基于微功率技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性研究

基于微功率技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性研究

0微功率無(wú)線系統(tǒng)在域網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用案例在構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)輸電網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)（田地網(wǎng)絡(luò)，fa）時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有成本低、易受訪問(wèn)方便的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案中,國(guó)家頻譜管理政策限制了采用蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［２－３］進(jìn)行大規(guī)模電力通信專網(wǎng)建設(shè),而采用工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段的微功率無(wú)線技術(shù)具有組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔的優(yōu)勢(shì),成為電力通信的重要技術(shù)選擇之一。然而,大多數(shù)微功率無(wú)線技術(shù),例如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)［４］、無(wú)線局域網(wǎng)［５］,其設(shè)計(jì)初衷是應(yīng)用于小范圍的近距網(wǎng)絡(luò)(homeareanetwork),實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)接入功能,在輸配電線路等通信距離長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中,使用微功率無(wú)線技術(shù)獲得的通信性能與其在原始設(shè)計(jì)環(huán)境(工作范圍為100m)下有較大差別。另一方面,微功率無(wú)線技術(shù)也未考慮工業(yè)級(jí)環(huán)境的需求,例如IEEE802.11g設(shè)計(jì)在非同步的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)體制下,沒(méi)有提供工業(yè)級(jí)控制類業(yè)務(wù)的時(shí)間同步要求。目前,在一些針對(duì)微功率無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难芯恐?開展了對(duì)通信協(xié)議在遠(yuǎn)距傳輸中的理論性能分析［５－７］,從協(xié)議的角度提出微功率無(wú)線技術(shù)在遠(yuǎn)距離傳輸中的適應(yīng)方案［８］。但是,上述成果并未從工程角度提供通信距離與通信性能之間的關(guān)系,未考慮信號(hào)強(qiáng)度對(duì)傳輸性能的影響。在當(dāng)前的各項(xiàng)微功率無(wú)線技術(shù)中,IEEE802.11g(2.4GHz)技術(shù)使用ISM頻段,具有物理層傳輸速率較高(54Mbit/s)、技術(shù)成熟、向下兼容IEEE802.11b等優(yōu)點(diǎn)。因此,本文以IEEE802.11g技術(shù)為例,分析了微功率無(wú)線技術(shù)的通信距離與業(yè)務(wù)帶寬、業(yè)務(wù)時(shí)延之間的關(guān)系,通過(guò)計(jì)算、仿真、實(shí)驗(yàn),獲得了微功率無(wú)線技術(shù)與IEEE2030標(biāo)準(zhǔn)定義的通信技術(shù)指標(biāo)的適應(yīng)性,為智能電網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的工程應(yīng)用提供參考。最后,針對(duì)電力業(yè)務(wù)的同步要求,本文分析了微功率無(wú)線技術(shù)對(duì)同步的支持能力,提出了一種基于軟件層面實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)同步的技術(shù)方案,并進(jìn)行了理論分析和仿真。1微功率無(wú)線距離通信在實(shí)際的輸電線路現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中,檔距通常為1km左右,最長(zhǎng)不超過(guò)3km;而配電線路中,檔距通常在100m左右,最長(zhǎng)不超過(guò)300m。一方面,實(shí)現(xiàn)微功率無(wú)線的遠(yuǎn)距離通信需要考慮天線設(shè)計(jì)、功率控制、協(xié)議適配;另一方面,也要考慮通信距離增加后帶來(lái)的通信帶寬、時(shí)延性能參數(shù)變化,為理論分析和工程設(shè)計(jì)提供參考。1.1無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)在輸配電線路信息節(jié)點(diǎn)之間組成線狀、多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。在每一個(gè)桿塔處布置一個(gè)無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)通過(guò)使用高增益的定向天線,配合適當(dāng)?shù)陌l(fā)送功率控制,滿足不同傳輸距離下的遠(yuǎn)距離通信。該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下功能:1收集線路桿塔上傳感器采集到的信息,并傳遞到變電站;2信息的中繼傳輸,實(shí)現(xiàn)臨近桿塔之間通信;3將同步網(wǎng)的時(shí)鐘信息,向終端的節(jié)點(diǎn)逐級(jí)傳遞。1.2信號(hào)距離對(duì)物理層選擇的影響上述組網(wǎng)方式的通信本質(zhì)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多跳傳輸,其性能分析的根本是分析點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的性能。而在實(shí)際的工程中,決定無(wú)線傳輸性能的因素如下。1)接收信號(hào)的強(qiáng)度。IEEE802.11g在物理層使用了正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù),配合不同的調(diào)制方式和編碼方式,實(shí)現(xiàn)了最高為54Mbit/s的物理層速率。在實(shí)際系統(tǒng)中,傳輸距離越遠(yuǎn),接收信號(hào)強(qiáng)度越小,收發(fā)雙方能夠選擇的物理層技術(shù)受到了限制,因此,需要分析傳輸距離對(duì)物理層技術(shù)選擇的影響。2)協(xié)議的效率。IEEE802.11g在媒體接入控制(MAC)層使用載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA)的信道接入控制協(xié)議,隨著距離的增加,無(wú)線電在空中傳輸?shù)臅r(shí)間也增大,隨之增大的是半雙工方式下節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的概率,需要充分考慮遠(yuǎn)距離傳輸對(duì)碰撞概率的影響。下面從接受信號(hào)強(qiáng)度、遠(yuǎn)距離傳輸對(duì)碰撞的影響及碰撞概率3個(gè)方面分析遠(yuǎn)距離傳輸對(duì)IEEE802.11g的性能約束,隨后根據(jù)性能約束,計(jì)算點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)臉O限吞吐量和最大傳輸時(shí)延,最后根據(jù)得到的傳輸性能計(jì)算出最大同步誤差。1.2.1通信性能限制的分析1.2.1.接收信號(hào)強(qiáng)度在無(wú)線信道中,信號(hào)損失主要有無(wú)線電在空中進(jìn)行傳播引起的路徑損耗和多徑引起的快衰落。在輸電、配電線路中,通信節(jié)點(diǎn)之間是視距傳輸,且周圍的障礙物較少,因此僅考慮路徑損耗。對(duì)此,采用文獻(xiàn)模型進(jìn)行計(jì)算,得到接收信號(hào)強(qiáng)度Pｒ?yàn)?式中:Pｔ為發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度;Gｔ為發(fā)送天線的增益;Gｒ?yàn)榻邮仗炀€的增益;dｋｍ為節(jié)點(diǎn)之間的距離;fｍｈｚ為IEEE802.11g工作的頻點(diǎn)。1.2.1.傳播時(shí)延和時(shí)延由于在現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中,通信節(jié)點(diǎn)之間較遠(yuǎn)的傳輸距離增加了無(wú)線電信號(hào)在空中的傳播時(shí)延,從而影響使用半雙工通信方式的兩端點(diǎn)之間競(jìng)爭(zhēng)信道產(chǎn)生碰撞的概率。如圖2所示,站點(diǎn)1能成功發(fā)送數(shù)據(jù)的前提是:站點(diǎn)2在時(shí)刻a與時(shí)刻b之間,即在2Tｄｅｌａｙ+TＲＴＴ+TＣＣＡ+TＭＰ的時(shí)間段里面,均不發(fā)送數(shù)據(jù)。因此,可以得到一個(gè)站點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),其他站點(diǎn)不能發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)目n［５］為:式中:Tｓｌｏｔ為時(shí)隙長(zhǎng)度;Tｄｅｌａｙ為傳播時(shí)延;TＣＣＡ為CCA(信道空閑監(jiān)測(cè)技術(shù))監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間;TＲＴＴ為射頻芯片從接收模式轉(zhuǎn)換到發(fā)送模式所需要的時(shí)間;TＭＰ為MAC處理所需要的時(shí)間。1.2.1.發(fā)送數(shù)據(jù)的概率對(duì)退避窗口進(jìn)行二維的馬爾科夫鏈的建模［７］,可以得到節(jié)點(diǎn)在某一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率τ為:式中:p為節(jié)點(diǎn)在某一個(gè)時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的概率;bｉ，０為節(jié)點(diǎn)在成功發(fā)送數(shù)據(jù)前,碰撞i次后剩余退避時(shí)隙為0的馬爾科夫鏈的狀態(tài)。計(jì)算式(3)和式(4),就可以得到節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。1.2.2節(jié)點(diǎn)雙線回歸系統(tǒng)所需時(shí)間一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸鏈路層數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10-11],可知使用請(qǐng)求發(fā)送/清除發(fā)送(RTS/CTS)機(jī)制時(shí)成功發(fā)送數(shù)據(jù)所需時(shí)間為:式中:TＲＴＳ為發(fā)送RTS所需要的時(shí)間;TＣＴＳ為發(fā)送CTS所需要的時(shí)間;TＡＣＫ為發(fā)送ACK報(bào)文所需時(shí)間;Tｄａｔａ為發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間;Tｂ１為退避所需要的時(shí)間;Tｄ１為分布式幀間間隔(DIFS)持續(xù)時(shí)間;Tｓ２為短幀間間隔(SIFS)持續(xù)時(shí)間。失敗的數(shù)據(jù)傳送所需要的時(shí)間為:式中:Tｃ３為節(jié)點(diǎn)等待CTS超時(shí)所需要的時(shí)間。不使用RTS/CTS機(jī)制的數(shù)據(jù)成功發(fā)送所需時(shí)間為:失敗的數(shù)據(jù)傳送所需要的時(shí)間為:式中:Tａ１為節(jié)點(diǎn)等待ACK超時(shí)的時(shí)間。則最終可以得到網(wǎng)絡(luò)的吞吐量C為:式中:Tｓｕｃｃｅｓｓ為成功發(fā)送一次數(shù)據(jù)需要的時(shí)間;Tｆａｉｌ為失敗的一次數(shù)據(jù)發(fā)送需要的時(shí)間;Lｄ１為數(shù)據(jù)包的負(fù)載數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)包的MAC時(shí)延為:2網(wǎng)絡(luò)部署gps傳統(tǒng)的微功率無(wú)線技術(shù)未考慮工業(yè)控制業(yè)務(wù)的時(shí)間同步要求。而目前現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)主要采用全球定位系統(tǒng)(GPS)［１２－１３］裝置的信息終端設(shè)備,該方案受成本、部署環(huán)境和安全性的限制。因此,采用通信網(wǎng)絡(luò)傳遞時(shí)鐘是終端設(shè)備時(shí)鐘獲取的另外一種可行途徑。2.1主從式交互過(guò)程本文借鑒IEEE1588［１４］實(shí)現(xiàn)高精度同步的思想,提出一種能夠在軟件層面實(shí)現(xiàn)的同步方案。該同步方案不需要額外的硬件,僅需在現(xiàn)有的IEEE802.11g設(shè)備上面安裝新軟件,具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、精度滿足線路在線監(jiān)測(cè)要求的特點(diǎn)。在整個(gè)線狀網(wǎng)絡(luò)中,通信節(jié)點(diǎn)首先從同步網(wǎng)中獲取高精度的業(yè)務(wù)時(shí)鐘,隨后將該時(shí)鐘信息逐級(jí)傳遞給相鄰的低等級(jí)時(shí)鐘,主從時(shí)鐘信息的主從式交互過(guò)程如圖3所示。步驟1:主站點(diǎn)先獲取本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)超前業(yè)務(wù)時(shí)鐘的時(shí)間Tｏｆｆ。步驟2:由主站向從站發(fā)送Sync報(bào)文,該報(bào)文中含有將其到達(dá)物理層的時(shí)間T１。步驟3:從站接收到Sync報(bào)文,并記錄下該報(bào)文到達(dá)從站的時(shí)間T２。步驟4:從站向主站發(fā)送Delay_Req報(bào)文,并記錄下該報(bào)文離開站點(diǎn)的時(shí)間T３。步驟5:主站記錄下Delay_Req報(bào)文到達(dá)的時(shí)間T４,并將T４記錄在Delay_Resp報(bào)文里面,發(fā)送給從站。步驟6:從站根據(jù)式(11)計(jì)算出從時(shí)鐘超前主時(shí)鐘的時(shí)間值Tｏｆｆｓｅｔ。步驟7:從站點(diǎn)重復(fù)以上的步驟,向其下一級(jí)站點(diǎn)發(fā)送Sync報(bào)文,此過(guò)程中,從站發(fā)送的同步報(bào)文中的時(shí)間戳信息Tｔ１如下。式中:Tｃｕｒｒｅｎｔ為發(fā)送這個(gè)同步報(bào)文時(shí),發(fā)送站點(diǎn)本地時(shí)刻信息。上述流程中,存在以下幾點(diǎn)細(xì)節(jié):1所有站點(diǎn)的時(shí)鐘信息均來(lái)自于硬件的RTC;24個(gè)時(shí)刻信息的獲取與處理位于MAC層與物理層之間;3從站在獲取到Tｏｆｆｓｅｔ后,會(huì)將Tｏｆｆｓｅｔ的值保留下來(lái),對(duì)獲得的數(shù)值取加權(quán)平均值。2.2次同步過(guò)程中誤差的處理本文提出的同步算法中,所有的誤差來(lái)自3個(gè)部分:1通信設(shè)備時(shí)鐘相對(duì)于業(yè)務(wù)源時(shí)鐘的頻率誤差;2進(jìn)行時(shí)鐘計(jì)算所需要的4個(gè)時(shí)刻(T１,T２,T３,T４)的精準(zhǔn)度;3將時(shí)鐘信息從主時(shí)鐘傳遞至從時(shí)鐘所需要花費(fèi)的時(shí)間。其中,頻率誤差與晶振相關(guān),在一定程度上是無(wú)法更改的。所有的時(shí)刻處理均在MAC層與物理層之間,避免了排隊(duì)等待時(shí)延不確定引起的同步誤差。對(duì)傳輸時(shí)延,采用成功傳輸概率為99%時(shí)所需要的最大時(shí)間Tｔ２,其計(jì)算的方式如下:式中:Nｒ?yàn)橹貍鞯拇螖?shù)。Nｒ需要滿足的條件為:因此,可以得到在一次同步過(guò)程中引入的誤差為:式中:fｒｅｆ為參考時(shí)鐘頻率;fｏｆｆｓｅｔ為節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率相對(duì)于參考時(shí)鐘的誤差;TＰ１為進(jìn)行物理層處理所需要消耗的時(shí)間,物理層處理的時(shí)間誤差為微秒級(jí)別,因此獲得的同步時(shí)刻精度為微秒級(jí)。3傳輸時(shí)延分析根據(jù)上文的理論分析開展計(jì)算機(jī)仿真,采用MATLAB仿真軟件,同時(shí)對(duì)比仿真數(shù)據(jù)與無(wú)線通信設(shè)備測(cè)試結(jié)果。部分仿真與測(cè)試參數(shù)見(jiàn)附錄A表A1。仿真得到傳輸距離與碰撞概率之間的關(guān)系如圖4所示。對(duì)不同物理層技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸仿真,得到傳輸距離與吞吐量之間的關(guān)系如圖5所示,傳輸距離與時(shí)延之間的關(guān)系如圖6所示,限于篇幅,僅給出物理層速率為24Mbit/s及以上的遠(yuǎn)距離性能,其余性能見(jiàn)附錄A圖A1和圖A2。綜上所述,在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中,隨著傳輸距離的增加,吞吐量呈階梯形減小,時(shí)延呈階梯形上升。使用RTS/CTS機(jī)制后,初期RTS/CTS機(jī)制的控制信息會(huì)占用吞吐量的資源,隨著距離的增加,RTS/CTS機(jī)制將會(huì)減小節(jié)點(diǎn)的碰撞引起的消耗,最后其吞吐量反而超過(guò)未使用RTS/CTS機(jī)制的情況。傳輸時(shí)延存在相似的結(jié)論。隨后結(jié)合傳輸信號(hào)的衰減對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行理論分析,并進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)湎碌耐ㄐ旁O(shè)備測(cè)試。由于高壓輸電環(huán)境下的電磁干擾主要反映為環(huán)境噪聲的大小,而在實(shí)際工程中安裝的通信天線與輸電線路之間的安全距離較遠(yuǎn)(約為10m),高壓輸電線路在2.4GHz頻段對(duì)通信的電磁干擾較小,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)墓β嗜哂嘤枰韵?。通過(guò)GPS定位確定節(jié)點(diǎn)之間的距離,每500m測(cè)試一次。由于測(cè)試設(shè)備限制,僅測(cè)試不使用RTS/CTS機(jī)制的情況,通過(guò)運(yùn)行測(cè)試軟件得到吞吐量和時(shí)延結(jié)果,分別如圖7和圖8所示?？芍?測(cè)試吞吐量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的走勢(shì)基本一致,但測(cè)試吞吐量相對(duì)較高,因?yàn)槔碚撚?jì)算時(shí)接受信號(hào)的靈敏度是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最低要求給定的,而實(shí)際射頻芯片的數(shù)據(jù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有一定的冗余。傳輸時(shí)延吻合度較高。根據(jù)得到的時(shí)延,對(duì)同步性能進(jìn)行理論仿真。設(shè)定無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘,其精準(zhǔn)度為±12×10－６,則得到在一次同步后,從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的同步誤差與距離之間的關(guān)系如圖9所示?？芍?采用提出的同步方式,可以減小上層數(shù)據(jù)包排隊(duì)不確定性對(duì)同步的影響,整個(gè)誤差最主要的來(lái)源是物理層處理產(chǎn)生的時(shí)延的抖動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于通信距離在3km內(nèi)的環(huán)境,可直接使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信,當(dāng)通信距離超過(guò)3km時(shí),組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多跳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兩端節(jié)點(diǎn)通信(見(jiàn)圖1)。在此設(shè)定下,根據(jù)前文測(cè)試數(shù)據(jù)可得表1?？芍?對(duì)于一定距離內(nèi)(如30km)的通信,使用IEEE802.11g進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信能夠?qū)崫M足IEEE2030［１５］的信息傳輸時(shí)間和時(shí)延需求,而當(dāng)傳輸距離超過(guò)30km時(shí),需要中繼的站點(diǎn)數(shù)目也增加,屆時(shí)IEEE802.11g的傳輸帶寬無(wú)法滿足IEEE2030定義的性能指標(biāo),此時(shí),使用微功率無(wú)線技術(shù)將不能獲得理想的性能。4微功率無(wú)線傳輸技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景本文以輸電線路的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ),以IEEE802.11g微功率無(wú)線技術(shù)為例,研究微功率無(wú)線技術(shù)對(duì)輸配電線路的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)IEEE802.11g在現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的通信指標(biāo)(包括帶寬、時(shí)延等