負荷控制系統(tǒng)無線專網(wǎng)的分析及改進

賈阿麗

（運城學院物理與電子工程系，運城044000）

負荷控制系統(tǒng)無線專網(wǎng)的分析及改進

賈阿麗

（運城學院物理與電子工程系，運城044000）

負荷控制系統(tǒng)無線專網(wǎng)已經(jīng)成為國家電網(wǎng)對各電力公司的基本要求。由于該網(wǎng)還存在著通信資源浪費、頻譜利用率低等問題，從數(shù)據(jù)交換方式、調(diào)制方式、信道接入算法、通信可靠性和網(wǎng)絡(luò)智能化六個方面對負荷控制系統(tǒng)230M無線專網(wǎng)進行研究。并通過采用分組交換法、PSK調(diào)制方式以及控制接入和隨機接入兩者相結(jié)合的混合接入方式進行改進，采用前向糾錯技術(shù)、交織技術(shù)、擾碼技術(shù)和使用ARQ協(xié)議進行出錯重傳來提高通信的可靠性，運用自組網(wǎng)技術(shù)和智能電網(wǎng)使網(wǎng)絡(luò)智能化。

0 引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟突飛猛進地發(fā)展，專變用戶數(shù)量迅猛增長，國家電網(wǎng)公司已經(jīng)對一些電力公司制定了電力負荷控制系統(tǒng)無線專網(wǎng)“全覆蓋、全采集、全費控”的戰(zhàn)略目標，即覆蓋供電局全部用戶、采集全部用電信息、支持全部電費控制。目前，電力企業(yè)多數(shù)構(gòu)建的是230MHz無線專網(wǎng)，并且廣泛使用的通信設(shè)備是數(shù)傳電臺，但隨著一些新型通信技術(shù)的發(fā)展及推廣應用，已經(jīng)出現(xiàn)了大量進一步提高無線通信資源利用率的新手段和組網(wǎng)模式。根據(jù)現(xiàn)有新型通信的體制，230MHz無線專網(wǎng)還遠不能達到現(xiàn)狀的要求，可以考慮在網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、信道和頻譜利用率以及通信可靠性等方面進行提高其性能[1]。

在1991年，國家無線電的相關(guān)管理部門下發(fā)了相關(guān)文件，在電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)頻率使用的批復中已經(jīng)很清晰的寫到“可以把230MHz頻段的15對雙頻頻點和10個單頻頻點當作電力負荷監(jiān)控系統(tǒng)的專門頻點[1]”，其中相鄰頻點間隔為50到150kHz，寬帶為25kHz[2]。

已有的提高頻譜利用率的方法是將15個雙工頻點拆分為30個單工頻點使用，但是使用數(shù)傳電臺進行通信時仍存在以下問題：

（1）每個數(shù)傳電臺之間都是彼此分離的，它們無對應的一致的管理模式，也沒有同步的無線電信號，勢必會使得在余暇之際數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo間隔明顯增大，最終造成信道的利用率明顯降低，浪費大量的寶貴的通信資源[1]。

（2）數(shù)傳電臺所使用的調(diào)制體系不是很先進，它支持的數(shù)據(jù)傳輸效率又相對比較低，頻譜效率也只有0.048-0.384bps/Hz[1]。而在無線通信領(lǐng)域,大量成熟的無線通信產(chǎn)品也能支持1.35-3bps/Hz頻譜效率。從上可知，與電信領(lǐng)域相比較，無線專網(wǎng)所使用的數(shù)傳電臺對通信資源的利用率只是其10%左右，以至于浪費率高達90%，這就急需大家來改進調(diào)制體系以提高通信頻譜效率。

1 通信效率的分析及改進

1.1 數(shù)據(jù)交換方式的改進

在基于數(shù)傳電臺的電力負控專網(wǎng)中運用的是輪詢協(xié)議，在所有通道上進行數(shù)據(jù)傳輸時運用的是透明傳輸方式，并且主站呼叫從站時數(shù)據(jù)是通過獨自占用上行信道來發(fā)送的。需要傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)不能限定其總長度，而且必須打包成一個或多個報文的形式連續(xù)的把所有數(shù)據(jù)發(fā)送出去，要是這個過程所耗費的時間太長，那么從站相關(guān)告警信息的上傳時間也將會被相應地推遲，這樣就會造成操作人員不能及時發(fā)現(xiàn)并且解決問題。

輪詢協(xié)議還有一個很大的缺點，即通信過程中從站不能夠自動發(fā)起請求，僅能由主站發(fā)送，這勢必會從時間上耽誤告警信息的上傳；另外即使在任何一個具有雙向頻率的兩個信道的系統(tǒng)中也僅僅能實現(xiàn)單工通信，這樣就會造成信道資源很大的浪費和通信效率的降低[3]。

在230MHz無線負控專網(wǎng)中可以運用分組交換法代替原有的輪詢協(xié)議[4]，這樣各個基站把需要傳送的通信數(shù)據(jù)就會封裝成一定類型和長度的分組，然后在相同的傳輸信道中再運用動態(tài)復用技術(shù)，最終以分組的形式將多個數(shù)據(jù)在同一時間傳送出去，這樣可以保證從站對信道使用是公平的。當然要根據(jù)其相關(guān)特點來決定長度，而傳輸過程中的一些抄表、負控和監(jiān)測數(shù)據(jù)，即使統(tǒng)計出的長短都不一樣，但必須統(tǒng)一并且按時上傳到系統(tǒng)的中心站，當然這就需要分組與每次收集的數(shù)據(jù)兩者在長度上基本相吻合，才能避免一次采集的數(shù)據(jù)分成兩個組進行傳輸。

1.2 調(diào)制方式的改進

目前在230MHz無線專網(wǎng)大多數(shù)使用的是FSK調(diào)制方法，F(xiàn)SK是數(shù)字通信中ASK、FSK、PSK三種基本調(diào)制方式之一，其優(yōu)點是易實現(xiàn)、抗噪與抗衰減能力強，并且在中速和低速數(shù)據(jù)傳輸過程中有著普遍的運用，但FSK調(diào)制模式的頻譜效率是最低的[1]。PSK調(diào)制方式的綜合性能優(yōu)于FSK，在三種基本的數(shù)字調(diào)制模式中，PSK具有最高的頻譜效率抗噪聲性能（或功率利用率），在中、高數(shù)據(jù)傳輸有著廣泛的應用[5]。

以FSK和PSK為基礎(chǔ)，無線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)也朝著兩個方向發(fā)展和改造，一是基于FSK的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，二是基于PSK的線性調(diào)制技術(shù)。典型的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)主要有MSK、TFM、GMSK等；而典型的線性調(diào)制技術(shù)主要有BPSK、QPSK、π/4-QPSK、QAM、16QAM、64QAM、256QAM等。

在對230MHz無線專網(wǎng)系統(tǒng)進行改進時，傳輸速率和頻譜速率提升是主要出發(fā)點。眾所周知，當碼元速率一樣的時候，多進制系統(tǒng)的信息傳輸速率要比二進制的高，但這種提高是以犧牲傳送功率為代價的，即增大碼元寬度會增加其能量，所以必須在寬度和能量之間折中和均衡考慮。由于以PSK為基礎(chǔ)的線性調(diào)制技術(shù)具有靈活多樣的特性，于是比較適合運用到高速數(shù)據(jù)傳輸和快衰落信道，所以已成為各移動通信系統(tǒng)主要的調(diào)制方式，因此建議在230MHz無線專網(wǎng)系統(tǒng)進行改進中，盡可能選擇以PSK為基礎(chǔ)的線性調(diào)制技術(shù)。

1.3 信道接入算法的改進

目前，在負荷控制230MHz無線專網(wǎng)系統(tǒng)中，無線通信的機制是由主站控制，運用主站請求、從站應答和輪詢的方式執(zhí)行信道接入的原理[1]。由于該網(wǎng)要求全部從站必須公平地上報數(shù)據(jù)，所以不論從站有沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，主站都必須對它發(fā)送輪詢帖，若主站已經(jīng)對其剛輪詢過，那么從站就應當傳送相應的數(shù)據(jù)，但是只能等主站在下一個輪詢周期時發(fā)送，因此就大大地降低了信道的利用率。當然，如從站有較緊急的數(shù)據(jù)時可在輪詢的時候通知主站，主站就會通知該站繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，最后再去輪詢其他的站。

綜上所述，若要求從站在固定的時間采集數(shù)據(jù)并上傳，那么可以運用適當?shù)目刂品绞絹砜刂茝恼镜男诺澜尤耄礊榱吮３謴恼竞途W(wǎng)絡(luò)的時間同步，需要通過網(wǎng)絡(luò)向每個從站分配時隙，在發(fā)現(xiàn)時隙即將到達時立刻發(fā)送數(shù)據(jù)分組，這樣就能保證更同步，分組間的保護間隙越小，在系統(tǒng)達到微秒級時，信道的利用率就很高。網(wǎng)絡(luò)通信中MAC層時間同步時，誤差能夠降低到1ms以下，但當從站接受到相關(guān)告警信息并自動完成傳送數(shù)據(jù)時，再采取上述方法就不可行了，最終會耽誤報警的時效性。鑒于此，如果從站請求自動發(fā)送重要數(shù)據(jù)時，那么在信道接入的時候可以采取隨機接入，即S-ALOHA協(xié)議[6]。其原理是主站從下行信道向全部從站傳播信道不忙的消息，若從站接受到該信息后，就會隨機挑選一個時隙把數(shù)據(jù)傳送出去，因為各個從站挑選的時隙是隨機的、不確定的，所以會降低傳輸數(shù)據(jù)在空中的碰撞概率。但是萬一相互碰撞，主站發(fā)送下一空的周期信號時只有再隨意挑選一個自由時隙然后再進行發(fā)送，若達到設(shè)置的重傳次數(shù)后發(fā)送仍然失敗，那么就只有停止發(fā)送。

如果在230MHz無線專網(wǎng)系統(tǒng)改進中采用新的接入方式代替輪詢接入方式，即控制接入和隨機接入兩者混合接入方式，那么既能解決定時上傳數(shù)據(jù)業(yè)務的接入，也能解決突發(fā)告警業(yè)務的接入[1]。

2 通信可靠性的提高

在230MHz無線專網(wǎng)系統(tǒng)中，考慮到無線信道特點、系統(tǒng)效率和實現(xiàn)復雜度，為了提高通信的可靠性[7]可分別采用以下幾種技術(shù)：

（1）在基站使用前向糾錯技術(shù)（FEC），該技術(shù)是在傳輸數(shù)據(jù)序列中增加冗余碼來進行糾錯的，在發(fā)送端發(fā)送設(shè)備按照一定的算法生成冗余碼，然后將其插入到需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中，當?shù)竭_接收端時，接收端按照相同的方法將收到的數(shù)據(jù)流解碼，最后根據(jù)收到的碼流來確定誤碼的具體位置并對其進行糾正。

（2）使用交織技術(shù)，其原理是把需要傳送的不同時段的信息碼進行交錯排列，并將其傳送到接收端，然后將原來的排列給恢復出來，而在傳送中會出現(xiàn)一些集中突發(fā)誤碼，它們在被恢復的序列中會自動轉(zhuǎn)成隨機分散的誤碼，這就需要根據(jù)上面采用的糾錯編碼進行糾錯。

（3）使用擾碼技術(shù)[8]，擾碼技術(shù)使用很長的PN序列與原符號序列逐位相乘（邏輯異或），即對信碼進行有規(guī)律的無序的加工，目的是為了減少一些連“0”或“1”的長度，確保接收端機器能夠獲取到位定時信號，確保加擾后的信號頻譜能夠較好地適應基帶傳輸，對信息起到保密通信的作用。

（4）使用ARQ協(xié)議進行出錯重傳，在鏈路層增加自動重傳請求的功能，接收端向發(fā)送端發(fā)送請求，發(fā)送端收到請求信息后將錯誤的報文重新發(fā)送出去。

3 網(wǎng)絡(luò)智能化改造

3.1 自組網(wǎng)技術(shù)的推廣

考慮到用戶分布密度、支持移動性、建網(wǎng)成本等因素，電力系統(tǒng)負荷控制專網(wǎng)的基站數(shù)有限，不可能、也沒有必要通過大規(guī)?；窘ㄔO(shè)來消除盲區(qū)。因此電力公司負荷控制專網(wǎng)應規(guī)劃建立基站的數(shù)目，當然這不可避免會因為地形地貌、高樓遮擋等因素造成部分覆蓋盲區(qū)[9]。為此必須根據(jù)負控系統(tǒng)的特點，借鑒終端自組網(wǎng)由技術(shù)實現(xiàn)傳輸中繼，實現(xiàn)全覆蓋目標。

目前已有部分廠商提供的采集終端設(shè)備具備有中繼和路由功能，可以實現(xiàn)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，但原有的負控終端不支持中繼轉(zhuǎn)發(fā)，當由于氣候、環(huán)境等原因造成部分老終端無法與基站通信時，就會引起傳輸終止。

在230MHz無線專網(wǎng)系統(tǒng)改進中應根據(jù)公司設(shè)備更新規(guī)劃和安排，逐步淘汰舊終端，用具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能的新終端替換，以多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式減少直至消除覆蓋盲區(qū)。

3.2 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)也稱為電網(wǎng)智能化或“電網(wǎng)2.0”，是以集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，對一些先進的技術(shù)的綜合運用，包括一些設(shè)備技術(shù)、傳感和測量技術(shù)、控制方法以及決策支持系統(tǒng)技術(shù)等，來實現(xiàn)無線電網(wǎng)經(jīng)濟、可靠、高效、使用安全以及環(huán)境友好等目標[10-11]。

作為新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能電網(wǎng)搭建了新的能源產(chǎn)業(yè)鏈和新型通信系統(tǒng)，為未來的發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，處于全球萎縮狀態(tài)的不僅是能源供給，還有金融市場的暗流涌動，世界各國都將發(fā)展智能電網(wǎng)提升至首要戰(zhàn)略地位。因此，230MHz負控無線專網(wǎng)系統(tǒng)應考慮到電網(wǎng)的長期發(fā)展，充分重視230MHz負控無線專網(wǎng)系統(tǒng)在智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展中的角色和作用。

4 結(jié)語

本文通過研究分析負荷控制系統(tǒng)230M無線專網(wǎng)存在通信資源浪費、頻譜利用率低等問題，從數(shù)據(jù)交換方式、調(diào)制方式、信道接入算法、通信可靠性和網(wǎng)絡(luò)智能化六個方面進行了研究和改進，通過改進可以大大地提高通信的效率，保證其可靠性。但是目前還有很多山區(qū)由于臨江，地勢低洼等原因存在著盲區(qū)，尤其是重慶，因此下一步應重點考慮解決這些區(qū)域的信號覆蓋問題。

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Abstract：

The load control system based on wireless private network has already become the basic requirements of State Grid for power companies.Due to the network exists the problem of wasting communication resources and lowering spectrum efficiency,studies from the method for data exchange,modulation type,channel access algorithm,reliability of communication and network intelligence.Improves the perfor?mance by the way of packet switching,PSK and hybrid access mode of control access and random access;improves communication reliabili?ty by forward error correction,interweaving technology,scrambling technique and uses the ARQ protocol for retransmission error;and makes the network intelligent by using ad hoc network technology and smart grid.

Keywords：

Packet Switching;PSK;Channel Access Algorithm;Reliability of Communication;Network Intelligence

Analysis and Improvement of Load Control System Based on Wireless Private Network

JIA A-li
(Department of Physics and Electronic Engineering,Yuncheng University,Yuncheng 044000）

1007-1423（2017）18-0037-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.009

2017-03-28

2017-05-30

賈阿麗（1987-），女，山西臨汾人，研究方向為無線通信網(wǎng)絡(luò)

分組交換；PSK；信道接入算法；通信可靠性；網(wǎng)絡(luò)智能化