基于微波技術的低功耗無線自主網技術

中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局 鄭武略 張?zhí)旌?王瑞顯 劉楠

針對應用傳統(tǒng)技術組建的網絡功率消耗量較大問題，為此提出基于微波技術的低功耗無限自主網技術研究。根據(jù)輸電線路桿塔為線狀分布的特點，構建星型+鏈型通信信道，開展星型+鏈型組網；利用微波技術實現(xiàn)網絡無線通信；根據(jù)通信信號強度與網絡設備功耗關系開發(fā)智能通信鏈路管理算法，依據(jù)設定的通信信道強度門限值計算通信鏈路狀態(tài)，以此完成基于微波技術的低功耗無限自主網。經實驗證明，應用此次設計技術開發(fā)的網絡功率消耗值低于傳統(tǒng)技術，可以滿足無限自主網低功耗技術需求。

低功耗無限自主網是以Ad Hes 網絡為基礎，無限極、無中心、自主管理、多跳共享且能滿足低功耗要求的無限網絡，由于低功耗無限自主網技術在應用過程中無需基礎設施，可以快速開展聯(lián)網的同時還具有較強的抗毀性，因此低功耗無限自主網得到了越來越多的重視。由于國內對于低功耗無限自主網技術相關領域的研究起步比較晚，理論資源比較少，一些技術問題尚待解決。低功耗無限自主網技術具有廣闊的開發(fā)前景，但是現(xiàn)有的技術在實際應用中由于涉及的通信設備比較多，并且組網技術還不夠成熟，采用的智能鏈路管理算法計算過程比較復雜，導致消耗的功率較大，已經無法滿足低功耗無限自主網技術要求，為此提出基于微波技術的低功耗無限自主網技術研究。微波技術可以利用電磁波實現(xiàn)在大氣中的視距傳輸信息，具有良好的微波信道傳輸特性，外界環(huán)境因素對其影響比較小，因此目前微波技術已經被得到廣泛應用，尤其是在無線通信技術領域中[1]。此次以微波技術理論作為理論依據(jù)，設計一種新的低功耗無限自主網技術，降低功耗，為低功耗無限自主網提供參考依據(jù)。

1 基于微波技術的低功耗無限自主網技術設計

1.1 開展星型+鏈型組網

低功耗無限自主網技術設計開發(fā)首先要對組網鏈路進行規(guī)劃，由于輸電線路桿塔大多為線狀分布，為了有效規(guī)劃網絡資源，此次采用星型+鏈型組網方式進行低功耗無限自主網，如圖1 所示為星型+鏈型網絡結構圖。

圖1 星型+鏈型網絡結構圖Fig.1 Star+chain network structure diagram

如圖1 所示，根據(jù)實際設備數(shù)量確定網絡節(jié)點數(shù)量，網絡節(jié)點數(shù)量不宜過多，也不宜過少，節(jié)點的分布形態(tài)和連接方式根據(jù)輸電線路桿塔為線狀分布的特點，此次網絡節(jié)點的布點方式采用星型+鏈型，星型+鏈型的布點方式可以縮短鏈路路徑，同時還與輸電線路桿塔布局相符合，可以降低網絡線路功耗。此次設計的組網還采用了分級結構，將網絡中節(jié)點劃分成一個簇或者多個簇，簇頭之間形成一個高級的網絡，簇頭可以預先指定，另其負責簇間數(shù)據(jù)的傳輸。在星型+鏈型組網中，節(jié)點分為高級節(jié)點和低級節(jié)點，普通的簇成員為低級節(jié)點，簇頭為高級節(jié)點。兩種級別的節(jié)點任務分工不同，因此為了有效利用網絡資源，對不同級別的網絡節(jié)點使用不同的頻率進行通信，各個簇成員之間的通信采用一種頻率，簇頭與簇頭之間的通信采用另一種通信頻率，這樣可以提高網絡的擴充性，并且使網絡規(guī)模不容易受到限制。

在星型+鏈型組網過程中需要確定簇頭和簇成員的數(shù)量，簇成員和簇頭的數(shù)量不宜過多，也不能過少，在網絡中簇頭的主要任務是負責簇成員之間路由的維護，根據(jù)網絡負載情況將資源分配到各個簇成員上，因此可以根據(jù)網絡負載情況來確定簇成員和簇頭數(shù)量，其計算公式如式（1）所示：

公式（1）中，TRF表示網絡負載因子；n表示組網中簇頭數(shù)量；x表示簇成員數(shù)量；a表示星型+鏈型組網中每個簇頭的平均鄰居節(jié)點數(shù)；w表示星型+鏈型組網中總的節(jié)點數(shù)量。利用公式（1）計算出星型+鏈型組網中簇頭和簇成員的數(shù)量，以此完成了星型+鏈型組網。

1.2 基于微波技術的無線通信

完成組網工作后，需要對網絡通信技術進行設計，由于傳統(tǒng)技術在實際應用中網絡容易外界因素的干擾，影響網絡通信功能，基于此需求采用微波技術。微波技術利用發(fā)信機作為信號發(fā)射器，以收信機作為信號接收器，采用脈沖寬度調制方式對網絡通信信號進行調制。微波技術使用不同的脈寬表示不同的符號，用序列表示為如式（2）所示：

公式（2）中，e(t)表示微波脈沖寬度調制的數(shù)字基帶信號；g表示n個可能的占空比；表示持續(xù)時間內的矩形脈沖[2]。微波技術對數(shù)字基帶信號進行變頻生成脈沖寬度調制信號，再經過放大器將網絡信息進行放大，將其作為輸入信號輸入到網絡中[3]。為了避免外界因素對微波信號的干擾，在網絡中布置一個干擾器，利用干擾器降低輸入信號的饒信比，以此保證組網中數(shù)據(jù)的有效傳輸。

低功耗無限自主網傳遞的信息種類較多，為了保證組網信息傳遞有效，通過調制電磁波瞬時頻率來表達不同的組網信息[4]。將組網的通信信道定義在466-467頻，建立十個信道組，每個信道組由兩個無線信道組成，這兩種無線信道一種是0 號信道組，另一種是工作信道組，其中0 號信道組用于低功耗無限自主網維護，工作信道組用于低功耗無限自主網通信，對每個信道組的中心頻率進行設定，由于此次設計的是低功耗無限自主網，需要滿足低功耗需求，因此將中心頻率設定在466～467Hz 之間，具體如表1 所示。

表1 微波信道組中心頻率表Tab.1 Center frequency table of microwave channel group

將電磁波信號發(fā)射器和信號接收器的頻率偏差值設定為25±5kHz，確保不同信號的準確接收和發(fā)送。

1.3 開發(fā)智能通信鏈路管理算法

此次設計的低功耗無限自主網涉及的微波設備較多，并且信道鏈路也比較復雜，為保證信道鏈路資源得到合理分配，并且降低功耗，在上文基礎上，開發(fā)智能通信鏈路管理算法。據(jù)有關研究資料表明，通信消耗的功率與接收信號強度有直接關系，接收信號強度越強則消耗的功率值越高，而接受信號強度可以用來表示當前信號是否處于空閑狀態(tài)，如果通信信道處于空閑狀態(tài)，則需要及時關閉該通道，以此保證功率的有效利用。因此根據(jù)該理論開發(fā)智能通信鏈路管理算法。

無線節(jié)點可以接收的信號強度最大范圍為90-120，如果信號強度超出該范圍，則可以視為網絡通信異常，功率消耗過高，因此此次在算法中設計一個信號強度門限值，如果信號強度超出門限值，則說明網絡中不存在需要發(fā)送的信號，此時關閉通道；如果信號強度沒有超出門限值，則說明網絡中存在有待發(fā)射的無線節(jié)點，此時打開通信通道[5]。利用HFV 軟件測評網絡通信信道的信號強度，在通過微波信號接收器打開信道的信號強度評估，從一個8 位的寄存器讀取到精度在0.25dB 的信號強度值，對其進行計算，其計算公式如式（3）所示：

公式（3）中，n表示通信鏈路狀態(tài)，打開或者關閉；s表示通信鏈路信號強度值；d表示通信鏈路通信強度門限值；t表示通信時間。利用上述公式計算出通信鏈路管理指令，將其發(fā)送到低功耗無限自主網平臺上，并采用窄帶物聯(lián)網實現(xiàn)信息與指令交互，保證在低功率下實現(xiàn)微波設備運行，以此完成基于微波技術的低功率無限自主網技術設計。

2 實驗論證分析

實驗以小組為實驗環(huán)境，根據(jù)該小區(qū)用網需求進行低功率無限自主網。通過無線節(jié)點12 針外接口與該小區(qū)網絡設備連接，通過串口與微波設備進行數(shù)據(jù)交互，該小區(qū)用戶數(shù)量為1000戶，占地面積為1253.42m2，相鄰兩個單元之間的距離為156m，因此共設計200 個網絡節(jié)點，將小區(qū)正中間單元樓設定為中心節(jié)點，由中心節(jié)點向外發(fā)送信息類指令，根據(jù)每個單元地址逐個讀取通信數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息通過串口上傳到PC 機上。實驗中設計到的電子設備共45臺，令兩種技術組建的網絡進行無線通信，通信時間為6h，通信的數(shù)據(jù)量分別為100GB、200GB、300GB、400GB、500GB、600GB，在通信過程中測量到兩個網絡功率消耗值，根據(jù)技術開發(fā)要求，低功耗無限自主網每小時每平方米的功耗不得超過10W，如果超過該標準則視為技術不合格，因此將其作為實驗結果，對此次設計的基于微波技術的低功耗無限自主網技術進行驗證，實驗結果如表2 所示。

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，應用此次設計技術開發(fā)的網絡功率消耗較低，符合技術要求，并且遠小于傳統(tǒng)技術開發(fā)的網絡，此次根據(jù)通信設備功率消耗特點開發(fā)了相應的管理算法，并且采用了星型+鏈型通信信道，可以有效利用網絡資源，降低網絡功率消耗，因此實驗證明了此次設計的技術可以滿足低功耗無限自主網技術需求。

表2 兩種技術開發(fā)網絡功率消耗對比（W）Tab.2 Comparison of network power consumption (W) developed by two technologies

3 結語

此次結合低功耗需求，設計的低功耗無限自主網技術經過現(xiàn)場實驗驗證，技術能夠有效應用，在保證正常通信的同時還能確保網絡功率消耗最低，具有良好的現(xiàn)實應用價值。由于時間限制，低功耗無限自主網技術還存在一些不足，雖然完成了基本的組網設計，但是該項技術在諸多方面還需要有待完善與優(yōu)化，比如智能通信鏈路管理算法仍需要完善，今后仍會在該方面進行進一步研究與探索，為低功耗無限自主網技術研究與應用提供理論依據(jù)。

引用

[1] 劉星.數(shù)字微波技術在廣播電視信號傳輸中的應用分析[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體,2020(1):17-19.

[2] 王輝.廣播電視信號傳輸中數(shù)字微波技術應用研究[J].電子世界,2020(20):208-209.

[3] 陳世海,楊茂桃,張星宇,等.采用無線自組網技術的遠程苔蘚微霧灌溉系統(tǒng)[J].信息通信,2020(6):47-50.

[4] 賀渝兵,曾國奇,宗茂,等.基于蜂群測控資源智能管控的無人機區(qū)域組網技術研究[J].無線電工程,2020,50(11):932-938.

[5] 李利民.探討SDH數(shù)字微波技術在廣播電視微波傳輸網建設中的重要作用[J].數(shù)字通信世界,2020(6):140-141.