在復(fù)雜的大型通信網(wǎng)絡(luò)中，通信過(guò)程是由一系列通信節(jié)點(diǎn)相互中繼轉(zhuǎn)發(fā)組成的。2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的直接通信(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信)性能的優(yōu)劣直接決定了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的通信性能。因此，有必要針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的性能主要體現(xiàn)在系統(tǒng)誤碼率、系統(tǒng)傳輸速率等方面。誤碼率在通信系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，通常誤碼率可以通過(guò)理論仿真得到，也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或者是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到。誤碼率可以用來(lái)分析當(dāng)前信道環(huán)境下系統(tǒng)的通信性能，為系統(tǒng)的性能比較、系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供可靠的衡量指標(biāo)。
本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試系統(tǒng)是在低壓電力線信道環(huán)境下，測(cè)試2個(gè)載波通信單元的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的能力。電力線信道的環(huán)境復(fù)雜，負(fù)載變化大，會(huì)造成電力線信道的多徑產(chǎn)生，并且由于各種開(kāi)關(guān)電源等影響，信道環(huán)境中存在脈沖干擾、周期性噪聲等干擾源。這些干擾對(duì)通信性能有很大的影響，而且由于信道中傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不同，產(chǎn)生的影響也各不相同。目前，國(guó)內(nèi)外的各類報(bào)導(dǎo)中關(guān)于低壓電力線信道的建模很少，因此在這種復(fù)雜的信道環(huán)境下測(cè)試通信單元的通信性能(比如誤碼率)是非常有必要的。通過(guò)這類測(cè)試，不僅可以縱向比較自身載波通信單元的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信能力，還可以橫向比較不同廠家各個(gè)類別的載波通信單元在相同的信道環(huán)境下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信性能，為整體通信系統(tǒng)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。
1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
此測(cè)試系統(tǒng)的搭建主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要由以下幾個(gè)方面：
(1)凈化電源部分：主要是在電力線與測(cè)試系統(tǒng)之間加入隔離器，將電力線上的高頻噪聲濾除掉，從而為測(cè)試系統(tǒng)提供一個(gè)相對(duì)純凈的電信號(hào)。
(2)載波通信單元：2個(gè)載波通信單元分別標(biāo)識(shí)為A、B，并分別連接計(jì)算機(jī)的COM1、COM2串口。由于載波通信單元具有透?jìng)鲾?shù)據(jù)的功能，A能夠接收計(jì)算機(jī)通過(guò)COM1口傳來(lái)的0、1形式的數(shù)據(jù)串，并將該數(shù)據(jù)串通過(guò)電力線透?jìng)鹘oB，B收到后去掉透?jìng)?a class="channel_keylink" href="/search.asp">信息恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)串并通過(guò)COM2口傳給計(jì)算機(jī)。
(3)可調(diào)衰減器：衰減頻率5 kHz～500 kHz，衰減倍數(shù)0～90 dB，接在2個(gè)載波通信模塊之間，可以根據(jù)測(cè)試需要來(lái)調(diào)整衰減倍數(shù)。
(4)噪聲信號(hào)發(fā)生器：此設(shè)備可以根據(jù)測(cè)試需要產(chǎn)生高斯白噪聲、脈沖干擾信號(hào)、正弦波干擾信號(hào)，通過(guò)信號(hào)耦合裝置將產(chǎn)生的干擾耦合到A、B通信的電力線信道上，從而可以測(cè)試在不同的干擾環(huán)境下兩個(gè)載波單元的通信性能。
(5)信號(hào)耦合裝置：通帶頻率5 kHz～500 kHz，此設(shè)備加在強(qiáng)電220 V與噪聲信號(hào)發(fā)生器之間，主要作用是隔離強(qiáng)電，防止噪聲信號(hào)發(fā)生器被高壓擊穿短路。
(6)計(jì)算機(jī)：要求有2個(gè)串口COM1、COM2，可以進(jìn)行串口通信，并分別連接載波通信單元A和B。
測(cè)試軟件部分是利用VC++平臺(tái)自主開(kāi)發(fā)的一款能夠通過(guò)串口發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)比較、計(jì)算誤碼率，數(shù)據(jù)傳輸速率以及對(duì)模塊整體通信性能評(píng)價(jià)打分的測(cè)試軟件。
此測(cè)試軟件主要能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：
(1)設(shè)置傳輸?shù)膱?bào)文的長(zhǎng)度和數(shù)目。默認(rèn)設(shè)置為16 B、32 B、64 B、128 B、192 B的報(bào)文各16條。
(2)根據(jù)設(shè)定的默認(rèn)設(shè)置或自定義設(shè)置來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)串。由于載波通信單元具有透?jìng)鲌?bào)文的能力，因此傳輸?shù)膱?bào)文為隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)串，并通過(guò)COM1和COM2發(fā)收這些數(shù)據(jù)串。
(3)計(jì)算報(bào)文級(jí)和碼元級(jí)的誤碼率。報(bào)文級(jí)誤碼率＝(含錯(cuò)誤位數(shù)據(jù)串個(gè)數(shù)＋發(fā)出未收到的數(shù)據(jù)串個(gè)數(shù))÷傳送的數(shù)據(jù)串總數(shù)；碼元級(jí)誤碼率＝錯(cuò)誤位數(shù)÷收到總位數(shù)。
(4)計(jì)算有效的通信速率。有效通信速率＝傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串之和÷傳送數(shù)據(jù)串總的通信時(shí)間；其中傳送數(shù)據(jù)串總的通信時(shí)間的統(tǒng)計(jì)是從一個(gè)數(shù)據(jù)串發(fā)送完成到這個(gè)數(shù)據(jù)串開(kāi)始接收的時(shí)間，包括通信模塊內(nèi)部處理數(shù)據(jù)串的時(shí)間。
(5)根據(jù)誤碼率和有效數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行整體的通信性能評(píng)價(jià)和打分。
(6)將數(shù)據(jù)保存到電腦硬盤上以便進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。
軟件設(shè)計(jì)主界面如圖2所示。
誤碼率的最終結(jié)果體現(xiàn)在報(bào)文成功率欄中。從計(jì)算機(jī)發(fā)送到載波通信單元的報(bào)文格式是雙方提前約定好的，報(bào)文第一個(gè)字節(jié)用來(lái)約定幀頭，第二個(gè)字節(jié)用來(lái)約定使用的通信方式，第三個(gè)字節(jié)為約定要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度不包括停止字節(jié)和校驗(yàn)字節(jié)，在報(bào)文的最后加上停止字節(jié)和校驗(yàn)字節(jié)。
在設(shè)計(jì)好測(cè)試所需要的軟件和硬件部分后，將軟件和硬件部分連接起來(lái)，形成整體的測(cè)試系統(tǒng)。首先將隔離器連接在電力線上，從隔離器的輸出端連接出兩個(gè)點(diǎn)A和B，并分別連接載波通信單元A和載波通信單元B，再將載波通信單元A、B分別與計(jì)算機(jī)串口連接，設(shè)置串口參數(shù)，使其能夠通信。將衰減器連接到A、B載波通信單元之間，根據(jù)測(cè)試需要調(diào)整好衰減倍數(shù)。然后將噪聲信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)耦合裝置接到電力線上，設(shè)置好需要測(cè)試的噪聲干擾信號(hào)。測(cè)試硬件環(huán)境搭建完成之后，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行誤碼率測(cè)試軟件，根據(jù)測(cè)試的需要來(lái)設(shè)置所要發(fā)送的數(shù)據(jù)串的長(zhǎng)度和條數(shù)、時(shí)間間隔等參數(shù)，通過(guò)點(diǎn)擊自動(dòng)發(fā)送，計(jì)算機(jī)自動(dòng)按照生產(chǎn)的數(shù)據(jù)串依次向串口發(fā)送，在報(bào)文接收界面可以收到另一個(gè)串口接收到的返回的數(shù)據(jù)串。在發(fā)送和接收完畢后，根據(jù)所需要比較的功能來(lái)進(jìn)行誤碼率計(jì)算，可以得到此次通信的性能評(píng)分。
2 性能評(píng)價(jià)模型
在通信環(huán)境(噪音、衰減、阻抗、溫度等)一致、所傳輸數(shù)據(jù)串長(zhǎng)度相等、發(fā)送功率相同的情況下，電力線通信的誤碼率與通信速率相關(guān)。通常，低速率意味著高抗干擾、高穿透能力，從而表現(xiàn)為高成功率；而高速率往往意味著低成功率，但又可以通過(guò)多次重發(fā)提高成功率。所以，單純以通信成功率評(píng)價(jià)一個(gè)通信技術(shù)的性能顯然太片面，把時(shí)間因素考慮進(jìn)去會(huì)更合理一些。為此，本文建立成功率與通信速率的關(guān)系，將通信速率等效到1 kb/s下重新計(jì)算成功率，以便更合理地評(píng)價(jià)和對(duì)比各種電力線通信技術(shù)的性能。
假設(shè)某個(gè)電力線通信技術(shù)的誤碼率為p(成功率是 1－p)，其通信速率為 v(單位b/s)，則這種技術(shù)下重復(fù)發(fā)送 v/1 000遍便可等效到1 kb/s的通信速率，此時(shí)的成功率為：
式(1)便是本文的評(píng)價(jià)模型，Q為一個(gè)[0，1]之間的數(shù)值，它是通信速率轉(zhuǎn)換為1 kb/s后的成功率。為了方便測(cè)試，將該數(shù)值放大100倍，得到技術(shù)測(cè)試得分E＝100 Q，從技術(shù)測(cè)試得分上的高低便可以客觀地評(píng)價(jià)通信性能的優(yōu)劣。
式(1)所建立的評(píng)價(jià)模型可以用于碼元級(jí)性能評(píng)價(jià)，也可用于報(bào)文級(jí)性能評(píng)價(jià)， 取決于p是取碼元級(jí)誤碼率還是報(bào)文級(jí)誤碼率。通常，在研發(fā)過(guò)程中注重碼元級(jí)誤碼率，在實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)調(diào)的是報(bào)文級(jí)誤碼率。
3 測(cè)試實(shí)例
本文對(duì)東軟載波科技股份有限公司的第3代電力線載波通信單元進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。通過(guò)調(diào)節(jié)衰減器的衰減倍數(shù)來(lái)測(cè)試其通信性能的變化。表1、表2分別為幅度衰減倍數(shù)為0 dB和50 dB時(shí)測(cè)試的通信性能。
由此可以看出，表1中，測(cè)試1、2情況下，兩個(gè)載波通信模塊之間沒(méi)有幅度上的衰減，二者的通信成功率都是100%，所以此時(shí)技術(shù)測(cè)試得分都是滿分，到達(dá)了模塊的最佳通信性能。
表2中，測(cè)試3、4情況下，兩個(gè)載波通信單元之間加入了50 dB的幅度上的衰減的時(shí)候，也就是說(shuō)兩個(gè)單元之間的通信的信號(hào)幅度衰減了105倍，測(cè)試3中的通信成功率雖然比測(cè)試4的高很多，但是其有效通信速率比測(cè)試4的低很多，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的整體評(píng)價(jià)，測(cè)試3的總體得分不如測(cè)試4的整體得分高。從而更進(jìn)一步地驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)在通信性能上測(cè)試的公平性、靈活性。
本文中設(shè)計(jì)的電力線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試原理簡(jiǎn)單，測(cè)試環(huán)境搭建方便，測(cè)試軟件使用簡(jiǎn)單靈活，通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看到，此測(cè)試系統(tǒng)可以很直觀、公平地比較出載波通信單元的通信性能，為整體通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、性能的改進(jìn)提供了一定的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。
