一種電力巡檢終端設(shè)備的低功耗數(shù)據(jù)傳輸策略設(shè)計(jì)

柏帆，葛志峰，郭鵬程，裘森強(qiáng)，吳軍法

（1.寧海縣雁蒼山電力建設(shè)有限公司，浙江寧波 315615；2.國(guó)網(wǎng)浙江寧?？h供電有限公司，浙江寧波 315699；3.浙江黑卡電氣有限公司，浙江 杭州 311100）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，穿戴式設(shè)備逐漸應(yīng)用于電力巡檢。以電力智能頭盔為例，其不但解放了巡檢人員的雙手，而且有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度[1-2]。同時(shí)，這些設(shè)備可以將一線的巡視情況通過(guò)5G 或者WiFi隨時(shí)回傳，經(jīng)過(guò)后臺(tái)信息處理后指導(dǎo)一線人員工作，進(jìn)而提高了工作效率[3-4]。但終端設(shè)備的電源容量有限，如何高效利用能量以最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期是亟需解決的問(wèn)題[5]。

目前，降低無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸功耗的方法主要有增設(shè)中繼站、采用分簇協(xié)議、實(shí)施任務(wù)卸載策略等。以上方法雖能夠在一定程度上減少功耗，但存在著傳輸延遲、效率較低等問(wèn)題[6-7]。為此，提出了一種電力巡檢終端設(shè)備的低功耗數(shù)據(jù)傳輸策略。在5G 通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，引入傳輸-空閑雙模式工作狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)工作狀態(tài)降低系統(tǒng)耗能，實(shí)現(xiàn)低功耗、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。

1 新型電力巡檢終端設(shè)備

現(xiàn)有大部分電力智能頭盔均破壞了安全帽的基本安全結(jié)構(gòu)，無(wú)法通過(guò)電力安全規(guī)范的認(rèn)證，不利于推廣使用。同時(shí)，電力智能頭盔的觀測(cè)屏?xí)趽醪糠忠暰€，難以在行走時(shí)使用[8]。為此，設(shè)計(jì)了一種新型電力紅外智能眼鏡，將其安裝在安全帽外部。該眼鏡具備紅外測(cè)溫組件，既滿足安全性要求，又實(shí)現(xiàn)了電力巡檢設(shè)備的功能性，適用于電力巡檢的紅外智能眼鏡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電力紅外智能眼鏡的硬件結(jié)構(gòu)

智能眼鏡的對(duì)外接口設(shè)計(jì)了紅外探測(cè)器、電池配件、安全帽安裝接口等，還預(yù)留有國(guó)家電網(wǎng)加密芯片等硬件資源。同時(shí)還兼容了熱像儀、5G 模塊等外設(shè)，電路部分精簡(jiǎn)冗余，通過(guò)共用模塊實(shí)現(xiàn)了設(shè)備小型化。而且，設(shè)備各個(gè)模塊的信號(hào)不會(huì)相互干擾，具有良好的電磁兼容性，穿戴式的設(shè)計(jì)具有便攜性的特點(diǎn)。此外，采用5G 技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)的巡視情況隨時(shí)回傳至云端，后臺(tái)人員或?qū)＜規(guī)炜梢灾笇?dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員工作，從而提高了工作效率。

由于電力紅外智能眼鏡主要裝配在安全帽上，因此還充分考慮了眼鏡模塊的配重，使其佩戴舒適。在不影響基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠滿足不同類型安全帽的應(yīng)用需求。

2 基于5G技術(shù)的低功耗數(shù)據(jù)傳輸策略

電力紅外智能眼鏡為便于穿戴，整體小巧化，因此電源模塊的容量較小，功耗問(wèn)題成了直接影響該終端設(shè)備實(shí)用性的關(guān)鍵技術(shù)難題[9-10]。為此，該文基于5G 傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了適用于電力巡檢終端設(shè)備的低功耗傳輸策略。

2.1 5G通信網(wǎng)絡(luò)的基本原理

第五代（5 Generation，5G）通信技術(shù)具備高帶寬、高可靠性、低延時(shí)、低功耗等特點(diǎn)，其包括了多個(gè)通信頻段。其中適用于廣域連接的頻段不超過(guò)6 GHz，適用于超高速通信的頻段為24～100 GHz[11]。5G 通信網(wǎng)絡(luò)的主體包含三部分：核心網(wǎng)(CN)、宏基站(MBS)與微基站(SBS)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 5G通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

其中，CN 的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體管控及數(shù)據(jù)傳遞，把每個(gè)端口的數(shù)據(jù)請(qǐng)求與應(yīng)答連接至相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)上。MBS 利用光纖或者是微波的模式與CN相連，并采用無(wú)線傳輸?shù)哪Ｊ桨研畔魉偷骄W(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)區(qū)域的MBS、SBS 和用戶。SBS 的信號(hào)發(fā)射功率比較低，且涵蓋的范圍較小，但足量的SBS 共同工作便可確保每個(gè)區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度，從而強(qiáng)化了無(wú)線鏈接的密度[12-13]。

在MBS、SBS 和用戶的無(wú)線通信中，數(shù)據(jù)傳輸速率較大程度上會(huì)受到多個(gè)因素的干擾，如信噪比等。根據(jù)香農(nóng)定律便可確定數(shù)據(jù)傳輸速率的最大值，其數(shù)學(xué)表示如下：

式中，Vmax為傳輸速率最大值，單位是bps；W為信道帶寬，單位是Hz；PS、PN分別為信號(hào)和噪聲的功率，單位是W，兩者的比值為信噪比。

5G 技術(shù)的核心特征，如表1 所示。

表1 5G技術(shù)的核心特征

2.2 基于雙模式的低功耗數(shù)據(jù)傳輸策略

在5G 通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)業(yè)務(wù)流需求不飽和時(shí)，接收機(jī)中可能存在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送的情況，各個(gè)模塊均無(wú)需工作，且系統(tǒng)也不必額外消耗整個(gè)信號(hào)路徑中的傳輸信號(hào)功率[15-16]。為此，提出了傳輸與空閑的雙模式系統(tǒng)工作狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化傳輸策略降低系統(tǒng)功耗。當(dāng)存在待發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)處于傳輸模式；當(dāng)不存在數(shù)據(jù)待發(fā)送時(shí)，系統(tǒng)處于空閑模式，或者是由傳輸模式切換至空閑模式。雙模式工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換流程如圖3 所示。

圖3 傳輸與空閑雙模式工作流程

根據(jù)雙模式傳輸特性，系統(tǒng)消耗的總能量包括固定功率、傳輸和空閑模式下的消耗功率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，Pc為與數(shù)據(jù)傳輸無(wú)關(guān)的固定功率；Ptr和Pfr分別為傳輸與空閑模式的功率；κtr和κfr分別為系統(tǒng)處于傳輸與空閑模式下的幾率；γ和γ0分別為信噪比及其閾值。

傳輸延時(shí)是關(guān)于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和鏈路傳輸速率的函數(shù)，由于其對(duì)于固定的包大小和傳輸速率具有確定的值，因此可以預(yù)先評(píng)估。相反，排隊(duì)時(shí)間本質(zhì)上是隨機(jī)的。所以總延時(shí)是一個(gè)隨機(jī)變量，其均值為：

式中，τtr為確定性傳輸延時(shí)；為排隊(duì)延時(shí)的均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)場(chǎng)操作人員佩戴裝有電力紅外智能眼鏡的安全帽進(jìn)行電力設(shè)備巡檢，采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息，并基于嵌入式系統(tǒng)和FPGA 系統(tǒng)傳輸并處理紅外數(shù)據(jù)與5G 信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電力巡檢。其中，裝配電力紅外智能眼鏡的安全帽實(shí)物圖如圖4所示[17-18]。

圖4 電力巡檢終端設(shè)備的實(shí)物圖

3.1 參數(shù)分析

由于信噪比會(huì)直接影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，則閾值γ0的設(shè)定會(huì)存在一個(gè)最大值，以防止數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)有效容量。采用能效評(píng)估所提傳輸策略的性能，其結(jié)果如圖5 所示。其中，能效為數(shù)據(jù)傳輸速率與系統(tǒng)總功耗的比值。

圖5 系統(tǒng)能效與信噪比閾值的關(guān)系

從圖5 中可以看出，隨著閾值γ0的增加，能效也在不斷增加，直至γ0達(dá)到最大值。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率為1 519.7 kbps時(shí)，γ0的最大值是0.53；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率為300 kbps時(shí)，γ0的最大值是1.73。與不存在傳輸策略（即γ0=0）的情況相比，對(duì)于傳輸速率分別為1 519.7 kbps 和300 kbps，能效分別提升了40.05%和588.97%。主要是因?yàn)樗岵呗灾胁捎秒p模式工作流程，能夠有效利用傳輸信道的時(shí)變特性，使更多的工作時(shí)間處于空閑模式，從而有效降低系統(tǒng)消耗的能量。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸功耗對(duì)比

為了論證所提策略的低功耗性能，將其與文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[9]進(jìn)行對(duì)比分析。不同傳輸間隔時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)總功耗的結(jié)果如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)總功耗的對(duì)比結(jié)果

從圖6 中可以看出，數(shù)據(jù)包傳輸間隔時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)總功耗越大，而所提策略的功耗最小。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸間隔為25 s時(shí)，系統(tǒng)功率大約為20 W。由于所提策略在5G 技術(shù)的基礎(chǔ)上采用傳輸-空閑兩種工作模式，而傳輸功率遠(yuǎn)大于空閑功率，因此雙模式的使用較大程度上降低了系統(tǒng)功耗。文獻(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)上傳路徑的節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間的協(xié)調(diào)調(diào)度以減少功耗，但由于缺乏高性能的時(shí)間優(yōu)化算法，因此整體性能不佳。當(dāng)間隔時(shí)間為25 s時(shí)，系統(tǒng)總功耗超過(guò)200 W。文獻(xiàn)[7]基于簇協(xié)議、文獻(xiàn)[9]利用LoRa 調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗數(shù)據(jù)傳輸，雖能夠減少功耗，但由于沒(méi)有睡眠機(jī)制，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間增加時(shí)，系統(tǒng)功耗會(huì)快速上升。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)對(duì)比

由于系統(tǒng)處于空閑模式時(shí)，不存在傳輸延時(shí)，因此，該文只需要考慮傳輸模式下數(shù)據(jù)傳輸量大小對(duì)傳輸延時(shí)的影響。不同策略的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)對(duì)比結(jié)果

從圖7 中可以看出，傳輸數(shù)據(jù)量的增加會(huì)導(dǎo)致延遲時(shí)間的增長(zhǎng)，但所提策略的傳輸延時(shí)上升幅度最小且時(shí)間最短，不超過(guò)2 s。所提策略采用5G 技術(shù)，該通信技術(shù)傳輸速率快，且延時(shí)短。文獻(xiàn)[9]采用的LoRa 調(diào)制技術(shù)適用于長(zhǎng)距離傳輸，但延時(shí)問(wèn)題明顯，一旦傳輸數(shù)據(jù)量增加，其延時(shí)將快速上升。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]采用的喚醒機(jī)制和簇協(xié)議均能在一定程度上減緩延時(shí)，但在數(shù)據(jù)量較大的情況下，所產(chǎn)生的延時(shí)均較高，其中文獻(xiàn)[6]超過(guò)了10 s。綜合來(lái)看，該文所提策略的整體性能最佳，在滿足低功耗的條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸，符合電力巡檢終端設(shè)備的工作需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)電力員工在戶外巡檢時(shí)，需要長(zhǎng)期佩戴安全帽，而紅外智能眼鏡的續(xù)航時(shí)間直接影響其的工作效率。為此，提出一種電力巡檢終端設(shè)備的低功耗數(shù)據(jù)傳輸策略，以最大化設(shè)備的使用時(shí)間。搭載新型電力紅外智能眼鏡的安全帽與后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，采用5G 通信技術(shù)，并設(shè)計(jì)了傳輸-空閑雙模式系統(tǒng)工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)功耗最小化。利用所提策略進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果表明，不同傳輸速率對(duì)應(yīng)的信噪比閾值不一致，需動(dòng)態(tài)調(diào)整，且所提策略的總功耗隨著間隔時(shí)間的增長(zhǎng)不超過(guò)20 W，而傳輸延時(shí)在數(shù)據(jù)量不超過(guò)10 GB 時(shí)小于2 s，均優(yōu)于對(duì)比策略。

目前5G 技術(shù)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性仍有待論證。因此，接下來(lái)的研究中將重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>