電力通信中異構網(wǎng)絡關鍵技術研究

袁群義

（廣州健新科技有限責任公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的不斷發(fā)展，信息交換和傳輸成為現(xiàn)今社會發(fā)展的重要部分，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)更加加深了各種信息之間的聯(lián)系。電力通信其存在的意義是為了保障電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定且安全的運行，是電力系統(tǒng)的重要基礎設施，也是維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要支柱之一。電力通信是電力物聯(lián)網(wǎng)的核心，而電力物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)今社會不可或缺的基礎，其出現(xiàn)是當前階段信息技術發(fā)展的成果。為保障電力物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的平穩(wěn)運行，其使用了多種無線通信技術共同構建了一個龐大的異構網(wǎng)絡，滿足各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。根?jù)目前的調(diào)查情況來看，電力系統(tǒng)的終端存在著通信接入網(wǎng)覆蓋面積不夠、數(shù)據(jù)不連貫、數(shù)據(jù)傳輸效率低等問題。而異構網(wǎng)絡存在的主要目的就是實現(xiàn)各種信息之間的快速、安全的傳輸和交換[1]。為了充分發(fā)揮異構網(wǎng)絡的性能，分析了異構網(wǎng)絡的組成部分及其特點，介紹了電力物聯(lián)網(wǎng)中異構網(wǎng)絡存在的關鍵問題以及相應的解決方案。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，新能源的出現(xiàn)，使得電網(wǎng)連接主體逐漸成為能源輸送和轉換的重要環(huán)節(jié)，在這種發(fā)展大背景下，對電網(wǎng)的智能化、靈活性、數(shù)字化等發(fā)展提出新的更高的發(fā)展要求。電力物聯(lián)網(wǎng)成為電網(wǎng)應對新的發(fā)展形勢下的解決電網(wǎng)發(fā)展問題的有效途徑。電力物聯(lián)網(wǎng)能夠保障電網(wǎng)的安全運行，有效地解決現(xiàn)階段電網(wǎng)結構不合理，分布和調(diào)節(jié)等方面的問題，通過數(shù)據(jù)共享和分析推動電網(wǎng)智能化。電力物聯(lián)網(wǎng)致力于打造以用戶為核心，滿足用戶多樣化需求的新模式。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，其優(yōu)勢逐漸凸顯，這種技術被應用在智能電網(wǎng)之中構成了電力物聯(lián)網(wǎng)，也是我國通信技術發(fā)展的階段產(chǎn)物。電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ藕碗娏夹g設施資源進行有效的整合，從而提高電力通信系統(tǒng)的信息化水平和各個環(huán)節(jié)的工作效率。電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是由：感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層共同構成的。電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

（1）感知層。感知層是由電力終端構成的數(shù)據(jù)采集層。

（2）網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層將感知層采集的數(shù)據(jù)通過通信技術（無線/有線傳輸網(wǎng)絡，蜂窩，電力專網(wǎng)）傳輸至上層。

（3）平臺層。平臺層負責對數(shù)據(jù)進行管理和儲存作用，當大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈雍?，平臺層對其進行儲存，同時按照數(shù)據(jù)類型為用戶提供接口。

（4）應用層。應用層可對外/對內(nèi)開展業(yè)務（個人/企業(yè)），在海量的數(shù)據(jù)支持下可提供數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等。

電力物聯(lián)網(wǎng)的建設是智能電網(wǎng)發(fā)展和被應用的重要前提，是現(xiàn)階段信息技術發(fā)展的產(chǎn)物，對電力通信的智能化、高效化有重要影響。

2 異構網(wǎng)絡概述

異構網(wǎng)絡指由2個或者2個以上的無線通信系統(tǒng)，通過采取不同的接入技術達到系統(tǒng)之間相互補充發(fā)揮各自最大的優(yōu)勢，滿足未來通信的一種手段[2]。異構網(wǎng)絡如圖2所示。電力物聯(lián)網(wǎng)可被應用的場景較為廣泛，如異常事件上報、臺區(qū)識別和電表數(shù)據(jù)采集等，但是這些應用可以被穩(wěn)定使用都離不開不同的通信技術的支持。如電表數(shù)據(jù)采集，由傳統(tǒng)的人工采集發(fā)展為自動采集。其中，自動采集技術也隨著科技發(fā)展由傳統(tǒng)的RS485演變?yōu)楝F(xiàn)今的電力線載波通信方式。電力物聯(lián)網(wǎng)中的通信技術主要有以下幾種[3-6]。

圖2 異構網(wǎng)絡

2.1 ZigBee通信技術

ZigBee通信技術是一種近程無線網(wǎng)絡通信技術，運輸距離短，但是對應的能耗和成本就較低。ZigBee通信技術的物理層、MAC層和鏈路層在IEEE802.15.4標準的基礎上又進行了完善和擴展。ZigBee通信的突出特點有以下幾個方面。

（1）低功耗。低功耗是ZigBee通信技術最為突出的特點，在低耗能待機的情況下，1個節(jié)點能夠持續(xù)工作6～24個月。

（2）低成本。免協(xié)議費用和大幅簡化協(xié)議，降低了對通信器控制的要求節(jié)約了子功能節(jié)點，也降低了成本。

（3）低速率。ZigBee工作速率維持在20～250 kb/s的較低速率中，每個節(jié)點的速率為10～250 kb/s。低速率的工作下對部分組網(wǎng)方法產(chǎn)生局限性。

（4）近距離。ZigBee通信技術的傳輸范圍為10～100 m，屬于近距離傳輸。

（5）短時延。ZigBee只需要15 ms就能從睡眠狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，節(jié)點在30 ms內(nèi)就能夠連接網(wǎng)絡，其具有響應速度快、延時較短、節(jié)能省電的特點。

（6）高容量。ZigBee采用的星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，1個主節(jié)點能夠同時管理254個字節(jié)點，容量大，主節(jié)點在管理子節(jié)點的同時能夠被上一層的網(wǎng)絡節(jié)點同時管理，從而組成了一個大的節(jié)點網(wǎng)絡。

（7）協(xié)議簡單、安全性高。ZigBee協(xié)議較為簡化，有利于降低成本，可交互性和可維修性，同時也提供了3級安全模式，不僅保障了網(wǎng)絡的安全，也使得安全屬性能夠被靈活的確認。

2.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）是物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）領域的一種新興的無線網(wǎng)絡技術，主要領域是在低功耗廣覆蓋IoT的市場，主要有以下幾個方面的特點。一是覆蓋范圍廣。NB-IoT通信技術縮小寬帶以提高功率，重復發(fā)送來獲取時間分級增益，能夠覆蓋到地下深層35 km處，覆蓋范圍較為廣泛。二是連接數(shù)量大。能夠在同一基站下，通過話務模式實現(xiàn)休眠和激活狀態(tài)的靈活切換，并且減少空口信令交互和提高資源利用率等，同一基站下多增加了50～100倍接入數(shù)，使得每個小區(qū)的連接可高達50 000個，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)下的海量連接。三是低功耗。其運行終端大部分狀態(tài)下處于休眠狀態(tài)，功能消耗低，待機時間長。四是低成本。硬件能夠被剪裁，軟件按照需求簡化，降低了NB-IoT通信單模塊的成本。以上這些優(yōu)勢使得NBIoT在電力物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應用，實現(xiàn)了海量的終端數(shù)據(jù)包的傳輸需求。

2.3 LoRa技術

遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）技術是一種用于無線電調(diào)制解調(diào)的技術，LoRa是IoT的無線平臺，基于擴頻技術可實現(xiàn)遠距離的傳輸，其主要的特點有以下幾個方面。

（1）抗干擾。與其他的無線電技術相比，LoRa技術工作原理是通過高擴頻因子將小容量數(shù)據(jù)進行大范圍的傳輸，不易受到干擾影響，就算是同頻率同時將信號發(fā)送主機也不會相互干擾。LoRa技術抗干擾原理如圖3所示。

圖3 LoRa技術抗干擾原理

（2）傳輸距離遠以及功耗低。保留頻移鍵控低功耗的同時增加傳輸距離，其在開闊地帶的傳輸距離可達到8 km，實現(xiàn)了低功耗和高傳輸距離兼得，但是其傳輸速率有限，通常被用于大范圍數(shù)據(jù)采集業(yè)務。

（3）穿透力強。LoRa的傳輸頻率可高達868 MHz，擁有強大的穿墻能力。

（4）較高的安全性。LoRa采用了嵌入式點對點AES-128數(shù)據(jù)加密技術，其安全性高。

2.4 RFID技術

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是自動識別技術的一種，通過無線射頻（閱讀器和標簽之間）非接觸通信，利用射頻卡將識別到的目標與數(shù)據(jù)進行交換，以此達到非接觸式識別目的。RFID技術能夠根據(jù)通信位置劃分為近場和遠場，其數(shù)據(jù)交換方式也對應其負載調(diào)制和反向散射調(diào)制。其主要有以下特點：一是快速掃描，RFID技術單個閱讀器能夠同時識別多個標簽；二是穿透性好能夠?qū)崿F(xiàn)無屏障閱讀，RFID技術能夠在被覆蓋的情況下穿透紙張、木材、塑料等非金屬或是非透明的阻擋物進行讀取識別，如自動售貨機；三是數(shù)據(jù)容量大，其最大可以容納數(shù)兆的字符，并能夠隨記憶載體變化同時擴大數(shù)據(jù)容量；四是體型小，形狀多，RFID技術讀取上不受形狀與尺寸的限制，如校園卡。

RFID技術的優(yōu)勢突出，但相對應的也存在以下需要優(yōu)化的部分：RFID技術受到讀寫器、標簽等影響成本較高；技術標準難以統(tǒng)一；多目標識別的精準率需要提高。

RFID技術在電力物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應用的1種傳感技術，其非接觸性的目標數(shù)據(jù)互換、單個標簽閱讀器能夠同時讀取多個標簽等優(yōu)勢，使得這種技術常被應用在高度移動的場景中。

2.5 203 MHz 電力專網(wǎng)通信

203 MHz電力專網(wǎng)具有能夠被任意載波聚合、動態(tài)頻譜感知、散點頻點獨立使用等特點，能夠為用戶提供語音、視頻、數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)業(yè)務等無線接入。一方面，203 MHz電力專網(wǎng)通信通過零散碎片頻譜重拼提高離頻譜的利用效率；另一方面，這種通信技術的延時性較低，運用邊緣計算能力，采用核心網(wǎng)功能下沉方式降低延時，通過對高層信令的優(yōu)化滿足海量傳輸。203 MHz電力專網(wǎng)通信技術采用了扁平化的系統(tǒng)架構，成本低廉、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、低維護，從而增加電力通信接入網(wǎng)的契合度。

203 MHz電力專網(wǎng)通信技術具有高安全性、多功能性、靈活配置、管理全面、網(wǎng)絡組成簡單以及運行維護相對便捷等優(yōu)點，被應用在電網(wǎng)企業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應用場景中。

2.6 傳統(tǒng)移動通信技術

傳統(tǒng)的移動通信技術是由移動臺、移動交換機共同組成的，適用于對傳輸速率有要求且數(shù)據(jù)較大的業(yè)務。傳統(tǒng)移動通信技術主要有以下特點：一是無線通信，物體保持移動性；二是電波在進行傳播的過程中可能會出現(xiàn)各種現(xiàn)象（多普勒、折射、反射等），產(chǎn)生干擾，從而會導致信號延時和展寬等；三是用戶之間，環(huán)境影響等使得噪聲和干擾情況嚴重；四是通信系統(tǒng)結構較為復雜，由多用戶系統(tǒng)和網(wǎng)絡共同構建。對于5G移動通信來說，其頻譜利用率高、應用廣泛，但易受高頻段無線電波的影響；5G移動通信技術通過多點、多無線、多用戶之間相互協(xié)作，很大程度上提高了移動通信的性能。

3 電力通信中異構網(wǎng)絡關鍵技術

物聯(lián)網(wǎng)能夠通過一定感知、計算、執(zhí)行和通信等設備，以計算機為基礎（射頻、無線、條形碼、云計算等），通過網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在電力通信這個復雜的物聯(lián)網(wǎng)中，怎樣高效地使用異構網(wǎng)絡，發(fā)揮其系統(tǒng)最大的性能優(yōu)勢是目前需要關注的問題。以下從多方面多角度分析電力物聯(lián)網(wǎng)異構網(wǎng)絡的幾項關鍵技術。

3.1 干擾消除技術

異構網(wǎng)絡中的干擾問題嚴重阻礙其運行，其干擾是各個不同網(wǎng)絡同時使用信道而產(chǎn)生的。由于電力物聯(lián)網(wǎng)構建的特性，會出現(xiàn)多個相互重疊且覆蓋的小基站，在進行通信道數(shù)據(jù)的傳輸時，如果互相覆蓋的基站同時使用同一個信道進行數(shù)據(jù)傳輸，那么會對物聯(lián)網(wǎng)的終端信號產(chǎn)生干擾。為了消除這種干擾帶給異構網(wǎng)絡運行的阻礙，一方面可從功率、頻域和時域3個方面來減少小區(qū)間對其的干擾現(xiàn)象，增強小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術，對系統(tǒng)作好功率的控制工作，以此來減少干擾現(xiàn)象的發(fā)生。另一方面，在頻域的選擇上，最大程度上選擇不同正交的信道進行數(shù)據(jù)傳輸任務，以避免小區(qū)間之間的互相干擾現(xiàn)象的發(fā)生，同時不同小區(qū)間則使用時分復用的機制，在不相同的時隙進行數(shù)據(jù)的傳輸工作，減少干擾。

3.2 多連接技術

在一個區(qū)域存在多種形式的通信技術覆蓋的情況下，多連接技術能夠增強重疊的覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸功能。隨著時代的發(fā)展和科技的進步，多模終端技術逐漸成為電力物聯(lián)網(wǎng)技術的主要發(fā)展趨勢。不同通信協(xié)議直接相互融合相互支撐，是使用多連接技術的前提條件，在這個前提存在的基礎上，多連接技術能夠?qū)⑵渌袛?shù)據(jù)進行匯總傳輸。多連接技術的成立和順利運行的前提條件是配置最優(yōu)的網(wǎng)絡選擇策略。多連接技術的使用使得終端在進行數(shù)據(jù)傳輸時更加的高效，同時其信令開銷會出現(xiàn)增長。通信技術直接決定了電力物聯(lián)網(wǎng)的終端服務質(zhì)量，因此在多連接技術的使用過程中，需要配置最優(yōu)的策略（根據(jù)終端環(huán)境進行配置），動態(tài)地計算這項技術帶來的效益。

3.3 網(wǎng)絡間切換技術

在多連接技術發(fā)展的前提下，網(wǎng)絡間切換技術也是一個值得研究的重點問題。在以下幾種情況下容易出發(fā)多連接場景的切換。一是當多連接的服務性能不足以支撐業(yè)務服務質(zhì)量，為了保障業(yè)務質(zhì)量會考慮移動終端狀態(tài)的情況進行網(wǎng)絡切換。二是移動終端處于密集覆蓋的網(wǎng)絡下進行移動，為了保證業(yè)務連貫性和質(zhì)量，會進行網(wǎng)絡切換。多場景切換就是網(wǎng)絡的選擇，當終端進行網(wǎng)絡切換這個行為時，其環(huán)境中同性狀態(tài)也會改變，不僅對通信終端會有影響，同時會對其他終端產(chǎn)生影響。當系統(tǒng)的最優(yōu)態(tài)被打破后，其每個終端的選擇都不會是最優(yōu)的選擇。同時，系統(tǒng)中的切換則會導致系統(tǒng)發(fā)生混亂，頻繁的切換會增加信令的開銷。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，保障電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，需要在網(wǎng)絡切換的狀態(tài)下指定一個閥值來避免其中一個終端切換時影響其他的用戶使用。

3.4 負載均衡技術

電力物聯(lián)網(wǎng)終端在可連接多種通信網(wǎng)絡的狀態(tài)下，部分通信制式會隨著用戶量的增加出現(xiàn)其性能下降的情況。為避免這種情況影響服務質(zhì)量，需要考慮不同通信之間負載均衡的問題。不同的通信技術能夠選擇其適合的用戶，選擇最優(yōu)的用戶進行數(shù)據(jù)傳輸任務，并且可以最大化系統(tǒng)容量來負責均衡其目標。

3.5 頻譜共享技術

不同制式的通信技術可以通過共享統(tǒng)一頻段的無限資源提高頻譜的利用效率。對于免許可頻段而言，其頻段資源豐富且免費，而對于許可頻段而言，不僅擁擠而且費用昂貴。在共享頻段的狀態(tài)下，不僅能夠有效地降低傳統(tǒng)的移動通信的成本，還能夠增加其性能，最大程度地滿足電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的容量。例如5.8GLTE-U技術，這項技術就是通過頻譜共享來改善了頻段資源短缺問題。但是，傳統(tǒng)通信技術和工作在免許可頻段通信技術的信道接入上有所不同，即傳統(tǒng)的移動通信使用的是中心信道分配，工作則是用退避競爭信道接入，接入上的差異性會導致免許可頻段有可能會降低性能。針對這種情況，在頻譜共享技術中，需要考慮到2個網(wǎng)絡的公平性，在提升傳統(tǒng)性能的同時保障原有通信技術的性能。因此，這種情況下電力物聯(lián)網(wǎng)可以使用占空比機制（降低傳統(tǒng)移動通信接入帶來的影響）和先聽后說機制（將2個通信在時間上區(qū)分開來），使這2種通信技術在不降低原有性能的情況下達到共存。此外，也可以通過修改傳統(tǒng)移動通信的接入機制，使用退避競爭協(xié)議達到與原有通信技術的共存。

3.6 網(wǎng)絡切片技術

網(wǎng)絡切片即為按需組網(wǎng)，是對資源充足的1項技術，通常是由無線子切片、承載網(wǎng)子切片和核心網(wǎng)子切片3部分組成的。其技術核心是網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV），由通信服務的類型來進行選擇。隨著5G網(wǎng)絡技術的普及，其在現(xiàn)今呈現(xiàn)出用戶與數(shù)據(jù)面分離、邊緣計算機等趨勢，為了更好地發(fā)揮其這些功能的性能，網(wǎng)絡切片技術是其重點。網(wǎng)絡切片技術能夠虛化網(wǎng)絡功能，通過按需組網(wǎng)的方式，將網(wǎng)絡分割成多個虛擬子網(wǎng)，不僅增加了網(wǎng)絡的容量和性能，也能夠滿足不同應用的需求。

4 結 論

隨著社會的發(fā)展和科學技術的不斷進步，電力物聯(lián)網(wǎng)技術也在不斷發(fā)展優(yōu)化，其重要性在新階段的發(fā)展進程中不言而喻。隨著國網(wǎng)電力物聯(lián)網(wǎng)建設步伐的加快，異構網(wǎng)絡隨著大量的物聯(lián)網(wǎng)終端不同制式的無線通信技術的接入而日漸壯大，從而形成1個大型的異構網(wǎng)絡。為了滿足其發(fā)展趨勢，提高電力物聯(lián)網(wǎng)的性能和服務質(zhì)量，滿足日漸增加的業(yè)務需求，高度融合的通信架構是其主要基礎。這種情況下，電信通信中異構網(wǎng)絡技術的研究就尤為重要，是提高通信覆蓋面積、滿足復雜的新型智能電網(wǎng)業(yè)務的重要途徑，也是推動社會發(fā)展的技術支撐。