《应用于电网监控中的宽带电力线接入网的 CSMA 协.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应用于电网监控中的宽带电力线接入网的 CSMA 协.doc（6页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、精品论文应用于电网监控中的宽带电力线接入网的 CSMA 协议的性能分析王林钰，寿国础，胡怡红，郭志刚 北京邮电大学信息与通信工程学院, 北京 (100876） E-mail：linyu_摘要：本文给出了应用于电网监控中的宽带电力线接入网的一种 MAC 层协议的性能分析。 由于传统的电网监控网络面临着一些问题，限制了其进一步发展，一种新的分布式电源分配， 结合分散的智能控制，多寻址数据通信，快速反应的分布式电网正体现出相当的优势。在这个系统里，由于其实时性的要求，延迟是整个网络性能的关键因素，并且接入网的提升对延 迟减小的影响最大。宽带电力线通信由于其铺设费用低以及资源被电网公司所有等优点，在接
2、入技术的选择中脱颖而出。文章对 MAC 层协议 CSMA 进行了分析并给出了其优缺点。 关键词：Access BPL；延迟；电力网监控；MAC1.简介电力供应对整个社会来说至关重要，然而电网非常易于受到攻击1。传统上，电网的安 全性是靠大范围联结的高压电网来实现的。通过变压器，中压电网和低压电网再把电力传送 至单独的用户或者公司。一方面，高压电网通过对其 mesh 结构的网络增加一些冗余以保证 在一些组件失效的情况下，其他部分仍旧能够正常地工作；另一方面，分配网以一种散射网 络的形式工作，只引入相当有限的冗余。这种结合方式保证了非常可靠的电力传输。 但是， 这种传输方式的潜在问题已经开始显现1
3、，2。首先，它不适合集成系统的分类计价，而这在 当前社会是必须条件。其次，由于社会对电网的依赖性更高，所以电网的安全遭受了更加巨 大的压力。这些问题或压力促使新的电网传送方式的产生。分布式电源分配，结合分散的智能控制，多寻址数据通信，快速反应的分布式电网提供 了解决上述问题并保证可靠性的方法1，2。然而，这种分布式的网络极大的依赖分布式网络 的质量，也就是说，通信和监控结构是概念转化的关键。为了满足情况发生下的快速反应， 需要发展高效优秀的信息通信技术。分布式的监控网络可以进一步分为 2 个部分。一是骨干网，二是接入网。技术发展的不 平衡导致了在这 2 个网络上能提供的传送速度的不平衡。骨干网
4、已经能够 Tbps 级别的速度， 相对而言，接入网只能提供相当有限的速度（Mbps）。因此，接入网变成了整个网络的瓶 颈。所以通过对接入网进行改进就能够得到更多的整体性能的提高。目前已经有许多接入网 的技术3。例如 xDSL, 光纤接入，无线接入，以太网，电力线接入等。选择电力线接入有 2 个原因：1，它直接在已经存在的电网上进行数据传输，这意味着资金节省。2，电网属于电 力公司本身的资源。宽带电力线（BPL）由于能提供更高带宽，所以成为最终的选择。当前，室外电力线宽带接入面临的主要问题是缺少标准。国外多家企业和研究机构致力 于标准的研究，有些已经提交了标准4。 同时，一些传统的 MAC 层协
5、议也被应用到电力线 接入中。如前所述，延迟是电力监控网络的关键因素。本文中，我们主要关注 CSMA 性能分析。 本文的组织结构如下：第二部分详细介绍了平台的搭建，第三部分介绍了基于平台的 CSMA 协议的分析，最后给出了结论。- 6 -2.平台搭建2.1BPL 网络拓扑和结构因为电力线被用作传输媒介，所以 BPL 的拓扑由电力网的结构来决定。BPL 接入网通 过变压站连接到骨干网，示意图见图 1。许多电力供应公司同样建立了他们自己的电信网路， 这些网络也可以用来作为骨干网5。图 1 BPL 接入网不管 BPL 接入网络的拓扑如何，BPL 网络中的用户与骨干网通信都是通过基站来实现 的。一个变压
6、器发送的下行信号（从基站到用户）会发送到所有的用户，在上行方向（从用 户到基站），一个用户发出的信号同样会发送给同网络中的其它用户。处于同一个低压电网 中的所有用户共享网络的带宽。因此，尽管在物理上低压电网属于树形拓扑，实际分析中应 该按照总线结构来分析5，6，7。2.2建模需解决的问题本文采用 OPNET 12.0 作为仿真平台。由于 OPNET 自带的模型中没有电力线传输的模 型，当进行电力线传输的仿真时，有 2 个问题需要解决。第一，相对于 OPNET 中生成的总 线结构模型，电网中的用户的分布更加随机。然而，星型结构可以随机调整用户到基站的速 度，所以是否可以用星型拓扑来代替总线拓扑需
7、要验证。其次，电力线传输速度与以太网的 传输速度不匹配，比例缩放的方法可以实现不同速度的变化。2.2.1 Bus vs. Star针对本文的应用，本节对用星型结构取代总线结构的可行性作了测试。如图 2 所示，两 种拓扑中的参数设置完全一致，包括用户分布，用户到基站的距离等。（a）总线拓扑（b）星型拓扑图 2 总线拓扑和星型拓扑模型为了消除软件中随机产生的种子数对结果的影线，我们对 100 组不同的种子数进行了测 试。包的端到端延迟作为判断的标准。结果如图 3 所示。图 3 平均端到端延迟比较从上图可以得知，在本文的测试条件中，星型拓扑可以取代总线拓扑。2.2.2 比例缩放(scaling)另一
8、个问题是关于如何调节 OPNET 中链路的速度来满足电力线传输的要求。通过 10M 和 100M 网络的比较，我们验证了比例缩放的可行性，并通过使用 10M 网络来仿真 2M 网 络的性质。根据计算机分层结构的理论8，当网络中一个节点要传送的信息从高层传送到低层，它 都会在不同的层间被封装。额外的，在物理层传输时，不同的包之间要保持所谓的帧间隔以保证能够正常接收。理论上来说，通过设置不同的包的负载的大小，可以在不同链路速度上获得同样的延迟，从而可以在一种链路速度上仿真另一种链路速度上的情况。 本文建立了一个和实际情况相似的模型来测试上述理论是否可靠。为了不导致实际仿真的偏差，在理论测试的时候我
9、们设置了和将要进行仿真的情况类似的外部条件。通过设置不 同的用户数，使得网络的负载从 30%到 60%波动。表 1 列出了测试的结果，通过结果可知，10M 网络可以仿真 100M 网络的情况。表 1 不同用户数时平均端到端延迟比较Numberof usersAverage Packet End-to-end Delay (sec)10 M100 M500.0001030.000104600.0001230.000108700.0001410.000138800.0001510.000139900.0001450.0001433.CSMA 性能分析OPNET 用来分析 CSMA 的性能。根据避免
10、冲突的方法以及碰撞以后重传的策略，CSMA又可以分为 CSMA/CD 和 CSMA/CA，或者 0-persistent CSMA，p-persistent CSMA 以及1-persistent CSMA。本文主要分析 1-persistent CSMA。 针对电力监控网络的假设，我们对仿真的参数设置作了如下的假设：信道的传输带宽是2Mbps，最远节点到基站的距离为 400 m9，所有的用户在 400m 范围内随机分布。消息发 送的间隔时间是 20ms，也就是说每秒钟每个用户发送消息 50 次。为了测量在间隔时间有抖 动的情况下该协议的表现，我们建立了另一个模型，是间隔时间在 19.8ms
11、到 20.2ms 之间均 匀分布，对应于 1%的抖动。仿真时间设置为 5 分钟，仿真开始后一分钟开始收集数据，以 避免网络建立阶段的不稳定性。每个发送包的有效荷载设为 8 字节。目标是检测在平均延迟 不大于 2ms 的情况下，能支持多少用户。因为目前的电网监控网络的时延一般在 10ms 左右， 为了提高性能并保证在每个周期的 10%时间内完成监控取样，设定 2ms 的目标。在实验中同样考虑了用户的分布对性能的影响10。用户的分布取决于实际环境中的对 应情况。在本文中分为长街 1，长街 2 以及环形。在长街类型中，假设变压器处于街中心， 街左右的用户均匀分布（1）或者变压器处于 2 条交叉街道的
12、路口（2），这样，用户的分布 更加集中。在环形结构中，假设用户在某一区域的分布与该区域的面积成正比，且区域面积 由以变压器为中心的一系列同心圆的环形面积来决定。图 4 和图 5 给出了仿真的全局结果，即所有节点的平均延迟图。图 6 给出了网络中一 些节点的延迟分布图。图 4 固定间隔时间下的包端到端延迟与用户数的关系图 5 间隔时间有 1%抖动情况下的包端到端延迟与用户数的关系图 6 同一接入网中不同用户的平均端到端延迟通过测试可以发现，为了满足 2ms 延迟的要求，在最优情况下，可以支持 52 个用户。 但是在抖动情况下，最多只能支持 49 个用户。如果具体分析各个节点，会发现某些节点由 于
13、不停的和别的节点数据发生碰撞导致重传，结果产生了比其他节点更大的延迟，这是由于 CSMA 协议本省属于基于碰撞的协议类型。所以在需要实时的应用中，CSMA 不是一个理 想的协议。4.结束语CSMA 由于在以太网中取得的巨大成功，自然而然在别的接入网应用中会受到优先考 虑。本文通过分析应用 CSMA 协议的电力线接入网在电网监控中的性能表现，给出了 CSMA 协议的缺陷，为将来的研究提供借鉴。参考文献1 Yousuf, M.S.; El-Shafei, M.,“Power Line Communications: An Overview - Part I” Innovations inInfor
14、mation Technology, 2007. Innovations 07. 4th International Conference on 18-20 Nov. 2007Page(s):218 222.2 Carl H. Hauser, David E. Bakken, Ioanna Dionysiou, K.Harald Gjermundrod, Venkata S.Irava andAnjan Bose, “Security, trust, and QoS in next-generation control and communication for large power sys
15、tems”, in CNIP 06,Pullman, Washington USA. March 28, 2006.3 “LastMileInternetaccesstechnology”,onlineavailable:http:/ “Power line Communication”, online available: http:/en.wikipedia.org/wiki/Power_line_communication.5 Halid Hrasnica and Ralf Lehnert, “Powerline Communications for Access Networks-pe
16、rformance study of theMAC layer”, in III international conference on telecommunications BIHTEL 2000 “TelecommunicationNetworks”, in Sarajevo, Bosnia and Herzegovina. October 23-25, 2000.6 Chiras, Theodoros; Koutsakis, Polychronis; Paterakis, Michael,” A New MAC Protocol for BroadbandPowerline Commun
17、ications Networks”, in Global Telecommunications Conference, 2006. GLOBECOM 06. IEEE Nov. 2006 Page(s):1 6.7 Halid Hrasnica and Ralf Lehnert, “Simulation study of Aloha based reservation MAC protocols forBroadband PLC access networks” in XVIII International Symposium “Information and CommunicationTe
18、chnologies” (ICT 2001), Sarajevo, Bosnia and Herzegovina.8 Andrew S. Tanenbaum, Computer Network, fourth edition, chapter 1.3, Pretice Hall, 2003.9 Geert Deconinck, “An evaluation of two-way communication means for advanced metering in Flanders(Belgium)” in IEEE International Instrumentation and Mea
19、surement Technology Conference, Victoria, Vancouver Island, Canada, May 12-15, 2008.Performance Analysis of CSMA in Access BPL for PowerGrids Monitoring and ControlWang Linyu, Shou Guochu, Hu Yihong, Guo ZhigangSchool of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts andTelec
20、ommunications, Beijing（100876)AbstractIn this paper, we present a performance analysis of a MAC layer protocol that can be used in accessBPL for power grids monitoring and control. Since the traditional power supply monitoring network meets several problems, a new way of distributed generation, toge
21、ther with the advanced possibilitiesof decentralized intelligent control, multi-route massive data communication, and fast-acting powerelectronics is suggested. In this system, latency is critical due to its real-time characteristic, and the improvement of the access network contributes the most to
22、reducing the total latency. Broadband over Power Lines (BPL) is chosen as the access technology because it needs no further construction of communication lines, which means a cost saving. The MAC layer protocol, CSMA, is analyzed in order to reduce the latency in the access network. Based on the assumptions for the monitoring and control network, the performance of the protocol is evaluated. The advantages and disadvantages are listed as well.Keywords：Access BPL (Broadband over Power Lines), Latency, MAC, Power supply monitor