲突检测来实现。可以在前置码字段前插入对信道上的每一节点唯一的位模式来解决冲突。这样物理层必须定义在仲裁模式后面有足够长的前置码，以便在数据周期内丢失仲裁的发送节点能够回转，从刚赢得仲裁的节点接收输入数据包。
参考文献：
[1] Chen Xiaoming， Hong Geok-Soon. A simulation study of the predictive p-persistent CSMA protocol[C]. Simulation Symposium，2002：345～351.
[2] 毛秀伟，吴铁军.自应用P-持续CSMA/CD介质访问控制策略[J].通信学报，2003，24（8）： 161～167.
[3] Vinyes， Vazquez. Throughput analysis of p—CSMA based LonTalk protocols for building management systems lC]. MELECON 8th Mediterranean，1996（3）：1741～1744.
作者简介：赵刚（1990.02—），男，山东禹城市人，曲阜师范大学电气信息与自动化专业本科生