電力通信系統(tǒng)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊權(quán)東，朱從亮，劉勝利，袁建濤

(1.樂(lè)清工程師創(chuàng)新服務(wù)中心，浙江 樂(lè)清 325600；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310057)

電力物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代社會(huì)必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，各組成部分及設(shè)備通常都分布在較大的地理范圍內(nèi)，覆蓋了從發(fā)電到用戶的整個(gè)過(guò)程[1-2]。智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般可以分為三個(gè)層次：第一層是廣域數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱為廣域網(wǎng)，對(duì)應(yīng)于智能電網(wǎng)的輸電域，主要用于區(qū)域性數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)控制中心之間的主干數(shù)據(jù)傳輸；第二個(gè)層次是鄰域數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱鄰域網(wǎng)，對(duì)應(yīng)于智能電網(wǎng)的配電域，用于用戶智能電表和鄰域數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)接入和傳輸；第三個(gè)層次用戶家庭內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，一般稱為家域網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)用于連接家庭內(nèi)部的智能用電器和智能電表。不同層次的網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬的要求都各不相同，所以不同層次的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)也對(duì)應(yīng)于不同種類的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

除了230 MHz，其他的無(wú)線專網(wǎng)技術(shù)，如ZigBee、RFID、LoRa也將在電網(wǎng)中得到應(yīng)用[3]。因此，電力物聯(lián)網(wǎng)中會(huì)存在多種制式的通信技術(shù)，形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以滿足各種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求[4]。盡管如此，目前電力系統(tǒng)終端采集覆蓋不足，通信接入網(wǎng)覆蓋廣度不夠，數(shù)據(jù)不貫通，難以支撐復(fù)雜智能電網(wǎng)新興業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)需求。因此，需要對(duì)現(xiàn)有的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑪U(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的容量。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

與其他領(lǐng)域的傳感網(wǎng)絡(luò)類似，電力物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層及應(yīng)用層組成(見(jiàn)圖1)。

感知層即為數(shù)據(jù)采集層，由一系列電力終端組成，如溫濕度傳感器、攝像頭等，采集環(huán)境信息。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將感知層的數(shù)據(jù)通過(guò)不同種類的通信技術(shù)上傳至上層。主要的傳輸技術(shù)有：有線網(wǎng)傳輸、傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸、衛(wèi)星無(wú)線網(wǎng)傳輸以及電力專網(wǎng)傳輸。

平臺(tái)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。大量的電力數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)層后，經(jīng)由平臺(tái)層進(jìn)行存儲(chǔ)，并按照數(shù)據(jù)類型為用戶提供管理接口。

應(yīng)用層主要面向企業(yè)以及個(gè)人用戶。包括數(shù)據(jù)的查詢、企業(yè)數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用，都是基于海量的電力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成及其特點(diǎn)

電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用場(chǎng)景豐富，如電表數(shù)據(jù)采集、臺(tái)區(qū)識(shí)別、異常事件上報(bào)等。這些應(yīng)用都需要不同的通信技術(shù)支撐。如電表數(shù)據(jù)采集，由剛開(kāi)始的人工采集變?yōu)楝F(xiàn)有的自動(dòng)采集。自動(dòng)采集的通信方式也從原始的RS-485通信方式變?yōu)楝F(xiàn)有的電力線載波方式。目前，電力物聯(lián)網(wǎng)中主要存在的通信技術(shù)主要有ZigBee、NB-IoT、LoRa、RFID、230HZM電力專網(wǎng)、傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)等。

2.1 ZigBee通信技術(shù)

ZigBee通信技術(shù)，主要應(yīng)用于短距離和低速率下的通信場(chǎng)景[5]。

(1)低功耗。一套ZigBee系統(tǒng)的占空比(在一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)，通電時(shí)間相對(duì)于總時(shí)間所占的比利)非常低，可以小于0.1%。各個(gè)設(shè)備工作周期短，功耗也非常低，同時(shí)具備有“休眠”的概念。

(2)低成本。初期模塊成本為6.0美元，后因?yàn)槭袌?chǎng)的不斷演變至今，價(jià)格已低于2.5 美元。同時(shí)，ZigBee協(xié)議還不需要繳納專利費(fèi)，和其他常見(jiàn)無(wú)線通信技術(shù)相比成本較低。

(3)低速率。ZigBee系統(tǒng)在各節(jié)點(diǎn)每秒的傳輸速率僅為10～250 kbps。這將意味著其并不能以高速傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)也限定了其部分的組網(wǎng)方法。

(4)時(shí)延短。不管是通信時(shí)延還是喚醒時(shí)延，ZigBee技術(shù)都表現(xiàn)優(yōu)異。其典型的搜索設(shè)備時(shí)延30 ms，喚醒時(shí)延是15 ms，設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms。對(duì)于時(shí)延要求比較敏感的應(yīng)用，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，ZigBee是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

ZigBee作為一種短距離、低速率無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，為用電的安全性以及資源的利用效率提供技術(shù)保障。

2.2 NB-IoT

NB-IoT是IoT領(lǐng)域一種無(wú)線通信技術(shù)，主要解決的是低功耗、小數(shù)據(jù)包以及海量連接的通信問(wèn)題[6]。因此，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也非常明顯：廣覆蓋、具備支撐海量連接的能力、更低功耗以及具有更低的模塊成本。正是因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，使得NB-IoT在電力物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，海量的電力終端的短數(shù)據(jù)包傳輸需求可以通過(guò)NB-IoT來(lái)滿足。

2.3 LoRa技術(shù)

LoRa可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，其特點(diǎn)是成本低，但傳輸速率有限。它基于擴(kuò)頻技術(shù)，可以提供超低功耗的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[7]。

LoRa的關(guān)鍵技術(shù)在于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制。該技術(shù)在保留頻移鍵控帶來(lái)的低功耗特性的同時(shí)，顯著增加了無(wú)線傳輸?shù)木嚯x，這也是其優(yōu)勢(shì)之一。在電力物聯(lián)網(wǎng)中，LoRa通常用于變電站或者其他大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.4 RFID技術(shù)

RFID技術(shù)是在電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用較多的一種傳感技術(shù)[8]。它通過(guò)無(wú)線信號(hào)識(shí)別目標(biāo)并可以讀寫數(shù)據(jù)，而不需要雙方建立物理連接；是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。單個(gè)標(biāo)簽閱讀器可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，并能應(yīng)用于高度移動(dòng)的場(chǎng)景。

2.5 230 MHz電力專網(wǎng)通信

230 MHz電力專網(wǎng)系統(tǒng)工作于230 MHz頻段，獨(dú)創(chuàng)25 kHz離散頻點(diǎn)獨(dú)立使用、任意載波聚合，動(dòng)態(tài)頻譜感知等關(guān)鍵技術(shù)，融合邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片功能，具備豐富的產(chǎn)品形態(tài)，為行業(yè)用戶提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻、集群及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的無(wú)線接入能力[9]。

無(wú)線頻譜是不可再生的國(guó)家戰(zhàn)略資源，230 MHz電力專網(wǎng)通信技術(shù)通過(guò)零散碎片頻譜重耕，提高頻譜利用效率。該電力專網(wǎng)通信將核心網(wǎng)的功能下沉，配合邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的電力通信。同時(shí)優(yōu)化高層信令，通過(guò)增強(qiáng)連接、喚醒機(jī)制滿足海量連接的傳輸業(yè)務(wù)。該技術(shù)采用扁平化系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單，部署成本低，系統(tǒng)可靠性高，維護(hù)量少，更加契合電力通信接入網(wǎng)的需求。

230 MHz電力專網(wǎng)具備安全可靠、功能豐富、成熟穩(wěn)定、配置靈活、管理全面、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、運(yùn)維便捷等特點(diǎn)，主要面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，適配電網(wǎng)企業(yè)業(yè)務(wù)和頻譜特點(diǎn)，利用頻譜感知和載波聚合，滿足電力無(wú)線通信接入要求，包括配電自動(dòng)化“三遙”和精準(zhǔn)負(fù)荷控制等低時(shí)延、高可靠業(yè)務(wù)，最大載波聚合已經(jīng)達(dá)到120個(gè)子帶聚合，達(dá)到3 MHz帶寬，上行通信速率達(dá)到5.3 Mbps，現(xiàn)在也逐漸向5G技術(shù)逐步演進(jìn)。

2.6 傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)LTE、5G等主要以廣域網(wǎng)的形式存在。適合于數(shù)據(jù)量大，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)速率有需求的業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋范圍廣，無(wú)需額外的布網(wǎng)即可使用。然而傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)使用許可頻段，使用其進(jìn)行大數(shù)據(jù)量傳輸將會(huì)產(chǎn)生巨額的費(fèi)用。

3 電力物聯(lián)網(wǎng)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

在復(fù)雜多樣的電力物聯(lián)網(wǎng)中，如何結(jié)合不同通信技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、高效使用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、發(fā)揮通信系統(tǒng)最大性能是需要關(guān)注的問(wèn)題。下面主要從多個(gè)角度介紹電力物聯(lián)網(wǎng)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 干擾消除

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾主要來(lái)自于不同網(wǎng)絡(luò)使用相同信道時(shí)產(chǎn)生的干擾[10]。當(dāng)電力物聯(lián)網(wǎng)中存在多個(gè)小基站，其覆蓋范圍相互重疊。由于兩個(gè)小基站可能復(fù)用相近的信道或者相同的信道進(jìn)行傳輸，即同頻組網(wǎng)或者異頻組網(wǎng)模式，電力物聯(lián)網(wǎng)終端的信號(hào)傳輸就會(huì)產(chǎn)生干擾。為了解決該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下小區(qū)間的干擾，增強(qiáng)型的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)可以引入到電力物聯(lián)網(wǎng)中，可以從功率、頻域和時(shí)域三個(gè)角度來(lái)減少或者避免小區(qū)間的干擾問(wèn)題。功率角度即功率分配，由于干擾的大小與功率的大小成正比，因此只需要對(duì)系統(tǒng)做功率控制，就可以減輕干擾。頻域即不同的小區(qū)盡量選擇不同的正交信道進(jìn)行傳輸，這樣可以避免小區(qū)之間的干擾。時(shí)域即不同的小區(qū)采用時(shí)分復(fù)用的機(jī)制，在不同的時(shí)隙進(jìn)行傳輸，可以有效地避免干擾。

3.2 多連接技術(shù)

當(dāng)一個(gè)區(qū)域存在多種制式的通信技術(shù)覆蓋時(shí)，多連接技術(shù)可以用來(lái)增強(qiáng)重疊覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸能力[11]。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)終端技術(shù)的發(fā)展，多模終端將會(huì)是發(fā)展的趨勢(shì)，即終端可以同時(shí)連接多種制式的通信技術(shù)。多連接技術(shù)需要不同通信協(xié)議互相融合支撐，最終將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總傳輸。

多連接技術(shù)中必須擁有最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)選擇策略。同時(shí)連接多種通信技術(shù)，可以提高終端的數(shù)據(jù)傳輸速率，但也會(huì)增加通信造成的信令開(kāi)銷。因此，通信技術(shù)的選擇直接決定了電力物聯(lián)網(wǎng)終端的服務(wù)質(zhì)量。在進(jìn)行多連接時(shí)，電力物聯(lián)網(wǎng)終端需要自適應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇，使得多連接的通信技術(shù)選擇結(jié)果能夠根據(jù)電力物聯(lián)網(wǎng)終端當(dāng)前所處的場(chǎng)景環(huán)境，動(dòng)態(tài)地計(jì)算連接的通信技術(shù)帶來(lái)的效益。

3.3 網(wǎng)絡(luò)間切換技術(shù)

在多連接技術(shù)的前提下，如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)間的切換也是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題[12]。一般情況下，多連接場(chǎng)景下切換可能由如下幾種情況觸發(fā)。

(1) 當(dāng)連接性能下降，無(wú)法保證業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求，并且考慮到移動(dòng)終端狀態(tài)等因素，可能觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)為該業(yè)務(wù)重新選擇一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)連接，將該業(yè)務(wù)在不同的連接之間進(jìn)行切換。

(2) 由于移動(dòng)終端在密集覆蓋網(wǎng)絡(luò)下發(fā)生移動(dòng)，為保證業(yè)務(wù)連續(xù)性，在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換。

在這樣的多連接場(chǎng)景切換過(guò)程中，實(shí)質(zhì)上是網(wǎng)絡(luò)再選擇的過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)中的終端需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換，環(huán)境中的通信狀態(tài)即會(huì)發(fā)生改變。此時(shí)影響的不僅是該移動(dòng)的終端，其他的終端也可能發(fā)生被動(dòng)切換。因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)被打破，每個(gè)終端的網(wǎng)絡(luò)選擇策略不再是最優(yōu)的。但是，系統(tǒng)中同時(shí)切換將會(huì)造成系統(tǒng)混亂，大量的切換會(huì)引起巨大的信令開(kāi)銷。因此，為了保證電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)間的切換需要設(shè)定一個(gè)合適的閾值，來(lái)保證當(dāng)其中部分終端發(fā)生切換時(shí)，不會(huì)影響到其他的用戶。

3.4 負(fù)載均衡技術(shù)

當(dāng)終端可以連接多種通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于部分通信制式隨著接入用戶數(shù)目的增加而性能下降，因此需要考慮不同通信技術(shù)的負(fù)載均衡問(wèn)題[13]。與網(wǎng)絡(luò)選擇相反，不同通信技術(shù)可以對(duì)用戶進(jìn)行選擇。通過(guò)最大化系統(tǒng)的容量，以負(fù)載均衡為目標(biāo)條件，不同通信技術(shù)的熱點(diǎn)選擇最優(yōu)的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.5 頻譜共享技術(shù)

為了提高頻譜的利用效率，不同制式的通信技術(shù)可以共享同一頻段的無(wú)線資源[14]。免許可頻段資源豐富，并且免費(fèi)。相比較而言，許可頻段的費(fèi)用高，且比較擁擠。因此，可以與傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)共享免許可頻段，以提高傳統(tǒng)移動(dòng)通信的性能，降低成本，滿足電力物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)容量。5.8 G LTE-U技術(shù)即是通過(guò)傳統(tǒng)的移動(dòng)通信共享免許可頻段來(lái)改善許可頻段資源短缺的問(wèn)題。

在5.8 G LTE-U技術(shù)中，需要解決的是在共享免許可頻段資源的同時(shí)，保證工作在免許可頻段技術(shù)的公平性。由于傳統(tǒng)通信技術(shù)與工作在免許可頻段通信技術(shù)在信道接入上存在差異，工作在免許可頻段的通信技術(shù)通常是采用退避競(jìng)爭(zhēng)信道接入技術(shù)，而傳統(tǒng)移動(dòng)通信采用中心式信道分配方法。由于傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)的接入，原有的免許可頻段通信技術(shù)的性能將會(huì)降低，因此在頻譜共享技術(shù)中，主要考慮兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的公平性問(wèn)題。即在提升傳統(tǒng)移動(dòng)通信性能的同時(shí)，需要保證原有通信技術(shù)傳輸?shù)男阅?。電力物?lián)網(wǎng)可以采用占空比機(jī)制以及先聽(tīng)后說(shuō)機(jī)制來(lái)保證兩種通信技術(shù)的和諧共存。占空比機(jī)制即兩個(gè)技術(shù)在時(shí)間上分開(kāi)，避免了因?yàn)閭鹘y(tǒng)移動(dòng)通信接入而降低原有通信性能的問(wèn)題。另外一種則是修改傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)在免許可頻段的接入機(jī)制，采用統(tǒng)一的退避競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議，與原有通信技術(shù)共同競(jìng)爭(zhēng)免許可信道[15]。

3.6 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)功能軟件化、用戶面與數(shù)據(jù)面分離、邊緣計(jì)算等趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)助力無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更加智能化與數(shù)字化。其將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，通過(guò)軟件的方式將網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)虛擬子網(wǎng)，以同時(shí)滿足不同應(yīng)用的不同需求。增加網(wǎng)絡(luò)的容量，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以幫助電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更大容量、更高速傳輸、實(shí)時(shí)通信以及安全穩(wěn)定的通信服務(wù)。對(duì)于電力行業(yè)，可以將切片技術(shù)分為三種情況：一是電力控制切片；二是電力監(jiān)測(cè)切片；三是電力通信切片。網(wǎng)絡(luò)切片可以實(shí)現(xiàn)切片間的物理隔離，從而使得一個(gè)切片的故障、擁塞，不會(huì)影響另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的工作，業(yè)務(wù)的隔離性與運(yùn)營(yíng)的獨(dú)立性滿足了智能電網(wǎng)的行業(yè)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)網(wǎng)電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，海量物聯(lián)網(wǎng)終端將會(huì)通過(guò)不同制式的無(wú)線通信技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)中，形成一個(gè)大型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。充分利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)大幅提高電力物聯(lián)網(wǎng)的容量與性能。本文主要通過(guò)對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)中存在的無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行分析，接著從六種不同的角度分析可能存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)作為解決方案。在現(xiàn)有的電力物聯(lián)網(wǎng)中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在233 MHz電力專網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)共存場(chǎng)景。

為了進(jìn)一步提高電力物聯(lián)網(wǎng)的性能，滿足持續(xù)增加的通信業(yè)務(wù)需求，未來(lái)的電力物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)呈現(xiàn)一種高度融合的通信架構(gòu)。因此，還需要繼續(xù)對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，最終形成一種電力混合專用網(wǎng)絡(luò)。