BROADBAND POWERLINE COMMUNICATIONS NETWORK DESIGN：宽带电力线通信网络设计

5  PLC电力线通信MAC数据链路层

       本章，我们考虑将MAC层应用于PLC接入网络的各种方法。MAC层的构成和PLC MAC层合适的实现要求在5.1部分介绍。接着，我们介绍几种复用接入技术、MAC协议和分析在PLC网络上实现的可能性。最后，讨论了流量控制机制。第六章单独详细介绍MAC协议在PLC上的应用。

5.1 MAC层结构

5.1.1 MAC层构成

MAC层的基本任务是控制多用户接入，多用户接入连接到一个称为共享传输媒介的相同通信网络并且组织来自应用不同通信服务的用户信息流。大体上，应用于任何通信网络上的MAC层的功能可以分为下面三组：复用接入、资源共享和通信控制功能。

       复用接入序列建立一个将传输资源划分为可接入部分的方法，这个方法可以使网络基站传输各种信息类型。复用接入序列的选择依赖于物理层的应用传输系统和它本身的特性。接下来是复用接入序列的定义，规范资源共享的MAC层协议是需要的。MAC协议的任务是使用相同的共享网络资源接入多用户组织，通过由复用接入序列提供的可接入部分的管理得到保证。复用模式是MAC层控制上行链路和下行链路直接通信的一个功能。其他的通信控制功能，例如，交通调度，接纳控制等，能应用于更高的网络协议层，但完全或部分应用于MAC层。任何情况下，为了满足各种通信服务的QoS需求，MAC层和它的协议必须能够支持不同交通调度程序的识别，同时支持CAC机制。

       在这部分，我们介绍了应用于宽带PLC接入网络的MAC层的特性并且指出PLC MAC层的技术需求。在5.2部分，我们展示了复用接入序列识别和它们在PLC网络上的应用。之后，我们定义了一个用于可以集合各类复用接入序列的信道模型。在5.3部分，我们展现了资源共享的步骤和分析它们在PLC网络上的应用。第六章是对应用于MAC层协议的综合概述。在5.4部分，我们展示了复用模式的解决方法并且简单讨论了交通调度识别和PLC网络接入许可控制的可能性和需求。

5.1.2 PLC MAC层特性

       MAC层是一个在带着共享传输媒介的通信系统上常见的协议结构的组成部分。有各种类型MAC层并且它们的协议依赖于特定的通信网络，特定的传输特性，运行环境和目的。PLC接入网络的特点包括一个特殊的传输媒介（低压电力线网络），在阻碍数据传输的复杂噪声环境中，提供有限的数据传输速率。另一方面，为了确保和其它接入技术的竞争力，PLC必须提供一个宽泛的通信服务领域和一个令人满意的QoS。

       下面四个因素对PLC MAC层和它的协议有直接的影响：网络拓扑结构，干扰情况，通信服务和应用传输系统。

       PLC接入网络的拓扑结构通过它的低压电力线供应网络得到，被用于传输媒介，有一个物理树形拓扑结构。然而，对于物理层之上的研究，例如MAC层，一个PLC接入网络可以被认为是一个带着网络站号的逻辑总线系统，用相同的传输媒介和基站通信，将PLC和WAN连接在了一起。不同种类噪声，给PLC网络带来噪声干扰，并且用于PLC接入网络的各种通信服务通过合适的模型代表MAC层。在4.2部分，我们讲述了两种可行的宽带PLC传输系统方案；OFDM和有特定特性的扩频方案也必须考虑在PLC MAC层的发展内。

5.1.3 对PLC MAC层的要求

       多址接入方案和资源共享策略位于MAC层的内核。作为上面提及的，多址接入方案建立了一个将传输资源划分为可利用部分的方法，并且它依赖于物理层和它的特性的内的应用传输系统。基于PLC系统考虑，复用接入方案必须对选择的PLC网络是可应用的-4.2章的频分复用和OFDM技术。另一方面，MAC协议的任务是用相同的共享网络资源接入多用户组织，通过被复用接入方案指定的可接入部分确保。因此，MAC协议必须能够应用于复用接入方案。

       通过在3.4部分的描述，PLC接入网络运行在复杂的噪声环境中，它影响整个PLC协议栈并且对数据传输造成干扰。因此，复用接入方案和MAC协议必须能够抗击存在于PLC网络中的噪声干扰。进一步，复杂的噪声环境会造成各种处理PLC网络的错误机制。因此，复用接入方案和MAC协议必须能够允许整合错误处理机制，例如，4.3.4部分的ARQ。

       另一方面，PLC接入网络必须提供一个通信服务号和对不同种类通信类别实现QoS保障。因此，复用接入方案和应用于PLC的MAC协议必须满足各种QoS要求，由不同通信服务造成的混合交通。QoS也通过额外的交通控制机制的应用得到保障。然而，交通控制必须能够抗噪声干扰和也能够实施错误处理机制。

       对PLC MAC层更深远的要求是可以提供一个好的网络使用效率，确保PLC接入网络的经济有效性。通过复用接入方案，MAC协议，交通控制和错误处理机制提供的可利用的传输资源有效管理而得到保证。

5.2 复用接入方案

              正如上面提及的，复用接入方案建立了一个将传输资源划分为可接入部分的方法，此方案用于使用各种通信服务的多用户。一个复用接入序列被应用于一个传输媒介-有线或无线信道，携带一个特定的用于传输信息的频率扩展。在多用户使用共享传输媒介的情况下，单独用户的通信信号必须在分离的可接入部分内传输，通过复用接入方案提供，确保无错通信。为了实现这个目的，来自不同用户的信号，这些信号通过共享媒介传输，必须是正交的，如5.1式。

       实际中，用相同传输媒介实现完美正交是不可能实现的。然而，如果不同信号间的干扰足够小，在通信系统中是可以接受的。大体上，有下列几种复用接入方案可以应用于各类通信系统。

       TDMA-时分复用接入，

       FDMA-频分复用接入，和

       CDMA-码分复用接入。

       三种复用接入方案也可以结合使用。

5.5 总结

       MAC层的任务是管理共享传输媒介的多网络基站的接入。一个MAC层的功能可以划分为下面三组：复用接入，资源共享策略-MAC协议和交通控制功能。复用接入方案建立了一个将传输资源划分为可接入部分的方法，可以用于网络基站传输各种类型信息。MAC协议的任务是组织复用网络基站到网络传输资源可接入部分的同时接入，通过复用接入方案提供。交通控制功能，例如，动态复用模式，交通序列和连接允许控制是MAC层和协议的附加特性，确保实现一个网络中的QoS保证并且提供网络有效性。

       MAC层是每一个通信系统上的通用协议组成部分，发展依赖于通信网络特性和环境。宽带PLC接入网络通过它们的特性网络拓扑结构决定特性，通过低压网络拓扑结构，用于传输媒介的电力特性，噪声环境操作和EMC限制的有限数据速率和应用各种通信服务造成的交通混合决定。因此，应用于PLC网络的MAC层必须满足它们的特性要求，总结如下：

       复用接入方案必须对用于实现PLC网络传输系统是可应用的，必须提供实现系列的通信服务，和确保抵制网络中干扰噪声。

       MAC协议必须充分利用PLC网络上的有限数据速率，确保对各种不同种类的通信服务实现QoS保证，并且在噪声环境中也能有效操作。

       三个基本的复用接入方案-TDMA,FDMA和CDMA都可以应用于传输系统，例如，PLC线上解决方扩频技术和OFDM技术的实现。因为PLC网络需要一个好的网络利用率和提供各种QoS保障，将用户数据包分为更小的单元通过网络传输似乎是一个合理的解决方案，确保错误处理机制更有效的使用和提供网络资源更细划分。另一部分，各种 FDMA解决方案，例如，OFDMA和OFDMA/TDMA尤其可以抵制PLC网络中的窄带噪声，因此，它们被考虑作为合适的解决方案。

       应用于PLC网络和其他通信系统的合适的MAC协议解决方案可以通过使用逻辑信道模型独立地集成于复用接入方案。不同的PLC网络上行链路MAC协议总结如下：

       如果它们携带突发数据传输，固定接入策略不是有效的，它被期望在接入网络占优势，例如PLC，因此它们应用于PLC接入网络是不合适。

       带竞争的动态MAC协议适合处理加载突发交通，但是它们网络利用率低和难以实现QoS保证。

       带仲裁的动态协议，例如令牌轮询，在一些情况下可以实现系列QoS保证，但是它们花费较长的传输时间，不适合实时通信服务。

       专用MAC协议确保无冲突数据传输，实现QoS保障和它们也实现好的网络利用率。专用协议的使用被一个中心单元-基站控制，在集中网络结构中实现有效的缺点管理，例如PLC。因此，专用协议是应用于PLC接入网络合理的解决方案。

       IEEE802.11 MAC协议，最初发展于无线通信网络，广泛应用于PLC系统。这个协议基于可能的竞争接入规则，介于多网络基站之间。然而，IEEE 802.11 MAC协议额外的特性，它结合竞争和建立在混合MAC协议轮询空闲竞争接入规则和所谓的虚拟传感应用功能，其可以理解为预留接入规则的应用，确保QoS保证的实现和提供好的网络利用率。

       划分介于上行和下行链路传输方向的可利用数据的动态复用模式的应用可以提高网络有效性。另一方面，MAC协议中交通调度机制的实现能够允许实现不同用户和服务类的复用特性，用于网络中提供持续的控制实现QoS，也可以确保介于用户或属于相同类别的服务之间的公平性。最后，为了网络中的QoS，一种CAC机制是需要的，在MAC层上实现去限制连接号，子用户或者应用相似网络资源的服务。一个合适的PLC允许警戒也考虑网络中可利用数据的可能变化，由噪声造成。

   6  保留MAC协议的性能评估

       在5.3.3部分的结论，使用预留MAC协议的网络适合由各种通信服务造成的携载交通混合，使用可变的传输速率，确保可变QoS保障的实现和实现好的网络利用率。另一方面，这个预留协议适合带中心结构的网络应用，例如，带中心基站的PLC接入网络。用预留协议的中心网络组织也用于解决由噪声干扰造成的异常处境。因此，我们参考预留协议在宽带PLC接入网络在应用。另外，这个RTS/CTS机制，应用于IEEE 802.11 MAC协议，它被应用于最近的几个PLC系统，也可以用于预留接入方法。

       由于这些原因，分析MAC协议是需要的，它视它们在PLC网络的应用程序内容而定。本章开始，我们描述了预留MAC协议的内容和提议它们在PLC网络的应用。在6.2部分，我们介绍了研究信号MAC协议的模式方法，6.3具体介绍，它导致一个方案用于两步预留MAC协议，应用于宽带PLC接入网络。最后，我们考虑了在每一个包预留MAC协议中的各种错误处理机制并且比较了几个先进的PLC协议解决方案，包括讨论了在PLC网络使用这些协议实现QoS的可能性。

6.1 用于PLC的预留MAC协议

       一个预留MAC协议融合了几个功能，它们对于实现媒介接入是必须的和介于复用网络基站和单个基站的整个信号处理。为了分析预留MAC方法的操作，我们定义了下面四个协议组件：

       预留范围，指定数据单元或预留提出的时间期限；

       信号步骤，事件顺序描述介于网络站点和基站间的信号信息交换；

       接入控制，对多基站确保无冲突机制接入；

       信号MAC协议，应用于网络容量部分分配用于实现信号过程。

6.1.1 预留范围

       根据预留MAC协议的过程，网络容量的先前预留为了用户、子用户或一个特殊服务而提出。这个预留提出为了整个连接的持续或为了特定部分。关闭的预留范围对网络性能有大的影响，尤其在网络利用率上，它是对于有限的数据速率系统来说，例如PLC。下面部分，我们讨论了应用于MAC协议的预留范围的几个可能性。

6.1.1.1 连接级预留

       连接级预留是闻名的应用于典型科技网络。一旦一个信道被分配到一个语音连接，结束通话前一直保持连接。这个预留方法被称为固定接入策略，在5.3.1部分具体描述，不适合典型的突发特性数据传输。

       这个呼叫水平预留范围的主要缺点是在传输暂停期间被分配的网络容量保持不使用，经常在数据连接中出现这种情况。这种情况效率低下和造成坏的网络利用率。另一方面，数据流的突发特性造成所谓的传输尖峰，当被分配的信道容量不能够服务数据突发，将造成额外的传输延迟和减少数据吞吐量。

6.1.1.2 先突发预留

       先突发预留方法通常用于无线网络的数据传输。这个预留在每一个数据突发的开始提出和直到最后这个分配的网络资源对数据突发保持预留，它被一个超时指定(表6.1)。如果在超时时间内没有新的数据包，突发被认为结束并且为来自其他数据用户的数据突发而分配的网络资源被释放。

请求

 

连接释放

 

请求

 

包

 

数据突发

 

超时

 

数据突发

 

表6.1 先前突发预留模式

       一个数据突发由一个网络站点获得的包号组成。这些包可以一个接一个地被传输，但是包传输之间可能有一个间隔。因此，在包间的空闲间隔期间，被分配的网络资源保持预留和这部分网络容量不用于任何传输。因此，在超时时间识别数据突发的结束，预留的容量也将丢失。然而，对于有动态特性的数据交通，先前突发预留比连接水平预留更有效。

6.1.1.3 先前包预留

       为了避免出现在先前突发预留模式上的包传输间隔阂。预留可以为每一个电力包发生。在这种情况下，出现在数据连接间传输间隔可以被其他的数据传输应用，提高通信网络容量的利用率。然而，先前包预留方法通过信号过程提高网络加载。这个是由信号信息的交换需要决定的，信息介于网络站点和每一个传输包的基站决定的。

       在5.2.1部分，我们提到将用户包段分成更小的数据单元，所谓的数据段，是有效的提高有限数据速率的网络性能，例如，PLC接入网络。因此，一个特殊的先前包预留方法案例是先前段预留，被应用于一些通信协议。先前的段预留可以提高网络容量的细致使用，确保好的网络利用率和提供实现各种QoS通过数据段提供的需求的实现。然而，由于频率传输需求和应答包，信号加载变得很高。

6.1.1.4 预留范围结合

       根据上面对于不同预留部分的讨论，最佳预留范围的选择很大程度依赖于预留实现的服务类型；例如，对于典型的科技，整个持续连接的预留信道是一个合理的解决方法。另一方面，如上面描述的，先前包解决方案对于动态特性的服务是适合的，如数据传输。因此，各种预留规则的结合依赖于需求服务，它似乎对预留范围是一个合适的解决方案。在这种情况下，一个特定的预留范围应用于每一个通信范围组，或者对于每一个服务或交通类。

       例如，如果最初通信服务被考虑，下面的预留规则的结合可以是一个特定的解决方案：对技术的连接水平预留，和基于内部数据传输的先前包预留。如果我们考虑一些带较高QoS需求的数据服务和更强的数据延时限制，先前包预留范围能造成一个很长的预留程序，它必须在每一个传输包间实现。在这种情况下，先前包预留部分能是一个合适的解决方案，在通过先前包预留造成的长延时和无效水平预留部分之间实现妥协。

6.1.2 信令流程

       信令流程对信号交换的事件指定了一个顺序，介于网络站点和基站之间，它对预留程序是需要的。对于普通情况下，包括一个最小信号信息的必须用于交换实现单信号程序的信号信息类型如下：

传输结果和需求-通过网络站点发送到基站，由上行链路传输指向特殊服务要求使用。需求包含关于要求站点的信息，需求服务和服务特定信息。

       分配信息-需求收到后，在下行链路通过基站传输，通知网络站点关于他们的访问权限。分配的信息包含如下信息：

       -分配传输信道或用于需求服务的时间点；

       -一个时间或开始传输的时间点。

       应答-基站发送到站点确认传输要求的收据。

       当然，在真实的通信系统中，信令流程能包含更深入的控制信息类型，根据网络中特定实施和实现需求。

       应答和分配信息可以被单独传输，或者在相同包中。第一种情况下，站在基站收到它的传输请求之后立即收到一个应答(表 6.2)。应答通知需求站点它的传输要求已经到达基站。分配信息，包含接入权限的信息，之后被直接传输，传输开始前。第二中情况下，基站收到传输请求后，应答和分配信息被立即传输。每个请求的仅仅一个控制信息的传输是更有效的解决方案，因为下面的原因：信号信道的下行链路较少被装载和控制信息减少错误可能性，因为有一个传输控制信息号。

传输

 

等待传输

 

应答与分配报文

 

传输请求

 

基站

 

网络基站

 

联合控制报文

 

分离控制报文

 

报文

 

分配报文

 

传输请求

 

应答

 

基站

 

网络基站

 

表6.2 带分离和联合控制报文的信号执行过程

       网络上的交通控制也可以改变，因为网络中较高优先级的连接的到达，或者通过干扰造成的网络中系列的可利用数据速率。在两种情况下，低优先级的连接必须延迟确保高优先级数据的立即传输。然后，在网络中使用加入预制控制信息的MAC协议，一个额外的分配信息通知网络站点关于连接的重新调度必须通过基站发送。然而，额外的分配信息也可以通过干扰被破坏。另外，干扰可以影响网络选择，此时刻，造成一组网络站点不能够收到重新分配的信息，同时其他运行在小噪声下的站点可以收到信息。不能收到分配信息或收到错误分配信息的网络站点不能正确通知重新调度，在网络中可能造成不希望的传输冲突。

6.1.3 接入控制

6.1.3.1 接入到逻辑传输信道

              PLC网络被期望确保实现各种通信服务。为了达到这个目的，通过复用接入方案提供的网络资源的可接入部分可以分配特定的服务，携载它们的数据包，在5.4.3部分有具体介绍，在图表6.3展示的逻辑信道结构，传输信道通常动态分配用于传输各类服务。正如5.3.3部分介绍的，为了实现一个预留MAC协议的预留程序，需要分配一个网络传输资源部分。因此，网络资源的可接入资源号用于分配信号，在网络站点和基站间实现。可接入部分号用于信令和它们的数据速率是固定的，或者数据速率也可以是可变的。

数据信道

 

表6.3预留协议信道状态图表

       基本的，用于传输各类服务的数据信道可以划分为两类：电路交换，和包交换。

       一个传输信道可以分配为电路或包交换，依使用传输信道的服务类的交通特性而定。因此，如果我们考虑一个典型的电话服务，对于这个服务类，分配电路信道交换是合适的，在整个时期内，保持分配语音连接。根据先前突发预留部分，CS信道也可以分配各种数据连接。在这种情况下，直到连接的结束，分配的信道才被释放，但是，它们保留分配直到数据突发的结束。然而，由于传输间隔，这不是一个有效的预留方法，但是为特定服务确保需要的QoS是必须的，在6.1.1部分具体介绍的。另一方面，包交换信道仅仅分配传输一个数据包。传输完成后，信道被释放和可以用于新的数据传输，也可以作为一个包或电路交换。

       在5.4.3部分描述了可能的信道分配策略并且可以做出结论，最有效的网络是通过动态分配实现的。因此，根据网络中当前不同子用户的需求应用于各种通信服务，它们使用分配的各类服务传输信道。然而，使用不同服务类的网络子用户的需求，还有使用变化时间的交通特性服务类，可能造成信道分配划分的频率改变。因此，网络站点必须按频率通知一个新信道，以实现接收合适的被它们服务类分配的传输信道。为了实现这个目的，有知识信道顺序的基站必须通过使用一个特定的信令信息通知网络站点一个真实的信道顺序。

6.1.3.2 接入到电路交换信道

       网络站点使用信令信道请求不同的服务。在使用CS信道服务的情况下，通过基站发送的分配信息包含一个或多个传输信道的身份号，它在整个连接期间被分配给一个特定的站点。正如上面解释的，连接完成后，使用的信道被再次释放。

       在CS信道的干扰情况下，它被移动到错误状态并且必须通过另一个传输信道交换。为了通知受影响的网络站点关于信道的改变，基站必须发送一个额外的重分配信息。指定新的传输信道代替受影响的信道。一个新信道通常来自预留信道池。然而，一个PS信道也可以被重新分配去服务一个CS信道。因此，如果使用电路交换信道的服务有一个较高的优先级，它可能用于替代，例如用于PLC的CAC策略，在5.4.3部分介绍的。

6.1.3.3 接入包交换信道

       接入包交换信道可以使用和电路交换信道一样的组织方式。然而，在PS信道的情况下，可能在请求网络站点的接待和真实数据传输的开始之间有一个时间阶段。由于一些数据来自于其他网络站点，这种情况可能发生，它早已完成信令过程，必须首先被传输和这些传输至今不被结束。

       开始传输之前，一种可能性是通知网络站点关于它的最近传输权利。然而，正如在6.1.2部分介绍的，这种方式造成网络中较高的信令加载和可能信令信息被破坏或者由于较高的干扰造成丢失。另外，由于网络中信道顺序动态的改变，基站本能正确计算出传输正确结束的时刻和在另一个传输结束前，不可能将分配的信息传输到网络站点。在来自各类信令过程组织的情况下，它将造成传输间隔。

       另一个包交换信道接入控制的可能性是加入控制信令程序的应用并且结合干扰接入控制机制。在这种情况下，等待站点，早已收到一个分配的信息和来自基站的应答，观察网络情况和自己计算传输开始的一个新的时间。图表6.4展示了接入控制的干扰，推荐在PLC网络中应用。

       假定，一个被传输的用户包被分为更小的数据单元，适应所谓的数据点，是网络资源的可接入部分，通过时间点的复用接入方案，频带或编码序列。因此，对于传输请求，网络站点根据传输的数据包的尺寸，要求数据点号。开始发送前，分配的信息通过基站发送并且指定接入权限，包含必须通过站点传递的一个数据点号。被传送的数据点通过预留更早的其他网络站点使用。等待站点的SP计数值按1递减，对于每一个属于一个逻辑传输信道的传输数据点，认为分配为一个预留服务类。如果计数值为0，站点在下一个属于它的服务类的可利用数据点开始传输。

       由于干扰接入控制机制，等待站点总是储存开始发送前必须通过其他站点发送的数据段号的信息，独立改变包交换信道号。先前传输完成之后，也可以立即确保等待站点开始传输信息，也提高网络利用率。相同的干扰控制机制也可以应用在每一个服务。因此，单独的算法实例号能用于服务多服务类。

       然而，干扰接入控制机制的应用在特定干扰网络是没有优势的，正如在6.1.2部分描述的一样。在这种情况下，一部分站点受干扰影响并且它们不能识别噪声顺序或，如果它们在等待站点，则不能正确计数站点数。同时，其他不受特定干扰影响的网络站点正常运作。因此，干扰网络可能在错误的时间接入传输介质，造成不希望的包冲突。因此，干扰接入控制机制必须能够抗干扰。例如，如果一个发送或等待站点不能够识别传输信道，和不能够正确对通过数据计数，则必须中断传输，或者中断接入干扰的执行和重新传输请求。

6.1.4 信令MAC协议

       正如上面提到的，需要实现预留MAC协议的一部分网络资源用于分配信令程序。为了达到这个目的，一个或多个逻辑传输信道被分配用于信令。一个信令信道也呈现一个共享传输媒介，只用于信道信息的传输。信令信道的下行链路完全通过基站控制，作为在数据信道的情况下，多用户之间不需要接入组织。另一方面，在信令上行链路需要接入组织，通过MAC协议指定。在5.3部分的一些共享策略分析资源也可以应用在信令MAC协议。

       预留MAC协议广泛应用于存在的蜂窝电话通信系统，并且他们也被推荐用于下一代无线网络。因此，在这个话题上有大量的研究，也有许多标准和应用环境被推荐为了各种网络实现。各种协议解决方案的主要不同是不同MAC协议在信令信道上的应用。这部分总结了实现信令MAC协议的不同方法。

       应用最多的预留方式是基本ALOHA预留程序，因为它的简单性。PRMA和DPRMA协议已经发展为WATM网络并且将ALOHA方法用于按请求从移动站点到基站的通信传输。因为更小的信令网络容量部分的使用，它提高了预留程序的性能。

       信令过程也可以通过专用方式被组织。在这种情况下，网络站点能仅仅使用固定的预定义请求点将他们的传输请求发送到基站。这个专用的请求程序通过轮询接入方式组织，被描述在[AcamKr]。基站将轮询信息发送到网络站点，例如，根据圆罗宾程序，并且一个站点在收到轮询信息之后可以仅仅发送传输请求。基本轮询预留协议可以考虑用于卫星网络；例如，PODA和MSAP协议。

       竞争和基本仲裁预留协议都可以用于提供较好的网络性能。一个经常的应用协议拓展是借道。在这种情况下，一个传输请求可以加载在传输包的最后数据段。因此，当前的包传输也用于下一个包的无竞争请求和没有额外的网络资源用于预留。

       基本ALOHA预留方法的应用有优势，因为这个协议的简单性。然而，由于这种协议的不稳定性提高了网络负担，如在5.3.2部分介绍的。另一方面，在高加载情况下，基本轮询协议运行较好，但是如果网络站点号是高的，轮询消息将造成长的往返时间。为了结合ALOHA和基本轮询协议的优点，并且通过避免他们的缺点提高协议，使用了随机和专注接入方法的混合协议已经被发展，在5.3.3部分介绍。一个例子是标识符分割算法和轮询的结合，它使用了用于预留的冲突解决方法。确定水平预留树到达后，将导致频率传输请求传输和冲突结果，协议切换到接入轮询方法。因此，在随机接入要求分配复用接入预留协议，保留的网络资源可以用于随机接入。另一个例子是打断请求随机接入协议，一个失败的随机请求之后将变为预留。

       一个更深入的预留协议组可以描述为自适应协议，根据当前网络状态改变接入方法。一个典型的自适应预留协议是MDMA协议。根据当前的网络加载量，MDMA协议计算可能性，决定是否传输通过随机接入或预留方式实现。在一些情况下，预留和随机接入方法同时被实现。在[Bing00]，依靠网络加载，展示了一个基本ALOHA协议怎么使用各种请求点号被建立。更深入的建立ALOHA协议的可能性是冲突之后增加重传时间，在5.3.2部分介绍。

       上面是预留MAC协议的概述，介绍了有许多可能的解决方案和它们的起源，也可以用于PLC接入网络。大体上，这两个基本的信令MAC协议用下面的规则实现：随机接入-通过接入ALOHA实现；专用接入-通过轮询实现。

       如果使用它们的基本格式应用，ALOHA和基本轮询预留协议都有一些缺点。因此，基本协议解决方案通常通过扩展提高性能。协议扩展可以作为下面指定:借道；混合协议-两种基本协议的结合，或随机接入方法和预留的结合；自适应协议-接入参数根据当前网络加载或状态改变。

       正如上面介绍的，对于预留MAC协议有很多推荐和标准可以考虑。然而，它们普遍用于无线通信系统并且适合存在的或推荐的无线标准。因此，应用于PLC接入网络的预留MAC协议的研究是必须的，将考虑电力线传输媒介和它的环境特性，还有PLC从传输系统的特性。尤其，预留协议抗干扰也必须研究，还有实现错误管理的解决方案，必须集成在协议内。另一方面，为了考虑在像PLC通信系统中中的真实优点，提高网络性能的协议拓展也必须被分析。干扰也必须被分析。最后，不同的协议解决方案必须在被期望的PLC接入网络中公正比较。下面介绍了在PLC环境下，预留MAC协议的细节性能分析。

6.2   PLC协议层建模

       在6.1.4部分，我们介绍了信令信道上行链路的一些接入组织部分并且做出研究应用于各种PLC接入网络的信令MAC协议解决方案的必要性。在这部分，我们介绍了PLC MAC层模型的方法并且实现了信令MAC协议的性能评估。应用于复用交通的MAC网络协议，例如PLC，必须对不同种类的通信服务确保足够的QoS并且为了更高的网络利用率。因此，我们根据QoS水平比较了各种协议解决方案，可以根据它们的应用提供。

       在性能分析上被观察的预留QoS参数和不同模型方法在6.2.1部分讨论。代表PLC MAC层的应用模型，包括干扰和用户模型，还有用于研究的协议定义在6.2.2部分介绍。最后，在6.2.3部分，我们定义了交通模型，在性能分析上，它们用于研究和呈现模拟技术和模拟方案应用。

6.2.1 分析方法

6.2.1.1 有关QoS参数的研究

       作为在5.4.3部分提到的，对于各种服务的QoS需求可以通过性能参数被指定。网络提供者通常保证下面的关于子用户和它们的网络质量的评价QoS参数：分块可能性，数据速率或数据吞吐量，丢失可能性，不同网络水平的传输延迟和停止可能性。

       预留MAC协议管理信令流程，传输请求的传输和应答。一旦预留程序完成，传输代替独立信令流程。因此，丢失可能性不能使预留协议性能特性化，并且事件在预留协议完成后在传输期间发生和它们仅仅通过交通调度机制控制。相似的，丢失可能性可以通过CAC机制控制，在5.4.3部分介绍。另一方面，如果信令过程不成功或太长都可能造成连接中断。因此，丢失可能性对应用预留协议有一个直接的影响。然而，丢失事件可以通过由信令过程造成的延时来观察。

       对于确保子用户需求，QoS参数的实现是重要的。另一方面，网络提供者有效的使用可利用网络为大量子用户提供服务。因此，网络利用率是一个重要的提供者预留参数，它和有限数据速率的网络密切相关，例如PLC接入网络。因此，网络利用率也是实现预留MAC协议性能参数中的一个。因此，我们可以做出结论，预留MAC协议的性能分析可以通过观察下面三个QoS参数实现：网络利用率，传输延迟和数据吞吐率。

６.2.1.2 建模技术

       通信网络的性能分析和QoS参数评估，例如定义研究的预留QoS参数可以通过下面三中方法实现：测量，分析模型和仿真模型。

       仿真模型根据先前的分析模型建立，用于研究为下面的原因：混合预留MAC协议，各种应用干扰和交通模型，不同协议解决方案的固定性能比较和细致研究协议应用的可能性。

       预留MAC协议似乎是复杂的和它们通常由几种协议组件组成，在6.1部分介绍。因此，使用这种分析模型呈现这么复杂的协议是困难的并且需要做出各种假定。另一方面，通过使用仿真模型，可能实现一个表示模型。单个协议组件的改变可能造成重要性能改变和实现特定的QoS参数。因此，需要使用最佳的不同的协议组件实现一个有效的协议解决方案。如此复杂协议的调谐参数通过仿真模型可以比分析方法实现得更有效。

       对于复用媒介交通下的MAC协议的研究需要使用各种服务和交通模型实现性能分析。交通模型可以通过仿真模型非常简单地实现，也是代表不同通信服务模型的结合。通过真实的通信网络实现的交通痕迹也可以用于资源仿真模型。同样，仿真模型也适合干扰模型。因此，在仿真模型内，可能实现复用错误模型，代表不同种类干扰和造成各种噪声。

       不同种类协议研究的解决方案必须确保在相同模型环境中的比较。同时，研究的协议解决方案是复杂的和一些协议功能相仿，它是需要的指定分析模型，可以通过各种实现的结果。因此，这个研究的协议必须应用于细节，可以在仿真模型上变得更加容易。

       当前，将传输系统应用于宽带PLC接入网络还没有固定的标准。因此，在6.2.2定义的仿真模型代表一个理论上的PLC  MAC层，可以作为研究信令MAC协议的逻辑模型。因此，指定接入方案的一些参数是被假定；例如，传输信道数据速率，时间点部分，段结构等等。然而，在逻辑水平上对仿真协议模型的研究可以很容易适应设置和接入方案的任何参数。最后，仿真模型更深远的优点是应用复杂性的仿真考虑和研究协议的可靠性，因为需要它们仿真模型的应用。然而，为了这个目的的仿真模型是复杂的，因此它们必须被认真确定。

6.2.1.3 分析模型和经验主义性能分析-例子

       在呼叫和冲突水平的PLC网络的分析模型方法被推荐。介绍PLC网络的分析模型，在5.4.3部分介绍，包括推荐的CAC机制和通过实现模型MOSEL的标准工具的使用，要求的安全机制被实现。在不同的逻辑传输信道，根据开关干扰模型，干扰被独立地建模，在3.4.4部分介绍。依赖在PLC网络上的交通加载，通过语音和因特网数据传输造成的两种服务-还有通过干扰影响的可用数据速率，下面的QoS参数被观察：语音通话屏蔽可能性，因特网连接平均数据速率，网络利用率和信道可利用情况；多少逻辑传输信道受影响，或者没有受干扰影响。

       MAC协议的经验主义研究可以在测试环境上实现，提供实现各种协议解决方案的可能性和用于观察QoS参数的措施，或者在一个真实的PLC网络。真实系统上的性能分析可以再MAC层实现，依赖特定的经验研究目标，也可以应用于其他网络层。网络利用率和数据吞吐率，作为预留QoS参数用于预留MAC协议的性能研究，在介于基站上PLC网络和干扰网络的接口被测量，拥有连接WAN。顺便，考虑共用通信结构的PLC部分是可能的。因此，最终瓶颈和干扰网络的影响不能影响测量的结果。

       为了在PLC网络中各种包延时的测量，需要在PLC网络内建立一个或更多额外测量点。因此，在两个传输方向上的基站和每个网络用户之间建立延迟是可能的。然而，为了确保真确的延时评估，测量设备必须严格同步。PLC网络内测量点的代替必须确保网络中特定影响的观察。因此，在来自基站的不同干扰上，测量设备被放置在子用户的前言，或者通过不同重复号连接到基站的各种网络段。

6.2.2 PLC MAC层的仿真模型

6.2.2.1 一般的仿真模型

       开发信令MAC协议研究的仿真模型，呈现一个OFDM/TDMA方案。有使用基站连接网络用户和子用户的双向传输信道号，带着介于上行和下行链路传输方向的数据速率划分，引导FDD模式。在5.4.1部分提及，非对称和动态划分混合模式比固定模式提供更好的网络性能。然而，这个研究对信令信道提供MAC协议，应用混合模式独立和划分策略能够被分析。实现带FDD仿真模型的结果对带TDD模式的网络是合法的。

       当下行链路通过基站控制时，传输信道可以通过上行链路传输方向上的全部网络站点接入。有一种为了各种干扰类型模型的可能性，能够应用去影响单个和复用传输信道和代表不同类型噪声。子用户通过提供复用通信服务的网络站点提供。网络站点和基站应用全部的研究的MAC层和协议的特性，包括复用接入方案，信令信道的MAC协议，信令流程和接入控制，错误处理机制等。

       设计下一代仿真模型去代表OFDM/TDMA方案。然而，这个模型可以很容易适应代表TDMA系统和任何TDMA和FDMA方法的结合。另一方面，信令MAC协议的评估性能可以通过独立的复用接入模型实现，通过一代仿真方案。共享通信媒介的实现也可以用于有相似通信组织和评估传输特性的其他网络模型。

6.2.2.2 干扰模型

       正如3.4.4部分介绍的，PLC网络中的干扰可以通过开关模型描述：OFF-信道被干扰没有信息传输的可能性；ON-信道可以使用。

       这两个状态通过两个代表干扰间断和持续的随机变量建立模型。假定两个变量是负指数干扰。下面是哪个干扰方案用于进一步的研究：无干扰网络，轻度干扰网络-200毫秒的平均干扰间断时间和重度干扰网络-40毫秒平均干扰间隔时间。

       干扰的平均持续时间脉冲设为100微秒和假定噪声脉冲持续时间少于300微秒且对标志持续不造成错误。在这个研究中，干扰通过每一个信道独立建模。

6.2.2.3 用户模型

       为了对各种服务建模，应用于仿真模式的网络站点可以和交通模型号相连，用于代表不同的通信服务或各种服务类。两种最初级的通信服务，基本网络数据传输和电话，各自代表一个包交换和电路交换，应用于仿真模型，表6.7具体展示。来自数据交通源的包被传输到网络站点包队列。包被分为通过传输队列储存的段。因此，网络用户包的最大号可以存储在网络站点。注意，根据先前包预留规则，预留总是为一个用户包实现。包成功传输后，下一个包被移动到传输队列。然后，预留过程实现新的包。

       数据源根据应用交通模型实现用户包。每个包获取后，数据源计算新一代数据包。如果包队列被占用，数据源被停止和包队列空后，可以传输新的包。在这中情况下，下面两种解决方案是可能的：

       新包获取前队列为空和在计算的时间内，新包可以传输。

       在包获取时间内，数据源被停止。在这种情况下，当包队列为空时，新包被立即获取。

       通话服务的实现是相似的。根据通话的交通模型实现呼叫；例如，4.4.2部分展示的。大体上，对于电路交换服务，需要的数据速率和连接部分必须通过交通模型计算。预留过程和数据服务案例相似。然而，信令过程仅仅通过建立CS连接的案例实现。

6.2.3 交通模型

6.2.3.1 通话交通模型

       正如上面提到的，信令过程实现每一个传输包，在数据连接情况下，根据先前包预留规则和一次先前语音连接，根据先前连接预留规则。在4.4.2部分，展示出语音连接的到达似乎在分钟范围内，例如由因特网造成的数据包获取在秒范围内。因此，可以认为语音连接和IP包到达时间相比是较低的。因此，数据传输要求相比语音是较高的。语音连接可以包含在这个研究内，不需要单独建模。

6.2.3.2 简单因特网交通模型

       数据交通通过两个随机变量指定；平均包尺寸和包时间间隔。为了定义基本网络数据交通模型，根据以太网包的最大尺寸，平均包尺寸被设为1500字节。平均包间隔预留时间代表用户使用WWW页下载的要求和被选择为4.8秒。因此，每个子用户的平均数据速率被要求在先对低的值2.5kbps。然而，在上行链路方向考虑的基本网络数据传输，每个用户提供的网络加载更低。

       上行链路的数据包传输通常是小包，代表平均尺寸在92.9和360字节间的控制和要求包。因此，带更小数据包的第二个交通模型是需要的。第二模型的平均包尺寸被设为300字节。为了能够比较小包和大包网络，两个源模型必须为每个子用户执行相同平均提供网络。因此，每个第二模型包的平均间隔时间必须是0.96s。间隔时间代表用户之间下载的时间要求和似乎是太短。然而，下载期间，有大量动态执行要求，即所谓的包含WWW页的线上固件。另外，通过TCP应答造成的大量的控制包号。

       数据包的到达通常描述为泊松过程和干扰通常用于对时间间隔建模。因为时间离散仿真工具的研究，使用简单交通模型的间隔时间通过干扰随机变量建模。包尺寸也通过干扰随机变量建模。带不同包时间间隔的简单交通模型的应用在速率和频率传输要求下提供研究YU预留MAC协议的可能性。因为选定的先前包预留规则，协议性能期望依赖应用交通模型。在频率要求情况下，信令信道必须比速率情况下多传输五次。因此，信令信道比速率传输要求下需要更多加载。

       这个简单的交通模型提供各种包尺寸，是几何上的干扰。然而，在真实世界，计算机和其他数据传输通信设备运行在离散包尺寸。大体上，只有少量包尺寸介于最大和最小值之间。因此，真实和接近真实的在IP水平的网络交通模型可以通过所谓的复用交通模型实现。然而。在[HrasLe03]，展示了，简单的交通模型现对于复用模型代表了对用户举止更好地接近。另一个方面，应用于简单模型上的干扰是便利的分析模型方法。

6.2.3.3 复用交通模型

       正如上面提到的，一大部分交通加载于上行链路WWW请求。携载WWW请求的IP包尺寸在各种交通模型进行不同定义；例如，介于在[HoudtB100]的64字节和在[TrabCh]上的344字节。手动生成请求共享在上行链路全部包的百分之10到50之间波动，并且动态请求部分介于百分之38到88。传输在上行链路和下行链路的其他类型包是控制包。控制包尺寸，主要通过使用TCP协议的应答传输造成，认为介于40到92字节。

       对于应用于MAC协议研究的复用传输模式，在PLC接入网络的上行链路传输方向，假定百分之85的上行链路包是控制和请求IP包。百分之15是较大的IP包；例如，图表信息，e-mail等传输造成的。小包有两个尺寸，64和256字节，使用可能0.45和0.4获得。指定在以太网LAN网络的最大IP包尺寸是大约1500字节，和它们的可能性被设为0.1。1024字节包的可能性，代表其他大包传输，是0.05。全部通过网络传输的大文件被分为复用IP包。

       根据上行链路交通模式获得的平均包尺寸是332.5字节。间隔时间是根据在复用IP交通模式干扰的干扰变量。

       PLC接入网络的子用户也提供一些PLC网络用户下载的网络内容。在这种情况下，这种PLC子用户交通特性不同于典型的上行链路特性和通过上行链路的源模式典型网络交通代表。为了这个目的，我们可以使用复用交通模型，为下行链路传输方向的无线网络交通系统的研究。根据下行链路网络交通特性，最大频率包是1500字节IP包。通过大文件/页下载造成，被分为最大尺寸的以太网包。第二频率类型是40字节控制包。它们是由TCP/IP协议造成的空包和包括仅仅的头信息。

       平均包尺寸是822.33字节和间隔时间是干扰随机变量。

6.2.3.4 使各种数据服务模型化

       复用交通模型特性由WWW应用造成的IP交通。然而，一个原始的子用户也使用其他数据服务和应用。一个频率数据应用是e-mail。使用几百字节的平均尺寸，e-mail信息代表通常的较大数据文件。然而，传输在上行链路的e-mail信息的频率指定较低的比WWW请求情况下。因此，通过e-mail造成的传输密度也是低的。因此，可以假定e-mail交通也代表上行链路的复用传输模式，通过大包和相对低的获得可能性。

       更深远的数据应用是FTP，用于远端服务器不同文件的下载。然而，FTP的使用减少增长的WWW交通，也提供相同的下载功能。

       视频路径和文件的传输是一个流行的应用，在近期未来期望迅速增长。通过视频造成的数据速率比WWW交通较高和交通特性通过最近持续数据传输代表，是典型的流交通类。流服务，例如视音频传输，在下行链路传输方向造成一个较高的网络加载。在上行链路，依靠各种流数据速率的密度，控制信息被传输。然而，在上行链路的模式WWW交通模型上，控制信息代表一个高的获取可能性。因此，这个可以用于接近流上行链路模型。另一方面，带一个较高可能性的大包上行链路复用模式可以应用作为接近流下行链路，在这种情况下，流服务适合PLC接入网络。

       各种网络游戏属于通信服务的深入增长组。在这种情况下，在带游戏服务的或其他用户号的游戏，用户参与永久连接互联网游戏。可利用的网络游戏号快速提升和指定代表网络交通部分的交通模型是困难的。然而，游戏由涉及的用户交换短包/请求组成，在复用模式，通过高获得短包可能性接近。

6.2.4 仿真技术

6.2.4.1 仿真模型应用

       用在这个研究的仿真模型是使用YATS的应用，用于通信的Chair上的工具，Dresden大学技术。YATS是一个用于各种通信网络的离散时间和离散事件仿真工具。提供大量模型用于ATM，DQDB,PLC和各种无线网络还有TCP/IP基本数据交通研究。

       YATS仿真提供几种应用网络模型和协议合法性的可能性。因此，数据固件可以通过网络模型建立固件和参数上的变化可以观察到。有趣的协议参数也是可能的通过表格实现，确保应用协议的测试操作。YATS也用于基本PAN-SIM平台工具，提供PLC网络的评估性能。简洁的PAN-SIM描述在下面呈现。PAN-SIM的细节描述可以在[palas01a]发现。

6.2.4.2 PLC接入网络仿真

       PLC接入网络仿真在PALAS工程期间发展，通过欧洲联盟支持。PAN-SIM的主要目标是：PLC系统举止论证，PLC网络上行链路的MAC层研究，信道干扰和错误控制机制研究，复用媒介交通下PLC系统的性能评估和PLC接入网络计划。

       有三个仿真工具的主要部分：仿真，动画制作和图形用户接口，在图6.10上展示。仿真内核包括PLC传输系统，干扰，MAC层和接入协议还有错误处理方法的应用。仿真通过到PAN-SIM动态部分的实时接口连接。允许实现仿真结果呈现，还有在动画展示上观察提升协议参数和网络举止的可能性。

       动画展示了应用协议的操作，通常是复杂的和顺便使测试变得容易。协议和网络举止的观察给他们分析额外的可能性。动画可以展示直方图，不同的仿真结果，应用协议的流表格，当前信道状态等。最后，PAN-SIM的目标是PLC接入网络的呈现目的使用，也通过动画实现。PAN-SIM也在一些贸易展览会和会议上呈现；例如，CeBIT2001，ISPLC2001，CeBIT-Asia2001。

       对于PAN-SIM，直方图用户接口服务为用户友好控制平台和网络配置工具。携带全部元素和参数，一个直方图编辑允许快的和容易的网络配置。一旦一个PLC网络从一个配置文件被配置或加载，可以通过仿真工具研究。进一步，GUI确保一个便利的设置方式，改变和移动各种用于仿真的参数：仿真参数，参数描述网络结构和拓扑，协议参数，用于交通模式的参数和干扰参数。

       通过GUI定义的网络结构也可以用于其他工具的输入，例如，用于性能分析的分析工具或网络计划工具。

6.2.4.3 情景模拟

       对于信令MAC协议的各种性能评估的解决方案必须在各种交通环境中的网络模型实现。因此，研究不同网络加载环境下的MAC协议的研究特性是可能的。为了通过各种网络加载，网络站点号提升从50到500。这个导致最小的125kbps和一个最大的1.25Mbps平均网络加载，根据6.2.3呈现的简单交通模型。另一个提升网络加载的方法是为了单独网络站点的各种提供的交通；例如，为一个固定的站点号，提供的单独的网络站点的加载可以通过2.5到25kbps变化，正如在第一种情况下，导致相同的提供网络加载。

       如果站点号保持不变，用户包的间隔时间必须减少网络加载的提升。意味着，对于1.25Mbps的网络加载和50个网络站点，在简单交通模式，间隔时间必须设为480ms，带着频率要求和在请求频率模式到96ms。因此，间隔时间成为较短的和代表实时WWW交通情景实现。另一方面，传输请求的平均密度在两种方案下是相等的-一个变量和固定站点号-如果共同网络加载保持相同。

       先前的包传输成功后，一个传输请求被制作。另一方面，如果网络站点号提升，网络资源中的无关联号成为较高的。因此，共同的传输请求号是高的，如果网络站点号的固定的，不在这种情况向下。因此，考虑先前包预留部分的预留MAC协议，网络站点号也呈现一个错误情况和用于更深远的研究。

6.2.4.4 仿真模型参数

      在6.2.3部分，可以做出结论，语音服务的考虑不是预留MAC协议的研究，并且语音的请求过程不需要建模。典型的语音服务使用通过OFDMA方案提供的电路交换传输信道。为了这个研究，假定网络容量的一半被语音和其他的电路交换信道服务占据。保留的网络容量被包交换传输信道的服务占据。

       最近的PLC接入网络提供大约2Mbps的数据速率。如果传输信道数据速率被设为64kbps，系统将有大概30个信道。因此，模型中的包交换信道号是15，导致960kbps的网络数据速率。传输信道中的一个分配为信令，需要实现预留过程。通过OFDMA/TDMA提供的时间点部分在仿真模式被设为4ms。在4ms内，一个64kbps传输信道可以传输32字节传输单元。因此，数据段尺寸也被设为32字节。假定端头占用每个段的四字节，以至于段占用28字节。

       仿真运行部分被选择符合至少10000网络事件需要。还有10个仿真运行和一个提醒运行实现每一个仿真点-网络加载点通过站点号决定。从仿真运行上，平均值，上界限还有95%自信间隔低界限被计算并且包括所有呈现结果的直方图。