通信组网方式（精选11篇）
通信组网方式 篇1
近年来, 各地供电公司根据各自的应用需求, 陆续开展了智能电网用电信息采集系统试点的建设, 在负荷预测分析、电费结算、需求侧管理、线损统计分析、反窃电分析及供电质量管理等业务中取得了一定的效果。然而, 要打造适合各层面、各专业共享的用电信息一体化采集平台, 满足线损的统计与计算、电力用户用电负荷曲线分析和异常用电情况查询, 实现对电力用户的远程通断电控制和预付费管理等高级管理需求, 供电公司就必须升级智能电网用电信息采集系统的通信方式, 形成以光纤通信为主, 微波、载波等多种通信方式并存的通信网络格局, 以确保系统数据通信的实时、快速、可靠、稳定。
1 不同的下行通信方式特点分析
1.1 电力线宽带通信方式
(1) 组网模式。在台区低压侧安装集中器, 在每个表箱安装采集器, 集中器和主站通过GPRS实现远程通信, 集中器和采集器之间通过电力线宽带载波实现通信, 采集器和智能电能表通过485接口实现通信。
(2) 技术特点。低压电力线宽带载波通信调制方式采用多载波调制 (OFDM) , 载波频率1~34MHz, 信息传输速率可达到200Mbps。这种通信方式占用频带宽, 数据传输速率高, 数据容量大, 可双向传输, 无需另外铺设通信线路, 安装方便。可以方便地将电力通信网络延伸到低压用户侧, 实现对用户电表的数据采集和控制, 适应性好。
(3) 优缺点。该通信方式以配变台区进行集中, 不能跨越配变台区。采集和计量装置分离, 之间的RS-485接口形式规范统一, 易于分专业管理和施工, 对计量装置本身无特殊要求。有RS-485接口的电能表, 不需要对电能表进行更换, 但要求电能表在表箱内集中布置。能够对远程控制和预购电方式、阶梯电价等复杂业务提供非常好的支持, 便于实现网络预付费。传输距离较短, 且受电力线影响较大, 对于架空导线和电缆混合模式电力线路适应性较差。
1.2 微功率无线通信方式
(1) 组网模式。在台区安装集中器, 在每个表箱安装采集器, 集中器和主站通过GPRS实现远程通信, 集中器和采集器之间通过微功率无线实现通信, 采集器和智能电能表通过485接口实现通信。
(2) 技术特点。工作频段500~510MHz, 中心频率选在503MHz。传输速率高, 理论最高值171.2kbps, 实际应用接近56kbps的速度, 支持永久在线, 资源相对丰富, 覆盖地域广, 建设成本低, 适合大规模应用。但运行维护费用高, 可靠性差, 受外界条件干扰大, 信息安全差, 天线易被人为破坏, 需通信运营商采用IPSec、ACL、信息加密等技术保障公网的通信安全。
(3) 优缺点。该通信方式自组网络, 在一定条件下, 节点越多, 可选择的路由路径越多, 网络可靠性就越高。信道质量不受电网质量的影响, 但传输距离受障碍物影响很大, 障碍物会严重缩短传输距离。无线数据收发是敞开式的, 在射频范围内其他设备都可以收到, 需要通过多种加密方式如端到端高阶加密以及动态跳频来实现数据安全传输。
1.3 电力线无线混合组网方式
(1) 组网模式。在台区低压侧安装集中器, 在每个表箱安装采集器, 集中器和主站通过GPRS实现远程通信, 集中器和采集器之间通过电力线宽带实现通信, 对电力线宽带无法覆盖的区域采用PLC无线一体化采集器、微功率无线采集器的混合组网方式进行覆盖, 采集器和智能电能表通过485接口实现通信。
(2) 技术特点。混合通信方式作为前二者优点的综合方式, 适用于用户表计安装分散、用电类型对采集间隔及实时性要求不高的环境。
(3) 优缺点。采用这种综合通信方式的冻结抄表成功率和实时抄表成功率都较高, 可以大幅度的提高台区的抄表成功率。
2 典型台区下行通信解决方案
根据台区用户覆盖特点, 台区可分为密集高层居民型台区、别墅居民型台区、老旧居民小区型台区、城乡结合部型台区、农村台区、孤立小型定居点台区等6种情况, 结合前文的技术分析, 分别对6种典型应用环境给出不同的下行通信解决方案。
2.1 密集高层居民型台区
(1) 密集高层居民区台区特点:用电类型多, 一般有滤波保护电路, 以埋地电缆布线居多, 台区半径小;密集高层居民区多属新建筑, 支线电路走线较为规范;高层建筑物对微功率无线信号阻挡严重;电能表一般在每个楼层的表箱进行集中放置, 便于采用485总线与集中的电能表进行连接;密集城区光缆资源较为丰富。
(2) 技术原则:在密集高层居民区, 用电信息采集系统宜采用宽带载波+485总线的组网方式。
2.2 别墅居民型台区
(1) 别墅居民型台区特点:用电类型多, 一般有滤波保护电路, 以埋地电缆布线居多, 台区半径较大;别墅居民区多属新建筑, 支线电路走线较为规范;别墅居民区多数属于低层建筑, 对微功率无线信号阻挡较小;电能表一般一户一表, 较为分散。
(2) 技术原则:在别墅居民区, 用电信息采集系统宜采用微功率无线组网方式。
2.3 老旧居民小区型台区
(1) 老旧居民小区型台区特点:用电类型多且复杂, 以架空线布线居多, 支线电路走线不太规范, 线路阻抗特性不佳, 对载波通信会造成不利影响;电能表布置较为集中, 便于采用485总线将集中的电能表进行连接;旧居民小区多为低层建筑, 无线信号衰减小。
(2) 技术原则:在旧居民小区, 用电信息采集系统宜采用微功率无线混合组网方式。
2.4 城乡结合部型台区
(1) 城乡结合部型台区特点:一般用电较为混乱且布线分支较多, 载波通信衰减较大, 用电设备类型陈旧;电能表布置分散, 难以采用485总线将电能表进行连接;城乡结合部地区多为低层建筑, 对无线信号衰减小;台区处于建设活跃期及用户数目膨胀期, 建筑物及用户数量变化较快。
(2) 技术原则:在城乡结合部台区, 用电信息采集系统宜采用微功率无线混合组网方式。
2.5 农村台区
(1) 农村台区特点:一般为单相供电, 供电半径大, 供电距离远, 线路较为陈旧, 且台区干扰较小;由于台区半径大, 供电距离远, 不适合采用宽带载波通信;电能表分散布置, 难以采用485总线将电能表进行连接。
(2) 技术原则:在农村台区, 用电信息采集系统宜采用微功率无线混合组网方式。
2.6 孤立小型定居点
(1) 孤立小型定居点台区特点:超长供电距离, 单相交流电布线两点间的距离较远;电能表个数少, 布置分散。
(2) 技术原则:在孤立小型定居点, 由于供电距离超长, 数量较少, 考虑到经济性、可靠性原则, 用电信息采集系统宜采用宽带电力线通信方式。
3 上行通信盲点解决方案
3.1 解决方案分析
台区上行通信方案首选光纤接入, 在光纤未覆盖的台区, 应选择公网GPRS或者架设无线专网, 但在现场应用中, 总会遇到台区与远方主站之间在远程无线通信过程中无线信号受遮挡、信号衰减、通信信号受阻、信号不稳等问题, 针对此类问题, 项目结合电力线宽带通信的特点特提出3种解决方案。
(1) 方案1:当台区单一集中器在地下车库或者集中器周围有建筑物遮挡, 上行通信信号没有或者强度较弱时, 严重影响集中器上线率, 系统可以采用上行通信信道“电扩无线”的传输方式, 提高集中器的在线率。所谓的“电扩无线”通信方式即在台区内选择1个最佳信号采集器, 在采集器处加装电力线宽带Modem和无线CPE、天线, 实现电力线宽带与远程无线通信结合的组网方式, 搭建集中器和远方主站之间的稳定通信信道。
(2) 方案2:当多台区位于同一低压侧, 其中有1个集中器因为建筑物遮挡的原因, 致使上行通信信道信号较弱, 集中器在线率较低时, 系统可以采用电力线宽带信号级联的方式, 提高台区整体的在线率。
由于集中器位于同一低压侧, 故各集中器之间电力线宽带信号是相通的, 可以将各集中器融入同一个电力线网络, 这时借助台区间电力线宽带信号, 即利用集中器的级联功能, 搭建集中器和远方主站之间的稳定通信信道。
(3) 方案3:当集中器处于孤岛台区, 台区上行通信信道信号较弱或没有, 致使集中器在线率较低时, 系统可以采用中压电力线宽带信号级联的方式, 提高孤岛台区集中器的在线率。
方案3的实现方式同方案2有些类似, 只不过方案3是通过中压电力线耦合方式级联集中器。
3.2 解决方案的验证
为了验证方案的可行性, 特在实际应用中选取沈阳市某区的5个台区, 作为解决上行通信盲点解决方案的测试点, 在主站处统计整改前后的集中器在线率。在主站处, 持续30天对5个台区的集中器的上线情况做实际跟踪记录, 每天每隔30分钟进行一次参数下发, 根据主站侧是否有收到集中器应答情况, 测试这5个台区集中器的在线率。与整改前5个台区集中器的在线率相对比, 统计情况如图1所示。
4 结束语
本文紧密结合用电信息采集系统建设需求, 在全面科学分析现有电力通信接入网的技术特征、业务支持和经济效益的基础上, 下行通信融合宽带电力线通信技术和微功率无线通信技术实现用户终端的多层次接入, 创造性地将电力线宽带通信技术和微功率无线通信技术应用于低压电力用户信息采集。该项目不仅在技术、理论以及网络平台建设方面进行了大量的研究分析和应用实践, 而且在实际应用中, 验证了系统的通信方案可行性和设备可靠性, 为推广应用起到了典型示范作用, 填补了多项研究空白。
通信组网方式 篇2
四、组网模式
一个现代化的矿井，其通信系统必须做到行政、调度通信相互补充，有线、无线通信手段相配套，以应急通信作保证，这样才有较大的发展空间。只有这样，通信网才既能保证煤炭生产、安全、经营及人们生活的需要，又能实现在紧急情况下的通信保障，才能为向下一代网络的演进打下基础。所以，新的煤矿通信网将是集安全性、管理性、扩展性、生存性于一身的网络。没有这样一个网络支撑，通信很难保证煤矿安全生产的正常进行，很难适应煤矿发展的需要。下图1是煤炭网的具体组网模式。
根据多年现场通信管理经验，煤炭网组网模式所示，一台行政交换机、一台生产调度交换机、一台洗煤厂专用调度交换机（有些矿井没有独立的洗煤厂，故不设此交换机），再配备一些井下有线、无线通信系统即构成了理想的煤矿通信网。
（一）行政通信系统
该系统主要为矿井生产、经营等管理和人们生活提供通信保障，行政通信系统在煤矿通信网中占主导地位。特别是市场经济时代，煤矿通信要向可运营的方向迈进，也就是说行政通信不仅满足电话能打的现状，而要站在大通信、可运营的高度，重点考虑设备运行可靠性、增值业务开发能力、综合计费能力以及汇接能力等，不断满足煤矿通信走向市场的需要。
行政交换机的选型一般在整个矿区通信发展规划的指导下进行，不提倡各个矿井各行其是，以免造成矿区通信网上设备型号多、组网困难、开展增值业务受限等问题。作为矿务局通信专网，其网络结构应该是“中心局带远端模块”的组网模式最为合理，这属矿区通信专网的组网方式的问题，在此不再多涉及。
（二）生产调度通信系统
该系统是煤矿安全生产管理中的重要手段之一，在煤炭生产中发挥着非常重要的作用。在地面，它是行政通信系统不可缺少的重要补充部分，因为煤矿生产规程中规定，在地面如绞车房、中央变电站等重点部位要安装行政、生产两套通信设备，保证在一个系统出现故障，另一个系统能满足生产的需要。在井下，生产调度通信系统则是主要的通信手段，井下各生产环节的信息主要通过该系统来传递。对生产调度通信系统的要求主要是运行可靠。就目前看，在系统中开展增值业务、安装计费系统的必要性还不大。
（三）洗煤调度通信系统
洗煤厂生产环节多、系统复杂，在煤矿的经营中处于非常重要的地位。由于它与井下生产联系不十分紧密，所以在考虑组网模式时，洗煤厂应该独自建一套调度通信系统，供厂内生产调度指挥用。该调度机必须与矿井行政、生产两通信系统实现NO.1信令组网。
（四）计算机、安全监测、监控系统
矿井计算机、安全监测、监控系统等配套的系统种类较多，传输信号制式各异。系统内的各种信息要及时地传递到矿井主调度室，同时部分信息要进入生产调度通信系统供有关部门掌握，所以要求生产调度通信系统要有各种可扩展的接口，能够与各系统联网。
（五）井下有线、无线通信系统 1.井下无线通信系统
作为生产管理人员、电机车司机、皮带维护工和其它流动人员的主要通信手段，井下无线通信系统保证了这些人员能够与生产调度室及时取得联系。它具有安装快捷，能在较短时间内形成局部移动通信系统的特点。系统能与矿井行政、生产通信系统实现组网，特别是当井下发生紧急情况时，可为井下提供能及时与地面联系的工具，对抢险的组织非常有帮助。井下无线通信系统作为生产调度通信系统的补充在矿井生产安全等方面起重要作用，但目前国内非常成熟的产品还不是很多。
2.载波电话通信系统
主要用于井下电机车的通信。载波电话在矿井的应用时间较早，为电机车的调度发挥着重要作用。但由于其音质、音量较差，难以大量使用。但对于井型规模不大，经济等条件又有限的单位，载波电话仍不失为一种投资小、见效快、又能解决问题的有效办法。
3.扩音电话系统
该系统主要应用在采煤工作面、斜井运输、长距离运输皮带等部位。扩音电话系统为保证工作面的正常生产，皮带的正常运行起到了关键作用。扩音电话的使用将大大提高采煤工作面工人的工作效率，减少事故发生。
4.个人应急通信系统
有代表的产品包括井下人员跟踪系统、紧急通信系统（井下BP机）等，这些产品主要用于生产管理人员、矿山救护队、井筒抢修、斜井人车等流动性大以及工作性质较重要的个人使用，尤其适用于井下事故的抢险，是煤矿通信系统应该必备的辅助通信手段。但目前由于系统造价较高，大量普及还有一定的困难。
五、几个注意问题
（一）矿井通信网的建设必须满足矿区通信发展规划，在矿务局主管部门指导下进行。
（二）行政交换机与矿区行政通信专网组网主要采用NO.7信令，尽量不用NO.1信令，生产调度组网主要用NO.1信令，有条件也可采用NO.7信令，不采用环路中继组网。
（三）大力采用光纤传输方式。除矿井周边地形环境以及与专网汇接局间的路由非常不利于杆路的架设外，矿井行政交换机与专网汇接局间应主要采用光纤传输方式。因为光纤通信有频带宽、信号容量大、传输质量高、保密性好、可靠性高、对杆路要求低等很多优点。随着矿区计算机广域网、有线电视网的逐步建设，利用通信光缆形成话音、数据、图像三网同缆不同芯甚至同芯“三网合一”已经成为矿区信息化建设的首选，可以说光缆的综合利用性非常强。
（四）新机房的建筑面积要适当调整。在设计行政通信总机房、蓄电池室、配线架室等房间时，面积要尽量缩小，以最大限度减少投资。相反，根据现在系统多为计算机控制、且朝着值班人员一职多能、集中维护的方向发展等特点，要适当加大程控机维护终端室的面积，有条件的要为计费系统单独设计出房间。可以不考虑设专用的114值班室（因为全矿区统一查号已是必然）。同时注意通信设备与计算机网络设备机房的和谐，程控机房与蓄电池室、电力室、配线架室、传输室的和谐，便于实现集中管理、集中维护。
（五）一般矿井自建的职工住宅离主生产区域较远，而在宅区居住的煤矿主要管理者的家中必须安装煤矿电话，一般情况下可以直接敷设通信电缆解决。但如果距离超过2公里，电话容量在500门以上时，要考虑在住宅区安装无人值守的远端模块，宅区电话从远端模块放出，这样才经济合理。
（六）强调接地系统的完备。由于很多矿井处在落雷区，其通信网必须具备良好的接地系统，推荐采用联合接地方式，接地电阻要在1Ω以下（有特殊要求的设备除外），每年春秋两季要进行接地电阻的测试，同时重点检查各个接地端子、接地引下线的完好情况。
（七）有可靠的备用电源系统作保证。虽然煤矿的电力系统都有很可靠的保证，但由于煤矿生产的特殊性，煤矿的通信任何时候都不能中断。一旦矿井动力电源中断，通信的备用电源必须对本系统内的所有设备实现不间断的投入，且供电时间不小于8小时，为矿井抢险提供保障。
（八）不需购置价值高且利用率低的备品备件、仪器仪表，一般由矿务局通信主管部门统一配备。井下通信系统要以建立全系统的本质安全型为目标，设备要选用本安型设备，不采用隔爆通信设备。
通信组网方式 篇3
关键词：智能配电网；通信组网技术；EPON技术；应用
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）35-0028-02
1 配电通信系统
1.1 基本要求
配电网中的各项信息的传播，都要依靠通信系统来实现，在建设中必须满足自动化的要求，建立起标准的通信网络，尽量实现全部终端的覆盖。首先，在通信系统的建设过程中，应提高通信资源的利用率，使固有资源的作用得到最大发挥，降低重复建设的可能性，在满足当前业务需要的基础上，对其未来发展有足够的考虑，坚持“统一规划，分步实施”的战略，加大基础设施的建设力度。其次，在通信系统中，应采取“专网为主，公网为辅”的方式，在具有遥控功能的自动化区域，专网通信有利于提升一次设备运行的稳定性。为满足需要，在以通信为基础实现故障隔离的馈线自动化区域，尽量选择光纤专网的方式。此外，因全国各地的情况大不一样，通信系统要结合实际情况，掌握多种通信方式，对其加以灵活运用，相关技术应达到国家规定的要求。
1.2 骨干层的要求
对于骨干层的通信网络，以光传输为佳，使其链路层及业务层的保护功能得到最大发挥，进而保证形成的IP网络具备动态路由迂回能力。若其他的系统也使用骨干层的网络通信，应保证骨干层能够支持虚拟专网。
1.3 接入层的要求
接入层的通信方式有很多，如无线通信、电力线载波及光纤专网等，在选择通信方式的同时，也应对网管系统的建设改造有足够的考虑，尽量实现配电通信系统的统一管理。
①无线通信。该通信方式应采取可靠的安全隔离和认证措施，具有良好的安全保障，能够支持用户之间的优先管理，在与运营商之间尽量建立起安全的专线网络连接；
②电力线载波。有些区域，光纤通信接触不到，便可使用电缆屏蔽层载波的方式，使用该通信方式需注意，在传输性能保持良好的基础上，尽量采用耦合方式，既方便施工，又能够降低线路停电的频率；
③光纤专网。业务端口能够和配电终端实现良好的连接，同时具备应有的检测管理能力。配电通信光缆的芯数需达到设计的标准，并有一定的预留；
④无线专网。系统频段必须和国家相关规定相符，通信方式按照国际标准进行选择，尽量使用多厂家支持且具备优先管理能力的宽带技术，同时，在无线信息接入时，应符合安全规定，做好安全防护准备。
2 EPON组网技术
2.1 介绍
EPON，又叫以太网光源光网，是无源光纤的一种，成本较低，而且宽带高，具有良好的扩展性，该技术涉及PON技术、PON的拓扑结构以及以太网协议等方面，以太网为基础，主要运用点到多点的模式完成各种业务，能够快速实现服务重组工作。无源器件是其重要组成部分，在布放网络时，无需机房电源，方式变得更加方便灵活。此外，共享光纤实现了资源共享，有利于降低成本投入。
2.2 网络结构
EPON主要有以下三部分构成：一是光分配网络，无源器件是其重要构成部分，对上行数据进行整理，同时负责下行数据的分发工作，为光线路终端和光网络单元提供必要的传输手段。其部署方式较为灵活，在任何环境都能使用；二是光线路终端，它通常位于中心交换局，既能发挥路由器的作用，又具备交换机的功能，同时还可以提供多种业务。其核心层具有传输复用、数字交叉连接等功能，业务层主要负责各种业务的接入工作，以及对OLT信令的处理，公共层主要负责正常供电；三是光网络单元，多位于用户和光分配网络之间，依靠以太网协议完成光网络单元传输用户数据的工作。光网络单元和光线路终端之间能够实现数据的高速转发，对光线路终端传输的数据进行过滤并接收，对其发送的各种指令进行适当调整，提供多业务接口，缓存用户以太网数据。
3 EPON的应用分析
3.1 光网络单元的自动辨别
其目的就是在没有人工打扰的情况下，借助系统运行，寻找注册新的单元，最终达到在不干扰其他单元的基础上而自动加入到系统中来的目的。在注册时，可能会出现矛盾，解决措施主要如下：①延迟时间，一旦发生冲突，可在打开的窗口内可延长时间，但前提是延迟后依旧位于原来窗口内，此方法需增大注册开窗，会造成系统宽带的利用率有所下降；②跳过开窗，一旦发生矛盾，各个单元需跳过多个注册授权才会重新响应。此方法要花费更多的时间，但无需增大注册开窗，也对宽带利用率形不成干扰。
3.2 同步接收
EPON具有同步性，必须保证光线路终端有与其相对应的网络单元，否则如果相位有所变化，或者比特出现失误，就容易导致数据出现误差，甚至在重新传递过程中引发网络瘫痪，为避免各单元出现数据碰撞的情况，需保证两边时钟的同步。利用时间标签的方法能够实现其同步，在下行方向，光线路终端依据本地时间将标签插入，各单元接收后对本身进行调整，与收到的数据保持一致。下行方向同样如此。
3.3 信息安全
专业资料规定，在EPON系统中，物理层发送的是标准的太网帧，每个连接都应有与之相对应的链路标识，各单元在接收数据时，也只能接收属于自己的数据，其余的都需丢弃。
3.4 TDM的业务传输
虽然当前状况推动了宽带需求的增长，但电路业务的潜力还很大，在今后一个短暂的阶段仍将产生巨大效应，给运营商带来巨大收入。为满足各种需求，有必要将电路交换业务和分组交换业务有机结合。当前的EPON大都是多种需求和业务相互融合的系统。EFMA并没有明确规定TDM怎样承载业务，但必须是具备兼容性的以太网帧格式。TDM的质量问题在EPON中显得更加重要。
3.5 多点控制协议
在点对多点结构的网络中，为保证主单元和从单元之间的能实现数据的有效传输，需采取点到多点控制协议。EPON正是一典型的这类系统，借助MPCP可对网络资源进行优化，如各网络单元的自动发现，终端站点的宽带分配及查询等。
4 结 语
智能配电网的作用日益突出，通信组网是其重要组成部分，能够满足智能配电业务对通信的要求，EPON是以太网和无源光网络技术为基础的，不但部署灵活，成本低，而且性价比高，能够高性能的接入。另外，还能够提供TDM业务，在电力行业有很大的发展空间。
参考文献：
[1] 李祥珍，何清素，孙寄生.智能配电网通信组网技术研究及应用[J].中国电力，2011，25（12）：172-174.
[2] 刘江.智能配电网通信组网技术研究[J].科技风，2012，23（8）：214-216.
[3] 李松吾.浅析配电网智能化通信组网技术[J].中国科技博览，2012，19（22）：109-111.
电力通信PCM组网方式研究 篇4
关键词：PCM业务,HDLC,VPN
目前, 电力通信中, 传输网和接入网主流技术一般采用SDH+PCM模式, 而PCM主要应用于行政电话和调度电话业务的开通。虽然变电站端的PCM业务量较少, 但是伴随着变电站数量的不断增多, 采用HDLC方式的组网方案对故障的定位和处理变得愈发困难和繁琐, 本文从单位设备现状出发, 分析厂家提供的组网方案, 结合汇聚型MST-B120B和终端型MST-A15, 设计提出了一种新型的组网方案。
1 PCM网络现状分析
目前, 本地区电力区域网PCM接入设备采用了华源格林的MST系列设备, 部署在地调和五个县支公司 (以及核心220 k V变电站) 的汇聚型设备采用了MST-B120B, 变电站及供电所终端设备采用了MST-A15。两种接入设备都使用PCM30/31制式以及标准的2M (G.703标准) 传输接口, 为变电站及供电所提供所需的语音、远动数据业务。
由于电力通信网的特殊性, 其特点是汇聚型网络, 电力系统内所有变电站、供电所的语音和远动数据业务最后全部汇聚到地调或县局的PCM设备上, 采用这种网络模型, 需要在地调或县局部署一定数量的汇聚型PCM以满足远端站点的通信业务。
根据上述实际情况, 本地区的通信PCM系统根据厂家提供的组网方案进行网络的初步组建。由于受制于建设初期的电力通信网络架构和设备技术, 初期在地调和县局采用了MST-B120设备, 在各个变电站和供电所采用了MST-A15终端。MST-B120很大的缺陷是其2M通道数量太少, 最大接入数量为4个2M, 大大地限制了变电站的接入数量。初期设计的PCM组网方式大量采用了基于HDLC技术, 在地调或县局采用了HDLC将各个MST-B120链接在一起进行网管, 该组网方式为后续的故障排除埋下了隐患。
经过设备技术的不断改进, 汇聚性PCM有了长足的改进。MST-B120被增强型的MST-B120B代替, 其最大可以接入12个2M, 通过设备的改造解决前期2M数量少, 变电站点接入数量受限的问题。但是由于随着MST-B120B的不断增加, 其与县局的PCM在2M通道上必须有业务连通, 导致了地调网管的PCM数量越来越大, 地调的MST-B120B配置的路由表也在不断地扩大, 路由条数多达上百条, 使得维护人员故障处理的时间越来越长。由于还是采用了带内通信的方式, 当通信链路上的某台MST-B120B发生故障时, 与其相连的其他汇聚型设备将无法被网管, 此时故障处理需要进行现场处理, 网管则无法进行故障的定位, 处理不及时甚至会影响到全网的通信调度业务。
由于本地区变电站和供电所的不断增多, 县局通信维护力量的相对薄弱, 为保证语音、远动数据业务故障维护处理工作的安全开展, 本文结合利用地区数据网的建设成果, 鉴于各种业务 (包括电量采集、视频监控、办公自动化、PMS等实时业务) 上线运行良好的实际情况, 进行了有效的尝试, 利用数据网的VPN通道为PCM设备提供通道, 设计了一种新的PCM系统组网方案, 为后续的故障定位和处理提供了很好的技术支持。
2 PCM网络模型的设计
由于电力通信的特殊性, 进行PCM组网设计时, 根据电力通信传输网络的不同, PCM组网设计也会完全不同。本文充分考虑了电力通信网及设备厂家提供的PCM组网方案, 进行了组网方式的分析和设计。
2.1 基于HDLC的组网方式
电力通信网建设初期, 由于通信网架的不成熟, 采用基于HDLC的组网方式进行PCM系统组网设计时, 每台MST-B120均采用带内通信方式进行网管。由于带内通信时, 带宽有限, 大大地限制了系统的扩容。随着变电站及供电所的不断增多, 基于HDLC组网方式的PCM系统将严重受限。具体的组网方式图如图1所示。
如图1所示, 当中间某一台B120B发生故障时, 由于采用了HDLC的带内通信方式, 导致与该设备连接的后续设备都无法访问, 这样使得后续设备如果发生故障也无法被监控, 为安全生产运行埋下了严重隐患。
2.2 基于VPN的PCM组网方式研究
伴随着电力通信网的不断发展, 以及设备技术的改进, 目前电力通信网已经能够完整地覆盖所有变电站以及供电所, 这就为组网方式的改进提供了基础。同时, MST-B120也改进成增强型的MST-B120B, 该设备提供了更多的2M通道, 同时利用电力通信网架的优化能够采用带基于IP访问技术的组网, 实现VPN通道进行所有PCM设备的网管工作。具体的组网方式如图2所示。
如图2所示, 无论从网管方式、电路开通, 还是故障处理都有了有效地改进。现有的数据接入方式为一一对应, 使每个站点对应每一块用户盘, 使信息清晰明了, 维护更加方便;PCM硬件地址维护更为方便, 全网PCM设备地址与光传输设备地址保持一致, 县局之间的汇聚型PCM设备地址保持一致, 这样的硬件地址规划方式更为合理, 更易维护;每台汇聚型PCM设备均进行IP地址的配置, 实现硬件地址与IP地址一一对应, 保证与地调PCM网管终端设备在同一网段内, 这样访问和监控更为方便、快捷;增加网络交换机, 利用已有的综合数据网进行数据开通, 并以VPN方式接入网络, 对于PCM设备的远程管理更为方便, 对于故障定位效果更为明显。
3 PCM系统组网的应用分析
PCM系统组网方式的研究目的在于“快速判断故障、迅速解决故障、便于业务接入”, 经过升级改造后的组网模型在以下几个方面有显著的成效:
1) 故障处理方面
采用基于HDLC带内通信的组网方式时, 在进行地调网管PCM设备时, 2M中继管理通道是通过SDH网络建立HDLC来实现的。对于变电站及供电所的400多台PCM设备, 网管是利用PCM硬件地址表来实现设备的管理和监视。由于硬件地址表越来越庞大, 导致监视处理工作越来越复杂。采用硬件地址表进行管理的方式主要问题在于单台PCM出现故障时 (管理板故障、设备断电、2M电缆中断等) , 则于该台PCM设备联系的多台或单台PCM无法监控, 导致故障定位十分困难。同样, 通信链路上的某一个县局的PCM设备出现故障, 极易影响到其他站点PCM的监控、数据修改与配置, 极可能扩大事故的影响范围, 增加故障处理时间等负面影响。
新的组网方式实施后, 由于采用了VPN技术, 基于IP地址的管理方式可以对每一台PCM设备进行单独地管理、配置和监控, 这样一旦单台PCM设备出现故障时, 可以及时地进行故障定位, 并且不会影响到其他链路上的PCM设备, 有效地减少了故障定位的时间, 为系统的恢复提供了可靠的技术支持。
2) 设备接入能力方面
采用基于HDLC接入方式时, 由于县局PCM的2M数量接入较少, 每台PCM间进行通信时, 必须采用单独的2M中继通道建立HDLC通道, 导致了PCM所接远端通信站点 (变电站及供电所) 的数量严重受限。
采用新的组网方式后, PCM业务不再使用带内进行数据的传输, 而是采用VPN技术, 利用数据网进行传输各种PCM业务, 有效解决了2M数量少的问题, 为多业务点接入的情况提供了平台。
3) 设备电路开通方面
采用基于HDLC组网方式, 系统应用时经常出现多达3个以上站点共用1个2M电路汇聚至地调或县调, 3个站点间通过光传输设备进行电路转接互相连接 (串联方式) 。导致了MST-B120内的某个用户盘连接着3个以上站点的电话、数据电路, 若继续在该用户盘上开通新的设备电路, 则该盘的规模不断扩大, 导致数据杂乱无章, 故障处理时间加长, 降低运行人员工作效率。
采用新的组网方式后, 各变电站或者供电所的PCM设备连接至地调或县调的MST-B120B的电路均为一一对应, 不再出现多个站点对应MST-B120B中的单个用户盘, 这样的组网方式对于开通新的电路来说变得十分方便, 并且在故障排查的时候, 也会带来极大的便利, 大大地缩短了排查时间, 提高了运行人员的工作效率。
4 结论
本文从电力通信PCM组网的现状进行分析后, 比较了两种PCM组网方式, 设计出了适应本单位的PCM组网方式。经过该种方式的应用后, 其应用效果明显, 从根本上改变了网络不断扩大导致的数据维护量大、故障处理复杂等问题, 为后续的PCM设备扩容、电力调度语音及远动信号的传输提供了坚实的技术支持。
参考文献
[1]葛剑飞.国家电网公司生产技能人员职业能力培训专用教材[M].北京:中国电力出版社, 2010.
[2]MST-A15综合业务接入设备用户手册[Z].格林维尔科技发展有限公司, 2008.
通信组网方式 篇5
【关键词】:高频通信 HF AOC 数字选呼 短波组网 语音控制
中图分类号:V556 文献标识码:A 文章编号:1003-8809(2010)06-0129-02
1、概述
根据《中国民用航空总局121部》中E部分121.97条规定:“合格证持有人应当证明,在正常运行条件下,在整个航路上,所有各点都具有陆空双向无线电通信系统,能保证每一架飞机与相应的签派室之间(即AOC服务),每一架飞机与相应的空中交通管制单位之间,以直接的或通过经批准的点到点间线路进行迅速可靠的通信联系。”
现阶段国内用于航务管理的HF AOC话音系统均由各地航空公司及其分公司独立管理和运行,未形成统一的网络化管理,而各航空公司独立的HF AOC话音系统由于受到台站布设、频率选择、电台功率选择、天线形式等方面的制约,均存在不同程度的通信盲区,加之各HF AOC系统独立运行,不能统一协调,导致频率资源紧张和相互干扰,进一步降低了通话质量和可通率。
基于我国目前HF AOC话音系统建设现状,为了满足日益增长的航空运输业需求,对分布于全国各地的HF AOC话音系统,利用数字处理技术进行组网升级改造,建立覆盖全国及其周边区域航线的HF AOC话音系统,由专业的通信服务公司统一管理和运作。
2、 组网方案
2.1、系统组成
HF AOC话音通信系统主要由四部分组成,主要包括:飞机、短波台站(即为由各航空公司独立管理运行的HF AOC话音系统,后文统一称为“短波台站”)、HF AOC呼叫中心和航空公司航务管理部门。其中,飞机与短波台站通过HF无线链路建立连接,短波台站与HF AOC呼叫中心通过地面专线网络实现通信,而各航空公司通过专线或者电话转接方式接入HF AOC呼叫中心的话音系统,从而组成一个完整的HF AOC话音通信系统。其系统组成如图1所示。
图1 HF AOC话音通信系统组成
短波台站主要是基于布设于各地的原有台站,在不改变其原有使用方式和性能的条件下,对其进行组网改造设计,将其信号以比特流的形式送往北京HF AOC呼叫中心,进而由呼叫中心向国内外航空公司提供统一的标准化服务。
HF AOC呼叫中心负责各地航务管理部门与电台的连接、控制与管理工作,协助实现航务管理部门与飞行员通过HF AOC话音系统进行地空通信的任务。呼叫中心根据各航务管理部门的呼叫申请和电台的利用情况合理高效地完成电台与航务管理部门的连接,并负责整个通话过程中链路的建立、维持、监听和拆除工作。
2.2、工作模式
HF AOC话音通信系统根据呼叫发起人的不同,可以分为上行呼叫和下行呼叫两种工作模式。
1)上行呼叫
上行呼叫由航空公司航务管理部门(如:签派室)主动发起呼叫,其通过拨号方式/专线电话呼叫呼叫中心,并告知值守人员飞机概略位置和飞机机尾号,值守人员根据航空公司提供的飞机信息,结合HF AOC操作台查询飞机呼号、选则最佳短波台站和频率呼叫飞机,并同时通过ACARS数据系统呼叫飞机,在机组收到呼叫信息后,主动与呼叫中心取得联系,并且保持链路畅通。
2)下行呼叫
下行呼叫由机组主动发起呼叫,其通过机载短波电台直接呼叫HF AOC呼叫中心。此时每个地面短波台站均将接收到的信号送回呼叫中心,呼叫中心通过比选器判断信号的质量,并将话音质量最好的一路送交值守人员使用,在值守人员监听到机组呼叫信息后,通过HF AOC操作台优选的最佳短波台站,与机组建立通信链路,确认机组需要联系的航空公司,然后通过内话系统与航空公司取得联系。
3、 短波台站改造
目前,各短波台站均采用通过电台遥控接口对短波电台实现控制的工作方式,为了不影响电台原有的工作模式和性能,在各地原有电台和控制台之间加入一台HF电台通信适配器的方式实现。当电台工作于本地控制模式时,HF电台通信适配器对本地控制台和电台相当于“透明转接”;当工作于呼叫中心控制模式时,电台便由HF电台通信适配器接管控制。
HF电台通信适配器主要完成协议转换、话音匹配、收/发控制、数字选呼、电气接口和机械接口等功能。
1) 协议转换
由于各短波台站由不同的航空公司自行建设和管理,其系统体制、电台厂商和型号存在较大差异,比如电台厂商有MOBAT、COLLINS、R&S、BARRETT和CODAN等,因此,HF电台通信适配器必须完成各型电台信令和协议转换。
2) 话音匹配
由于电台不同厂商其遥控口输出/输入的话音信号形式要求差异较大(比如Mobat:Audio out为300mv@600ohms,Mic. Audio为100mv@600ohms),而且加之其后端本地和HF AOC呼叫中心对话音信号的复用要求,使其话音信号不能满足电台的工作要求,因此,需要对话音信号采取放大和匹配处理,针对不同的电台需要设置不同的调试参数处理。
3) 数字选呼
由于HF通信的固有噪声问题,民用航空的HF通信采用选择性呼叫方式工作。即对每架飞机分配一个四位选呼号码,只有当飞机收到与自身选呼号码相符的信号时才会提示机组人员收听短波信号,其它时段短波信号不进入飞机话务系统。
4) 收/发控制
由于电台同时存在多个受控源,包括:本地控制台、HF AOC呼叫中心和数字选呼系统。因此,需要对其收/发进行合理取舍和调度,避免电台工作于不定状态。主要采用发送优先于接收、本地优先于HF AOC呼叫中心、数字选呼优先于话音通信等原则。
4、 呼叫中心设计
4.1、组成原理
HF AOC呼叫中心原理框图如图2所示,主要包括HF AOC呼叫中心控制台、语音通道、串口服务器、复用器和其它网络通信设施(路由器、交换机等)。通过ATM网络和复用器建立HF AOC呼叫中心和短波台站之间的数据链路,复用器提供数字信号和语音信号两类通道。其中,数字信号接入挂接在内部以太网上的串口服务器,以实现HF AOC呼叫中心控制台与短波台站的数据交互;语音信号接入语音通道,以实现与呼叫中心话务系统的交联。
由于HF AOC呼叫中心处于整个系统的枢纽和核心位置,为了提高系统可靠性,其中HF AOC呼叫中心控制台、语音通道、串口服务器等关键设备均采用冗余热双备份构建。
图2 HF AOC话音呼叫中心原理框图
4.2、软件设计
HF AOC呼叫中心值守人员通过HF AOC呼叫中心控制台完成系统监控和话务管理功能。其中话务管理软件是整个系统的核心部分,主要基于HF AOC呼叫中心控制台硬件系统和语音卡构建,根据其工作方式,主要功能分为两类:(1)当监控到飞机下行呼叫时,通过控制台与飞机建立联系,并确认签派席位(航空公司);然后通过数据库查询签派联系方式,使其建立通信联系,并实现监控;(2)当监控到航空公司签派上行呼叫时,通过控制台与签派席位建立联系,并确认飞机机尾号;然后通过数据库查询飞机选呼号,使其建立通信联系,并实现监控。其主要功能模块分为:初始化模块、语音处理模块、数据库管理模块、通信模块以及界面显示模块五部分。
5、总结
民航HF AOC话音通信系统于2007年底完成组网改造,已通过中国民航空管局验收,开始向国内外航空公司提供HF AOC服务,有效提高了HF AOC通信的覆盖范围和话音质量。
参考文献:
[1] ICAO Annex 10
[2] 中国民用航空总局121部规定
[3] 沈琪琪,朱德生. 短波通信. 西安:西安电子科技大学出版社,1997
通信组网方式 篇6
SDH组网技术应用与电力系统的组网已经历经了几年的时间,该方面的理论以及应用都已经非常的成熟,目前很多运作的不论是共用网络还是专用网络都是基于SDH组网技术的。最近OPGW技术在电力通讯系统中的应用非常的广泛,以SDH技术为基础的电力系统传输网正在不断的取代传统的传输方式。本文在下边的部分对SDH技术中常见的组网的形式进行了介绍,分析了每种组网形式的应用领域和优缺点等。
1 常用的 SDH 网络拓扑结构
SDH技术中常见的组网的形式有链形网络、星形网络、树形网络、环形网络、网孔形网络等。
1.1 链形网
链形网顾名思义就是将网络中的节点一个个串联起来,首位两段是不连接的。链形的链接方式在初期的SDH组网技术中应用的非常多,并且其实现简单也比较经济,在目前的电力传输系统中利用SDH中的链形形式组网的网络也占有很大一部分比重。
1.2 星形网
该网络将组网系统中的某个节点作为一个起点让改点与电力系统中的各个节点进行链接,而其他的节点之间都没有进行连接,在电力传输系统中所有的传输数据和业务都要经过该节点。这种组网的形式的优点可以利用中心节点来对其他节点进行控制,带宽的分配也非常的简单,而且还可以节约一定的成本,但是中心节点缺乏相应的安全保障机制,其处理能力也往往存在一定的技术的瓶颈。这种组网方式一般应用于接入网,而较少在传输网的组网中应用。
1.3 树形网
树形的组网形式是上述链形网络和星形网络的组合,所以其中心节点也存在同样的安全保障问题以及中心节点处理数据平静的问题,这种结构能够在电力系统OPGW铺设的过程中起到很好的适应的作用,该组网形式一般应用于电力专网的组网中。
1.4 环形网
环形的SDH组网的形式是由链形的组网形式转化而来的将链形网络的首尾节点相连就组成了环形的网络,这种组网形式中网络中的任何一个节点都不会对外开放。这种组网的方式目前应用的最为广泛,这种组网形式的电力传输网生存能力较强,在发生故障的时候一般也能够自我恢复。并且可靠性非常高,一般将其应用于电力传输中的核心网的组网以及城域网的组网设计。
1.5 网孔形网
将网络中所有的节点两两连接,就可以构成网孔型网络。该种组网形式可以为网络中的节点提供更多的传输路由,该网络的可靠性非常高,而且由于组网形式其一般不会发生处理瓶颈和失效的问题。但是这种组网形式有一定的冗余,这种冗余势必会对系统的性能造成一定的影响,并且这种组网方式成本也比较高,构建也相对较为复杂。随着我国电网建设步伐的不断加快,OPGW在电力系统构建中不断普及开来,网络形网络得到了应用,网孔型网络的高可靠性以及高灵活性使得业务的装载影响到了电力传输的决策层,这种组网的方式是以后发展的重要的趋势。就目前SDH组网形式在电力传输系统的应用来看最常用的用的最多的两种组网方式为链形的组网方式和环形的组网方式,和电力传输系统中的敷设节点相互组合就够长了电力传输系统的网络。
2 常用的 SDH 拓扑网络结构在电力传输网中的应用实践
2.1 链形网
链形网的组网方式如图1所示,其中二纤网的链形组网方式没有系统自愈的功能也就是没有相应的安全保护的机制 ;4纤网的链形组网的方式就可以为系统提供1+1的组网安全保护,4根光纤中有两根作为收发信息的主要的通道,其他两根作为信息发送和接受的备用的通道。在电力系统的传输的过程中采用4根光纤的传输方式,这4根光纤一般采用的是一根OPGW线缆,如果线缆出现问题整个系统业务都会发生中断,系统的保护链路对这种形式的故障没有自愈的能力,所以系统的自我保护能力还是存在一定的问题。改链网具有分时复用的功能,网络的自我恢复和网络的组网形式密切相关,结合电力通信系统自身的特点,业务都集中在系统的调度上,这样就会使得整个系统的业务量最小,但是分时复用却没有真正发挥其作用,所以在主要的关键节点之间的组网并不适合采用这种链形网的组网形式。
2.2 环形(自愈)网
环形网由于组网形式的特点使其具有自愈的功能也就是网络在发生故障的时候不需要对网络进行人为的干预网络系统就能够自愈,而相关的中断的业务也能够自动的恢复,用户根本意识不到故障的存在。这种故障自愈的能力主要是在该网络中存在可以复用或者备用的路由来恢复中断的通讯。备用或者是复用的路由可以用网络中冗余的设备,这样就可以实现中断业务的恢复。所以可以看出环形网之所以能够实现自愈是因为其中冗余的路由器,利用网络路由之间的交叉型就能够实现他们之间的通讯,本文在下面对电力专网中最为常用的几种环形网进行了介绍。
2.2.1 二纤单向通道保护环
由两根光纤所组成的保护环就是二纤电箱通道保护环,一般将主环称为S1 ;将备用环称为P1。两个环的业务是反向的,网络上的节点的并法接受功能实现了整个系统的保护的功能,将业务发送到两个环路上,两个环路的流向相反,进而可以实现对于业务的保护实现自愈的功能,如图2所示。
在图2种如果BC之间的线缆发生故障时,由于网元支路板的并发保护功能,使得两个环上的业务都是一致的,如图3所示。
2.2.2 二纤双向复用段保护环
两条光纤的双向的复用保护环采用的是两条光纤来实现对于系统的保护,网元的节点采用的是ADM,在图4种这两根光纤分别为S1/P2、S2/P1,在系统运行的过程中前半间隙将业务传输到光纤上,后半个时间间隙用来对系统进行保护,也就是利用一根光纤的保护时间间隙来对一根光纤上的业务进行保护。但是这种保护的方式没有备用的保护光纤,每一条光纤都是在前半个间隙用来做通信后半个间隙用来做备用信道。
3 网孔型网络
相对于上述的组网的方式网孔形网络的组网方式要复杂的多,其内部的所有的网元节点都实现了两两的连接。由于这种组网方式会有很多路由的冗余所以系统的可靠性非常的高,系统不存在问题,但是过高系统冗余会使得系统的性能降低,并且这种复杂的组网方式使得系统组网的成本非常高并且组网形式非常的复杂,相对于链形和环形网络并没有太大的优势所以应用的并不是很多。但是随着电力传输系统网络化智能化的发展,网络网络是今后网络发展的趋势。
4 环形网络在电力通信传输系统中的应用
笔者常年工作于发电厂,经常接触到一些电力传输中的组网的形式,就笔者在工作中经常遇到的电力传输中的组网的形式进行介绍,主要包括链形网、环形网以及网孔形网络等,对于这些常见的网络进行了介绍。并且对于每种电力传输网的安全问题以及自我恢复能力等各个方面进行了介绍。
在图6中电力局以及变电站和电厂之间都建立SDH环形网络,主要利用的是IDM光传输设备以及IDM-120E等设备进行组网,采用该种方式组成的网络可以实现政府对于电话的调度、数据的运动以及视频监控和电视电话会议等等。
5 结束语
通信组网方式 篇7
一、通信方式分析
目前国内外水文自动测报系统的采用的数据通信方式主要有:有线通信、无线通信 (短波通信、超短波通信、微波通信、卫星通信等) 、GSM通信、GPRS通信。下面结合水文自动测报要求就这几种通信方式作简单对比。
二、系统方案分析
根据《水文自动测报系统规范》[2], 以及流域地理环境特点, 技术发展情况, 在进行通信组网设计时, 要遵循以下原则:1) 保证系统的可靠性、安全性、稳定性、易维护性。2) 传输体质及组网方式应尽量简单, 功耗低, 重点站点须使用主备用信道双信道工作。3) 为保障系统设备安全, 需要按照无人看管有人看守的方式设计。4) 系统应满足要求, 因地制宜, 降低造价, 同时方便资料整编。
在进行通信组网设计时, 要结合工程实际地理环境、项目要求、技术水平以及当地通信布置情况, 选择合适的通信方案。以下介绍几种通信组网方案:
1、公网通信, 公网覆盖全面的地区, 遵循“公网优先”原则, 充分利用公网通信。可以采用短信+GPRS通信方式作为主备信道, 在短信通信出现故障时, 自动切换到GPRS通信, 设备成本低廉, 稳定性较高。但当设备损坏时, 主备信道将同时失去工作能力, 可以采用不同运营商的通信模式作为主备用信道, 提高系统的安全性。
2、公网通信+卫星通信, 公网通信和卫星通信互为主备用信道, 公网通信出现故障时, 自动切换到卫星通信, 卫星通信受自然灾害的影响较小。
3、公网通信+超短波通信, 超短波频带较宽, 对于数据量大的传输, 切换到超短波通信。同时超短波通信作为备用信道, 当公网通信出现故障时, 自动切换到超短波通信, 提高了系统的安全性和传输带宽。
4、公网通信+微波通信+短途光纤通信, 对于基础通信条件相差较大, 互相间隔较远的地区, 自行建设专用通信网投资过大, 可以采用基于Internet连接、多种接入方式并用的灵活方法, 即基于公网、微波、短途光纤的混合组网方式, 此种组网方案, 既保证了干网通信的通信带宽和可靠性, 也保证了其他通信子区域系统的正常工作[3]。
三、印度奥里萨邦马哈拉底河项目系统通信方案
印度奥里萨邦马哈拉底河项目的任务就是建设完成一套实时水文气象数据采集系统, 以实现流域内的气象数据和河的水位等数据的实时数据采集、记录与传输。
水文气象实时监测系统要求各个遥测点的业务数据采集系统具有非常高的可靠性、先进性、实时性和准确性, 具有高组网能力和扩容能力, 并且做到公网与专网的有效组合。
目前印度奥利萨邦移动的GPRS网络已经完成了整个邦域的覆盖, 完全能够满足奥利萨邦流域水文气象自动测报系统的要求。因此, 印度奥里萨邦马哈拉底河项目采用无线移动通信GPRS作为主信道、GMS短信作为备用信道进行混合组网, 配备“双信道”, 互为备份、预先设置通信的优先级别。遥测通信网络结构图如下图所示。
四、结论
水文气象自动测报系统实现监测、通信及资料收集一体化, 根据项目所在地气候环境、通信部署情况、技术条件、项目要求, 选择合适的通信方式, 在公网优先、减少投入力度、缩短建设周期的基础上, 进行通信组网方案的建设和优化, 以实现水文气象的自动化, 对我国以及全球的水文水利行业, 具有较深远的意义。
摘要：立足于水文气象监测, 对主要通信组网技术进行对比分析。结合印度奥里萨邦马哈拉底河的实际情况, 提出几种组网方案, 本着公网优先、最大化提高资源利用率、降低成本的原则, 最后采用GPRS作为主要通信信道, GSM短信作为备用信道的系统方案。
关键词：水文气象监测,通信组网技术,GPRS,GSM
参考文献
[1]杨普, 余成波, 胡晓倩.GPRS技术及其应用探究[J].重庆工学学报, 2004.
[2]罗映, 皮佑国, 邓荣.基于GSM网络的水雨情信息系统开发[J].水利水电技术, 2006, 37 (9) :73-75.
航空短波通信组网研究 篇8
由于短波网络中有大量的可移动站点, 造成网络情况不停变化, 如节点的移动、甚至丢失等, 再加上信道因素, 因此短波网络具有网络拓扑图案的迅速变化和网络节点间链路的不确定性特征。与有线网络相比, 短波网络的带宽较窄, 可利用资源有限, 在短波网络的组网设计中必须考虑这些特征。同时, 也要考虑网络的可靠性和抗毁性, 在较强的干扰和攻击的条件下保证网络的可用性。
1国内外短波通信组网发展现状
早期, 国内外短波电台均作为单一设备使用, 其原因主要是技术和需求的限制, 进入20世纪90年代后, ALE技术、数据链、数据通信、抗干扰通信以及互联网技术成熟应用, 使得短波电台组网有了一定技术基础, 与此同时, 现代战争对信息交换、信息流量的要求也空前膨胀, 信息化、网络化建设成为军队现代化建设的主题。在此期间, 外军短波电台组网应用得到了长足发展, 涌现出了多种典型应用网络[5,6,7]。
1.1 LONGFISH长鱼系统。LONGFISH长鱼系统是澳大利亚国家开发的海军HF高频网络, LONGFISH长鱼系统优点主要包括网络结构简单、易实现、具有最佳接入基站和选频能力、呼叫成功率和通信质量均有保障等。但也暴露出频繁发送导航音导致的基站隐蔽性不强、不能频繁更换基站仅适应于低速移动用户、业务模式以点对点为主造成的组/群通信支持性不强等缺点。
1.2 COTHEN系统。美国的COTHEN系统于1985年提出, 主要为商用/军用用户提供无线接入服务, 系统最多可为235个用户提供服务, 用户包括飞机、舰艇、指挥部以及许多美国联邦机构。COTHEN系统充分利用了原短波基础设施, 费用低;具有最佳通信频率选择和最佳接入基站选择能力, 通信质量有保障;分散布局, 抗摧毁能力强;不发送入网引导信号, 隐蔽性强。但由于采用异步ALE呼叫导致建链时间较长, 地面找飞机较困难。
1.3 HFGCS系统。HFGCS短波全球通信网络是美国国防部专为解决空军全球语音通信和数据传输而建设的项目。网络结构是在全球建设13个大型短波基站, 每个基站大约有10~30部大功率 (4k W) 短波电台, 基站通过有线接入军用专网, 无线链路和地面有线共同构成全球短波通信控制网, 网络中心设在美国的安德鲁斯空军基地。HFGCS能够进行最佳接入基站和通信频率选择, 通信质量有保证;能够处理多路呼叫同时接入 (每个基站有多部短波接收机) ;不发送入网引导信号, 隐蔽性强。但由于仍然采用了和COTHEN系统相同的异步ALE呼叫、探测方式, 因而建链时间较长。
1.4民航HFDL系统。HFDL短波数据链是国际民航组织实施航空电信网的主要数据链之一。HFDL采用TDMA方式, 各地面台以UTC时间为基准, 从0时刻起将24小时分为2700个32秒的时帧, 每时帧13个时隙, 各地面台在发送上行广播数据分组, 飞机依靠接收上行数据分组完成地面接入台站的选择、时间同步及注册本机的发送时隙。HFDL采用TDMA适合于数据业务的有效传输, 并具有选择通信频率和最佳接入基站能力, 呼叫成功率和通信质量有保障。但HFDL系统对话音业务不适应, 发送入网引导信号, 容易暴露, 频繁更换频率或基站, 存在寻找基站时间开销, 突发业务很难支持;
2短波通信组网需求分析与方案设计
2.1短波通信组网需求分析。地空短波通信网要求在国土面积及周边3000Km内, 为机载和地面用户提供可靠的话音、数据信息的远距离传输和交换服务, 要求如下:
a.远距离、高可靠、无盲区、全天候短波通信;b.具有很强的抗干扰、抗摧毁能力;c.灵活指挥、快速反应能力;d.支持机载用户、地面用户的话音、数据报及格式化消息服务;e.实现跨区可靠指挥, 可与其它网络进行信息交换和共享;f.支持接入地面军用固定电话、IP网络等多类用户的能力。
2.2短波通信组网设计方案。为了满足对短波通信网的要求, 航空短波通信网建设时, 须对现有装备和系统进行集成改造, 结合已建的地空短波通信系统、航空地面有线网络等进行综合集成[8]。
地空短波通信网由网络中心、基站、场站、通信基础网和机载短波电台组成, 网络架构如图1所示, 通过这五项基础设施的建设和互联, 可以为机载移动用户、场站用户、地面用户提供满足上述要求的功能。网络中心负责频率资源、设备资源、地址资源的规划和管理, 网络运行、最佳接入基站选择和寻呼功能。基站由大功 ( (转转下下页页) ) 率发信机、多信道接收机和基站控制器组成, 主要实现机载用户最佳通信频率估计、快速链路建立、通信中继和远程遥控场站电台等功能。场站电台作为地空通信的主体电台, 用于直接与机载用户建立无线连接。通信基础网采用空军地面有线专用网络, 负责短波话音、数据及信令的有线地面路由和传输。
基站通过通信基础网接入地空短波通信网, 实现与网络中心的连接以及基站之间的互联, 场站电台通过各种有线传输介质接入附近的基站。网络中心可以对全网基站进行收发控制, 基站可以所属场站电台进行控制。基站属于网络资源, 原则上合法短波用户都可以使用基站资源, 场站电台属场站资源, 原则上只有场站用户可以使用。
场站用户可以通过场站电台和所属基站实现对本区域内飞机的通信指挥, 也可以通过其它非所属基站实现对飞机的远程通信指挥。固定用户一般情况只允许使用基站资源建立链路, 级别高的用户可以直接远程遥控场站电台建立链路。
2.3短波通信网改造后运行方式。地空短波通信网运行于异步模式, 基站、场站、机载电台在无业务需求时, 全部处于静默状态, 不发送引导信号或周期性探测信号, 提高系统的隐蔽性和抗干扰能力。基站采用多信道接收机, 提高链路建立速度及同时接入的用户数。场站电台的通信频率可由基站遥控, 平时处于分配的固定频率, 用于兼容现有使用模式。
网络频率规划为呼叫频率和业务频率两类, 呼叫频率又分上行呼叫频率和下行呼叫频率, 一般上行呼叫频率分配3个, 下行呼叫频率分配5个。上行呼叫频率组与下行呼叫频率组传播特性相近, 避免上行呼叫对下行呼叫的碰撞, 确保上行呼叫信号的可靠。全网规划20个业务频率, 在每个下行呼叫频率附近展开4个, 用于同时接入更多的用户。
机载短波电台平时工作在上行呼叫频率组扫描状态, 等待地面用户的业务通知。基站多信道接收机的数量至少保障能够同时监听所有下行呼叫频率, 所有基站短波电台工作在相同的下行呼叫频率组上, 以实现全网地理分集和频率分集接收综合处理的目的。
3结论
短波通信组网设计改进方案采用场站电台与基站结合的建网思路, 兼容原有使用模式, 不对现役作战训练使用方式进行大的调整, 整个系统不需要时间同步, 不依赖其它系统信息支持, 降低了组网难度, 易于实现, 而且抗摧毁顽存能力强, 同时地面网络建设具有开发式架构, 局部场站或基站的失效不影响整个网络的运行, 而且后期建设具有完全的继承性, 不需要对原有设施进行修改调整, 因而具有较好的可实现性。
摘要：针对航空短波通信系统存在的网络间连通性差、信道带宽小、无线传输质量低、远程大容量通信手段匮乏、组网程度低、抗干扰手段少、管理手段落后等不足, 介绍了国内外短波通信组网的先进技术及其特点, 分析了短波通信组网的需求, 提出了一种航空短波通信组网设计方案, 并给出了方案实施方法及其运行方式。
关键词：短波通信,组网,抗干扰
参考文献
[1]张海勇, 于波.短波通信组网研究[J].火力与指挥控制, 2004, 29 (5) :1-3.
[2]赵志法, 鲁道海, 冉隆科.现代战术通信系统概论[M].北京:国防工业出版社, 1998.
[3]葛勤革, 宋宝华, 杨平.短波自组网路由协议驱动方式研究[J].舰船电子工程, 2005, 25 (5) :103-106.
[4]赵丽屏, 姚富强, 李永贵.差分调频组网及其特性分析[J].电子学报, 2006, 34 (10) :1889-1891.
[5]Eric E.Joghson.Third generation technologys for HF Radio Netwroking[DB/OL].IEEE, 1998.
[6]MIL-STD-188-141B.APPENDIX D HF Radio Network[S], 1999.
[7]MIL-STD-188-141B.APPENDIX E Application Protocols for HF Radio Networks[S], 1999.
短波组网通信数据传输研究 篇9
1 短波通信网的组成和工作原理
1.1 通信网
在通信系统的行业中, 短波通信的内涵较为简单, 而通信网的理解也比较的单一, 主要由许多基站来构成。工作的性质也很简单, 找出具体的通信节点, 再以此为中心向四防扩散来传输数据, 所以整体上可以看做星状网络。图1是一个简单的通信网模拟图。
实验主站是通信网的大脑, 主要的作用是发布各种通信指令、管理传输的频率、控制整个系统的运作。从实验主站分离出来数个实验从站, 每一个都是网络节点, 将实验从站和实验主站的数据信息有机的结合起来。
1.2 通信网工作原理
短波组网通信传输系统中, 实验主站的权限高于实验从站, 能够行使即时呼叫的权力。具体的工作原理如下:
1.2.1 单站通信
实验主站对实验从站间的短波数据通信, 如图2所示。
实验从站是整个通信网络的大脑, 占据最重要的主导地位, 在实验主站的命令下设定有一个地址编码, 但是这个编码并不是任意设定的, 需要设计人员对整体数据进行精密的梳理和计算, 给每一个地址编码安排特别的标记信息, 所以每个地址编码都会只由唯一一个命令来执行。它主要通过控制器来进行有关工作。在电台的每个地址上可以预置若干个信道, 每个信道可以预存收发频率、工作种类和工作方式等。收发指令和接收设备状态传输过程:探测 (LQA) 、呼叫建链 (ALE) 、发送指令和接收设备状态。如图2所示。系统要对该站各预置的信道质量进行评估, 选出通信质量最好的信道进行数据传输。
1.2.2 组网通信
组网通信是建立在一个实验主站和数个实验从站的通信基础上的。实验主站在通信数据的传输过程中可以行使多种命令, 通信的方式一般有三种:实用功能很强的组呼和作用范围最广的网内全呼以及比较简单常见的单呼。单呼需要工作人员对实验从站的各种数据监测和翻译;组呼则是需要注重工作的整体性, 需要从各个节点出发来对实验从站发出命令, 然后再对某一组的地址进行数据监测、翻译和信息呼叫;全呼是则是所有的数据同步传输, 这个过程需要设备本身具有高度的协调性, 保证数据不会交叉传输。
2 提高短波组网通信数据传输效率的方法
在短波组网通信数据传输的过程中, 研究人员的主要研究方向是短波组网的信道时变、衰落、干扰等特性以及降低数据的传输误码率。这个过程中, 提高收发天线增益、增加发射功率、降低设备内部噪声、减小电缆损耗等等方法对数据传输效率的提高都有一定的作用, 但是在具体的投入使用中会具有一定的局限性。具体而言, 短波频率并不是一直不变的, 会随时间的变化出现一定的波动。这样就会间接导致数据传输的效率降低。
通信控制软件主要是通过串口控制调制解调器来改变通信数据的传输方式, 这是大幅提高工作质量的不二之选, 而传输时间也会得到高度保障。但是通信系统在工作的而过程中, 难免会遇到雷雨或者暴风天气, 这样就会出现磁场变化的情况, 对通信数据的传输有非常大的干扰影响。所以在传输过程中, 要保障前期的控制质量, 也应该尽量的提升控制软件的后期应急能力, 使得数据传输的效率有所保障。此外控制软件还应该从其他方面来提高通讯质量, 譬如在通信过程中, 控制好数据交换的模式, 中间不至于处于数据较差的重大失误, 这样就会使得传输数据不准确, 如果是在军事通讯中, 将会造成不可估量的重大影响。在质量有所保障的条件下, 还需要注意速度的问题, 如果传输速度太慢而影响了接受数据的最佳时间, 那么对于有些信号的传输将会显得毫无意义。在速度控制方面应该提高实验主站的工作性能, 作为整个通信网的大脑, 只要基础性能有所保障, 那么对于整体速度的传输也会大有好处。
网内分时数据传输主要是指实验主站在周期内分别与各实验从站进行数据交换的一种数据传输方式。这种通信数据传输方式的好处是很好的避免了实验从站向主站传输数据中出现数据信息相互干扰的情况, 这样就从侧面提高了短波组网通信数据的传输效率。具体而言, 在某一特定的通信周期内, 通信控制系统根据具体的通信要求向实验从站发送不同的指令消息, 然后按照命令的优先级进行数据信息的统一排列, 这样在短波组网的通讯系统中, 按照命令优先级的高低来进行数据传输, 直到最后到周期末还有未执行的数据信息时, 通信系统将通过实验主站的命令来自动清空队列中所有的无效数据信息, 并等待下一周期不同优先级命令的来临。在短波组网通信数据传输中, 主要的技术手段是自动重发请求 (ARQ) 纠错技术。具体而言分为两种:停等式ARQ和连续式ARQ。在具体的短波组网通信数据传输的过程中, 要根据实际的要求来选择最为合理的方法来保证通信数据传输的效率, 而这一切都是基于前期大量的理论分析和具体的实践活动而来的。总之, 它是提高短波组网通信数据传输效率的可靠保证。
结束语
短波组网通信数据传输的研究中, 数据传输工作频率的选择和自适应控制传输速率是提高短波组网通信数据传输效率的关键。通信行业的技术人员和研究人员应该更加深入的了解短波通信网数据传输的特点, 从根本上提高通信数据传输的质量和效率, 结合具体的理论分析和实测数据, 经过复杂的数据模拟测试和小型的通信数据传输实验来得出具体的有效措施。总而言之, 在今后的短波组网通信数据传输的研究中, 只有不遗余力的投身于科学实验和数据分析整理中, 才能找出新颖的传输方式, 为通信系统的数据传输效率的提高提供可靠的保证。
参考文献
[1]沈琪琪, 朱德生.短波通信[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2007.
[2]胡中豫, 现代短波通信[M].北京:国防工业出版社, 2009.
[3]岳芬芳.短波自适应网络控制器关键技术[J].通信与广播电视, 2010 (1) .
[4]戴耀林.短波数字通信系统自适应选频技术[M].杭州:浙江科学技术出版社, 2007.
通信组网方式 篇10
[关键词]沙盘模拟；分布式无线自组网；教学方法
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0114-03
一、引言
分布式无线自组织网络（简称无线自组网）是一种没有预定基础设施支撑的、可重构的多跳无线自组织网络。[1]经过数十年的发展，无线自组网经历了从军用向民用、从基础研究向商业化应用的革命性转变。目前，无线自组网已发展成为新一代无线通信网络中不可或缺的重要组成部分，可广泛地应用于军事国防、近域互联、智慧无线城市、宽带无线校园等领域的建设中[2]，为物联网、泛在网的蓬勃发展提供了坚实的基础和重要的技术载体。
虽然无线自组网具有广泛的应用前景，但是由于该网络本身具备的灵活性和分布式特性导致了网络状态呈现出复杂性和不确定性。此外，与蜂窝网、WiFi网等常见的无线网络相比，无线自组网准组织[3] [4]尚未对涉及的协议进行统一的标准化，这些原因导致无线自组网的教学，尤其是针对网络协议的讲授变得十分困难。
目前，针对无线自组网的辅助科学工具主要可分为三大类，即网络仿真软件系统、试验验证平台以及实验测试评估仪器。其中试验验证平台和实验测试评估仪器通常体积较大，不适用于课堂教学演示。而对网络仿真软件，国际上主流的网络仿真软件主要有NS-2、OPNET、OMNeT++和QuaLNeT等。这类仿真软件虽然有可视化的界面以及协议运行过程中的辅助动画显示，但还仅限于协议开发者对与协议正确性和有效性的验证，不适用于课堂教学。因为这类仿真软件通常仿真时间较长，协议开发的周期也较长，无法在课堂上实现。
此外，这类仿真软件虽然能够模拟网络的形态及协议的工作过程，但依然较为抽象，在帮助学生理解无线自组网方面功能十分有限。因此，有必要探索一种课堂上可操作的形象的教学方法，帮助学生理解无线自组网网络形态和协议工作机理。
二、ERP沙盘模拟课程简介
沙盘最早出现于军事训练中，早期沙盘由于制作相对复杂，并没有得到广泛的应用。后来，随着电子计算机的不断发展，出现了以计算机软件代替真实沙盘的模拟沙盘新技术。这一技术不但为指挥作战提供了新的手段，而且促进了模拟沙盘向各行各业的推广。[5]特别是企业资源规划（Enterprise Resource Planning）沙盘（简称ERP沙盘）的引入，为现代企业经营与管理技术的发展和相关人才的培养提供了有效的工具。[6]
瑞典皇家工学院的克拉斯梅兰（Klas Mella）于20世纪70年代末首次将ERP沙盘引入教学活动中。[7]此后，ERP沙盘作为一种体验式互动教学方法，在诸多领域的教学中，尤其是在一些较为复杂和抽象的学科中得到了广泛的应用。[8]
三、ERP沙盘模拟无线自组网教学的主要内容
通过ERP沙盘教学，主要是以学生自己为主体模拟无线节点，让学生实际参与和体验无线网络协议制定的必要性和重要性。这一方面能提高学生的学习兴趣，另一方面也能使学生了解无线网络在传输时的特性与存在的问题。在无线自组网协议中，以多址协议和路由协议最为复杂和抽象，本文下面将主要说明ERP沙盘模拟在这两种协议教学中的应用。
（一）基于ERP沙盘模拟的多址协议教学设计
多址协议主要解决多个用户共享同一信道的问题。与集中式网络不同，分布式网络的多址技术主要以随机多址技术为主，由于存在多跳无线链路，所以在教学中除了讲授随机多址技术的原理及工作机制外，更重要的是要求学生理解和掌握包括暴露终端、隐藏终端和两跳外资源复用等无线分布式网络独特的性质。下面针对ERP沙盘模拟在多址技术辅助教学中的应用进行阐述。
1.整体思路
通过ERP沙盘模拟教学，让学生模拟无线自组网节点，体验无线自组网网络建立过程及多址协议的工作机制和必要性。根据模拟通信过程中遇到的问题，引导学生对产生的问题进行分析和改进。通过学生亲身体验和主动发现问题，提高学生的学习兴趣，让学生加深对多址协议的理解，掌握多址协议设计和改进的精髓，了解协议运行过程中可能遇到的问题及分析思路与解决方法，为后续对协议进行理解分析奠定良好的基础。
2.多址协议模拟场景设定
在多址协议的教学中，重点和难点是信道接入、暴露终端、隐藏终端和两跳外复用问题。为更好地模拟这些问题，需要合理的设计网络拓扑结构，从而在学生易于模拟的同时，尽可能的暴露出多址协议的缺陷。为达到这一目的，本文设计的模拟场景如图1所示。图1中方框和圆分别代表自组网中正常传输节点和碰撞节点，均由学生模拟扮演。每个学生配备两种道具：一个是申请传输标志，表示有消息要传输，此时该学生表示占用信道；另一个是长短不同的模拟消息，当学生申请占用信道后即开始传输消息。
3.模拟流程及主要内容
将学生分为两组，一组模拟正常传输节点，一组模拟干扰碰撞节点（这里需要给学生说明两种节点本质上都是自组网的正常节点，只是在研究多址协议时从功能上进行了区分，并且角色可以互换）。
首先令两个模拟传输节点的学生和一个模拟干扰节点的学生进行传输模拟，使用ALOHA协议，每个学生随机进行发送，即想发送时直接举起申请传输标志，并立刻开始传输消息。教师作为传输成功判决者，如果在整个传输过程中干扰节点的学生没有举起传输标志，则判定传输成功，否则判定失败，并记录传输时延。
然后逐渐增加传输学生和干扰学生的数量，但依然采用随机发送。此时可以让学生发现碰撞的情况明显增加，当传输或干扰学生达到一定数量后，所有节点几乎都无法完成传输。记录随学生数量增加时传输成功率的变化情况。
解释纯ALOHA协议在用户数量增加时性能显著下降这一现象，引导学生发现性能下降的根本原因，并提出改进思路，在模拟网络中实验学生自主提出的改进策略，并将学生的改进策略逐渐引导向CSMA协议。
增加三跳链路，通过指挥学生进行传输，制造隐藏终端和暴露终端的出现。引入RTS和CTS机制，在重复上述传输过程，解释隐藏终端和暴露终端问题是如何通过RTS＼CTS机制解决的。介绍WiFi的竞争原理，启发学生寻找增加占用信道概率的算法，并在模拟网络中进行实验。
（二）基于ERP沙盘模拟的路由协议教学设计
为加深学生对无线自组网分布式、无中心、自组织等特点的理解，在路由协议的教学中，除了介绍基本的泛洪、最短路径和最短链路长度等路由算法外，还需要着重给学生讲解节点迟入网、节点移动和规模等的变化对路由算法的影响。
1.整体思路
通过引入ERP沙盘模拟教学，让学生体会无线自组网灵活的网络结构和组网方式，掌握多跳路由的设计目标和注意事项，分析网络规模和协议开销的关系，解释迟入网策略的必要性。通过学生亲身体验，提高学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解。
2.网络协议模拟场景设定
与多址相比，网络层路由协议的难点是网络规模、节点个数和拓扑结构的不确定性，要实现网络全方位的模拟，需要寻找一种规模和拓扑都容易变化的网络结构，还要能够模拟分簇和组移动等自组网特有的网络特点。对比多种不同的拓扑结构后，如图2所示的小世界网络模型可以在很大程度上满足上述要求。
3.模拟流程及主要内容
安排学生按照P=0的小世界模型设计相对连接关系，每个学生除模拟多址协议时使用的道具外还需要准备一个记录路由表的小册子和用来模拟路由信息广播的便笺纸。首先解释泛洪路由的工作机制，让较少的学生模拟开机，模拟泛洪路由实现信息的传递，教师负责记录路由时间和开销。逐渐增加入网学生的数量，仍然使用泛洪路由算法，引导学生发现网络整体吞吐量迅速下降，几乎没有数据能够正确传输。
启发学生发现问题，分析引发这一问题的原因，进一步提出从泛洪路由向主动式路由的改进。解释主动式路由算法的路由维护和更新策略，指导学生进行路由表的更新和路由信息的广播。以此加深学生对路由信息迭代算法的认识和理解。与泛洪路由算法相比，主动式路由在寻址时间、路由效率和网络吞吐量等方面均有更好的性能。
进一步增加进入网络学生的数量，并将部分学生的连接关系改为P>0，这时会发现，网络资源几乎都被迟入网信息和路由维护开销占据，业务信息反而无法被有效的传输。此时，启发学生对主动式路由算法的思考，提出降低路由维护开销的策略，引导学生发现被动式路由算法，并对被动式路由算法进行模拟。最终向学生讲授将主动和被动路由相结合的区域路由算法。
4.思考与总结
为保证教学活动达到良好的效果，在进行ERP沙盘模拟教学之前，应先就相应的知识对学生进行适当的讲解。在教学过程中，教师应当作为整个网络和规则的隐形管理者，负责组织学生按照网络节点的方式进行模拟工作，在必要的时候引导和启发学生进行相应的思考。
在无线自组网教学中，合理的引入ERP沙盘模拟，能够有效帮助学生理解无线自组网的组成形态及协议的工作机制。在模拟网络运行的过程中，教师可以将协议的演进过程融进网络模拟的变化中，引导学生自主发现协议中存在的问题，并启发学生对算法进行改进。通过学生亲身体验，加强学生的主动学习能力，加深学生对知识的理解和记忆，这同时也能提高学生的学习兴趣。
[ 参 考 文 献 ]
[1] Ramanathan R， Redi J. A brief overview of ad hoc networks： challenges and directions[J].IEEE communications Magazine，2002，40（5）：20-22.
[2] Corson，M.S.， Laroia， R.Junyi Li， Park，V.，Richardson，T.，and Tsirtsis，G.，“Toward proximity-aware internetworking ”[J].IEEE Wireless Communications，vol.17，no.6，pp.26-33，Dec2010.
[3] Lidong Zhou，Haas Z.J.，“Securing ad hoc networks”[J].IEEE Network，vol.13，no.6，pp.24-30，Nov / Dec 1999.
[4] Stefaan Seys and Bart Preneel，“ARM： anonymous routing protocol for mobile ad hoc networks”[J].International Journal of Wireless and Mobile Computing， vol.3，no.4，pp145-155，2009.
[5] 宋玉涛，马丽莹.ERP沙盘模拟课程功能及存在问题探讨[J].实验科学与技术，2008（5）：116-118.
[6] 张前.ERP沙盘模拟对抗中的市场博弈[J].实验室研究与探索，2014（8）：258-261.
[7] 王滢，徐凤，周喆.ERP沙盘实践课程的定位、目标和教学设计解析[J].实验技术与管理，2013（4）：120-123.
[8] 陈朝晖.ERP沙盘模拟对抗教学方式探索与实践[J].实验室研究与探索，2009（1）：173.
通信组网方式 篇11
低压配电网由于其具有分布广、用户数量多等特点,使其在节约资源、方便用户、减少安装费、实现多媒体通信等方面被广泛关注。但由于低压配电网电气负载环境的复杂性和介质环境的共享性、开放性和多样性的影响,造成通信可靠性低,使目前电力线载波通信的广泛应用受到限制和普遍质疑。针对建立网络中继提高电力线通信可靠性的方法,国内外的研究人员进行了一定的研究。其中,文献[1-2]提出基于蚁群算法的电力线载波通信组网方法在一定程度上解决了电力线载波通信网络的通信可靠性问题。笔者对蜘蛛织网的行为、圆形蛛网的结构特性、猎物在蛛网上信息传递机理等方面进行大量的研究[3],同时借鉴前人的相关研究成果[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],提出了基于人工蛛网通信模型,并将低压配电网的主要负责通信协议部分(Media Access Control,MAC)层网络转化成由多个人工蛛网组成的逻辑拓扑,制定了一种新的自动路由协议,建立了人工蛛网仿真模型,验证了该种新型网络结构及路由协议的优越性,试图为研究适合电力线载波通信网络的路由模式,提高电力线通信的可靠性,提供一条新的思路。
1 新型网络模型
1.1 人工蛛网拓扑
蜘蛛经过了约18亿年的进化,现在的蜘蛛网不仅具有优雅、超轻的结构,而且具有超级弹性和抗张强度,可以抵抗各种大风、昆虫等的冲击。即使有几个网格单元遭到破坏,它仍能作为网来捕获猎物,具有极强的抗毁能力。针对蜘蛛网的结构特点、蜘蛛的捕食机理以及人工蜘蛛网通信拓扑的构建等方面问题,文献[3]中已进行了详尽的阐述,并建立了双层六边形人工蛛网逻辑拓扑模型。本文以单层六边形人工蛛网为通信子网模型进行组网,并进行了相应的分析与仿真。
1.1.1 人工蛛网逻辑拓扑模型
电力线载波通信的时变性、频率选择性和强干扰性等特点,使电力线通信的组网方式具有其独特的特点,如,网络物理拓扑和逻辑拓扑具有时变性,没有专用的交换机和中继器,通信媒质共享信道,弱数据处理能力,一对多通信等。为保证一定的通信距离/组网规模,电力线通信组网通常需要通过路由器/中继器将同一个物理子网划分成多个逻辑子网。低压电力线通信网络是由星形网络和树形网络组成的混合网络。从物理层看,图1所示的单层人工蛛网除具有多个星形网络(如v1,v2,vh,v4,v5)和树形网络(如v1,vh,v3,v2,v4)外,还具有自己独特的环形网络(如v1,v2,v3,v4,,vm);从数据链路层角度,人工蛛网的结构是一对多、多对一的这种通信方式,与低压配电网的总线型逻辑拓扑相吻合,所以,不论从物理层还是数据链路层,人工蛛网结构都能作为低压配电网的组网结构。
1.1.2 人工蛛网数学模型
为了能更清楚地阐释人工蛛网的结构特征和建立新型路由模型,且为进一步研究蛛网提供理论基础,本文定义了人工蛛网的主要特征参数如下。
(1)Nr为围绕中心节点vh的蛛网层数,即同心圆层数。该参数反映人工蛛网的复杂度,同时也决定人工通信蛛网所覆盖的通信范围,本文中取值为1。
(2)Ns为中心节点vh与周边节点iv(i=,1,m)相连的蛛网轮辐数,即中心节点与相邻周边节点通信路径数量。
(3)Nn为人工蛛网总节点数,与Nr,Ns的关系如式(1)所示。
(4)Dw为蛛网直径,直接反映蛛网所覆盖的物理范围。
(5)Hm为网眼高度,是同一径向上相邻两层节点之间的距离。该参数反映网络的密度,与wD,Nr的关系如式(2)所示。
(6)Δθ为蛛网扇区角,即相邻两径向路径的夹角。
这样,蛛网中任一节点的位置可由式(4)所示的极坐标方程来表示。
其中:ri=i×Hm,i=0,1,,Nr,为径向方向上的路径长度;θk=k⋅Δθ,k=0,1,,Ns-1,为径向路径与水平线的夹角。这些只是网络的逻辑关系,因此式(2),式(3)可以标准化为式(5)、式(6)。
则式(4)可以简化为式(7)。
1.2 PLC网络的人工蛛网结构
在PLC系统中,下行方向定义为信息由基站传输到所有的用户终端,每个终端可以直接或通过中继间接收到下行信息;上行方向定义为用户终端传送信息给基站。上行方向的信息不仅可以被基站接收,也可以被其他用户终端接收。所以,从MAC层角度,PLC网络是一个树形物理拓扑下的总线型逻辑结构[19],如图2所示。其中BS(Base Station)为基站,负责网络内所有节点的数据采集及组网等。近、中、远的定义是根据收到BS广播信息的节点与BS的距离定义的,如BS一次广播后,收到该广播的节点定义为“近”,收不到该广播,且需要以“近”节点为中继与BS通信的节点定义为“中”、“远”节点是以“中”、“近”的节点为中继与BS通信的节点。基于网络的此种结构特点,本文建立这种基于蛛网结构的PLC组网模型。
低压配电网三相之间的衰减较大,在没有相间耦合器的情况下,低压配电网三相之间可以看作并列且相对独立的逻辑关系,因此可将其中某一相的逻辑拓扑作为重点研究对象。由于电力线通信数据传输距离有限,在实际应用中,某一相内可能只有离基站物理距离近的用户终端能与该相基站可靠通信。假设某相网络内用户节点总数为n,基站一次广播后有m(1≤m≤n)个节点能与之可靠通信,剩下n-m个用户节点虽然物理链路是连通的,但由于信号随传输距离的衰减等原因,不能与基站通信。为了解决这个问题,本文提出了基于单层蛛网的组网模型。
在m个能与基站可靠通信的节点中,假设相邻两节点间是可靠通信的,m个节点组成图1所示的m-1边蛛网结构,相邻节点之间能可靠通信,不相邻节点可通过节点h为中继进行通信。节点v1,v2,,vm代表用户终端节点。假定节点vh位于逻辑子网的中心(vh为v1~vm中的一个,1≤h≤m),其与所有周边节点均能可靠通信,功能与基站类似,负责收集其所在蛛网周边各节点的数据,维护子网内的路由以及与其他子网的中心节点通信。同时,由此节点发起对剩下的n-m个用户节点的组网广播。由于节点vh较基站与其余n-m个节点物理上的相近性,所以当vh继续发起组网广播后,有新的节点收到vh的组网广播,这些新的节点构成新的人工蛛网子网。然后,新的子网选取中心节点vm+1,确定子网节点数目,由vm+1与上一子网的中心节点vm+1保持数据通信,同时,进行新一次的组网广播,会有新的节点收到该广播。依次类推,最终该网络内的所有节点组成了多个类似的人工蛛网。如图3所示,离基站节点“近”的蛛网的中心节点(例如h),可以直接与基站通信,处在“中间”位置的蛛网的中心节点需要以“近”的中心节点为中继与基站通信,同样,处在“较远”位置的蛛网的中心节点,是以“中间”、“近”的中心节点为中继与基站通信。基站只要确保每个子网的中心节点能与之可靠通信即可,这样在一定程度上提高单相基站采集数据的效率,降低了网络节点的数量,降低了数据冲突率。
2 电力线通信人工蛛网路由
2.1 人工蛛网组网算法
2.1.1 子网中心点选取算法
研究电力线通信组网可以将低压配电网抽象为图G(V,E),记为G(V(G),E(G))。如图1所示,其中,V(G)为图G的节点集,元素v∈V称为图G的一个顶点或节点,E(G)是V中节点组成的无序对的集合,称为边集。图G每条边的权值vivj,代表任意两个终端节点间的通信距离。这里“通信距离”是指网络内可以直接通信的两个节点所跨过的节点个数,相邻两个节点的通信距离为1。通过Dijkstra算法[20]求出图G中所有顶点间的最短通信距离,并组成距离矩阵D,其元素vivj是图G中顶点vi与顶点vj间的距离,i,j=1,2,,m。
给图G的所有顶点赋权值T(v),代表各终端节点在一定时间段内产生的数据量。对j=1,2,,m,给矩阵D的第j行乘以T(v j),并求所得矩阵的行和。
比较所有行和f(g(v i)),根据Dijkstra算法,其中最大者所在的行对应的顶点即为子网的中心点,故对于某个子网选取中心节点的优化目标函数可表示为式(11)。
2.1.2 组网算法
人工蛛网组网算法如下:
(1)组网开始,由基站节点发送组网广播,在收到该广播的m(1≤m≤n)个节点中,通过中心节点选择算法选择其中一个用户终端节点为第一个蛛网的中心节点h,由节点h对剩下的m-1个节点分配逻辑ID,直到所有m个节点均获得逻辑ID为止。
(2)第一个人工蛛网组网完成后,基站向节点h发送指令,由节点h再次发送组网广播,设有k(m≤k≤n)节点收到节点h的广播,剔除掉已经获得逻辑ID的m个节点,在剩下的k-m个节点中选择一个与节点h可靠通信的终端节点为第二个人工蛛网的中心节点l,重复步骤(1),直到所有k-m个节点均获得逻辑ID。
(3)基站以节点h为中继给节点l发送指令,由节点l发送组网广播,重复步骤(1),假设第二个蛛网已经将剩下的所有n-m个节点连通,此时节点l会得到空响应,并把该响应通过节点h传回基站,至此,组网结束。形成了以节点h为中继节点的m-1边蛛网逻辑通信拓扑和以节点l为中心的n-m-1边蛛网逻辑通信拓扑,这样就建立了基站到该单相网络内所有节点的通信路由。
2.2 自动路由协议
假设某单相网络组网完成后由三个蛛网子网组成,路由协议利用这三个子网进行数据包的发送、接收。数据包格式如图4(a)所示,包括帧头、数据源地址、目的地址、子网中心节点地址、节点层数,分层标志位、节点数据及帧尾。其中,帧头、帧尾用于区分数据帧的起始和结束;数据源地址为源节点的地址标识,为基站,各子网中心节点地址;目的地址为目的节点的地址标识,本文均设置为基站地址;子网中心节点地址为各个子网的中心节点地址标识,是各周边节点发送数据的目的地址;节点层数为网络内组成的子网个数,与分层标志位作比较;分层标志位用于判定节点所在子网及数据包来源,同时,防止发送到基站的数据包被反复广播,提高数据处理效率。数据传输流程图如图4(b)所示。数据传输开始,设置所有节点的初始化节点层数为3,分层标志位为0,基站地址为0。数据传输开始,基站广播分层标志位为0的数据包,只有子网1内的节点收到数据包,判断数据源地址是否等于基站地址,如果是基站地址,则创建新的数据包,包括选取中心节点地址,数据源地址设置为该子网的中心节点地址,目的地址设为基站地址,分层标志位设置为1,节点层数与分层标志位相等,添加节点数据。子网1的周边节点将数据包发给中心节点,中心节点处理完所有数据包后,将其发送至基站节点。基站收到来自子网1的数据包后,进行记录。然后,子网1的中心节点广播请求数据包,这个数据包会被子网1内的周边节点、子网2的所有节点收到。子网1内的节点收到数据包后,判断数据包节点层数与分层标志位是否相等,相等则结束传输。子网2的节点收到子网1的中心节点广播数据包后,首先判断数据源地址是否为基站地址,如果不是,再判断节点层数大于分层标志位,子网2内的所有节点创建新的数据包,与子网1创建数据包过程一致,数据包的节点层数与分层标志位相等,设置为2。子网2的中心节点处理完周边节点数据后将其发送至子网1的中心节点,子网1的中心节点比较本节点数据包的节点层数小于收到数据包的分层标志位,则将该数据包发送至基站,至此完成子网2的数据与基站之间的通信。然后,子网2的中心节点广播请求数据包,被子网1,子网3的节点收到,子网1的周边节点收到该广播数据包,结束程序,中心节点收到该数据包将其发送至基站。子网3的节点判断收到数据包的节点层数大于分层标志位,创建数据包。节点层数与分层标志位相等,设置为3。子网3的中心节点处理来自周边节点的数据后,以子网2,子网1的中心节点为中继节点,将数据发送到基站,至此完成所有节点与基站的通信。子网1到子网3的网络内数据采集以及数据广播是依次进行的,例如,子网1数据采集完成后,将数据发给基站,中心节点h向子网2的中心节点发送广播,子网2开始数据采集与发送,依次类推。同一时间段内,只有一个子网占用信道,进行数据采集与传输,在一定意义上减少了节点数量。
利用三层网络进行数据包的产生,发送过程如图5所示。在每一层子网中都创建新数据包,其中源地址设置为其所在子网的上一层子网的中心节点/基站地址,目的地址均为基站地址,子网的中心节点把数据发送到上一级子网的中心节点/基站,同时对下一层网络进行数据广播。这种将大型网络分割成若干小型子网的数据传输方式在理论上有利于降低总线型信道的数据冲突率,提高信道的利用率和系统的效率。
2.3 终端节点建模
在本文中,不考虑用户终端节点的物理故障造成的通信失败。假设在信道环境良好的情况下,每个用户终端均工作良好,只有信道环境的改变,造成用户终端节点的工作状态的改变。因此,可以应用两状态马尔科夫模型来表征由于信道环境改变造成的用户终端节点通信状态的变化情况[21],仿真观察故障节点对系统的影响。如图6所示,“良好”“故障”表示用户终端节点的两种工作状态。“良好”代表终端节点可以与其所在子网的中心节点直接通信,“故障”代表终端节点不能与其所在的子网中心节点通信。本文假设,在一个数据采集周期内,节点的工作状态是不变的。在一个采集周期结束后,由于信道状况的改变,“良好”“故障”两种状态才发生改变。Pg和Pb分别定义为节点在一定信道状况下处于“良好”和“故障”状态的概率,Pgg和Pgb分别定义为一个数据收集周期后,“良好”状态的节点仍处于“良好”状态或是变成“故障”状态的概率,Pbb和Pbg也是类似的定义。式(12)~式(15)为状态变换的数学表达式。
3 仿真与试验研究
3.1 仿真环境
本文根据实际低压配电网的配电环境,在半径50 m范围内分布14个用户终端和一个基站节点,以PC机为仿真硬件平台,以Opnet14.5为编译和仿真环境。在不考虑数据处理延时的情况下,具有2个子网的网络结构就可以表示路由协议的有效性。假设在仿真时间内所有节点组成的两个6边形蛛网结构不发生改变,并依据式(11)确定每个子网的中心节点。由于中心节点到每个周边节点的“距离”都为1,则此处的中心节点为与各个周边节点通信流量最大的节点。图7所示为组网完成后的网络拓扑,subnet_0代表基站节点,subnet_1_0和subnet_2_0为各自子网的中心节点,其他节点为终端节点,信道传输速率为1 000 bps,每个数据包大小为24 bits。对采用新的蛛网路由协议后的信道数据冲突率,吞吐量,信道利用率等参数与采用CSMA协议下的相关参数进行仿真对比分析。本文设定一个数据采集周期为600 s,所有的仿真时间设定为3 000 s,即5个数据采集周期。
3.2 试验结果分析
从马尔科夫模型两状态表达式(12)~式(15),可以明显看出在Pg,Pb,Pgg,Pgb,Pbb,Pbg六个变量中,只有Pg和Pgb为独立变量,其他参数均可由这两个参数来表达。因此,分析这两个变量来观察新型重路由算法的时间特性和工作效率。由式(15)可知Pgb=(Pb Pg)·Pbg,由于0
图9所示为gP=0.9情况下的信道状态仿真结果。图9(a)为两种协议的吞吐量仿真结果,图9(b)为与之相对应的链路利用率的仿真结果。从仿真结果中可以得出,CSMA协议下的信道数据冲突率比较高,信道吞吐量及利用率均比较低,相同条件下,CWRP协议由于数据冲突率很低,信道的吞吐量与利用率均有大幅提高,这对电力线通信的上层应用,保证服务质量是非常重要的。
4 结论
(1)本文从提高低压配电网通信可靠性角度出发,提出了基于人工蛛网的电力线通信组网拓扑,并建立了相应的蛛网数学模型,为以后针对蛛网模型的相关研究提供理论基础。
(2)建立基于蛛网的组网结构,针对该结构,首次提出中心节点选取算法,详细叙述组网过程,建立新的自动路由协议,理论分析表明该路由协议在降低数据冲突率,提高信道吞吐量,信道利用率方面有很大优势。以两状态马尔科夫模型表征通信节点,具有代表性。
(3)与CSMA协议在数据冲突率,信道吞吐量,利用率方面进行仿真对比结果显示,新的CWRP协议在以上方面表现均大幅度优于CSMA协议,证明了理论分析的正确性,以及CWRP协议的优越性,在提高通信可靠性方面具有一定的意义。
摘要：针对低压电力线载波通信可靠性低的问题,提出了人工蛛网通信网络模型,并建立了相应的数学模型。将三相配电网的MAC层转化成由多个人工蛛网组成的逻辑拓扑。详细叙述了组网过程,提出了中心节点选取算法,制定了自动路由协议。以两状态马尔科夫模型表征用户终端的工作状态,模拟实际中由于信道变化产生的终端节点通信失效。针对数据冲突率、通信流量、链路利用率等方面进行建模仿真对比实验,仿真结果表明新的组网方式及路由协议在提高电力线载波通信可靠性方面具有较大优势。