基于NS-3的PLC多频通信协议仿真平台设计与实现 -.pdf

第 5 3卷第2期 2 0 1 6年1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t＆ I n s t r u m e nt a t i on V0 1 ． 5 3 NO ． 2 J a n． 2 5, 2 01 6 基于 N S - 3的 P L C多频通信协议仿真平台设计与实现 安春燕 ， 汪涛 ， 李建 岐 ， 宁亮。 1 ．国网智能电网研究院， 北京 1 0 0 0 0 0 ； 2 ．北京邮电大学， 北京 1 0 0 0 0 0 ； 3 ．国网辽宁省电力有限公司信息通信分公 司。 沈阳 1 1 0 0 0 0 摘要 针对缺乏 电力线载波通信协议评估、 验证环境 的问题 ， 提出并实现了一种基于网络仿真器 N S ． 3的电力线 载波多频通信协议仿真平台。基于 N S - 3仿真平台， 研发 了电力线载波通信模块 ， 实现了物理层、 媒体接人控制 层及逻辑链路控制层功能 ， 采用基于前导信号的三次握手机制实现工作频率认知， 进而实现多频组 网及多频通 信。仿真平台不仅支持典型电力线载波通信网络拓扑配置， 也支持实测信道衰减／ 噪声数据的导人。测试结果 表明 ， 仿真平台可实现不同场景下不同协议功能 、 关键算法及关键参数的仿真和验证 ， 支持节点接人率 、 吞吐量 等 网络性能的统计 ， 为电力线载波多频通信协议的研究提供了有力 的工具。 关键词 电力线载波通信 ； 协议仿真 ； N S ． 3 ； 多频组网 中图分类号 T M9 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 1 3 9 0 2 0 1 6 0 2 - 0 1 0 8 - 0 6 De s i g n a n d i mp l e me n t a t i o n o f NS 3 b a s e d P L C mu l t i - f r e q u e n c y c o mmun i c a t i o n pr o t o c o l s i m u l a t i o n p l a t f o r m A n C h u n y a n ，Wa n g T a o ，L i J i a n q i ，Ni n g L i a n g 。 』 ． S t a t e G r i d S m a r t G r i d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 0 0 ，C h i n a ．2 ．B e lti n g U n i v e r s i t y o f P o s t s a n d T e l e c o mm u n i c a t i o ns， B e ij i n g 1 0 0 0 0 0 ，C h i n a ．3 ．S t a t e G r i d L i a o n i n g I n f o r m a t i o n a n d C o mm u n i c a t i o n C o m p a n y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 0 ， C h i n a A b s t r a c t A p o w e r l i n e c o m mu n i c a t i o n P L Cmu h i - f r e q u e n c y p r o t o c o l s i mu l a t i o n p l a t f o r m b a s e d o n N S - 3 n e t w o r k s i mu l a t o r i s p r o p o s e d a n d i mp l e me n t e d t o de a l wi t h t he l a c k o f e v a l ua t i o n a n d v e rific a t i o n e n v i r o n me n t f o r PLC p r o t o c o 1 ． P L C m o d u l e i s d e v e l o p e d b a s e d o n N S 一 3 ， w h i c h r e a l i z e s t h e p h y s i c a l l a y e r ， m e d i u m a c c e s s c o n t r o l MA C l a y e r a n d l o g i c l i n k c o n t r o l L L C l a y e r f u n c t i o n s ．B a s e d o n t h e t h r e e - h a n d s h a k e o f p r e a m b l e s ，P L C m o d u l e c a n s u p p o r t mu l t i - f r e q u e n c y n e t wo r k i n g a n d c o mmu n i c a t i o n ．B e s i d e s ，t h e p r o p o s e d P L C p r o t o c o l s i mu l a t i o n p l a t f o r m c a n n o t o n l y s u p p o rt for t y p i c a l n e t wo r k t o p o l o g y c o n fi g u r a t i o n，b u t a l s o i mp o rt me a s u r e d a t t e n u a t i o n a nd n o i s e d a t a ． T h e t e s t r e - s u i t s s h o ws t ha t t h e p r o p o s e d PL C mu l t i f r e q u e n c y p r o t o c o l s i mu l a t i o n p l a t f o rm c o u l d s i mu l a t e a n d v e rif y d i f f e r e n t MAC f u n c t i o n s，k e y a l g o rit h ms a nd p a r a me t e r s i n d i f f e r e n t s c e n a rio s ，a n d c o u l d e v a l u a t e no d e s a c c e s s p r o b a b i l i t y， t h r o u g h p u t p e rfo r ma nc e，a n d S O o n，i t i s a p o we rfu l t o o l for t h e s t u d y o f mu l t i - fre q ue n c y PLC p r o t o c o 1 ． Ke y wo r ds PLC，p r o t o c o l s i mu l a t i o n，NS一 3，mu l t i fre q u e n c y n e t wo r k i n g 0 引 言 电力 线 载 波 通 信 P o w e r L i n e C o m mu n i c a t i o n ， P L C 技术是电力通信领域特有的通信方式 ， 无需布 网， 且分布广泛 ， 是智能配用 电网及低压 台区智能化 应用 中不可或缺的通信方式之一_ 1 J 。 面向智能 电网应用的 P L C技术通常被称为窄带 高速 P L C技术 。目前对该 P L C技术的研究侧重于信 一 1 08 一 道基础特性及物理层关键技术等方面 P L C协议 大多基于无线传感网络协议 。 ， 速率低、 实时性差 ， 难以适应未来智能电网的发展需求。此外 ， P L C技术 具有强频率选择性特点 ， 不 同位置处链路 的频率选 择性不同且难 以把握其规律 ， 单纯 的依靠物理层技 术很难解决 P L C的可靠性 问题 。因此 ， 有必要 深入研究通信协议 ， 利 用多频 网络技术对抗 P L C信 道 的强频率选择性 ， 改善 网络可靠性。此外 ， 目前 尚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 3卷第 2期 2 0 1 6年1月 2 5日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t I n s t r u m e n t a t i o n VoI ． 5 3 No ． 2 J a n ． 2 5， 2 01 6 第一种是将信号衰减和噪声均设计为某种随机分布， 如正态分布等。为了模拟 P L C信道 的频率选择性特 点 ， 我们为不 同频段设置了不同的信道衰减参数。此 外 ， 为了模拟 P L C信道的时变特点 ， 噪声和衰落每隔 一 段时间会发生 变化 。第二种是 导人实测 的衰减和 噪声数据 ， 模拟真实的信道环境。在第二种实现方法 中， 需要将 t x t 格式的衰减 文件和噪声 文件放人 N S - 3 仿真平台根 目录下 的 A t t e n t i o n文件夹 中 ， 并在脚 本 文件 中配置信道类型。 3． 2 p l c - p h y p h y主要实现数据／ 控制信息 以比特流形式进行 发送／ 接收的功能 ， 并提供 和 MA C层 的接 口。数据发 送过程与调制编码方式 、 发送功率等相关 ； 接收过程 需要计算接收信噪 比， 并结合调制编码方式进行误 比 特率 、 误码率 、 丢包率 的计算 ， 模拟丢包过程 。本仿真 平台实现了简化 的物理层 ， 即当接收信噪比小于预定 门限值时 ， 认为数据包 丢失 ； 当接收信 噪比大于预定 门限值时 ， 根据产生 的随机数判断是否丢包 。 3． 3 p l c ma c p l c m a c 主要实现 MA C层组网及网络维护 、 媒体 接入控制 、 资源分配 、 频率选择等功能。在不对等 网 络中 ， 由于不同类型节点 的 ma c层功能不 同， 需要继 承出多个不 同类型的 m a c 子类。 如第 1节所述 ， 本仿真平 台实现两种 MA C 1 多频单跳 MA C， 旨在验证 多频通信对 于提高节点单 跳接入 率的影响 ； 2 多频多跳 MA C， 旨在提高节点 接入率 ， 改善网络覆盖范围。P L C网络通常是不对等 网络 ， 即包含两类节点 主站和从站。主站 和从站的 MA C协议功能不 同， 主站负责网络 的维护和管理、 资 源分配 ， 从站服从 主站 的管理和资源分配。因此 ， 在 实现 的过程 中， 我们定 义 p l c - m a c基类 ， 完成传输媒 体的竞争使用 以及调 度等。在 p l c ． m a c基类 的基础 上继承 出 p l c m a c - m a s t e r和 p l c ． m a c s l a v e两个子类。 p l c - ma c m a s t e r 主要完成主站的 MA C层功能 ， 如注册 管理 、 调 度等 功 能。p l c - ma c s l a v e主要完 成从 站 的 MA C层功能 ， 如工作频率评估和选择、 注册等 。 在两 种 MA C机 制 中， 竞 争 接 人、 资源 预 留等 MA C功能 ， 主站的资源调度 、 从站 的频率选择等关键 算法 ， 以及 MA C帧结构长度等关键参数均为可编程 的， 为验证 P L C多频通信协议 的有效性 ， 选择最佳 的 P L C MA C功能、 算法和参数创造了条件。 3． 4 p l c l l c L L C层协议 实体起 承上启 下 的作用 ， 数据 发送 时， 它将来 自上层 的数据包转化为符合 MA C格式的 数据包 ， 并压入缓存 ， 在收到 MA C层实体的发送通知 时， 从缓存中取出数据包交给下层 ； 数据接收时， 将收 到的数据包交给上层协议实体处理 。 3． 5 pl c n e t - d e v i c e P l c ． n e t ． d e v i c e继承 自N S 一 3原有的 n e t d e v i c e ， 可 以认为是网卡设备的抽象 ， 管理 P L C数据链路层和物理 层协议实体， 并负责与上层协议实体的接口。在可视化 运行过程中， n e t d e v i c e也有非常重要的作用。 3 ． 6脚本 脚本具有配置网络拓扑等 P L C仿真场景 、 可用 工作频率等仿真关键参数的功能。脚本支持两种典 型 P L C通信场景 的配置 1 架空线通信 网络拓扑 ， 即每根馈线上 ， 主站到第一个站点 的衰减较大 ， 均值 约几十分贝， 其他两个站点间的衰减较小 ， 均值约十 几分贝； 2 开闭站通信 网络拓扑 ， 即认 为主站到每 组开闭站下节点的衰减均值约为几十分贝 ， 而到每组 开闭站下节点衰减之间的差距较小 ， 均值约为十几分 贝。此外 ， 脚本支持实测信道衰减／ 噪声数据的导人 ， 为节点间配置实测的噪声／ 衰减数据。 脚本配合 b a n d ． h和 b a n d ． C C文件可实现任意中 心频点 、 任意带宽 的工作频 率配置 ， 并可为 网络选择 任意个数的工作频率。 4仿真平台可视化界面 为了增加可视性 ， 仿 真平 台对 P L C模块进行 了 P y t h o n绑定 ， 添加 了 p y v i z工具 。p y v i z工具 是 N S - 3 自带的可视化工具 ， 在 n e t d e v i c e中跟踪数据收发 ， 并 交给可视化运行模块 p y v i z ， p y v i z 根据跟踪数据进行 作图， 展示实际通信的动态过程。 此外 ， 为了更好展示 P L C协议 的多频通信功能 ， 本仿真平 台对在 n e t d e v i c e中添加 了一些数据跟踪 ， 实现 了节点间工作频率 、 中继等参数及功能的展示 。 5仿真平台测试实例 5 ． 1 多频通信参数配置 本次测试使用的默认频率如表 1 所示 ， 其 中使用 个频率表示使用表 1中的前个频率。在频率协商过 程中， 从站需要从接收到前导的频率 中选择一个作为 工作频率 ， 选频策略为选择前导质量最好的频率。需 要说明的是工作频率及选频策略均为可编程的， 并不 局限于本次测试 中配置。 5 ． 2可视 化界 面测试 如前所述 ， 仿真平 台支持两种典型 P L C通 信场 景配置。当将网络拓扑类型配置为 0时 ， 网络节点按 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m