第20卷第3期 江西 科学 Vol 20 No.3 2002年9月 JIANGXI SCIENCE Sept,2002 文章编号：10013679(2002_017103 基于电力线通讯的数据差错 控制方式的应用 涂志群 (江西火炬高新技术发展总公司，江西南昌330029， 摘要：对运用电力线做道讯介质中的数据传输的差错控制方面做些初步探讨，论述了种在主从式多机通 讯系统中采用的ARQ差错控制。 关键词：电力线：ARO:FEC 中图分类号：TN919.3:N919.71 文献标识码：B Data Error control in Data Communication Through Power-line TU Zhiqun (JiangxiTarch High-new Technology Development Company,Nanchang 330029 PRC) Abstract:This paper first makes an init ial discuss of eror control method based on data communication through power line,and then,introduces an ARQ error control method applying to the system based on master slave multi microcontroller communication. Key words:Power_line,ARQ,FEC 电力线作为提供50Hz电流的载体，遍布各 1电力线信道特性 处。作为一种通讯介质，它有着其他媒介不能相 比的优势刂。随着各种防干扰通讯技术的发展 在220/380W低压电力线配电网上进行信号 和出现，电力线通讯越来越成为研究的热点。在 传输，突出的问题是工作环境较恶劣、信号衰减 数据传输方面，针对电力线特有的信道特性，必 强、干扰大且具时变性。时变性主要是由于电网 须有一个较好的技术来控制、增强传递的可靠 上负载的不断接入、切出等随机事件的发生：信 性，减少误码率，保证数据的传输。虽然在电力 号衰减大主要是负载对信号传输影响很大，如大 线通讯中采用调制、扩频等技术来增强抗干扰问 电容对载波信号几乎就是短路：干扰大且复杂， 题，但是还必须依靠一定的差错控制来提高系统 可以分为周期性和非周期性的，其主要来源有谐 的抗干扰减少误码率。笔者依据电力线的特性， 波噪声（频率为交流电频率的倍数）、大量用电设 尝试对数据传输中的差错控制作初步的探讨，起 备发出的表现为低频调幅性的干扰和一些随机 到抛砖引玉的作用。 的干扰如电子开关操作等等。对数据通信系统 有很重要影响的是脉冲干扰，它能产生突发性干 扰引起瞬间的高误码，这些干扰持续时间短，强 收稿日期：2002-03-28修订日期：2002-05-29. 作者简介：涂志群(1973-)，男，江西南昌市人，1996年毕业于南昌大学，现为南昌大学计算中心在读研究生。 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.ne
第20 卷 第 3 期 江 西 科 学 Vol. 20 No. 3 2002 年 9 月 JIANGXI SCIENCE Sept, 2002 文章编号: 1001_3679( 2002) _0171_03 收稿日期: 2002- 03- 28; 修订日期: 2002- 05- 29. 作者简介: 涂志群( 1973- ) , 男, 江西南昌市人, 1996 年毕业于南昌大学, 现为南昌大学计算中心在读研究生。 基于电力线通讯的数据差错 控制方式的应用 涂志群 ( 江西火炬高新技术发展总公司, 江西 南昌 330029) 摘要: 对运用电力线做通讯介质中的数据传输的差错控制方面做一些初步探讨, 论述了一种在主从式多机通 讯系统中采用的 ARQ 差错控制。 关键词: 电力线; ARQ; FEC 中图分类号: TN919. 3; TN 919. 71 文献标识码: B Data Error_control in Data Communication Through Power- line TU Zhi_qun (Jiangxi Torch High- new Technology Development Company, Nanchang 330029 PRC) Abstract: This paper first makes an initial discuss of error_control method based on data communication through power line, and then, introduces an ARQ error_control method applying to the system based on master_slave multi_microcontroller communication. Key words: Power_line,ARQ, FEC 电力线作为提供 50 Hz 电流的载体, 遍布各 处。作为一种通讯介质, 它有着其他媒介不能相 比的优势[ 1] 。随着各种防干扰通讯技术的发展 和出现, 电力线通讯越来越成为研究的热点。在 数据传输方面, 针对电力线特有的信道特性, 必 须有一个较好的技术来控制、增强传递的可靠 性, 减少误码率, 保证数据的传输。虽然在电力 线通讯中采用调制、扩频等技术来增强抗干扰问 题, 但是还必须依靠一定的差错控制来提高系统 的抗干扰减少误码率。笔者依据电力线的特性, 尝试对数据传输中的差错控制作初步的探讨, 起 到抛砖引玉的作用。 1 电力线信道特性 在 220/ 380V 低压电力线配电网上进行信号 传输, 突出的问题是工作环境较恶劣、信号衰减 强、干扰大且具时变性。时变性主要是由于电网 上负载的不断接入、切出等随机事件的发生; 信 号衰减大主要是负载对信号传输影响很大, 如大 电容对载波信号几乎就是短路; 干扰大且复杂, 可以分为周期性和非周期性的, 其主要来源有谐 波噪声( 频率为交流电频率的倍数) 、大量用电设 备发出的表现为低频调幅性的干扰和一些随机 的干扰如电子开关操作等等。对数据通信系统 有很重要影响的是脉冲干扰, 它能产生突发性干 扰引起瞬间的高误码, 这些干扰持续时间短, 强
·172· 江西科学 2002年第20卷 度大小不等，随机出现，但其能量高、宽频谱的特 致，否则最终误码率难以达到要求。电力线上的 性，使所传送数据的若干位甚至整个数据传输过 干扰脉冲持续虽然短，但能量集中，频谱宽，能影 程发生错误。在一个完善的通信系统中，必须采 响若干个位甚至十几个位。为了纠错比较多的 用有效的方法对脉冲干扰加以控制。 误码，就需附加很多的多余码元，这就使得传输 效率低下。此外，由于电力线的时变性，难以测 2差错控制方式 定数据通信信道的差错统计特性。当系统的信 无论何种信道，由于衰减和失真，特别是由 道产生的差错超过所能纠错的能力，接收端将收 于各种自然和人为的或其它意想不到的干扰，都 到错误信息。 会使得接收端解调后的数据不可避免地出现差 2.2检错重发(ARQ) 错。在设计数字通信系统时，并考虑了合理的调 AQ法在接收端收到的信码中检测到的错 制制度、解调方法以及发射功率后，在发送数据 误，即通知发送端重发直到正确接收为止。其优 时必须采用一定的差错控制来确保数据可靠的 点是：使用的多余码元很少就获得极低的输出误 传输及确保系统稳定可靠运行。 码率：使用的检错码基本与信道的差错统计特性 作为电力线这一特殊的通信信道，在降低误 无关：成本与复杂性低。 码率方面，应通过对信道特性及设计要求来选择 在电力线通讯中采用的数据差错控制协议 合适的差错控制方式。基于电力线信道的复杂性 以ARQ差错控制方式为佳。其优点是能保障信 和其特性的时变性，可以将加性干扰噪声的时变 息流通量比率，自动调节通道性能，数据传送率 线形滤波电路作为低压电力线的基本参考模型。 也可通过接受端的信噪比电平来进行改变习。 从差错控制角度看，信道按加性干扰引起的 3主从式半双工异步通讯中的差错 错码分布规律分为随机信道、突发信道和混合信 道。随机信道中，错码出现是随机的，且错码之 控制 间是统计独立的，如由正态分布白噪声引起的错 笔者设计的一个基于电力线载波通讯的主从 码就具有这种特性：突发信道中，错码是成串集 式多机通讯的控制系统中，终端采用8位的8051 中出现的，即在一些短促的时间区间内会出现大 单片机来控制数据的传输和对设备的控制，主机 量的错码，而在短促的时间段之间存在较长的无 采用P℃机。控制系统主要是用来控制设备的启 错码区间。产生突发错码的两大原因是：脉冲干 动，当操作人员使用密码（或IC)要求操作设备 扰和信道的信号衰落现象：混合信道就是前两种 时，单片机就必须与主机进行联系，由主机对此进 信道的综合。在电力线信道数据传输中主要是 行判别并授权是否可以操作。系统利用单片机的 考虑脉冲干扰，为了可靠传递数据，可以依靠重 多机通讯功能实现和主机半双工异步串行通讯， 发机制或者前向纠错机制。 终端的8051单片机的串行通讯方式是方式3，采 在通讯中最常采用的两种差错控制方式是 用11位数据帧，系统采用轮询介质访问协议，终 前向纠错(FEC和检错重发(ARQ)。 端在得到主机的询问后，将采集到的数据交与主 2.1前向纠错(FEC) 机处理，且要得到主机的答复结果后才对所控制 FEC方式在发端将数据信息按一定规则附 的设备处理，系统对实时性的要求不严格。单片 加多余码元，组成具有纠错能力的码，接收端不 机特别是传统的8位机，如MCS51系列，不适合 仅能在收到的码中发现错码还能纠错。此种方 过于复杂的控制，加上电力线的干扰时变性，难以 式的优点是：不需要反馈信道，能用于单向通信， 选择适合的纠错码。采用FEC方式，不仅得不到 因而适合一点发多点接收的同播系统。译码迟 可靠的实时性还有可能使系统的设备误操作。笔 延固定，较适合实时传输系统。对于以某些基于 者设计的这个电力线载波通讯控制系统的点对点 电力线载波技术的系统来说，在没有反馈通路 的通讯过程中采用了一种混合AQ方式。 下，又能克服线路上的干扰，避免重复发送而延 ARQ(Automatic Repeat Request),是一种肯定 误时间，此种方式确实比较适合。 的确认协议，也称作自动请求重传。保证信道传 但是，这种方式的缺憾是译码设备比较复 输质量可靠，发送方必须在发送后要得到接收方 杂，且所琳的纠错码光须点使用信道的特性相nic Pub的确认才可以进行下步香则就必须行熏kin
度大小不等, 随机出现, 但其能量高、宽频谱的特 性, 使所传送数据的若干位甚至整个数据传输过 程发生错误。在一个完善的通信系统中, 必须采 用有效的方法对脉冲干扰加以控制。 2 差错控制方式 无论何种信道, 由于衰减和失真, 特别是由 于各种自然和人为的或其它意想不到的干扰, 都 会使得接收端解调后的数据不可避免地出现差 错。在设计数字通信系统时, 并考虑了合理的调 制制度、解调方法以及发射功率后, 在发送数据 时必须采用一定的差错控制来确保数据可靠的 传输及确保系统稳定可靠运行。 作为电力线这一特殊的通信信道, 在降低误 码率方面, 应通过对信道特性及设计要求来选择 合适的差错控制方式。基于电力线信道的复杂性 和其特性的时变性, 可以将加性干扰噪声的时变 线形滤波电路作为低压电力线的基本参考模型。 从差错控制角度看, 信道按加性干扰引起的 错码分布规律分为随机信道、突发信道和混合信 道。随机信道中, 错码出现是随机的, 且错码之 间是统计独立的, 如由正态分布白噪声引起的错 码就具有这种特性; 突发信道中, 错码是成串集 中出现的, 即在一些短促的时间区间内会出现大 量的错码, 而在短促的时间段之间存在较长的无 错码区间。产生突发错码的两大原因是: 脉冲干 扰和信道的信号衰落现象; 混合信道就是前两种 信道的综合。在电力线信道数据传输中主要是 考虑脉冲干扰, 为了可靠传递数据, 可以依靠重 发机制或者前向纠错机制。 在通讯中最常采用的两种差错控制方式是 前向纠错(FEC) 和检错重发(ARQ) 。 2. 1 前向纠错( FEC) FEC 方式在发端将数据信息按一定规则附 加多余码元, 组成具有纠错能力的码, 接收端不 仅能在收到的码中发现错码还能纠错。此种方 式的优点是: 不需要反馈信道, 能用于单向通信, 因而适合一点发多点接收的同播系统。译码迟 延固定, 较适合实时传输系统。对于以某些基于 电力线载波技术的系统来说, 在没有反馈通路 下, 又能克服线路上的干扰, 避免重复发送而延 误时间, 此种方式确实比较适合。 但是, 这种方式的缺憾是译码设备比较复 杂, 且所选的纠错码必须与使用信道的特性相一 致, 否则最终误码率难以达到要求。电力线上的 干扰脉冲持续虽然短, 但能量集中, 频谱宽, 能影 响若干个位甚至十几个位。为了纠错比较多的 误码, 就需附加很多的多余码元, 这就使得传输 效率低下。此外, 由于电力线的时变性, 难以测 定数据通信信道的差错统计特性。当系统的信 道产生的差错超过所能纠错的能力, 接收端将收 到错误信息。 2. 2 检错重发( ARQ) ARQ 法在接收端收到的信码中检测到的错 误, 即通知发送端重发直到正确接收为止。其优 点是: 使用的多余码元很少就获得极低的输出误 码率; 使用的检错码基本与信道的差错统计特性 无关; 成本与复杂性低。 在电力线通讯中采用的数据差错控制协议 以ARQ 差错控制方式为佳。其优点是能保障信 息流通量比率, 自动调节通道性能, 数据传送率 也可通过接受端的信噪比电平来进行改变 [ 2] 。 3 主从式半双工异步通讯中的差错 控制 笔者设计的一个基于电力线载波通讯的主从 式多机通讯的控制系统中, 终端采用 8 位的 8051 单片机来控制数据的传输和对设备的控制, 主机 采用PC 机。控制系统主要是用来控制设备的启 动, 当操作人员使用密码( 或 IC 卡) 要求操作设备 时, 单片机就必须与主机进行联系, 由主机对此进 行判别并授权是否可以操作。系统利用单片机的 多机通讯功能实现和主机半双工异步串行通讯, 终端的8051 单片机的串行通讯方式是方式 3, 采 用11 位数据帧, 系统采用轮询介质访问协议, 终 端在得到主机的询问后, 将采集到的数据交与主 机处理, 且要得到主机的答复结果后才对所控制 的设备处理, 系统对实时性的要求不严格。单片 机特别是传统的 8 位机, 如 MCS_51 系列, 不适合 过于复杂的控制, 加上电力线的干扰时变性, 难以 选择适合的纠错码。采用 FEC 方式, 不仅得不到 可靠的实时性还有可能使系统的设备误操作。笔 者设计的这个电力线载波通讯控制系统的点对点 的通讯过程中采用了一种混合ARQ 方式。 ARQ( Automatic Repeat Request) , 是一种肯定 的确认协议, 也称作自动请求重传。保证信道传 输质量可靠, 发送方必须在发送后要得到接收方 的确认才可以进行下步, 否则就必须进行重 172 江 西 科 学 2002 年第 20 卷
第3期 涂志群：基于电力线通讯的数据差错控制方式的应用 ·173· 传)。ARQ差错控制一般分为停止_等待ARQ 控制和连续AQ控制以及混合式。 3.1停止等待ARQ协议 停止等待协议适合半双工传输，协议简单。 即每发送一个数据帧，就必须等待接收方的确认 时间 后才发送下个数据。每次发送都需要等待，发送 数据多时，则总体等待时间长，效率比较低。 图2混合ARQ示意图 3.2连续ARQ协议 从本系统的数据链路层的帧结构和长度考虑，这 连续ARQ协议，就是在发送完一个数据帧 种混合式ARQ协议较为合适。(I)作为主从式 后，不是停下来等待应答帧，而是继续发送若干 多机通讯的帧格式是11位的无校验位的数据 数据帧。如果这时接受到了接收端发来的应答 帧，连续ARQ的方式对这种帧不太适合；(2)11 帧，那么还可以继续发送下去。减少了等待时 位的数据帧短小，采用单字节传送的停止等待方 间，整个通信的吞吐量提高了。 式，每发送一帧就要等待确认，效率低下。连续 连续ARQ协议，适合全双工串行通信，数据 发送可以提高数据传送效率，使系统能快速反 帧必须编号。其工作原理如图1。当A点向B 应。(3)可以采用某种校验码附在若干帧后，作 点发送数据时，A发送完0号帧后，继续发送后 为一次传送若干数据帧后的数据核对，便于接收 续的1号、2号帧等。如2号帧出错，B发回否认 方确认，免去了为每个帧带上检错码的工作。 帧NAK2,A收到NAK2时，正在发出4号帧，应在 (4)作为一个异步半双工传送方式，两方面不能 发完4号帧后，返回从2号帧重新发送。所以连 同时进行发送接受，在一方传送完数据时必须要 续ARQ又称为Go_Back N ARQ。 等待确认应答，对于要求全双工的连续AQ在 此难以发挥作用。总之，此方式对系统的非严格 0123423 4 的实时控制较为适合，而且具备连续ARQ的效 率与停止等待的半双工方式的特点。 4结论 ACKO ACK1 ACK2 ACK2 ACK3ACK4 主从式通讯的控制系统设计时应采用这种 时间 混合ARQ方法，在设备成本和技术复杂性方面 图1连续ARO协议示意图 比FEC效果较好。虽然实时性可能不如FEC控 3.3混合式ARQ协议 制方式，但是对系统的运行要求却有较为可靠的 混合式ARQ协议，在单片机多机通讯的方 保证。 式基础上，充分利用上述两种协议的长处。协议 要点是指连续发送事先约定好的几个数据帧，接 参考文献： 收端接收数据后，通过核对检验后，如果确认接 [刂周亚联.电力线载波通信技术问答M.北京：水利 收的数据出错，即通知发送方将出错的几个帧再 电力出版社，1986. 次一起传送，工作方式如图2。电力线上发送的 [2]黄荣辉，周明天，曾家智.电力线通讯技术研究述评 帧应适合线路上的脉冲时间间隔，应采取比较小 [J.计算机科学，2000,27(485-89. 的数据帧，187个字节较适合☑，所以协议中一次 [3)郭梯云，刘增基，詹道庸，等.数据传输[M.北京： 发送的帧个数应有所限制。 人民邮电出版社，1998. 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.ne
传[ 3] 。ARQ 差错控制一般分为停止_等待 ARQ 控制和连续ARQ 控制以及混合式。 3. 1 停止等待 ARQ 协议 停止等待协议适合半双工传输, 协议简单。 即每发送一个数据帧, 就必须等待接收方的确认 后才发送下个数据。每次发送都需要等待, 发送 数据多时, 则总体等待时间长, 效率比较低。 3. 2 连续 ARQ 协议 连续ARQ 协议, 就是在发送完一个数据帧 后, 不是停下来等待应答帧, 而是继续发送若干 数据帧。如果这时接受到了接收端发来的应答 帧, 那么还可以继续发送下去。减少了等待时 间, 整个通信的吞吐量提高了。 连续ARQ 协议, 适合全双工串行通信, 数据 帧必须编号。其工作原理如图 1。当 A 点向 B 点发送数据时, A 发送完 0 号帧后, 继续发送后 续的 1 号、2 号帧等。如 2 号帧出错, B 发回否认 帧NAK2,A 收到NAK2 时, 正在发出4 号帧, 应在 发完 4 号帧后, 返回从 2 号帧重新发送。所以连 续ARQ 又称为Go_Back_N ARQ。 3. 3 混合式ARQ 协议 混合式 ARQ 协议, 在单片机多机通讯的方 式基础上, 充分利用上述两种协议的长处。协议 要点是指连续发送事先约定好的几个数据帧, 接 收端接收数据后, 通过核对检验后, 如果确认接 收的数据出错, 即通知发送方将出错的几个帧再 次一起传送, 工作方式如图 2。电力线上发送的 帧应适合线路上的脉冲时间间隔, 应采取比较小 的数据帧, 187 个字节较适合[ 2] , 所以协议中一次 发送的帧个数应有所限制。 从本系统的数据链路层的帧结构和长度考虑, 这 种混合式 ARQ 协议较为合适。( 1) 作为主从式 多机通讯的帧格式是 11 位的无校验位的数据 帧, 连续 ARQ 的方式对这种帧不太适合; ( 2) 11 位的数据帧短小, 采用单字节传送的停止等待方 式, 每发送一帧就要等待确认, 效率低下。连续 发送可以提高数据传送效率, 使系统能快速反 应。( 3) 可以采用某种校验码附在若干帧后, 作 为一次传送若干数据帧后的数据核对, 便于接收 方确认, 免去了为每个帧带上检错码的工作。 ( 4) 作为一个异步半双工传送方式, 两方面不能 同时进行发送接受, 在一方传送完数据时必须要 等待确认应答, 对于要求全双工的连续 ARQ 在 此难以发挥作用。总之, 此方式对系统的非严格 的实时控制较为适合, 而且具备连续 ARQ 的效 率与停止等待的半双工方式的特点。 4 结论 主从式通讯的控制系统设计时应采用这种 混合ARQ 方法, 在设备成本和技术复杂性方面 比FEC 效果较好。虽然实时性可能不如 FEC 控 制方式, 但是对系统的运行要求却有较为可靠的 保证。 参考文献: [ 1] 周亚联. 电力线载波通信技术问答[ M] . 北京: 水利 电力出版社, 1986. [ 2] 黄荣辉, 周明天, 曾家智. 电力线通讯技术研究述评 [J] . 计算机科学, 2000, 27( 4) 85- 89. [ 3] 郭梯云, 刘增基, 詹道庸, 等. 数据传输[ M] . 北京: 人民邮电出版社, 1998. 第 3 期 涂志群: 基于电力线通讯的数据差错控制方式的应用 173