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低压电力线通信网络作为一种新的局域网接入方式,与其它接入方式相比有显著的优点:一方面由于不需要铺设新线所以成本会更低;另一方面更重要的是由于电源插头随处可见,所以几乎可以在任何地方实现网络互联。但是因为电力线信道恶劣的噪声环境和信道特性,实现高速互连的电力线通信网络有很大困难,由于现代数字通信技术的发展,各种先进的调制解调技术(如0FDM)的引入以及现代DSP技术,使得电力线载波通信成为可能。为了能与其它接入方式竞争,电力线网络系统必须提供可靠而高性能的服务质量,处理好共用信道的冲突,合理地分配和再分配信道资源,所以在网络的数据链路层要采用合适的媒质访问控制(MAC)接入协议。
本论文首先讨论了低压电力线上的数据传输特性,根据国内低压电力线通信网络的实测环境,从分析低压电力线的特性入手,以及测得的噪声分布情况,根据实际的电力线网络拓扑结构,建立了电力线网络模型。分析了几种应用广泛的MAC层接入技术,包括AL,0HA协议、载波帧听多址(CSMA)协议、带碰撞检测的CSMA协议(CSMA/CD)。最后针对电力线传输数据所面临的困难和不足,提出了在低压电力线网络的运行中引入一种适合我国的有效的MAC协议一载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)。阐述了其中的关键技术:载波侦听机制CSMA/CA、RTS/CTS/Data/ACK四次握手协议、差错恢复机制及基于帧间隔的优先级控制。
在设定了电力线网络所采用的数据帧结构以后,接下来就软件方面提出了MAC协议中网络访问控制方式的整体构架:CSMA/CA协议是一个比较复杂的通信协议,我们按模块化程序设计思想把复杂的MAC协议简化成多个功能相对简单的模块,每个模块实现相对独立的功能,并对其中各功能子模块进行了模块化的软件设计及C代码实现。利用OPNET仿真平台提出了一种电力线实时介质访问协议的仿真框架,通过仿真实验验证了协议是可行和有效的。
对于硬件实现平台,结合本项目实际情况,综合考虑硬件实现的技术要求和成本性能,采用ARM7平台:提出了基于LPC2136微控制器和μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的软硬件实现方案:基于嵌入式ARM处理器的μC/OS-Ⅱ的开发环境,操作系统的移植与优化。并根据微控制器LPC2136的功能特点设计了MAC协议设计板主要模块的硬件电路。基本完成了硬件电路设计的初步工作,为进一步的硬件开发奠定了基础。