Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thong tin trên đường

Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và có sự hƣớng dẫn của Ts.
Phạm Văn Bình, đƣợc xuất phát từ yêu cầu phát sinh trong công việc để hình thành
hƣớng nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng
nguyên tắc và kết quả đƣợc trình bày trong luận văn thu đƣợc trong quá trình nghiên
cứu là trung thực chƣa từng đƣợc ai công bố.
Hà Nội, tháng 10 năm 2013
Tác giả luận văn
Trần Thị Nhài

1


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ truyền tin trên đƣờng dây điện lực (Power Line Communication –
PLC) đã đƣợc thực hiện từ khá lâu ở một số nƣớc trên thế giới. Ở Việt Nam, công
nghệ này mới đƣợc áp dụng và kết quả đạt đƣợc chƣa cao, mới chỉ dừng lại ở mức
truyền dữ liệu đo đạc trong nghành điện. Sở dĩ nhƣ vậy là do mạng lƣới điện nƣớc
ta ban đầu đƣợc thiết kế không phải cho mục đích truyền thông, chất lƣợng đƣờng
dây kém, thiếu tính quy chuẩn.
Đề tài của em là “nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng
thông tin trên đƣờng dây hạ thế (Power Line Communication – PLC)”. Dƣới sự dẫn
dắt và chỉ bảo phƣơng hƣớng thực hiện công việc một cách tận tình của thầy hƣớng
dẫn, em đã tiến hành nghiên cứu lớp MAC của mạng PLC, rồi từ đó tham khảo cách
thức xây dựng lớp MAC của dự án Linky – một dự án nhằm triển khai mạng điện

kế thông minh của Pháp, sau đó em tiến hành mô phỏng mạng nhằm tối ƣu các
thông số và đề xuất giới hạn hoạt động của mạng.
Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Phạm Văn Bình – Trƣởng bộ
môn mạch và xử lý tín hiệu – Khoa Điện Tử Viễn Thông – Đại Học Bách Khoa Hà
Nội. Trong quá trình làm luận văn, em đã đƣợc TS. Phạm Văn Bình tận tình giúp đỡ
và quan tâm, cũng nhƣ cung cấp các tài liệu quý để em hoàn thành luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể giảng viên Khoa Điện Tử Viễn
Thông – ĐH Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức
nền tảng trong suốt quá trình học tập trong Khoa.

2


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

TÓM TẮT
Hiện nay lĩnh vực truyền thông đang rất phát triển, ngoài các phƣơng tiện
truyền dẫn nhƣ cáp quang, cáp đồng trục, wireless thì việc sử dụng dây tải điện
cũng là một phƣơng tiện truyền dẫn không kém phần hiệu quả. Công nghệ truyền
thông PLC (Power Line Communication) là công nghệ sử dụng mạng lƣới đƣờng
dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí
đầu tƣ. Tuy trên thế giới, công nghệ này đã có từ lâu nhƣng ở Việt Nam còn khá
mới và các ứng dụng mới chỉ dừng lại ở mức rất khiêm tốn.
Nhiệm vụ của em là nghiên cứu giao thức lớp MAC trong mạng truyền thông
PLC với ứng dụng là đo lƣờng, giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong công
nghiệp. Ứng dụng này yêu cầu một cách thức quản lý đơn giản, cho phép áp dụng
bảo mật, độ ổn định cao; trong điều kiện tốc độ bit thấp, kích thƣớc gói nhỏ, quy mô
mạng không lớn. Qua quá trình nghiên cứu rất nhiều mô hình mạng, em đã xây
dựng đƣợc một giao thức phù hợp với ứng dụng trên. Dựa trên kết quả mô phỏng

một mạng PLC đơn giản với giao thức đã xây dựng, Em đề nghị một cấu hình phù
hợp mang tính ổn định cao dựa trên các thông số về lớp vật lý, và yêu cầu từ lớp
ứng dụng.
Nghiên cứu này nếu đƣợc áp dụng sẽ cho phép việc quản lý các thiết bị,
đƣờng truyền. và các tiến trình truyền diễn ra thuận lợi. Nó có vai trò kết nối lớp
ứng dụng (đo lƣờng điện tử) và lớp vật lý (PLC), 2 module khác của dự án đo lƣờng
và điều khiển sử dụng đƣờng dây điện hạ áp.

3


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

SUMMARY
Nowadays, with the rapid development of the field of information
transmission, scientists are researching Power Line Communication (PLC) to make
use of the greatest existing network: the power line grid. This technology enables
information to travel through the low-voltage power line, thus saving much budget
on infrastructure. Although in Europe, especially in France, the system has been
widely deployed; in Vietnam, due to many setbacks, the application of PLC is very
limited.
Our goal is to research a Medium Access Control (MAC) protocol suit for
PLC-based network, with the specific applications of metering, monitoring and
controlling. Those applications require simple management methods, high security
and stability; providing a low-rate physical layer in Vietnam. After studying many
network models, I have built a MAC protocol suit that meets the requirement and is
tested in simulation. I have also proposed a configuration for this suit, which can be
used as reference for manufacturers or network service provider when designing
PLC networks for other purposes.

This research if applied would allow the management of devices, channels
and the secured transmission process. It will connect the researched physical layer
with the desired application of metering, monitoring and controlling: two others
modules of the Smart Grid project.

4


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.......................................................................................................... 3
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................ 8
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU................................................................................ 11
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. 12
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 14
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................ 15
1.1. Giới thiệu............................................................................................................ 15
1.2. Mô tả chung về mạng truy nhập PLC ................................................................ 18
1.2.1.Cấu trúc mạng PLC ...................................................................................... 18
1.2.2.Các phần tử của mạng PLC .......................................................................... 19
1.2.3.Topo mạng ................................................................................................... 22
1.2.4.Một số hạn chế trong việc truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực. ......... 23
CHƢƠNG 2. LỚP MAC TRONG MẠNG PLC .......................................................... 25
2.1. Tổng quan về lớp MAC ..................................................................................... 25
2.1.1. Nhiệm vụ của lớp MAC .............................................................................. 25
2.1.2.Các đặc điểm của lớp MAC ......................................................................... 26

2.1.3.Các yêu cầu đối với lớp MAC ..................................................................... 27
2.2.Các giao thức cơ sở lớp MAC............................................................................. 28
2.2.1.Giao thức cạnh tranh .................................................................................... 31
2.2.1.1.Giao thức Aloha .................................................................................... 31
2.2.1.2.Các cơ chế giải quyết xung đột ............................................................. 33
2.2.1.3.Họ giao thức CSMA.............................................................................. 36
2.2.1.4.Giao thức ISMA .................................................................................... 43
2.2.2.Giao thức phán xử ........................................................................................ 44
2.2.2.1.Giao thức Token-passing ...................................................................... 44
5


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

2.2.2.2.Giao thức Polling .................................................................................. 46
2.2.2.3.Giao thức lai ghép ................................................................................. 47
2.2.2.4.Giao thức Reservation ........................................................................... 48
2.2.3.Bảng so sánh các giao thức .......................................................................... 49
2.3.Kết luận chƣơng .................................................................................................. 52
CHƢƠNG 3.` ỨNG DỤNG LỚP MAC TRONG DỰ ÁN LINKY. ............................ 53
3.1.Giới thiệu dự án................................................................................................... 53
3.2.Chức năng lớp MAC trong dự án........................................................................ 53
3.3.Các loại khung trong lớp MAC ........................................................................... 54
3.3.1. Định dạng khung MAC chung .................................................................... 54
3.3.2.Khung Beacon .............................................................................................. 59
3.3.3.Khung Data .................................................................................................. 63
3.3.4.Khung Acknowledgment ............................................................................. 64
3.3.5.Các khung MAC Command ......................................................................... 64
3.4.Các tiến trình thời gian. ....................................................................................... 75

3.4.1.Khởi tạo một mạng PAN.............................................................................. 75
3.4.2.Thực hiện quét kênh Active Scan ................................................................ 77
3.4.3.Thiết bị gia nhập mạng PAN........................................................................ 79
3.4.4.Truyền Data. ................................................................................................. 80
3.4.5.Đánh giá chất lƣợng kênh truyền. ................................................................ 82
3.4.6.Thiết bị rời khỏi mạng PAN......................................................................... 85
3.5.Truy nhập kênh và mức ƣu tiên. ......................................................................... 87
3.5.1.Truy nhập kênh sử dụng thuật toán CSMA-CA .......................................... 87
3.5.2.Mức ƣu tiên .................................................................................................. 89
3.6.Hằng số và các thuộc tính PIB của lớp MAC ..................................................... 89
3.6.1.Các hằng số lớp MAC .................................................................................. 89
3.6.2.Các thuộc tính PIB lớp MAC ....................................................................... 90
3.7.Kết luận chƣơng .................................................................................................. 93
CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG ........................................................................................... 94

6


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

4.1.Bài toán mô phỏng .............................................................................................. 94
4.1.1.Mục đích....................................................................................................... 94
4.1.2.Điều kiện ban đầu......................................................................................... 94
4.1.3.Các tiêu chí khi đánh giá một mẫu mô phỏng.............................................. 95
4.2.Mô phỏng PLC trên NS2 .................................................................................... 95
4.2.1.Kịch bản 1: khởi động Coordinator và tạo PAN .......................................... 96
4.2.2.Kịch bản 2: hoạt động Active Scan .............................................................. 97
4.2.3.Kịch bản 3: khởi động thiết bị.................................................................... 100
4.2.4.Kịch bản 4: tiến trình gia nhập mạng ......................................................... 101

4.2.5.Kịch bản 5: tiến trình ra khỏi mạng ........................................................... 106
4.2.6.Kết quả thu đƣợc ........................................................................................ 108
4.3.Tối ƣu đề nghị ................................................................................................... 112
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 114
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 151

7


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Truyền thông tin qua đƣờng dây điện ........................................................... 16
Hình 1.2. Cấu trúc một mạng truy nhập PLC ............................................................... 18
Hình 1.3. Cấu trúc mạng PLC trong nhà....................................................................... 19
Hình 1.4. Mạng PLC sử dụng trạm lặp ......................................................................... 20
Hình 1.5. Thuê bao PLC kết nối trực tiếp. .................................................................... 21
Hình 1.6. Thuê bao PLC kết nối gián tiếp thông qua PLC gateway. ............................ 21
Hình 1.7. Gateway trong mạng truy nhập PLC............................................................ 21
Hình 1.8. Clustered Star topology ................................................................................ 22
Hình 1.9. Star topology ................................................................................................. 23
Hình 2.2. Các nhân tố tác động lên lớp MAC và các giao thức của nó. ....................... 27
Hình 2.3. Cấu trúc lớp MAC ......................................................................................... 28
Hình 2.4. Phân lớp trong giao thức MAC với cơ chế truy nhập động .......................... 30
Hình 2.5. Lƣợc đồ thời gian của giao thức ALOHA .................................................... 32
Hình 2.6. Hiệu năng của mạng khi sử dụng giao thức ALOHA ................................... 32
Hình 2.7. Lƣợc đồ thời gian của giao thức Slotted ALOHA ........................................ 33
Hình 2.8: Nguyên lý của cơ chế Dynamic backoff. ...................................................... 34

Hình 2.9: Ví dụ thuật toán chia tách. ............................................................................ 36
Hình 2.10: Biểu đồ luồng của giao thức Nonpersistent CSMA .................................... 37
Hình 2.11: Biểu đồ luồng của giao thức p-Persistent CSMA ....................................... 38
Hình 2.12: Biểu đồ luồng của giao thức 1-Persistent CSMA ....................................... 39
Hình 2.13: Biểu đồ thời gian của giao thức CSMA ...................................................... 40
Hình 2.14: Hiệu năng của mạng với các giao thức CSMA khác nhau ......................... 41
Hình 2.15: Hiện tƣợng ẩn thiết bị trong mạng PLC. ..................................................... 42
Hình 2.16: Biểu đồ luồng của giao thức Token-passing. .............................................. 44
Hình 2.17: Nguyên lý hoạt động của giao thức Token-ring. ........................................ 45
Hình 2.18: Biểu đồ luồng của giao thức Polling. .......................................................... 46
Hình 3.1 : Định dạng khung MAC chung ..................................................................... 54
8


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

Hình 3.2: Định dạng trƣờng Frame Control.................................................................. 56
Hình 3.3: Thực hiện FCS .............................................................................................. 59
Hình 3.4: Định dạng khung Beacon. ............................................................................. 59
Hình 3.5: Định dạng trƣờng thông tin GTS. ................................................................. 60
Hình 3.6: Định dạng trƣờng thông tin Pending address................................................ 60
Hình 3.7: Định dạng trƣờng Superframe Specification ................................................ 61
Hình 3.8: Định dạng trƣờng GTS Specification ........................................................... 62
Hình 3.9 : Định dạng trƣờng GTS Descriptor............................................................... 62
Hình 3.10: Định dạng trƣờng Pending Address Specification ...................................... 62
Hình 3.11: Định dạng khung Data ................................................................................ 63
Hình 3.12: Định dạng khung Acknowledgment ........................................................... 64
Hình 3.13: Định dạng khung MAC Command ............................................................. 65
Hình 3.14: Định dạng lệnh yêu cầu beacon .................................................................. 67

Hình 3.15: Khung lệnh Tone Map Response ................................................................ 67
Hình 3.16: Định dạng lệnh yêu cầu kết nối.................................................................. 70
Hình 3.17: Định dạng trƣờng Capability Information .................................................. 71
Hình 3.18: Định dạng khung lệnh Associaion Response .............................................. 72
Hình 3.19: Định dạng khung Disassociation Notificaion Command ........................... 73
Hình 3.20: Định dạng khung lệnh yêu cầu data. ........................................................... 74
Hình 3.21: Chuỗi bản tin bắt đầu 1 PAN của một Coordinator. ................................... 75
Hình 3.22: Chuỗi bản tin Active Scan .......................................................................... 77
Hình 3.23: Chuỗi bản tin xin gia nhập mạng PAN. ...................................................... 79
Hình 3.24: Chuỗi bản tin truyền Data. .......................................................................... 81
Hình 3.25: Chuỗi bản tin đánh giá chất lƣợng kênh truyền .......................................... 83
Hình 3.26: Tiến trình thiết bị rời khỏi PAN (do Coordinator) ...................................... 86
Hình 3.28: Tiến trình thiết bị rời khỏi PAN (do thiết bị) .............................................. 86
Hình 3.29: Thuật toán CSMA-CA. ............................................................................... 88
Hình 4.1: Lƣu đồ thuật toán tiến trình khởi tạo PAN ................................................... 96
Hình 4.2: Lƣu đồ thuật toán tiến trình Active Scan. ..................................................... 98

9


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

Hình 4.3: Lƣu đồ thuật toán của tiến trình nút khi nhận đƣợc Beacon Request ........... 99
Hình 4.4: Lƣu đồ thuật toán khởi động thiết bị........................................................... 100
Hình 4.5: Lƣu đồ thuật toán tiến trình bên thiết bị muốn gia nhập mạng ................... 102
Hình 4.6: Lƣu đồ thuật toán tiến trình gia nhập mạng Coordinator............................ 104
Hình 4.7: Lƣu đồ thuật toán triến trình ra khỏi mạng ................................................. 106
Hình 4.8: Mô phỏng kịch bản 1 trên NS NAM ........................................................... 108
Hình 4.9: Đồ thị mất gói và trễ Backoff. .................................................................... 110

Hình 4.10: Đồ thị thông lƣợng của mạng.................................................................... 112

10


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Băng tần sử dụng cho PLC theo tiêu chuẩn châu Âu ................................... 17
Bảng 2.1: Bảng so sánh các giao thức cạnh tranh ......................................................... 49
Bảng 2.2: Bảng so sánh các giao thức phán xử............................................................. 51
Bảng 3.1: Các trƣờng trong Segment Control .............................................................. 55
Bảng 3.2: Giá trị của trƣờng Frame Type. .................................................................... 56
Bảng 3.3: Bảng giá trị Source Addressing Mode và Destination Addressing Mode.... 57
Bảng 3.4: Bảng giá trị của trƣờng Command Frame Identifier .................................... 66
Bảng 3.5: Tone Map Response payload........................................................................ 68
Bảng 3.6: Bảng giá trị của trƣờng Association Status .................................................. 73
Bảng 3.7: Bảng giá trị của trƣờng Disassociation Reason ............................................ 74
Bảng 3.8: Bảng Neighbor.............................................................................................. 84
Bảng 3.9: Bảng các thuộc tính IB phụ .......................................................................... 92
Bảng 3.10: Bảng ví dụ các thuộc tính MAC PIB với ID của chúng ............................. 93

11


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACK

Acknowledgment

ARQ

Automatic Repeat Request

ADP

Adaptation

BLE

Battery Life Extension

BE

Backoff Exponent

BS

Base Station

BSN

Beacon Sequence Number

CAP

Channel Access Priority

CRC

Cyclic Redundancy Check

CSMA-CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

CSMA-CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

COSEM

Companion Specification for Energy Metering

CFS

Carrier Frequency System

CW

Contention Window

DSN

Data Sequence Number

FCS

Frame Check Sequence

FFD

Full Function Device

GTS

Guaranteed Time Slot

ISF

Interframe Space

ISMA

Inhibit Sense Multiple Access

LIFS

Long Interframe Space

LLC

Logical Link Control

LQI

Link Quality Indication

MAC

Medium Access Control

MCPS

MAC Common Part Sublayer

MCPS-SAP

MAC Common Part Sublayer Service Access Point

MHR

MAC Header
12


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

MLME

MAC Sublayer Management Entity

MLME-SAP

MAC Sublayer Management Entity Service Access Point

MPDU

MAC Protocol Data Unit

MSDU

MAC Service Data Unit

NB

Number of Backoff

OSI

Open Systems Interconnection

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAN

Personal Area Network

PAN ID

PAN Identifier

PCS

Physical Carrier Sense

PD

Phy Data

PLC

Power Line Communication

PHY

Physical Layer

PIB

PAN Information Base

POS

Personal Operating Space

QoS

Quality of Service

RSC

Ripple Carrier Signalling

RFD

Reduced-Function Device

SNR

Sygnal-to-Noise-Ratio

TMR

Tone Map Response

TDMA

Time Division Multiple Access

13


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

PHẦN MỞ ĐẦU
Với nhan đề là “Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng
thông tin trên đƣờng dây hạ thế (Power Line Communication-PLC)”, Luận văn tập
trung chính vào nghiên cứu các đặc điểm của lớp MAC và các giao thức quản lý đa
truy nhập trong mạng rồi tham khảo cách thức xây dựng một lớp MAC của dự án
Linhky. Dựa trên kiến thức thu đƣợc, đồ án đƣa ra các kết quả mô phỏng một mạng
PLC đơn giản với cấu hình phù hợp.

Luận văn gồm tất cả bốn chƣơng.
Chƣơng 1: Chƣơng này cho ta một cái nhìn khái quát về mạng truy nhập
PLC. Đó là cấu trúc của mạng, các phần tử của mạng, topo mạng và một số hạn chế
trong việc thông tin trên đƣờng dây điện lực.
Chƣơng 2: Chƣơng này sẽ trình bày chi tiết về lớp MAC trong mạng PLC.
Từ việc tìm hiểu nhiệm vụ, đặc điểm và yêu cầu đối với lớp MAC, ta thấy đƣợc cần
phải nghiên cứu các giao thức cơ sở lớp MAC. Trọng tâm của chƣơng đề cập đến
các giao thức cơ sở này. Và để có một cái nhìn trực quan hơn, em đã so sánh các
giao thức này, từ đó dễ dàng lựa chọn đƣợc giao thức phù hợp với ứng dụng riêng
của từng hệ thống.
Chƣơng 3: Tìm hiểu về cách thức xây dựng lớp MAC trong dự án Linky, đây
là một dự án đã đi vào thực tế của điện lực Pháp, với ứng dụng điện kế điện tử. Dự
án này rất gần với hƣớng đi ứng dụng của đồ án là đo lƣờng, giám sát, và điều khiển
các thiết bị điện trong công nghiệp. Ở đây em sẽ trình bày một cách tổng hợp các
kết quả thu đƣợc của dự án, tập trung vào cấu trúc khung, giao thức đa truy nhập và
quản lý trong lớp MAC.
Chƣơng 4: Chƣơng này em sử dụng NS2 để mô phỏng một mạng PLC đơn
giản với giao thức lớp MAC đƣợc tham khảo ở chƣơng 3. Sau khi mô phỏng em tối
ƣu các thông số để đƣa ra một cấu hình mạng phù hợp.

14


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

Giới thiệu

Hiện nay lĩnh vực truyền thông đang rất phát triển, ngoài các phƣơng tiện

truyền dẫn nhƣ cáp quang, cáp đồng trục, wireless thì việc sử dụng dây tải điện
cũng là một phƣơng tiện truyền dẫn không kém phần hiệu quả. Công nghệ truyền
thông PLC (Power Line Communication) là công nghệ sử dụng mạng lƣới đƣờng
dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí
đầu tƣ. Với công nghệ này mỗi hộ sử dụng đều có thể kết nối ở bất kỳ thời điểm nào
và các dịch vụ đƣợc cung cấp dƣới dạng thời gian thực, tính kinh tế cao thể hiện ở
chỗ nó tận dụng đƣợc cơ sở hạ tầng sẵn có là đƣờng dây điện lực. Công nghệ này
tuy còn mới mẻ với khách hàng nhƣng thực ra đã đƣợc sử dụng từ đầu thế kỷ 20,
cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành Điện. Nghiên cứu ban đầu tập
trung nhằm cung cấp các dịch vụ liên quan đến phân phối điện nhƣ quản lý tải, giá
trị máy đo, quản lý thuế. Ví dụ nhƣ hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử
dụng máy phát 10W để truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đƣờng dây cao thế với
khoảng cách lên tới 500km, hay hệ thống RSC (Ripple Carrier Signalling) sử dụng
trong quản lý tải của hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hay hiện nay,
công nghệ PLC đƣợc sử dụng cho các ứng dụng trong nhà nhƣ hệ thống giám sát,
cảnh báo, tự động hóa, điều khiển từ xa và căn hộ thông minh... Các dịch vụ giá trị
gia tăng này đã mở ra các thị trƣờng mới cho các dịch vụ điện năng và do đó gia
tăng lợi nhuận. Trong những năm qua việc sử dụng Internet gia tăng, nếu có thể
cung cấp phƣơng tiện truyền thông mạng qua đƣờng dây điện kiểu này thì các nhà
cung cấp điện cũng có thể trở thành các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông, một thị
trƣờng đang phát triển nhanh chóng. Hiện nay các ứng dụng liên quan đến điện có
tốc độ bit thấp và không cần ứng dụng thời gian thực, trong khi đó truyền thông
mạng đòi hỏi tốc độ bit cao và trong một số trƣờng hợp cần phải có phản hồi thời
gian thực ( nhƣ Video và TV). Điều này khiến cho việc thiết kế hệ thống truyền

15

Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

thông trở nên phức tạp nhƣng cũng là mục tiêu của nhiều nhà nghiên cứu trong
những năm qua.

Hình 1.1. Truyền thông tin qua đƣờng dây điện
Hình 1.1 cho thấy để có thể truyền thông tin qua đƣờng dây điện cần phải có
các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem này có chức năng biến đổi tín hiệu
từ các thiết bị viễn thông nhƣ máy tính, điện thoại sang một định dạng phù hợp để
truyền qua dây dẫn điện.
Tùy vào phân cấp mạng truyền tải điện mà có các ứng dụng truyền thông
PLC tƣơng ứng. Mạng truyền tải cung cấp điện đƣợc phân thành các cấp độ tùy
thuộc từng quốc gia, nhƣng cơ bản có ba cấp độ sau:
-

Lƣới điện cao thế (110-500kV): kết nối các nhà máy điện với các khách hàng
lớn, các khu vực tiêu thụ điện năng với đƣờng truyền tải dài từ vài chục đến vài
trăm kilomet.

-

Lƣới điện trung thế (10-30kV): cung cấp cho các khu dân cƣ rộng, các khu công
nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài chục
kilomet.

-

Lƣới điện hạ thế (110-380V): cung cấp điện năng cho các khách hàng là các hộ
gia đình , cơ quan, trƣờng học.. với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm mét

đến vài kilomet. Hệ thống lƣới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do
vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng lƣới hạ thế rất có
tiềm năng.
16


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

Tuy nhiên, do mạng lƣới truyền tải điện không đƣợc thiết kế với mục đích để
truyền tải thông tin, nên nó không phải là đƣờng truyền vật lý lý tƣởng để truyền
thông tin. Kênh truyền PLC qua đƣờng dây điện có đặc tính là phụ thuộc tần số,
thay đổi theo thời gian của các yếu tố ảnh hƣởng (tải, vị trí, nhiễu và phadinh..).
Theo tiêu chuẩn châu Âu (Cenelec EN50065), băng tần cho truyền thông PLC đƣợc
phân chia nhƣ bảng 1.1.
Bảng 1.1. Băng tần sử dụng cho PLC theo tiêu chuẩn châu Âu
Band

Frequency range

Max transmission

(kHz)

amplitude (V)

User dedication

A

9-95

10

Utilities

B

95-125

1.2

Home

C

125-140

1.2

Home

Theo tiêu chuẩn này, băng tần dành cho truyền thông PLC chỉ đáp ứng đƣợc
việc truyền một vài kênh thoại hoặc dữ liệu đến vài chục Kbit/s. Tốc độ dữ liệu thấp
này chỉ phù hợp với các ứng dụng đo đạc trong ngành Điện (quản lý tải cho mạng
điện, truyền dữ liệu đo đếm công tơ..) chứ không phù hợp với các ứng dụng viễn
thông yêu cầu tốc độ cao (trên 2Mbit/s). Để có khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao,
phổ tần dành cho PLC phải là băng tần rộng (lên đến 30MHz). Đến nay chƣa có
một tiêu chuẩn nào quy định băng tần cho công nghệ PLC ngoài tiêu chuẩn
Cenelec.



PLC băng hẹp hoạt động trong băng tần theo quy định của Cenelec ở trên,

ứng dụng trong các lĩnh vực liên quan đến quản lý điện năng (bảo vệ khoảng cách,
truyền dữ liệu đo đếm công tơ, quản lý công suất..) và tự động hóa trong gia dụng
(điều khiển các thiết bị điện nhƣ đèn chiếu sáng, điều hòa, cửa.., giám sát an ninh
nhƣ cảnh báo khói, đột nhập..). Khoảng cách tối đa giữa hai modem PLC khoảng
1km với các ứng dụng gia dụng và 100km với quản lý điện năng (sử dụng các
máy thu phát công suất cao 10-80W). PLC băng hẹp sử dụng kỹ thuật điều chế

17


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

ASK, BPSK, FSK và OFDM. Tuy nhiên, kỹ thuật điều chế khóa dịch biên FSK
đƣợc sử dụng phổ biến hơn cả.


PLC băng rộng có khả năng truyền dữ liệu lên đến 2Mbps khi sử dụng lƣới

điện trung và hạ thế (outdoor), và 12Mbps khi sử dụng lƣới điện trong nhà. Một
số nhà sản xuất đã phát triển đƣợc những thiết bị có khả năng truyền dữ liệu lên
đến 40Mbps. Do vậy, ứng dụng của PLC băng rộng là cung cấp các giải pháp truy
nhập kết nối các mạng LAN giữa các toà nhà, kết nối các trạm thu phát vô tuyến
với mạng đƣờng trục. Trái với PLC băng hẹp, hiện chƣa có tiêu chuẩn chung cụ
thể nào cho PLC băng rộng.
1.2.

Mô tả chung về mạng truy nhập PLC

1.2.1. Cấu trúc mạng PLC
Mạng truy nhập PLC dựa trên mạng lƣới truyền tải và cung cấp điện hạ thế
(lƣới hạ thế kết nối với lƣới điện trung thế và cao thế thông qua các máy biến áp).
Có thể thấy trên hình 1.2, mạng truy nhập PLC có thể kết nối với mạng diện rộng
WAN thông qua các trạm gốc đặt tại vị trí các máy biến thế, còn các thuê bao PLC
kết nối với các trạm gốc thông qua các modem PLC đặt tại vị trí các công tơ đo đếm
điện hoặc ổ cắm điện trong nhà.

Hình 1.2. Cấu trúc một mạng truy nhập PLC

18


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

 Cấu trúc mạng PLC trong nhà
Mạng PLC trong nhà sử dụng mạng điện trong nhà làm phƣơng tiện truyền
dẫn, để kết nối các thiết bị sử dụng trong nhà nhƣ máy tính, điện thoại, máy in và
các thiết bị video, gọi là hệ thống mạng PLC LAN. Về cấu trúc, mạng PLC trong
nhà không khác nhiều so với cấu trúc mạng truy nhập PLC sử dụng lƣới điện hạ thế.
Trong cấu trúc này, có một trạm gốc PLC (BS) đặt tại vị trí công tơ điện để kết nối
với mạng PLC backbone. Các thiết bị trong nhà kết nối với trạm gốc thông qua các
modem PLC đặt tại các ổ cắm điện. Mạng PLC trong nhà không chỉ có thể kết nối
đến mạng truy nhập sử dụng công nghệ PLC mà còn có thể kết nối đến các mạng
truy nhập khác.

Hình 1.3. Cấu trúc mạng PLC trong nhà.
1.2.2. Các phần tử của mạng PLC
 Các phần tử mạng cơ bản
Chức năng cơ bản của các phần tử này là chuyển đổi và thu/phát tín hiệu từ
các thiết bị viễn thông sang dạng phù hợp để truyền trên đƣờng dây điện.
 Modem PLC: Là thiết bị đơn vị PLC, dùng để kết nối các thiết bị ngƣời sử
dụng (máy tính, điện thoại…) với đƣờng dây điện. Modem PLC ngoài chức năng
chuyển đổi tín hiệu, còn có vai trò là bộ phối hợp trở kháng, bộ lọc tách tín hiệu
điện (tần số 50 hoặc 60Hz) và tín hiệu thông tin (tần số trên 9kHz). Modem PLC
19


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

không chỉ thực hiện tất cả các chức năng lớp vật lý (Physical layer) nhƣ mã hoá,
điều chế mà còn thực hiện các chức năng lớp Data link (MAC và LLC) trong mô
hình tham chiếu OSI .
 Trạm gốc PLC: Là nút trung tâm nắm quyền kiểm soát cả mạng PLC, làm
nhiệm vụ tập trung lƣu lƣợng tải lên và tải xuống từ/tới tất cả các modem PLC trong
cell của nó. Ngoài ra nó còn có chức năng kết nối mạng truy nhập PLC với mạng
backbone.
 Trạm lặp
Trong trƣờng hợp khoảng cách giữa các modem PLC với trạm gốc là rất xa,
cần sử dụng các bộ lặp tín hiệu (repeater). Các bộ lặp này có chức năng khuếch đại
tín hiệu.

Hình 1.4. Mạng PLC sử dụng trạm lặp
Nhìn hình 1.4 ta có thể thấy, sau mỗi trạm lặp, tín hiệu sẽ đƣợc truyền trên
một tần số mới. Tuy nhiên, băng tần dành cho PLC lại rất hạn chế (xấp xỉ 30MHz)

đòi hỏi việc quy hoạch trong sử dụng băng tần. Hơn nữa, khi tăng số trạm lặp,
băng thông giảm sẽ làm giảm dung lƣợng của mạng.
 PLC gateway
Các thuê bao PLC có thể kết nối vào mạng truy nhập PLC bằng hai cách:
-

Kết nối trực tiếp.

-

Kết nối gián tiếp qua PLC gateway.

20


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

Hình 1.5. Thuê bao PLC kết nối trực tiếp.

Hình 1.6. Thuê bao PLC kết nối gián tiếp thông qua PLC gateway.
Gateway dùng để phân chia mạng truy nhập PLC và mạng PLC trong nhà.
Nhƣ vậy, một mạng PLC có thể chia thành nhiều mạng nhỏ (PLC cell) sử dụng
cùng một đƣờng truyền vật lý (cùng cấp hạ áp, hình 1.6). Trong đó gateway G có
thể đóng hai vai trò. Gateway G là slave của trạm gốc trong mạng PLC, nó sẽ đƣợc
trạm gốc cấp phát tài nguyên mạng. Gateway G là master của PLC cell, nó sẽ phân
phối tài nguyên đã đƣợc cấp phát cho các modem PLC trong PLC cell của nó.
Ngoài ra gateway G cũng hoạt động nhƣ một bộ lặp PLC để chuyển đổi giữa các tần
số f1 và f2, f3 và f4.

Hình 1.7. Gateway trong mạng truy nhập PLC
21


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

Tƣơng tự nhƣ việc sử dụng repeater, sử dụng càng nhiều gateway, dung lƣợng
mạng PLC càng giảm.
1.2.3. Topo mạng
Topo mạng của mạng truy nhập PLC chính là topo của mạng lƣới điện hạ áp
đƣợc sử dụng là đƣờng truyền dẫn. Mạng lƣới này có topo vật lý dạng hình cây,
giống nhƣ topo Clustered Star.
RFD
RFD

RFD

RFD
PAN
coord
inator

FFD

FFD

RFD
RFD

RFD

RFD
FFD

FFD

RFD

RFD
RFD

RFD

Hình 1.8. Clustered Star topology
Hay đơn giản nhất là topo hình sao

22


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

RFD

RFD

FFD

PAN

coordinator

FFD

RFD
RFD

Hình 1.9. Star topology
Trong đó:
 PAN coordinator: là thiết bị đóng vai trò là Master của mạng, nắm quyền
kiểm soát toàn mạng, là nơi tập trung nguồn lƣu lƣợng tải từ/tới tất cả các thiết bị
trong mạng. Chỉ FFD mới đƣợc đóng vai trò là PAN coordinator. Do PAN
coordinator là thiết bị vô cùng quan trọng trong mạng, nếu nó bị hỏng thì toàn mạng
sẽ bị sập , vì vậy cần phải có thiết bị dự phòng.
 FFD (Full Function Device): là thiết bị có đầy đủ chức năng. Nó đóng vai trò
là một Coordinator của mạng (trạm gốc). Với mạng Clustered Star, FFD có thể là
PAN coordinator của mạng Clustered Star, nó cho phép các FFD khác ( nhƣ PLC
gateway) hoặc các RFD gia nhập mạng của nó. FFD đƣợc biết đến nhƣ là các
Router, chúng phải có đủ RAM để làm bộ đệm chứa các khung của các thiết bị gia
nhập mạng và chứa tất cả các bảng Routing và bảng Neighbor.
 RFD (Reduced Function Device): Các thiết bị này chỉ có thể đóng vai trò là
Slave trong mạng. RFD đƣợc biết đến nhƣ là các End Device.
1.2.4. Một số hạn chế trong việc truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực.
 Đƣờng dây điện lực giống nhƣ một anten lớn nhận các nhiễu và phát xạ tín
hiệu. Nhiễu và phát xạ từ đƣờng dây trong nhà các hộ dân cƣ là một vấn đề cần
23


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

đƣợc chú ý khắc phục bởi nếu các đƣờng dây này không đƣợc bọc bảo vệ tốt thì sẽ
phát xạ mạnh gây ảnh hƣởng đáng kể. Một giải pháp khắc phục là sử dụng các bộ
lọc chặn tín hiệu truyền thông.
 Việc phối hợp trở kháng trên đƣờng dây điện lực là rất khó khăn do đƣờng
dây điện lực có trở kháng đầu vào (hay đầu ra) thay đổi theo thời gian đối với tải và
vị trí khác nhau. Thêm vào dó một số trở kháng không phối hợp khác có thể xuất
hiện trên đƣờng dây điện lực (ví dụ do các hộp cáp không phối hợp trở kháng với
cáp), và vì vậy làm suy giảm tín hiệu
 Khi tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát đến máy thu, công suất tín hiệu sẽ bị
suy hao, nếu suy hao quá lớn thì công suất thu sẽ rất nhỏ và máy thu không tách ra
đƣợc. Suy hao trên đƣờng dây điện lực lại rất cao (lên tới 100 dB) làm hạn chế
khoảng cách truyền dẫn. Một giải pháp là sử dụng các bộ lặp đặt tại các hộp cáp để
tăng chiều dài truyền thông.
 Để cải thiện tỷ số SNR, ta cũng có thể sử dụng các bộ lọc đặt tại mỗi hộ dân,
nhƣng chi phí cho việc này sẽ rất cao.
Đƣờng dây điện lực đƣợc xem nhƣ một môi trƣờng rất nhạy cảm với nhiễu
và suy hao. Tuy nhiên các tham số này luôn tồn tại và cũng là những vấn đề luôn
cần quan tâm trong mọi hệ thống truyền thông đang sử dụng hiện nay.

24


Nghiên cứu lớp điều khiển truy nhập (MAC) cho mạng thông tin trên đƣờng dây hạ thế
(Power Line Communication – PLC)

CHƢƠNG 2. LỚP MAC TRONG MẠNG PLC
Nội dung chính của chƣơng này là tổng quan về lớp MAC, giới thiệu các
giao thức cơ sở lớp MAC và so sánh ƣu nhƣợc điểm của các giao thức ấy. Phần
tổng quan cho ta một cái nhìn khái quát về lớp MAC trong mạng PLC, đó là nhiệm

vụ, đặc điểm và yêu cầu đối với lớp MAC. Phần trọng tâm của chƣơng là các giao
thức cơ sở lớp MAC. Phần này sẽ trình bày chi tiết từng loại giao thức cơ sở để từ
đó ngƣời nghiên cứu có thể tham khảo và học tập cũng nhƣ áp dụng khi giải quyết
bài toán cụ thể nào đó. Ở đây em cũng so sánh các giao thức để có đƣợc cái nhìn rõ
ràng hơn khi lựa chọn giao thức.
2.1.

Tổng quan về lớp MAC

2.1.1. Nhiệm vụ của lớp MAC
Theo mô hình OSI:

Hình 2.1: Mô hình mạng OSI.
Lớp MAC nằm ở lớp 2 của mô hình OSI, có nhiệm vụ tổ chức quản lý việc
truy nhập đƣờng truyền của các thiết bị chia sẻ chung tài nguyên truyền dẫn.
Nhìn chung lớp MAC có ba chức năng:
 Tổ chức truy nhập đƣờng truyền: mạng gồm nhiều thiết bị đầu cuối và chúng
truy nhập mạng một cách ngẫu nhiên. Cơ chế của đa truy nhập là thiết lập một

25