微功率无线（精选8篇）
微功率无线 篇1
0 引言
电力行业的管理对数据的采集和传输手段要求越来越高[1],原有的抄表模式已经不能满足需求。
人工智能化无线集中抄表系统是基于微功率短距离无线通信技术,采用数字信号单片射频收发芯片,单片机技术与微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块的有机结合[2]。文中提出了一种基于Si4432[3]的无线抄表系统,其通信质量好、成本低、工作可靠、经济实用,能够迅速地统计低压时线损,降低人员劳动强度和用电成本,同时对于加强用电管理和供电、配电可靠性都有着积极的意义。
1 系统总体设计
1.1 系统基本组成
本套微功率无线抄表系统由3个部分组成:主站计算机处理系统(上层)、数据采集集中层(中层)和电能表(下层)[4,5,6]。系统基本组成如图1所示。
主站计算机管理系统是由工作站和相应软件构成,用来接收和储存各用户的电力数据,进行统计、分析、汇总计费和报表打印等工作,担当着整个系统的总控制及管理工作。
数据采集集中层是由集中器和采集器组成。集中器是一个配电区域电能信息采集和控制的设备,通过信道对其管辖的低压采集器和各类电能表的信息进行采集、处理、存储和控制,并通过远程信道与主站交换数据。它具有与手持设备交换数据的能力,这样可以方便现场施工和后期设备维护。采集器是用于处理和采集用户多个电能表电能信息,并通过无线射频信道与集中器交换数据,通过RS-485线与电能表连接。
电能表是最基本的、也是最末端的设备。电子式电能表通过标准RS-485串口通信协议直接与采集器相连,将数据传至采集器。
1.2 系统硬件介绍
集中器是整个抄表系统的核心单元,在整个通信系统中起着桥梁作用,决定整个系统的性能。
集中器MCU采用基于ARM7的LPC2138微控制器,它是一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位微控制器,处理速度更快。其主要性能有:内核是ARM7TDMI-S,超小的LQFP64封装,有32 KB的片内静态SRAM和512 KB片内高速FLASH程序存储器,具有丰富的外设资源;128位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz的频率,可实现在线编程和非易失性程序存储;2个32位定时器;2个10位8路ADC;1个10位DAC;PWM通道;47路GPIO;9个边缘触发的外部中断;具有独立电源和时钟的RTC;2个串行接口,以满足不同通信的需要。内含向量中断控制器,可配置中断优先级和向量地址。片内Boot装载程序可以实现在系统/应用编程(ISP/IAP),具有空闲和掉电2种低功耗模式,并可通过外部中断唤醒。集中器MCU原理框图如图2所示。
集中器安装的GPRS通信模块采用SIM300,它是工业级手机模块,封装了TCP/IP协议转换,硬件实现比较方便。SIM300提供了标准RS-232接口,只需用串口线就能把它与单片机连接。控制命令采用SIMCOM提供的AT命令集,可控制模块进行语音通信或数据通信。
采集器和集中器采用的无线射频模块选用Si4432作为无线收发芯片,它是一个CMOS射频高度集成电路,包含所有ISM频段应用所需的发射和接收功能。频率范围为240~930 MHz;输出功率为+20 d Bm;接收灵敏度达到-116 d Bm。还包括比如天线分计算法、唤醒定时功能、低压检测、温度传感器等内置功能。芯片内部含有一个高性能的ADC在接收路径和数字解调器当中做解调、滤波和数据包处理。这些功能使得它成本低,灵活性高,切换时间快,传输速率快。
数据存储采用外扩Flash作为程序运行空间,采用大容量Flash能够读取和存储集中器、采集器的参数和电表数据,同时也可以存储日冻结数据。本系统采用AT45DB161-TS作为系统的外部存储Flash。它具有2 M的存储容量。
2 系统基本工作原理
在微功率无线抄表系统中,通过采集器对客户端电能表数据进行采集,然后通过一定的信道将数据传给集中器,集中器再把数据上传给主站用来进行电费统计、电能管理。过程分为3步。
a.集中器与主站之间通过GPRS无线网络实现通信[7,8,9,10],它分为2类:一是有主站下发命令,终端进行处理,组织数据帧上传到主站;二是采集器主动上传数据给主站。
b.集中器收到主站的采集数据命令后通过无线跳变网络[11,12],将命令发给采集器。
c.采集器与电能表通过RS-485标准串行接口连接,根据645通信协议,电表通过RS-485接口向采集器返回报文即电能表数据,采集器再将这些数据打包后通过无线跳变网络传给集中器,集中器再将数据包利用GPRS网络发送给主站进行处理。
3 无线抄表自组网实现
无线自组网是一种多跳频率的临时性自治系统且无基础设施的移动网络[12,13]。它由一簇带有无线射频收发装置的移动终端节点(Si4432)组成,是一个多跳的临时性无中心网络,可以在任何时刻、任何地点快速组建的一个通信网络。网络中每个终端可以自由移动且地位平等。其中无线Mesh网络WMN(Wireless Mesh Network)是具有自组织和自愈功能的一种无线网络结构[14]。这一网络中大多数节点基本静止不动,不以电池作为电源,拓扑变化较小,是适合在居民小区内允许多个网络共存、自动区分不同网络、拓扑动态结构可变和动态路由的一种无线抄表自组织网络。
3.1 无线路由协议选取
目前,WMN的路由协议[15]有很多,结合无线抄表系统自身的特点,选取分级路由并对其加以改进。
分级路由是把抄表网络内所有的采集器节点按一定规律分为若干簇,每一簇选定一个或几个簇头节点,其余节点与簇头直接通信或者通过多跳后连接簇头。不同簇之间通过起网关作用的节点通信。簇内和簇间可以使用不同的频率进行通信,也可以使用不同的路由协议。分级路由主要有以下优点:路自开销低;平均路由路径短;路径建立速度迅速。
3.2 分级路由协议改进
由于分级路由节点分簇中簇头可能成为整个网络通信的瓶颈,故提出了一种基于分级路由的自下而上的组网协议。
3.2.1 节点组网
在改进协议中,以集中器作为中心节点,记为0号节点。其他采集器作为一般节点,可以随时加入抄表系统。组网过程,中心节点优先上电,其他节点上电后发出心跳,当某一节点接收信号强度指示RSSI(Received Signal Strength Indication)对中心节点处于合理范围内时,就采用心跳时刻频点对该节点发送邀请帧,该节点收到邀请帧就返回给中心节点确认帧。在中心节点收到确认帧后该节点就成为中心节点的1级节点。中心节点再发送给其他节点邀请帧时,应包含它已经确定好的1级节点信息。然后1级节点以同样的过程组网下级节点。通过程序设定每个上级节点只在确认8个下级节点后就不再做出对其他节点组网心跳的响应。每级8个节点之间应相互确认身份。当1个节点收到多个上级节点的邀请帧后,只对其收到的第1个邀请帧做确认帧回复,对其他回复拒绝帧。任何入网的有效节点都可以对其他未组网的节点发出组网邀请。改进路由协议简图如图3所示。
在数据招读时,每个节点都要记录上级节点ID,目的是在上级节点掉电后重新上电发送组网心跳,但是不得对上级节点发送组网邀请帧。
3.2.2 信息收集
主动上送组网信息,当1个1级节点接入满8个2级节点时,即可主动上送给集中器这8个节点的信息,为了在主动上送过程避免发生同频干扰,采取先听后发机制,则可避免了信息碰撞。当没有达到8个节点的信息时可在听到最后一次心跳延时1.5 min后上送。每一级节点在上送时都要包含自己路由信息。每一个节点对下级节点上送的组网信息都要优先上送到它的上级节点。
假如当1个4级节点10号节点上送信息时,送到它的上级3级节点5号节点,5号节点把自身ID放进路由上送到2级节点3号节点,3号节点把自身ID放入路由上送到1级节点1号节点,1号把自身ID放入路由送到集中器。此时在集中器中就可形成路由,该路由可以访问10号节点任意下属节点。
3.2.3 维护模式
维护模式分为异常处理和正常流程2种情况。
异常处理:当1个节点发维护心跳时,上级节点没有响应,再次重发仍没有响应,可认为上级节点失效,发组网心跳,它的所有下级节点、重复节点重新执行上电模式。
正常流程:任意节点对上级节点发维护心跳,上级发应答帧,应答帧会告诉其下属节点它在哪几个频点听到了心跳报文,以备在以后通信时,直接使用。当下属节点发了维护心跳,上级节点发应答帧,表明两者间的从属关系不变。
当所有节点间从属关系不变时,集中器中存储簇结构不变,无需维护,不用重复信息收集工作。该改进路由模式为开放模式,无需在集中器中设置采集器总数。组网时间与网络规模成正比,网络越大组网耗时越多。
4 结论
系统通过采用Si4432芯片作为微功率无线收发模块,实现了对电力系统各种客户用电信息的高效、快速和可靠采集。所设计的新型微功率抄表系统已经在山东电网得到广泛应用。
微功率无线 篇2
无线网络的应用模式多种多样，其中最常用的就是无线微蜂窝覆盖和漫游，也就是通过多个AP的协同工作，有效地扩大无线网络覆盖面积。 在具有一定数量用户或是需要建立一个稳定的无线网络平台时，一般会采用以单个AP为中心的模式，将有限的“信息点“扩展为“信息区”， 这种模式也是无线局域网最为普通的构建模式。通过AP进行覆盖虽然可以解决多点访问，但是单个AP的覆盖范围也十分有限，同时由于受到各种障碍物的影响，会产生一定的信号削弱，因此在较大区域内(如展览场馆或大型办公区域)利用无线对等或单个AP的组网模式不能满足更广泛空间的需求。为了扩大无线网络覆盖范围， AboveCable提供了多接入点无线微蜂窝覆盖方案，通过多个AP的协同工作，可以有效地扩大无线网络覆盖面积，达到较大活动空间的无线漫游目的。
无线网络的无线微蜂窝覆盖漫游技术十分类似于移动电话的蜂窝系统，移动用户在不同的基站覆盖的区域内任意漫游，随着空间位置的变换，无线信号的链接会由一个基站自动切换到另外一个基站。整个漫游过程对用户是透明的，虽然提供连接服务的基站发生了切换，但对用户的服务却不会被中断，
无线微蜂窝覆盖，就是将多个AP形成的各自的无线信号覆盖区域进行交叉覆盖，各覆盖区域之间无缝连接。所有AP通过双绞线与有线骨干网络相连，形成以固定有线网络为基础，无线覆盖为延伸的大面积服务区域。所有无线终端通过就近的AP接入网络，访问整个网络资源。无线微蜂窝覆盖大大的扩展了单个AP的覆盖范围，从而突破了无线网络覆盖半径的限制，用户可以在AP群覆盖的范围内漫游，而不会和网络失去联系，通讯不会中断。
使用无线蜂窝覆盖结构具有以下优势:
1. 增加覆盖范围，实现全场覆盖;
2. 实现众多终端用户的负载平衡;
3. 可以动态扩展，系统可伸缩性大;
4. 对用户完全透明，保证覆盖场内服务无间断;
由于多个AP信号覆盖区域相互交叉重叠，因此各个AP覆盖区域所占频道之间必须遵守一定的规范，邻近的相同频道之间不能相互覆盖，否则会造成AP在信号传输时的相互干扰，从而降低AP的工作效率。在可用的11个频道中，仅有三个频道是完全不覆盖的，他们分别是频道1、频道6和频道11，利用这些频道作为多无线微蜂窝覆盖是最合适的。
微功率无线智能抄表关键技术研究 篇3
关键词：无线智能抄表,MAC层优化,睡眠唤醒,可靠链路
1 研究现状
1.1 国内外发展现状与趋势
在能源日趋紧张、用电需求迅速增长、供电服务要求日益提高的形势下, 世界各国正在试图寻找更加环保、节约、低能耗的新型绿色能源经济管理模式。美国、英国、意大利、法国、西班牙、澳大利亚等发达国家, 以及印度等新兴发展中国家都在积极发展自动化表计系统或智能电表, 相继大规模开展了用电信息采集相关系统建设, 在电力用户用电信息的专业化应用和集成化应用方面均取得良好的应用效果。其中以德国、意大利、西班牙和葡萄牙等国家和欧盟对智能抄表方面的研究居多, 用到的技术也各种各样, 如zigbee、蓝牙、WIFI、无线宽带、PLC、总线和以太网方面的技术。
自20世纪90年代起, 国内电力系统逐步开展了负荷管理、集中抄表等用电信息采集系统的试点建设与应用, 通过智能化的用电服务手段, 加强用户与电网之间的信息集成共享和实时互动, 进一步改善电网运营方式和用户对电能的利用模式, 有效提高终端用户用能效率。国内的一些公司和高校也相继开展无线智能抄表的研究, 国家无线电委员会已将原来模拟电视使用的470MHz-510MHz频段释放用于民用计量, 这对无线抄表是一个很好的资源。
1.2 国内现有技术基础
北京新鸿基瑞程科技有限公司在基于国网标准下推出的DCJL22-RC2010采集器具有低功率发射、高抗干扰能力、低误码率、传输距离远、多信道、高可靠性、体积小、重量轻等优点, 主要服务于城市居民小区和村镇的无线抄表应用。成都千嘉科技有限公司推出的无线抄表系统, 针对小区应用场景, 设计出小区管理机、集中器、终端表具之间采用无线通讯方式的管理中心远程集抄方案, 从路由路径生成与管理、数据交互的主从双方流程、资源需求分析、协议等各方面进行优化, 一定程度上缓解了信号差、对环境要求高、电池电量容易耗尽、易受干扰、安装配置复杂等问题。然而, 由于现有抄表系统的特点和应用场景的复杂性, 进一步降低功耗、降低成本、提升链路质量可靠性, 还有待进一步的深入研究。
2 研究内容和方法
2.1 基于GB/T 15629-2010 (CWPAN) 技术规范的MAC层优化研究
(1) 信帧调度研究。密集型的电表安装方式, 势必形成复杂的电磁环境, 导致数据传递过程中相互干扰, 增加数据发送碰撞的概率, 因此, 若MAC层能有效的控制和调度, 则可避免上述情况, 信标帧调度则是控制节点收发数据的关键。 (2) 睡眠-唤醒机制研究。考虑到抄表系统是以每小时/每天/每月一次或几次地以周期性发送数据的方式, 或者是系统通知电表上传数据的这种以事件驱动方式的两种低频度通信, 对现有的MAC层的协议进行优化, 针对特定的应用场景, 提出相应的睡眠-唤醒机制, 让节点在数据交互之余可以最大限度的休眠。 (III) MAC层帧结构研究。MAC层数据帧最大有127字节, 其中帧头占25字节, 若加上安全使能则需要65字节作为帧头开销, 然而在抄表系统这种应用场景下, 数据载荷部分所占比例较小 (通常只有10-20字节) , 因此有必要将无线传感器网络MAC层帧结构进行精简、改进, 或者对保留的标志位赋予新的控制含义, 使MAC帧内有效数据的传输达到最大化。
2.2 基于470MHz物理信道的MAC层机制研究
智能抄表系统工作在室外, 对传感网通信质量的要求就比较高。但处于2.4GHz的节点在建筑环境中工作较差, 因此增加了470MHz的物理信道使用频率作为抄表系统选择频率之一。相对于2.4GHz来说, 处于470MHz的电磁波虽然穿透力没有2.4GHz强, 但对于一般住宅型的建筑来说已经够用, 并且470MHz的电磁波绕射性能更优, 适用于户外环境。其频段窄, 传播特性良好, 适宜广覆盖、容量不大的应用场景。
2.3 无线智能抄表系统跨层协议研究
在已有的传感网技术标准中, 对路由协议和MAC层协议都是各自独立研究的, 比如针对《传感器网络通信与信息交互第1部分:低速无线传感器网络网络层和应用支持子层技术规范》, 或者IEEE802.15.4c和IEEE802.15.4g标准等, 各层协议的独立性带来一些优势的同时也影响了系统的性能, 如若将第2层的一些状态参数信息作为路由依据, 将MAC层与路由层的功能进行一定程度的整合, 采用跨层次设计的思路能够使网络层了解到底层数据的传输情况, 从而做出更加切合实际的路由选择, 这样更适用于智能抄表系统。针对抄表系统这种应用场景来说, 一些已有的网络层的路由协议并不是非常有效。那么, 为了保证数据传输的可靠性, 应该参考MAC层协议, 设计多路径路由平衡网络负载, 缓解单路径路由时的网络震荡, 实现路由容错提高鲁棒性。
2.4 抄表系统应用层协议与传感网MAC层通信协议适配的研究
对于抄表系统来说, 不仅需要实时上传用电数据, 还要满足用户用电量查询、电表管理等更多的功能要求。从《电力用户用电信息采集系统通信协议:主站与采集终端通信协议》可以看出:电力行业对于抄表系统的应用层通信规约有自己的行业规范, 而且其应用层协议主要是基于传统的RS485和PLC底层通信协议, 对于短距离无线通信的物理层和MAC的兼容与适配问题, 以及适配的高效率问题, 有待于深入研究。
3 无线抄表的关键技术点
3.1 低功耗的睡眠-唤醒机制
据资料显示传感器节点通信模块的能耗占全部能耗的95%以上, 而节点在收发数据之余持续的监听状态对于周期性或者事件触发性的数据采集方式来说并不是必须的, 提出一种针对该应用场景的睡眠-唤醒机制, 既能从根本上降低节点的能耗, 且又能保证在突发事件产生时, 相关节点能快速地唤醒, 这需要高效的MAC层调度机制与网络层路由的精确配合。
3.2 高可靠的通信链路
集中式的电表安装方式决定了高密度的无线节点通信环境, 这对底层传输数据的可靠性产生很大的威胁, 增加通信过程中的误码率, 甚至于CRC校验时出现高错误率, 造成众多数据包重传、一次数据发送成功率大大降低的局面, 远达不到链路通信可靠性的要求。结合具体的拓扑结构, 进行分时分层分信道调度, 建立有效的MAC层调度机制能克服上述问题。
3.3 灵活组网方式下的MAC帧优化
无线智能抄表的应用场景形式多样, 目前主要有两种方式:直连模式和集中器模式, 国内大部分的抄表系统都是集中器的模式。提出有针对性的MAC帧优化方法, 在不破坏已有协议帧格式的前提下, 对帧格式的标志位进行精简、扩展、必要的填充, 保证MAC帧内有效数据的传输达到最大化。
4 结束语
改变用户用能方式, 促进节能减排, 服务“两型”社会建设、提高能源利用效率, 实现国家能源可持续发展的战略目标, 准确有效的抄表是一个重要环节。由于现有抄表系统的特点和应用场景的复杂性, 在低功耗、低成本、链路质量可靠性上得不到保障。无线智能抄表以其技术先进、易于安装和维护、可靠性高、成本低等优点, 必将成为未来发展的趋势。
参考文献
[1]许建安.电力系统通信技术[M].北京:中国水利水电出版社, 2007:97-112.[1]许建安.电力系统通信技术[M].北京:中国水利水电出版社, 2007:97-112.
微功率无线 篇4
微功率无线模式是现场采集用电情况的一种重要方式, 由于现在单相智能表的实际使用有可能安放在电表箱内, 金属表箱将会对微功率无线信号起到屏蔽作用;或实际抄表距离很远 (山区可能达到数百米) , 因此在标准允许的发射功率范围内, 为了保证信息采集的成功率, 部分厂家为微功率无线表配置外置吸盘天线或者外置面包天线。但这种能解决实际应用问题的方式却带来了新的难题。
1 现有方式存在的问题
随着国网公司对智能电能表的技术规范和型式规范要求的统一, 国家智能电网计划在全国范围内逐步推广, 各省电力公司对服务区内的客户电表按统一技术规范进行了更换改制。但目前国网公司尚未给出单相智能表的微功率无线通信单元具体型式规范, 现有的单相智能表微功率无线通信模块采用的是三相表或集中器I型中对微功率无线模块的型式规范制作。由于三相表、集中器I型和单相表中通信模块框的微功率无线模块安装方向有差异 (三相表和集中器模块的安装方向是纵向, 而单相表模块的安装方向是横向) , 在单相表中使用三相表或集中器I型的通信模块将会使天线金属接口隐藏在通信模块框内。如果采用外置天线, 只能从通信模块框下方中间引出。
国网湖南省电力公司计量中心对微功率无线模块单相智能表进行检定时, 发现采用天线外置的微功率无线模块单相智能表存在以下问题:
(1) 它不符合今后计量中心自动检定线对单相智能电能表的上线要求, 不适合在自动检定流水线上检定。
(2) 在现场安装、维护过程中需要拆卸、更换天线时, 必须破坏计量铅封才能进行。
天线外置设计虽然解决了实际现场的通讯问题, 如果大批量的微功率无线单相智能表都采用外置天线, 只能进行人工检定, 工作效率低。同时在安装、维护上存在一些弊端, 这些将会影响到微功率无线单相智能表的推广和应用。
2 改进方案的分析
为了适应微功率无线模块单相智能电表在计量中心的检定和以后挂网维护的要求, 国网湖南省电力公司计量中心考虑了许多方案, 并进行综合对比后, 认为微功率无线单相智能表的结构可参考集中器II型的型式规范Q/GDW 1375.2-2013 (如图1) 进行改进:
(1) 外置型天线接口开槽设计, 修改天线金属接口的方向。将模块天线接口开槽设计在电表下端盖的左侧 (如图2所示) 。该槽设计在左侧, 不位于秒脉冲、计量脉冲、485通信辅助端子的上方, 保证在天线装、拆时不会遮挡辅助端子, 能够很方便松紧螺钉并进行测试, 便于天线外置的微功率无线电表的检定和现场安装。另外, 将天线接口在模块下部留出, 方便拆、装天线时无需打开表计编程门的面板盖。
天线接口的改变需要相应更改无线模块的外壳结构 (如图3所示) 来配合, 确保天线金属端口可以在电表下端盖的左侧。
(2) 调整表计下端透明翻盖的高度, 保护天线金属接口端。现有的单相表透明端盖位置较低, 如按改进方案的天线接口设计, 透明端盖开盖时, 将会被外置天线卡住, 导致透明端盖不方便翻盖。为了便于打开透明翻盖, 同时保护天线金属接口端子, 需要将天线金属接口放置在透明端盖内, 因此必须对微功率无线单相表透明端盖的高度进行调整。
改进方案参照集中器II型透明端盖的设计, 将微功率无线单相表透明翻盖高度调整到与上表壳水平。这样既考虑到端盖翻盖的限制、对天线接口起到保护作用, 又兼顾了自动检定线使用的机械手抓取表计时的尺寸要求 (如图4所示) 。
3 结束语
微功率无线 篇5
国家电网公司坚强智能电网建设的总体要求, 是保证智能电网建设规范有序推进, 实现电力用户用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全预付费”。低压居民户表抄读覆盖范围最广, 用户量最大, 是目标实现的重点。
低压抄表系统按照抄表通信方式分有两类:有线和无线, 主要方案有:RS485抄表系统, 低压电力线载波抄表系统, 无线抄表系统, 混合抄表系统, 塑料光纤抄表系统。这两大类抄表系统有其各自的优势和适用领域。近年来, 低压电力线载波抄表占据了主流地位, 在大规模现场应用和抄通性, 稳定性和实时性方面取得了一些成绩, 但是存在不足:低压配电网环境复杂, 干扰大, 低压电力线载波难以保证其抄表的稳定性;对于多台变供电的用电环境, 由于载波串扰, 不宜实施载波抄表方案;由于载波传输距离有限, 需要通过中继方式保证抄表覆盖范围, 对于农村、城乡结合部等低密度住宅不能做到全覆盖, 实施难度很大;低压电力线窄带载波速率低, 实时性差, 无法满足远程预付费, 远程拉合闸的需求。
微功率无线通信技术可以克服其他通信方式在某些抄表应用场合的不足, 施工方便, 不需要额外铺设电缆, 一般工人都可以方便的进行安装;通信不受限于电网特性, 可方便的对跨台区、复杂用电环境快速实施抄表方案;通信速率快, 实时性高, 方便实施远程预付费, 远程拉合闸等应用。
2、微功率无线通信技术在低压抄表中的应用特点
居民表安装位置随着建筑结构的变化有不同, 大致分为两种情况:
(1) 集中器安装, 电能表集中安装在表箱内, 此类安装方法在城市高层住宅, 公寓, 宿舍, 写字楼, 在北方农村地区常见。
(2) 分散安装在户外, 一个电表一个安装箱, 常见于南方农村地区, 城乡结合部, 临街店铺, 别墅区, 低层住宅区。
电能表安装位置固定, 没有特殊情况, 不会对电能表安装位置进行挪动, 集中安装的电能表表箱之间距离较远, 间隔几个楼层, 农村地区会有几百到一公里的距离。分散安装的电能表安装位置有规律, 分布较为均匀。微功率无线技术是面向应用的, 结合电力设备安装特性, 其在低压抄表应用领域中有如下特点:
(1) 由于微功率无线距离短, 穿透力弱, 并且抄表系统一旦架设完毕, 设备都为无人值守状态, 如要完成低压抄表应用, 其拓扑结构应该是具有主节点的自组织网络, 一般集中器上的节点为主节点, 采集器、电表节点为从节点, 网络是具备自组织, 自路由, 自恢复, 自愈合特点的Mesh网。
(2) 电能表可能根据需求增加减少, 或者由于环境的影响到节点的通断, 在抄表应用中, 微功无线网络一定是个动态网络, 要求其具有动态的系统可重构性。
(3) 电力设备安装环境恶劣, 并且可能遭受动物或者认为的破坏, 在抄表应用中, 微功率无线网络节点数目庞大导致维护困难, 要求其软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
(4) 在抄表应用中, 相邻的两个集中器可能会相互干扰, 随意微功率无线网络需要具备自动跳频的机制, 各从节点归属的主节点可指定。
(5) 由于设备安装位置固定, 集中器、采集器、电能表层次分明, 从功能上集中器作为主节点, 电能表、采集器作为从节点, 微功率无线路由建立较标准的无线传感网络简单, 网络路由的建立在设备安装调试阶段能人工干预。
(6) 微功率无线抄表选用470M频段, 和某些地方的有线电视频段有重合, 在有线电视线路屏蔽层与地接触不良时, 可能干扰到有线电视信号。
(7) 集中器、采集器、电能表一般安装在金属箱内, 为了达到更好的应用效果, 需要把天线外引出金属箱, 并且注意天线的防护避免破坏。
(8) 取电方便, 电能表、采集器、集中器都从电力线取电, 微功率无线抄表应用不需要使用电池供电。
3、微功率无线低压抄表系统的架构和适用环境
图1为典型低压抄表系统的架构, 采集器、集中器称为都可电能表数据抄读, 数据汇总到集中器之后, 集中器通过一定的方式把数据交换到主站。微功率无线通信技术主要应用于低压集中器、采集器之间通信, 低压集中器和电能表之间通信, 按照低压集中器、采集器、电能表之间的搭配方式可分为全无线低压抄表系统和半无线低压抄表系统。
3.1 全无线低压抄表系统
全无线抄表系统适用于电能表安装分散且电能表安装在户外或者楼道。如南方农村、临街商铺、别墅、低层住宅、城乡结合部。无线电能表于电能表之间形成自组织网络, 集中器定时对电能表数据进行抄读、记录上报给主站系统。系统结构如图2所示。
3.2 半无线低压抄表系统
半无线抄表方案适用于电表安装集中且安装在户外或者楼道。如北方农村, 城乡结合部, 某些高层住宅, 宿舍等。电能表通过RS485接口连接到无线采集器, 无线采集器之间形成自组织网络, 集中器定时通过采集器透传抄读电能表数据进行抄读、记录上报给主站系统。系统结构如图3所示。
4、结语
本文根据抄表应用的经验, 总结出了微功率无线通信技术在低压抄表应用领域的特点, 列出了两种无线抄表系统架构适用的应用环境。微功率无线通信技术可弥补电力线载波抄表在某些场合下的不足, 对实现“全覆盖、全采集、全预付费”目标实现具有重要意义。
参考文献
[1]杨万里.秦毅.短距离微功率无线组网AMI技术的探讨.2010.
[2]陈博.新型微功率无线抄表系统.2011.
[3]刘磊.居民微功率无线抄表应用设计方案.2011.
[4]杨凤海.微功率无线抄表技术的研究与应用.2010.
[5]刘立新, 李国辉, 郝云芳.基于MCU和nRF2401的无线自动抄表系统.2006 (09) .
[6]范广, 孙运强.基于射频收发芯片nRF2401的无线智能抄表设计[J].机械管理开发, 2007 (06) .
[7]任秀丽.ZigBee无线通信协议实现技术的研究.2007 (6) .
[8]DL/T698.1《电能信息采集与管理系统第1部分:总则》
[9]A.Y.Wang, S.-H.Cho, C.G.Sodini, and A.P.Chandrakasan“, Energy efficientmodulation and MAC for asymmetric RF micro sensor systems, ”inProc.of International Symposium on Low Power Electronics and Design (ISLPED’01) , Aug.2001, pp.106-111.
微功率无线 篇6
关键词：电力系统,现场网络,微功率无线,无线网络,吞吐量,同步
0 引言
在输配电线路通信网络的现场网络(field area network,FAN)建设中,无线网络具有成本低、部署方便的优点[1]。当前无线网络技术方案中,国家频谱管理政策限制了采用蜂窝无线网络技术[2-3]进行大规模电力通信专网建设,而采用工业、科学和医疗(ISM)频段的微功率无线技术具有组网灵活、系统简洁的优势,成为电力通信的重要技术选择之一。然而,大多数微功率无线技术,例如无线传感网络[4]、无线局域网[5],其设计初衷是应用于小范围的近距网络(home area network),实现多点接入功能,在输配电线路等通信距离长达数公里的现场网络中,使用微功率无线技术获得的通信性能与其在原始设计环境(工作范围为100m)下有较大差别。另一方面,微功率无线技术也未考虑工业级环境的需求,例如IEEE 802.11g设计在非同步的数据通信业务体制下,没有提供工业级控制类业务的时间同步要求。
目前,在一些针对微功率无线远距离传输的研究中,开展了对通信协议在远距传输中的理论性能分析[5-7],从协议的角度提出微功率无线技术在远距离传输中的适应方案[8]。但是,上述成果并未从工程角度提供通信距离与通信性能之间的关系,未考虑信号强度对传输性能的影响。在当前的各项微功率无线技术中,IEEE 802.11g(2.4GHz)技术使用ISM频段,具有物理层传输速率较高(54 Mbit/s)、技术成熟、向下兼容IEEE 802.11b等优点。因此,本文以IEEE 802.11g技术为例,分析了微功率无线技术的通信距离与业务带宽、业务时延之间的关系,通过计算、仿真、实验,获得了微功率无线技术与IEEE 2030标准定义的通信技术指标的适应性,为智能电网的现场通信网络的工程应用提供参考。最后,针对电力业务的同步要求,本文分析了微功率无线技术对同步的支持能力,提出了一种基于软件层面实现业务同步的技术方案,并进行了理论分析和仿真。
1 微功率无线的设计与分析
在实际的输电线路现场网络中,档距通常为1km左右,最长不超过3km;而配电线路中,档距通常在100m左右,最长不超过300m。一方面,实现微功率无线的远距离通信需要考虑天线设计、功率控制、协议适配;另一方面,也要考虑通信距离增加后带来的通信带宽、时延性能参数变化,为理论分析和工程设计提供参考。
1.1 现场网络的通信组网方案
在输配电线路信息节点之间组成线状、多跳的无线网络,如图1所示。在每一个杆塔处布置一个无线传输节点,节点通过使用高增益的定向天线,配合适当的发送功率控制,满足不同传输距离下的远距离通信。该节点实现以下功能:1收集线路杆塔上传感器采集到的信息,并传递到变电站;2信息的中继传输,实现临近杆塔之间通信;3将同步网的时钟信息,向终端的节点逐级传递。
1.2 微功率无线远距离通信性能分析
上述组网方式的通信本质为点对点多跳传输,其性能分析的根本是分析点对点通信的性能。而在实际的工程中,决定无线传输性能的因素如下。
1)接收信号的强度。IEEE 802.11g在物理层使用了正交频分复用(OFDM)技术,配合不同的调制方式和编码方式,实现了最高为54 Mbit/s的物理层速率。在实际系统中,传输距离越远,接收信号强度越小,收发双方能够选择的物理层技术受到了限制,因此,需要分析传输距离对物理层技术选择的影响。
2)协议的效率。IEEE 802.11g在媒体接入控制(MAC)层使用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的信道接入控制协议,随着距离的增加,无线电在空中传输的时间也增大,随之增大的是半双工方式下节点发送数据产生碰撞的概率,需要充分考虑远距离传输对碰撞概率的影响。
下面从接受信号强度、远距离传输对碰撞的影响及碰撞概率3 个方面分析远距离传输对IEEE802.11g的性能约束,随后根据性能约束,计算点对点传输的极限吞吐量和最大传输时延,最后根据得到的传输性能计算出最大同步误差。
1.2.1 通信性能约束条件分析
1.2.1.1 接收信号强度分析
在无线信道中,信号损失主要有无线电在空中进行传播引起的路径损耗和多径引起的快衰落。在输电、配电线路中,通信节点之间是视距传输,且周围的障碍物较少,因此仅考虑路径损耗。对此,采用文献[9]模型进行计算,得到接收信号强度Pr为:
式中:Pt为发送信号的强度;Gt为发送天线的增益;Gr为接收天线的增益;dkm为节点之间的距离;fmhz为IEEE 802.11g工作的频点。
1.2.1.2 远距离传输对碰撞的影响
由于在现场网络中,通信节点之间较远的传输距离增加了无线电信号在空中的传播时延,从而影响使用半双工通信方式的两端点之间竞争信道产生碰撞的概率。如图2所示,站点1能成功发送数据的前提是:站点2 在时刻a与时刻b之间,即在2Tdelay+TRTT+TCCA+TMP的时间段里面,均不发送数据。因此,可以得到一个站点成功发送数据时,其他站点不能发送数据的时隙数目n[5]为:
式中:Tslot为时隙长度;Tdelay为传播时延;TCCA为CCA(信道空闲监测技术)监测持续时间;TRTT为射频芯片从接收模式转换到发送模式所需要的时间;TMP为MAC处理所需要的时间。
1.2.1.3 碰撞概率与发送概率分析
对退避窗口进行二维的马尔科夫链的建模[7],可以得到节点在某一个时隙发送数据的概率τ为:
式中:p为节点在某一个时间发送数据产生碰撞的概率;bi，0为节点在成功发送数据前,碰撞i次后剩余退避时隙为0的马尔科夫链的状态。
计算式(3)和式(4),就可以得到节点成功发送数据的概率。
1.2.2 通信吞吐量与时延
一个节点传输链路层数据包所需要的时间见参考文献[10-11],可知使用请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制时成功发送数据所需时间为:
式中:TRTS为发送RTS所需要的时间;TCTS为发送CTS所需要的时间;TACK为发送ACK报文所需时间;Tdata为发送数据所需要的时间;Tb1为退避所需要的时间;Td1为分布式帧间间隔(DIFS)持续时间;Ts2为短帧间间隔(SIFS)持续时间。
失败的数据传送所需要的时间为:
式中:Tc3为节点等待CTS超时所需要的时间。
不使用RTS/CTS机制的数据成功发送所需时间为:
失败的数据传送所需要的时间为:
式中:Ta1为节点等待ACK超时的时间。
则最终可以得到网络的吞吐量C为:
式中:Tsuccess为成功发送一次数据需要的时间;Tfail为失败的一次数据发送需要的时间;Ld1为数据包的负载数据的长度。
数据包的MAC时延为:
2 信息终端时间同步
传统的微功率无线技术未考虑工业控制业务的时间同步要求。而目前现场网络主要采用全球定位系统(GPS)[12-13]装置的信息终端设备,该方案受成本、部署环境和安全性的限制。因此,采用通信网络传递时钟是终端设备时钟获取的另外一种可行途径。
2.1 现场网络的信息终端同步方案
本文借鉴IEEE 1588[14]实现高精度同步的思想,提出一种能够在软件层面实现的同步方案。该同步方案不需要额外的硬件,仅需在现有的IEEE802.11g设备上面安装新软件,具有实现简单、精度满足线路在线监测要求的特点。在整个线状网络中,通信节点首先从同步网中获取高精度的业务时钟,随后将该时钟信息逐级传递给相邻的低等级时钟,主从时钟信息的主从式交互过程如图3所示。
步骤1:主站点先获取本地实时时钟(RTC)超前业务时钟的时间Toff。
步骤2:由主站向从站发送Sync报文,该报文中含有将其到达物理层的时间T1。
步骤3:从站接收到Sync报文,并记录下该报文到达从站的时间T2。
步骤4:从站向主站发送Delay_Req报文,并记录下该报文离开站点的时间T3。
步骤5:主站记录下Delay_Req报文到达的时间T4,并将T4记录在Delay_Resp报文里面,发送给从站。
步骤6:从站根据式(11)计算出从时钟超前主时钟的时间值Toffset。
步骤7:从站点重复以上的步骤,向其下一级站点发送Sync报文,此过程中,从站发送的同步报文中的时间戳信息Tt1如下。
式中:Tcurrent为发送这个同步报文时,发送站点本地时刻信息。
上述流程中,存在以下几点细节:1所有站点的时钟信息均来自于硬件的RTC;24个时刻信息的获取与处理位于MAC层与物理层之间;3从站在获取到Toffset后,会将Toffset的值保留下来,对获得的数值取加权平均值。
2.2 同步算法性能分析
本文提出的同步算法中,所有的误差来自3个部分:1通信设备时钟相对于业务源时钟的频率误差;2进行时钟计算所需要的4个时刻(T1,T2,T3,T4)的精准度;3将时钟信息从主时钟传递至从时钟所需要花费的时间。其中,频率误差与晶振相关,在一定程度上是无法更改的。
所有的时刻处理均在MAC层与物理层之间,避免了排队等待时延不确定引起的同步误差。对传输时延,采用成功传输概率为99%时所需要的最大时间Tt2,其计算的方式如下:
式中:Nr为重传的次数。
Nr需要满足的条件为:
因此,可以得到在一次同步过程中引入的误差为:
式中:fref为参考时钟频率;foffset为节点的时钟频率相对于参考时钟的误差;TP1为进行物理层处理所需要消耗的时间,物理层处理的时间误差为微秒级别,因此获得的同步时刻精度为微秒级。
3 仿真分析与测试
根据上文的理论分析开展计算机仿真,采用MATLAB仿真软件,同时对比仿真数据与无线通信设备测试结果。部分仿真与测试参数见附录A表A1。仿真得到传输距离与碰撞概率之间的关系如图4所示。
对不同物理层技术进行远距离传输仿真,得到传输距离与吞吐量之间的关系如图5所示,传输距离与时延之间的关系如图6所示,限于篇幅,仅给出物理层速率为24 Mbit/s及以上的远距离性能,其余性能见附录A图A1和图A2。
综上所述,在点对点网络中,随着传输距离的增加,吞吐量呈阶梯形减小,时延呈阶梯形上升。使用RTS/CTS机制后,初期RTS/CTS机制的控制信息会占用吞吐量的资源,随着距离的增加,RTS/CTS机制将会减小节点的碰撞引起的消耗,最后其吞吐量反而超过未使用RTS/CTS机制的情况。传输时延存在相似的结论。
随后结合传输信号的衰减对实际系统的传输性能进行理论分析,并进行点对点拓扑下的通信设备测试。由于高压输电环境下的电磁干扰主要反映为环境噪声的大小,而在实际工程中安装的通信天线与输电线路之间的安全距离较远(约为10m),高压输电线路在2.4GHz频段对通信的电磁干扰较小,可以通过适当的功率冗余予以消除。通过GPS定位确定节点之间的距离,每500m测试一次。由于测试设备限制,仅测试不使用RTS/CTS机制的情况,通过运行测试软件得到吞吐量和时延结果,分别如图7和图8所示。
可知,测试吞吐量数据与理论数据的走势基本一致,但测试吞吐量相对较高,因为理论计算时接受信号的灵敏度是根据标准所规定的最低要求给定的,而实际射频芯片的数据相对标准有一定的冗余。传输时延吻合度较高。
根据得到的时延,对同步性能进行理论仿真。设定无线传输节点具有实时时钟,其精准度为±12×10-6,则得到在一次同步后,从时钟与主时钟之间的同步误差与距离之间的关系如图9所示。可知,采用提出的同步方式,可以减小上层数据包排队不确定性对同步的影响,整个误差最主要的来源是物理层处理产生的时延的抖动。
实际应用中,对于通信距离在3km内的环境,可直接使用点对点拓扑实现节点间的通信,当通信距离超过3km时,组成点对点的多跳网络实现两端节点通信(见图1)。在此设定下,根据前文测试数据可得表1。
可知,对于一定距离内(如30km)的通信,使用IEEE 802.11g进行远距离通信能够实满足IEEE2030[15]的信息传输时间和时延需求,而当传输距离超过30km时,需要中继的站点数目也增加,届时IEEE 802.11g的传输带宽无法满足IEEE 2030定义的性能指标,此时,使用微功率无线技术将不能获得理想的性能。
4 结语
本文以输电线路的在线监测系统为基础,以IEEE 802.11g微功率无线技术为例,研究微功率无线技术对输配电线路的现场通信网络的适应性。通过对IEEE 802.11g在现场网络中的通信指标(包括带宽、时延等)的理论分析和实验测量,并参照智能电网IEEE 2030标准,给出了微功率无线传输技术在现场网络中的应用场景:在通信距离较短时,可以使用IEEE 802.11g作为一种中继手段;如果通信距离增加达到30km时,微功率无线的带宽将成为整个系统的性能瓶颈,无法满足IEEE 2030定义的指标。
本文所提出的同步算法能够在不改变当前硬件的前提下,实现较高的同步精度,在实际的工程中,能够在一定程度上减小设备的成本,在不更改现有设备的前提下,使设备具有一定精度的业务同步功能成为可能,进一步提高了微功率无线技术应用在现场网络中的可用性。
无线自组网功率优化问题研究 篇7
无线自组网络 (Wireless Ad Hoc Network) 简称Ad Hoc网络, 其可以看作是移动通信与电脑网络结合的一种新型网络形式。该网络支持多跳通讯, 可以实现临时性的自我管理。网络中任意两个节点可以通过不同的路径经过多跳来实现连接, 因此具有很强的鲁棒性和抗毁性。多跳, 自组织, 无固定的基础设施是Ad Hoc网络的最重要的特点。信道接入控制 (Medium Access Control, MAC) 协议处在通讯网络协议栈软件的最底部, 运行在物理层之上, 它决定什么时候发送其分组, 而且通常控制对物理层的所有访问。其性能的好坏会影响整个网络的表现。在多跳网路中的协议设计时遇到的一个十分重要的问题就是如何避免碰撞, 因为衡量一个网络性能的最重要的指标就是其吞吐率, 而碰撞恰恰是影响吞吐率最重要的因素。可以说, 避免碰撞的思想贯穿于“多跳”分布式网络MAC协议演化的始终。无线自组网络的信道接入控制技术的演化与发展走过了一个从单信道到双信道再到多信道的过程。与此同时, 多速率技术 (又称速率自适应技术) 和功率控制技术也被引入信道接入控制协议中。
2 基于多速率、多功率的MAC协议的无线自组网功率优化
2.1 速率自适应技术
无线自组网中的速率自适应技术简单的说就是对传输速率不断进行动态地调整, 找到最合适在当前信道条件下的传输速率, 从而使网络能一直保持在最大的吞吐率状态。速率自适应技术的核心是及时地获取能够实时反映信道状态的信息, 做出评估, 并在这个基础上做出速率选择。
我们知道, 信噪比与误码率之间呈反比关系, 信噪比越差就越难重现原始信号;如信噪比不变, 我们采用越高的速率发送数据, 接收端出现的误码率就越高。而发送速率越大, 理想情况下吞吐量也越大, 但也越容易受到信道噪声的干扰, 增大误码率;速率越低, 理想情况下吞吐量越小, 但传输的距离越远。由此可知, 速率自适应技术实际上可以有两个优化的目标:以提高吞吐量为优化目标和以节省能量为优化目标。本文讨论如何在保证高吞吐量的情况下尽可能地节省能量, 即将成功发射单位比特信息量所消耗的功率尽可能降低。目前比较典型的多速率MAC协议有: (1) ARF协议。ARF (All Rate Fallback) 协议支持多速率并被广泛使用。ARF协议主要是通过统计信息进行判断, 若一段时间内数据成功率高, 就提速发送, 否则就降速; (2) RBAR协议。RBAR (Received-Based Auto Rate) 协议的宗旨是由接受节点通过判断来告知发送端要采用什么速率进行发送。RBAR协议基于IEEE802.11, 因而易于实现, 代价很小。
2.2 功率控制技术
功率控制技术的目的之一当然是为了节省能量, 因为节省能量对于无线自组网络非常重要。功率控制问题是指在无线通信中节点发送分组要选择最恰当的功率。这里讲的是恰当的功率, 并不是功率越小越好。这是因为所选择的功率不仅要能成功完成发送分组的任务之外, 还要兼顾网络的联通性、拓扑结构以及吞吐率等诸方面。
网络层功率控制需要从整个网络的拓扑结构来考虑, 通过改变各个节点的发送功率来影响具体的通信路由, 使得整体网络的性能达到最优。但是对与组织网来说, 我们很难预判节点的分布状况。因而我们需要引入一种机制, 让系统能依据节点的分布自动进行优化, 控制好节点的发送功率。如果增加发送功率, 可以获得更大的覆盖范围, 节点跳转的次数也就相应可以减少, 造成系统的联通新得到改善。但是这可能造成信道的空间复用度降低, 反而拖累了整个网络的吞吐率。反之如果降低发送功率, 信道的空间复用度可以得到改善, 但通讯覆盖范围降低, 通讯的跳转次数可能会提高, 连通性会变差, 通讯延时也会增加。所以, 在选择发送功率时, 其实我们必须在跳转次数和空间复用度之间进行有偏向的取舍。
一般来说, 功率与信噪比之间在数量上是一种线性的关系, 于是我们可以得到启示: (1) 既然不同的速率有相应于自己的信噪比门限, 而由于信噪比与功率之间有着线性关系, 则每一个信噪比门限值就会有一个相对应的功率“门限”; (2) 既然吞吐量—信噪比图中的相应于一定速率的曲线会出现一个“平台” (最大吞吐量) , 在这段“平台”中, 吞吐量随着信噪比的增加基本不变, 那么相应地在吞吐量—功率图中也应该出现类似的“平台” (最大吞吐量) , 功率进一步增大, 吞吐量基本维持不变。
所以, 我们可以直接从功率出发, 研究吞吐量与功率的关系, 试图找出吞吐量高、且发送单位比特能量最省的发送功率, 从而对多速率、多功率的MAC协议进行性能分析与优化。
2.3 仿真与结果分析
Glo Mo Sim是并行可扩展离散事件仿真环境, 适合在无线网络协议仿真中使用。本文在Glo Mo Sim现有的IEEE 802.11 DCF协议的基础上进行仿真与研究。选用RABA协议作为研究对象。我们根据朗讯的Orinoco系列无线网卡的标准设计收、发机的模型及性能参数, 设定发射功率为3d Bm。
仿真配置1: 两个节点, 距离800m, 业务为CBR, 发包大小1024byte, 发包间隔1ms。
分析:节点间距加大时, 吞吐量随发送功率变化图的规律基本没变, 但平均能耗随发送功率的变化有较大的差异。出现跳跃点处的位置没变, 但“平台”没有了, 出现了随着发送功率逐渐增加其平均能耗也随之增加的情况。相应于吞吐量出现的四段“平台”, 其平均能耗在各段的最小值均在其最左端的起始处。而这四个值中最小的一个, 不再是最右端的那个, 而是倒数第二个。这说明, 并不是总是用最大的速率发送分组能耗最小。
而当我们将间距增加到1200m的时候, 随着速率的提升, 其吞吐量仍然维持原先的变化规律, 但平均能耗虽然仍然保留了在距离800m时的分段上的上升趋势, 但最小的能耗点却再次前移。实际上, 此时如能确保使用最低速率发送分组时的发送功率, 其平均能耗最低。
上述研究表明:在RBAR的基础上引入功率控制, 对于最简单拓扑 (两个节点) , 在距离相对较小的时, 多速率传输和能耗控制, 存在一个最优点, 使得吞吐量比较大, 且平均能耗最小。在两点相距400m时, 这个最优点在相对于最高速率的最左端。当距离较大时, 最优点向左移动。在距离为1200m时, 则要用最低速率传输, 此时平均能耗最小。
仿真配置2: 16 个节点, Grid分布, 格点距离400m, 路由使用主流的动态源路由 (DSR) 业务类型CBR, 随机分配五条流。 发包大小1024byte, 发包间隔1ms。
分析表明, 在多个节点的情况下, 随着发送功率的增加, 吞吐量总的呈上升趋势, 但出现的“平台”变窄, 数量变多。在节点变多、传播范围变大的情况下, 发送功率的加大可使其覆盖范围变大, 影响了网络的拓扑结构和路由选择;周围节点的增多也增加了干扰。所有这些因素造成了吞吐量的变化规律发生了改变, 但总的趋势没有变。图2中, 曲线的最后出现了上升的趋势。这表明仍然存在有一个最佳大小的功率, 能使网络的平均能耗达到最小。
上述研究表明, 对于一个多速率、多功率的网络, 一定存在一个确定的发送功率或功率区间, 用此大小的功率或功率区间发送分组, 可以得到最小的平均能耗。当然, 问题并不那么简单, 结合功率控制和多速率MAC协议的主要目标就是做到二者兼顾, 在相互制约的前提下找到合适的折中。
3 总结
本文直接从发送功率出发, 研究了在不同网络拓扑和不同速率情况下网络吞吐量随发送功率的变化规律。研究表明, 对于一个多速率、多功率的网络, 一定存在一个确定的发送功率, 用此大小的功率发送分组, 可以得到最小的平均能耗。而当网络节点数变多, 网络拓扑较为复杂的情况下, 其变化规律发生了改变。这说明功率因素对网络性能的影响确实是多方面的。今后要对各种更为复杂的网络拓扑进行仿真, 以进一步探讨其间有无规律可循。
摘要：无线自组网采用了网络状的拓扑结构, 使得它可以进行多跳通讯, 可实现网络自组织化。本文作者针对无线自组网的发送速率与发送功率之间相互影响的特点, 从网络吞吐率与每比特平均能耗的角度研究了特定网络的发送速率与发送功率之间的平衡点, 并进行了仿真分析。证明了对于一个特定的多速率与多功率无线自组网络, 是存在一个最优发送功率或一个较优的发送功率区间, 网络内的节点以该功率或功率区间发送分组时, 可以得到最小的每比特平均能耗, 同时网络仍然可以保持较高的吞吐率。
关键词：无线自组网,多功率,每比特平均能耗,吞吐率
参考文献
[1]林丛, 向勇.支持功率和速率控制的自组网MAC协议研究[J].Computer Applications Aug, 2008.
[2]李宾.无线局域网多速率和多信道MAC协议研究[D].厦门大学, 2008 (01) .
[3]王青山.无线自组网中多速率问题的研究[D].中国科学技术大学, 2007 (05) .
[4]王琦.基于多速率的无线移动Ad Hoc网络的研究[D].合肥工业大学, 2010 (06) .
[5]朱颖峰.Ad Hoc网络协议栈跨层设计研究[D].南京航空航天大学, 2009 (12) .
[6]朱青.多跳Ad Hoc网络多信道MAC协议功率控制机制研究[D].南京航空航天大学, 2010 (12) .
[7]王悦.Ad Hoc网络中功率控制MAC协议的研究[D].西安电子科技大学, 2007 (01) .
[8]吕博.Ad Hoc网络多速率MAC协议的研究[D].哈尔滨工程大学, 2011 (03) .
[9]孙飞鹏, 徐明.Ad Hoc网络功率控制与跨层优化[J].计算机应用技术, 2008 (08) .
[10]朱梅丽.AD Hoc网络控制帧速率自适应机制研究[D].暨南大学, 2010 (06) .
无线体域网功率控制策略综述 篇8
无线体域网通常靠节点中的电池供电, 收集到的可能是生命攸关的生理报警信号, 因此其节点需要有尽可能长的工作周期, 但是电池技术的缓慢进步使得节能成为WBAN网络中一个严峻考验。传感器节点的能量大部分消耗在无线通信模块上, 因此适当的降低节点的发射功率是延长体域网生命周期, 实现对人体健康长期有限的监测的有效路径之一[2]。本文试图重点从单个WBAN内节点传输功率控制这个角度出发, 阐述现有的研究如何实现对节点发射功率的控制, 并对多个体域网间的冲突避免方法进行简要的总结, 阐述, 最后指出体域网功率控制的新的思路。
1 WBAN网络拓扑结构
IEEE802.15.6标准中规定了无线体域网的网络拓扑结构为星型网络并支持两跳的扩展网络, 如图2所示。现有的关于无线体域网内的功率控制研究主要采取星型结构。
2 网内功率控制
2.1 相关研究
无线体域网具有以下几个特点:①资源受限;②链路状态变化迅速;③移动性大;④对安全性的要求高;⑤通信距离短。因此, 体域网内的功率控制要在生理数据可靠传输和能量的高效利用之间权衡, 使发射功率在尽量小的情况下快速的适应不断变化的链路状态。针对IEEE802.11MAC协议, 是通过RTS/CTS机制来实现闭环功率控制, 并且通过分离的信道来传输功率控制信息, 直到达到理想的发射功率。但是对于能量受限的传感器网络 (如体域网) , RTS/CTS是不适用的, 因为这一机制会消耗大量的节点电池能量, 降低网络寿命。所以现在对于体域网功率控制的研究是接收者把测得的接收到的数据包的RSSI (Received Signal Strength Indicator, 接收信号强度指示值) 以ACK (acknowledgement, 确认帧) 的方式直接反馈给发送节点, 以实现后续的功率控制[3]。
目前, 对于无线体域网内功率控制的研究基本都集中在IEEE802.15.4上, 以RSSI为基础进行闭环反馈功率控制。文献[4]提出一种定量反馈理论QFT, 功率控制器运用闭环方式进行功率控制并试图以最小的发射功率达到设定的RSSI值, 但是这一实验是以机器人作为移动载体实现的, 其链路环境与人体差别较大, 所以不太适合无线体域网。S.Lin等人提出自适应的传输功率控制算法 (ATPC) , 发送者运用功率和RSSI值进行曲线拟合然后评估可以达到曲线中接收信号强度 (RSSI) 门限值的最小传输功率[5]。文献[6]运用穿戴式传感器网络证明RSSI值随着人体的移动一直发生变化, 当RSSI处于门限值[-88d Bm, -82d Bm]范围之外时, 认为人体姿势发生了变化。记录此时的发射功率与RSSI值, 然后适当地升高或者降低一部分功率之后, 可以得到一个新的接收信号强度值。根据这两次的记录结果即可得到新的线性对应关系, 并且利用这一关系中-85d Bm (门限中心值) 对应的发射功率进行后续数据的发送, 直到RSSI值再次超出门限值。文献[3]证明了人体链路质量变化的很快, 固定的节点发射功率将造成能量的浪费。它提出一个基于反馈信息的实时功率控制方案, 根据RSSI值和门限值的比较来确定下一步功率的升高或者降低, 这一调整的过程运用功率乘性增加和加性减小的方式。文献[7]证明了RSSI仅能表示链路范围的变化, 而LQI对于外部的干扰具有很强的敏感性因此能够很好的指示链路的质量。所以它利用RSSI和LQI的历史平均值联合进行功率控制, 并且在Tmote Sky平台上实现了对此协议性能的评估。综上可以看出, 目前针对无线体域网内节点的功率控制的研究基本都是基于反馈的闭环功率控制, 根据RSSI动态的调整发送数据包的功率值, 以实现对接收信号质量和能量高效率利用之间的动态平衡。
2.2 存在问题以及未来研究
目前, 对于体域网内节点的功率控制的研究主要基于标准IEEE802.15.4, 而基于2012年新发布的标准IEEE802.15.6的研究较少, 且主要侧重于基于此标准的性能评估。综合上面对网内功率控制方法的总结, 本文对于存在的问题和未来的研究方向提出以下几方面的思路: (1) 对于单个无线体域网而言, 其网络架构可以是单跳的星形拓扑结构, 亦可以是有中继的多跳拓展星形网络。而现有的研究多是基于星型架构, 节点直接与Hub通信, 因此可以考虑把节点的功率控制与中继的选择结合起来。 (2) 与传统的传感器网络相比, WBAN的节点更加具有自己的特点, 比如IEEE802.15.6规定了生理数据的优先级, 优先级越高, 数据越紧急, 因此在进行功率控制时可以根据节点发送数据的紧急程度区别对待。 (3) 无线体域网信道包括无线信道和人体信道。特别是对于植入人体的WBAN, 由于受血液, 肌肉等人体组织的影响, 其信道是复杂多变的。因此, 可以在深入研究WBAN信道特性的基础上, 引入带预测的功率控制机制。 (4) 对于体域网节点的功率控制, 现存研究成果均假设节点可以收到Hub的反馈信息。但是现实中也存在收不到反馈信息的情况, 此时不再是基于闭环的功率控制, 而应该为节点设计其自身决定下一刻发射功率的开环机制。
3 网间功率控制研究
3.1 相关研究
WBAN网内功率控制是以单个的无线体域网为载体来研究的。但是当多个无线体域网在同一个区域内活动时, 相互间的干扰不仅会对人体的安全造成威胁, 而且会造成能量的浪费, 因此需要对其进行功率控制。传统的网间调度机制的目的是: (1) 高度的空间复用; (2) 快速的收敛速度; (3) 较高的系统吞吐量; (4) 尽量小的网间干扰。
文献[8]利用低复杂度、高空间复用率的随机不完全图着色理论 (Random Incomplete Coloring, RIC) 来克服WBANs的干扰问题。RIC在着色速度和空间复用之间达到了平衡, 对于任何空间复用要求均能达到较快的收敛速度。文献[9]利用遗传算法设计和优化了一个带反馈的快速收敛模糊功率控制器 (Fuzzy Power Controller, FPC) , 其输入为当前的干扰功率级别和SINR, 与传统的方式相比, FPC算法能够得到较快的收敛速度、较少的能量消耗, 并且仅需要占用很少的容量。文献[10]首先研究了基于TDMA接入的多个体域网共存干扰问题, 然后引入“分享共同的调度时间表”这一概念来克服网间干扰问题。文献[11]利用学习增强算法 (Reinforcement Learning Power Control, RLPC) 来解决多个无线体域网间的功率控制问题, 仿真表明RLPC算法比另外两个作比较的算法更加能达到节省能量的目的。文献[12]提出运用非协作博弈来降低多个无线体域网间的干扰, 这一方案基于信道增益和用户功率预算设计出自适应的价格机制以在效用和功率消耗之间达到平衡, 不但提升了系统容量, 而且避免用户在信道增益和功率预算较低时增加发射功率, 因此延长了网络工作寿命, 同时降低了相互间的干扰。
3.2 存在问题以及未来研究
对于多个WBAN的功率控制目前所用的方法较多, 如前面所述的博弈论、学习增强算法、图着色论等。但是目前尚存在两方面的问题亟待解决: (1) 需要将这些理论植入WBAN硬件平台上进行可行性测试和性能的分析, 并且需要提出支持这些理论的MAC协议。 (2) 将多个无线体域网间的冲突避免机制与单个无线体域网内的功率控制有效的结合起来, 在每个网络正确将自身生理数据传递给中心控制器的同时, 形成完善的多个WBAN共存机制。
4 结论
WBAN靠电池供电, 在电池能量有限的条件下, 既要有足够长的生命周期, 又不能频繁更换电池。同时, 多个WBAN之间又需要协调各自的发射功率使得相互干扰最小。本文以单个WBAN节点的功率控制为重点, 从网内和网间两方面分析、阐述了现有的研究成果, 并且提出了尚未解决的问题, 为进一步研究提出了新的课题和思路。
参考文献
[1] IEEE Standard Association, “IEEE Standard for Local and metropolitan area network-Part 15.6 Wireless Body Area Networks”.IEEE Std 802.15.6-2012, February 2012.
[2] 肖玲, 罗娟, 李仁发, 等.基于PID算法的无线体域网中节点功率控制机制[J].计算机研究与发展, 2011, 48 (2) :190-195.
[3] Xiao S, Dhamdhere A, Sivaraman V, et al.Transmission power control in body area sensor networks for healthcare monitoring[J].Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2009, 27 (1) :37-48.
[4] Alavi S M, Walsh M J, Hayes M J.Robust distributed active power control technique for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks—A quantitative feedback theory approach[J].Control Engineering Practice, 2009, 17 (7) :805-814.
[5] Lin S, Zhang J, Zhou G, et al.ATPC:adaptive transmission power control for wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 4th international conference on Embedded networked sensor systems.ACM, 2006:223-236.
[6] Quwaider M, Rao J, Biswas S.Body-posture-based dynamic link power control in wearable sensor networks[J].Communications Magazine, IEEE, 2010, 48 (7) :134-142.
[7] Kim S, Eom D S.RSSI/LQI-based Transmission Power Control for Body Area Networks in Healthcare Environment[J].2012, 17 (3) :561-571.
[8] Cheng S, Huang C.Coloring-Based Inter-WBAN Scheduling for Mobile Wireless Body Area Network[J].2013, 24 (2) :250-259.
[9] Kazemi R, Vesilo R, Dutkiewicz E.A Novel Genetic-Fuzzy Power Controller with Feedback for Interference Mitigation in Wireless Body Area Networks[C]//Vehicular Technology Conference (VTC Spring) , 2011 IEEE 73rd.IEEE, 2011:1-5.
[10] Mahapatro J, Misra S, Manjunatha M, et al.Interference mitigation between WBAN equipped patients[C]//Wireless and Optical Communications Networks (WOCN) , 2012Ninth International Conference on.IEEE, 2012:1-5.
[11] Kazemi R, Vesilo R, Dutkiewicz E, et al.Dynamic power control in Wireless Body Area Networks using reinforcement learning with approximation[C]//Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC) , 2011IEEE 22nd International Symposium on.IEEE, 2011:2203-2208.