LPWAN上行多跳通信在輸電線路監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究*

李敬兆，萬(wàn)露，楊大禹，高之翔

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

輸電鐵塔線路基本都廣泛分布在野外，有些輸電鐵塔甚至建立在偏遠(yuǎn)的山區(qū)中，運(yùn)行環(huán)境比較惡劣[1]。未來(lái)智能自動(dòng)化電網(wǎng)，需要構(gòu)建高性能的輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以有線為主，統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以有線為，存在接線復(fù)雜、統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以有線為主，存在接線復(fù)雜、可靠性低、安全性低、成本高、擴(kuò)展及維護(hù)困難等問(wèn)題[2]。近年來(lái)也有很多研究利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線輸電線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)的傳輸主要由節(jié)點(diǎn)多跳傳輸至變電站再上傳至控制中心，該模型在傳輸過(guò)程中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率大，能量損耗嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)擁塞以及節(jié)點(diǎn)間干擾嚴(yán)重[3]。

低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)是一種具備低成本、低功耗、廣覆蓋、大連接的新型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，與輸電線路監(jiān)測(cè)的需求相匹配。但大多數(shù)LPWAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星型的，終端設(shè)備或站(STA,station)直接連接到基站(BS,bustion)或網(wǎng)關(guān)(GW,gateway)[4]，而在輸電線路上的終端設(shè)備沿線部署，呈線性分布，這種方式會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)離基站的終端設(shè)備需要以高功率水平傳輸，導(dǎo)致能源消耗加快從而縮短壽命[5]。文獻(xiàn)[4]提出在上行鏈路上啟用逐級(jí)多跳連接，文獻(xiàn)[5]提出分析了在LPWAN單跳、逐級(jí)跳和最優(yōu)跳三種路由模型，證明了最優(yōu)跳是延長(zhǎng)LPWAN的壽命的有希望的路由選擇。但文獻(xiàn)[5]中假設(shè)節(jié)點(diǎn)是均勻分布的，而且計(jì)算瓶頸能量時(shí)沒(méi)有考慮到可靠性的需求，文中根據(jù)輸電線路特點(diǎn)和可靠性要求采用LPWAN上行多跳通信。

1 輸電線路線路監(jiān)測(cè)模型

輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量感知終端設(shè)備、低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理控制中心三部分組成。終端設(shè)備部署在架空輸電線路桿塔上、被監(jiān)測(cè)輸電設(shè)備附近或之上，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集電力鐵塔傾角、電纜拉力、鐵塔振動(dòng)、環(huán)境溫度、濕度、弧垂、張力、電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)[6]，形成長(zhǎng)鏈狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)是由這些大量的終端設(shè)備組成，終端設(shè)備利用他們的鄰居建立多跳路徑，以較低的傳輸功率將數(shù)據(jù)發(fā)送其他STA然后到基站最后到達(dá)控制中心。文章主要研究終端設(shè)備與基站之間網(wǎng)絡(luò)研究，具體模型如圖1所示。

圖1 輸電線路檢測(cè)模型

2 輸電線路LPWAN多跳通訊拓?fù)?/h2>

現(xiàn)有的LPWAN技術(shù)可以分為兩種類型[4]：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4 G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。在大多數(shù)LPWAN拓?fù)浞桨?如LoRaWAN(見(jiàn)圖2)或SIGFOX)中，主要是星形拓?fù)洌琒TA以單跳方式與GW直接通信，這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)化了協(xié)議棧，便于集中控制。工作在授權(quán)頻譜下的LPWAN有可以利用傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)勢(shì)。但大多數(shù)情況下STA是電池供電，則有遠(yuǎn)離GW的STA必須以高功率電平進(jìn)行傳輸，能耗增加導(dǎo)致電池快速耗盡。

在輸電線路上LPWAN最優(yōu)多跳中，根據(jù)STA與GW之間的距離可構(gòu)成多個(gè)距離環(huán)，STA把數(shù)據(jù)發(fā)送到靠近GW環(huán)上的STA，最終到達(dá)GW。一個(gè)鐵塔上的多個(gè)STA距離較近研究時(shí)可簡(jiǎn)化成一個(gè)，如圖3所示。

圖2 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖3 輸電線路多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

有以下參數(shù)：

(1)最大距離(D)：在最遠(yuǎn)環(huán)(即最后一個(gè)環(huán))的STA被放置在距離D，該距離由LPWAN技術(shù)的覆蓋范圍給定;

(2)環(huán)數(shù)(R)和距離擴(kuò)展(d)：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的環(huán)數(shù)定義為R，距離擴(kuò)展取決于所選擇的距離擴(kuò)展模型，擴(kuò)展模型有：等距離、斐波納契(Fibonacci)或反向斐波納契(R-Fibonacci)。等距擴(kuò)展設(shè)置環(huán)之間的距離相同，斐波那契擴(kuò)散設(shè)置在距離GW更近的環(huán)之間距離小以及遠(yuǎn)環(huán)之間的距離大，反向斐波那契設(shè)置距離GW近的距離大而遠(yuǎn)的距離小。輸電線路上STA分布均勻，文中選用等距擴(kuò)展模型，有R=D/d。

3 多跳路由和傳輸配置算法

路由模型負(fù)責(zé)確定數(shù)據(jù)包遵循的路徑，對(duì)STA的接收和發(fā)送狀態(tài)期間的能量消耗有很大的影響。多跳路由和傳輸配置算法確定最佳路由連接，以及每個(gè)建立的路由連接的最佳傳輸配置。由于環(huán)跳長(zhǎng)度不是在最優(yōu)跳數(shù)中預(yù)定的，相應(yīng)的傳輸配置有所不同，所以跳數(shù)的最優(yōu)組合可能會(huì)根據(jù)情況而有所不同。計(jì)算瓶頸能量還要考慮到節(jié)點(diǎn)故障率與重發(fā)次數(shù)之間的關(guān)系，算法可以概括在以下三個(gè)主要階段。

3.1 計(jì)算可能的環(huán)形跳組合

算法1Data: Number of rings R

Result: Set of possible ring hopsΔs←1

for 1≤r≤R! do

for 1≤j≤R! do

p←R!/r!;

v←mod(j,r);

Ifv=0 then

v←r;

End

δr[s:p·j,r]←v;

s←p·j+1;

End

s=1

end

3.2 瓶頸能量計(jì)算

STA的能耗跟其所處的狀態(tài)不同而不同，通常由兩個(gè)能量消耗來(lái)源決定：微處理器(ep)和收發(fā)器(et)等。微處理器有的狀態(tài)是低功率模式(LPM)和處理模式(CPU)，而收發(fā)器有的狀態(tài)有睡眠(SL)，空閑(ID)，接收(RX)和發(fā)送(TX)。對(duì)于TX狀態(tài)，由于其對(duì)電流消耗(I)的不同影響，需要區(qū)分每個(gè)可能的發(fā)射功率(Ptx)[7]。STA消耗的總能量e=ep+et。

ep=(tlpmIlpm+tcpuIcpu)VDD

(1)

et=(tslIsl+tidIid+trxIrx+ttxItx)VDD

(2)

式中tlpm，tcpu，tsl，tid和trx分別是STA處于LPM，CPU，SL，ID和RX狀態(tài)的時(shí)間段，Ilpm，Icpu,Isl，Iid和Irx是相應(yīng)的電流消耗。TX狀態(tài)下功率電平p的時(shí)間和電流消耗分別定義為ttx(p)和Itx(p)，VDD是額定電壓。由文獻(xiàn)[5]知最消耗能量的是在TX和RX狀態(tài)，故計(jì)算能耗時(shí)只需考慮TX和RX狀態(tài)。發(fā)送所需的時(shí)間取決于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，要發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量和數(shù)據(jù)速率。

在傳輸信號(hào)過(guò)程中因受噪聲、干擾、衰落和路徑損耗等因素的影響，產(chǎn)生差錯(cuò)(包括誤碼和數(shù)據(jù)包丟失)是難以避免的。提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃猿Ｓ米詣?dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)技術(shù)，即當(dāng)發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)的某個(gè)數(shù)據(jù)偵中途丟失或者出錯(cuò)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)發(fā)出重傳請(qǐng)求，源節(jié)點(diǎn)收到重傳請(qǐng)求后，將重傳該數(shù)據(jù)包[8]，計(jì)算能耗時(shí)也應(yīng)考慮。

(3)

式中Λr,i表示矩陣Λ位于r行和i列中的元素；ci-1表示第i行上所有的STA數(shù)，因此考慮到np由其子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的有效載荷加上由STA本身產(chǎn)生的數(shù)量大于npmax，考慮到填充效應(yīng)。

(4)

(5)

(6)

然后，在環(huán)r中由STA消耗的RX能量可以類似于TX能量計(jì)算，但是考慮到RX電流消耗(Irx)，預(yù)計(jì)每個(gè)數(shù)據(jù)包接收都是恒定的。然而根據(jù)直接節(jié)點(diǎn)的傳輸配置，可能會(huì)使用不同的數(shù)據(jù)速率。從而有得出：

(7)

其中：

(8)

Stx,R-x是環(huán)R-x上的直接節(jié)點(diǎn)STA的數(shù)據(jù)速率;環(huán)r一個(gè)STA消耗的總能量e(r)是TX和RX消耗的總和。

e(r)=etx(r)+erx(r)

(9)

3.3 最優(yōu)跳和傳輸配置

(10)

4 實(shí)驗(yàn)仿真分析

為了評(píng)估最佳跳躍路由在節(jié)能方面的性能，用仿真軟件MATLAB作為仿真平臺(tái)，仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)分別采用單跳方式和如圖3所示的方式進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)能耗計(jì)算公式計(jì)算得出每個(gè)環(huán)上的STA的總能耗，能耗比較如圖4所示。

圖4 每環(huán)上單跳與最優(yōu)跳的能耗

由圖4可以不難看出單跳的第5環(huán)上的能耗最大，即單跳的能耗瓶頸是第5環(huán)，多跳的瓶頸是第1環(huán)。多跳的能耗瓶頸遠(yuǎn)比單跳的能耗瓶頸小得多，在同等條件下多跳方式下的網(wǎng)絡(luò)壽命比單跳的長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)僅采用圖3所示的多跳方式，不一定是最優(yōu)跳的方式，會(huì)根據(jù)具體情況的變化而變化，但可以肯定的是這種方式一定優(yōu)于單跳方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)智能自動(dòng)化電網(wǎng)需要構(gòu)建高性能的輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，文中提出采用LPWAN技術(shù)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。并且根據(jù)輸電線路上節(jié)點(diǎn)布置特性，提出采用多跳躍拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真實(shí)驗(yàn)表明其顯著降低了LPWAN中的STA的消耗，網(wǎng)絡(luò)壽命比單跳長(zhǎng)。上行鏈路中的多跳通信是延長(zhǎng)LPWAN的壽命的有希望的路由選擇，但目前僅考慮能耗方面的要求，還要考慮時(shí)延方面的要求。影響壽命的也不僅僅是拓?fù)浜吐酚蛇x擇，下一步需要綜合能耗和時(shí)延方面的研究。