19.2 kbps高速數(shù)傳技術(shù)在負(fù)荷管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐正安，祁 勁，王振宇

（南京供電公司，南京 210000）

南京的電力負(fù)荷管理系統(tǒng)始建于1996年，目前管理南京全市（包括郊縣）10 000多戶用戶。系統(tǒng)多年來(lái)保持著較高的通信成功率，為南京供電公司的有序用電、電能量采集、防竊電管理等做出了很大貢獻(xiàn)。系統(tǒng)以230 MHz信道為主，采用傳統(tǒng)的宏蜂窩方式，使用國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)批準(zhǔn)的頻點(diǎn)5對(duì)，建有主臺(tái)、紫金山中繼站等8個(gè)無(wú)線基站。

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和系統(tǒng)的不斷壯大，系統(tǒng)每年新增大量用戶，近2年每年新增用戶1 000～1 200戶，預(yù)計(jì)到2015年，系統(tǒng)終端數(shù)量將達(dá)到17 000臺(tái)。為保證系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，南京供電公司需求側(cè)管理中心及時(shí)采取了新增基站、終端分流等傳統(tǒng)解決措施，目前已經(jīng)取得初步成果。南京的電力負(fù)荷管理系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間較早，采用的通信波特率為1.2 kbps，在現(xiàn)有容量下，該速率顯然已經(jīng)不能滿足當(dāng)下系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需要。如何對(duì)系統(tǒng)基站、終端進(jìn)行全面優(yōu)化，以滿足現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度、擴(kuò)容等方面的要求，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

在新一輪發(fā)展形勢(shì)下，系統(tǒng)內(nèi)開(kāi)展了高速數(shù)傳試點(diǎn)，采用19.2 kbps的通信速率，通過(guò)對(duì)組網(wǎng)方式、通信時(shí)序、路由等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，提出了采用光纖主干網(wǎng)與230 MHz智能中繼相結(jié)合組建230 MHz蜂窩網(wǎng)、通過(guò)終端中繼消除盲區(qū)的解決方案。該系統(tǒng)的建立，對(duì)提升終端數(shù)量極多的大系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)采集速度、解決系統(tǒng)局部盲區(qū)等有著重要意義，為南京電力負(fù)荷管理系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和穩(wěn)定運(yùn)行提供了解決方案。

1 方案介紹

1.1 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

提高通信效率的有效方式是提高信道通信速度、增加實(shí)際信道數(shù)量。為更方便地通過(guò)終端中繼來(lái)消除盲區(qū)，本方案使用單工頻點(diǎn)、終端使用全向天線，解決改變路由時(shí)需不斷調(diào)整終端頻點(diǎn)和天線方向的問(wèn)題，有利于中繼功能的實(shí)現(xiàn)。

基站到負(fù)荷管理主站間的鏈路方式有多種方案可供選擇，包括供電企業(yè)內(nèi)部的光纖、電力信息網(wǎng)、微波等鏈路，公網(wǎng)的非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路（asymmetric digital subscriber line，ADSL）、通用分組無(wú)線服務(wù)（general packet radio service，GPRS）信道，以及3G信道。南京市棲霞區(qū)試點(diǎn)系統(tǒng)中的基站采用局域網(wǎng)鏈路，如圖1所示。

圖1 局域網(wǎng)鏈路方式的高速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

南京市區(qū)及近郊地勢(shì)較平緩，但低山緩崗和高樓較多。高速數(shù)傳系統(tǒng)所在的棲霞區(qū)，基站建在市區(qū)北部的棲霞供電基地，其北部邁皋橋、新港方向高大建筑物較少，用戶較多且無(wú)線信號(hào)較好。在新港開(kāi)發(fā)區(qū)附近有低山橫貫基站方向，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試表明，除個(gè)別山腳的測(cè)試點(diǎn)信號(hào)較弱外，用戶密集區(qū)信號(hào)未受明顯影響。由于高速數(shù)傳系統(tǒng)具備智能路由功能，信號(hào)較弱點(diǎn)的用戶可以通過(guò)周邊信號(hào)較好的用戶和主站實(shí)現(xiàn)良好通信。棲霞基地高速數(shù)傳基站的建立，將實(shí)現(xiàn)北部郊區(qū)方向信號(hào)良好覆蓋12 km以上；主城區(qū)由于高樓遮擋較多，覆蓋范圍相對(duì)較小，能滿足方圓6 km范圍內(nèi)的用戶和主站的直接通信要求。

1.2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)

高速數(shù)傳系統(tǒng)使用無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless data acquisition sensor networks，WDASN）技術(shù)，在傳統(tǒng)230 MHz電力負(fù)荷管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用19.2 kbps的通信速率，對(duì)解決系統(tǒng)局部盲區(qū)、提升終端數(shù)量極多的大系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)采集速度有著重要意義。

除了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的所有功能外，WDASN還具有如下特點(diǎn)：

（1）通信速度快

系統(tǒng)基站、終端的電臺(tái)設(shè)備實(shí)際啟動(dòng)延時(shí)從傳統(tǒng)系統(tǒng)的50～200 ms降低至3 ms左右，大大提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。采用獨(dú)特流時(shí)序控制技術(shù)，消除了基站、終端設(shè)備在數(shù)據(jù)處理、應(yīng)答等待時(shí)間方面的消耗，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間大幅縮短。

（2）基站小型化

獨(dú)立的小型化室外型基站尺寸小，安裝簡(jiǎn)易方便。

（3）工程造價(jià)低廉

采用WDASN技術(shù)的系統(tǒng)主站費(fèi)用僅比原主站貴2萬(wàn)元，新增中繼站的費(fèi)用為每臺(tái)1.8萬(wàn)元，終端的改造費(fèi)用每臺(tái)增加約0.13萬(wàn)元。

（4）覆蓋半徑較小

小型基站的覆蓋半徑約為5 km，如大規(guī)模推廣應(yīng)用，新增小型基站的數(shù)量會(huì)較多。

（5）對(duì)終端的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)要求有所提高

在同樣誤碼率的情況下，WDASN系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，對(duì)終端的場(chǎng)強(qiáng)要求需增加5～6 dbμv/m，所以對(duì)終端天線安裝要求有所提高。

1.3 智能路由優(yōu)化

通信路由的自動(dòng)管理和智能優(yōu)化是中繼路由實(shí)用化的關(guān)鍵。為了能夠較好的兼容負(fù)荷管理系統(tǒng)，路由的功能在基站中實(shí)現(xiàn)，負(fù)荷管理系統(tǒng)將應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約發(fā)給基站，由基站打包成鏈路規(guī)約發(fā)出，收到的報(bào)文再解析為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層規(guī)約返回給負(fù)荷管理系統(tǒng)前置機(jī)。

由于基站和終端的非對(duì)稱性（基站的位置一般好于終端的位置），上下行路由也可能是非對(duì)稱的，即上下行經(jīng)過(guò)的終端不同，因此路由優(yōu)化需按照上下行分別優(yōu)化。決定路由特性的是路由中場(chǎng)強(qiáng)最小的一級(jí)，根據(jù)19.2 kbps信道的特征，以20 dbμv/m為基礎(chǔ)，與基站彼此接收?qǐng)鰪?qiáng)大于20 dbμv/m的為直通終端。相同的路由連讀多幀失敗則認(rèn)定為不通終端，不通終端不能被用做中繼終端。整個(gè)系統(tǒng)通信效率的優(yōu)化隨著巡測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)信息獲得不斷改善。

1.4 終端登錄功能

為實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)終端具有的獲知終端鏈路狀態(tài)的功能，專網(wǎng)終端需增加鏈路連接和鏈路維持功能。由于終端可以主動(dòng)發(fā)送報(bào)文，因此由基站統(tǒng)一管理信道，基站定時(shí)發(fā)送信標(biāo)幀。信標(biāo)幀的作用是安排正常通信時(shí)的信道占用時(shí)序，采用時(shí)分多址（time division multiple access，TDMA）技術(shù)，將信道按時(shí)序分為競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段和非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段，非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段分配給指定終端，在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段直通終端和非直通終端采用負(fù)荷管理A—CA方式發(fā)送登錄報(bào)文、鏈路維持報(bào)文和時(shí)槽請(qǐng)求報(bào)文。

登錄的過(guò)程包括附著申請(qǐng)、連接申請(qǐng)和連接確認(rèn)，直通終端發(fā)出附著申請(qǐng)后，直接由基站確認(rèn)，非直通終端由上線終端附著確認(rèn)，再通過(guò)附著確認(rèn)報(bào)文中指定的路由向基站發(fā)送連接申請(qǐng)，由基站確認(rèn)。登錄過(guò)程直觀地展示在終端的顯示界面上，并實(shí)時(shí)顯示信號(hào)的強(qiáng)度，以便調(diào)試人員了解信道的狀態(tài)和質(zhì)量。

1.5 高速信道設(shè)計(jì)

由于230 MHz為窄帶信道，物理層可采用4電平頻移鍵控（frequency-shift keying，F(xiàn)SK）方式，將速率提高到19.2 kbps。選用CML公司的芯片，支持硬件前向糾錯(cuò)（forward error correction，F(xiàn)EC）和循環(huán)冗余檢驗(yàn)（cyclic redundancy check，CRC），以提高通信質(zhì)量。

1.6 時(shí)序優(yōu)化

目前230 MHz信道采用問(wèn)答通信方式，無(wú)論雙工頻點(diǎn)還是單工頻點(diǎn)，其基本時(shí)序都是一樣的，雙工頻點(diǎn)并不比單工頻點(diǎn)效率更高，且浪費(fèi)一個(gè)頻點(diǎn)，因此可以將雙工頻點(diǎn)分成單工頻點(diǎn)來(lái)用，如圖2所示。基站下行報(bào)文后，終端需要一定的處理時(shí)間，然后才能向基站應(yīng)答上行報(bào)文。為了壓縮終端處理時(shí)間，可以連續(xù)下發(fā)下行報(bào)文，最好下發(fā)給不同的終端。當(dāng)發(fā)給終端的下行報(bào)文延時(shí)超過(guò)終端處理時(shí)間后，基站在隨后的下行報(bào)文中設(shè)置該終端允許發(fā)上行報(bào)文，從而壓縮了終端的處理時(shí)間，比較圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)本措施可以多發(fā)2個(gè)下行報(bào)文。

1.7 高速數(shù)傳系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的230 MHz通信方式相比，高速數(shù)傳系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）通信速率更高：目前負(fù)荷管理系統(tǒng)主要采用1.2 kbps速率、FSK或PSK調(diào)制方式，少部分采用9.6 kbps速率、GFSK調(diào)制方式。高速數(shù)傳系統(tǒng)將通信速率進(jìn)一步提高到19.2 kbps，采用4電平FSK調(diào)制方式。

（2）糾錯(cuò)能力更強(qiáng)：目前普遍采用RS（15，11）編碼糾錯(cuò)，高速數(shù)傳系統(tǒng)采用2/3 FEC編碼糾錯(cuò)，可以將接收靈敏度提高6 db，并使用CRC校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)的正確性。

（3）自組網(wǎng)能力：在原組網(wǎng)方式中增加自動(dòng)路由組網(wǎng)功能，通過(guò)采用CSMA/CA、場(chǎng)強(qiáng)/通信質(zhì)量測(cè)量、鄰居表、對(duì)稱中繼、非對(duì)稱中繼、路由優(yōu)化、路由自愈等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能組網(wǎng)，不需要人工配置維護(hù)。

圖2 普通基站通信時(shí)序

圖3 高速數(shù)傳基站時(shí)序

（4）采用信標(biāo)技術(shù)優(yōu)化時(shí)序，減少了下行幀、壓縮了應(yīng)答處理時(shí)間，通信效率較傳統(tǒng)應(yīng)答方式有顯著提高。

2 實(shí)際運(yùn)行效果

高速數(shù)傳系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中充分體現(xiàn)了高速和自動(dòng)路由的特性，以南京電力負(fù)荷管理系統(tǒng)為例，實(shí)際運(yùn)行效果如下。

2.1 巡測(cè)耗時(shí)比較

在目前的負(fù)荷管理系統(tǒng)中，100臺(tái)高速數(shù)傳終端（其中含9臺(tái)帶路由的終端）進(jìn)行整體巡測(cè)耗時(shí)19 s，如圖4所示。

圖4 100臺(tái)高速終端巡測(cè)時(shí)間

剔除9臺(tái)帶路由終端，91臺(tái)直通終端的巡測(cè)耗時(shí)13 s。

1.2 kbps速率下100臺(tái)終端的巡測(cè)耗時(shí)為138 s，是100臺(tái)高速數(shù)傳終端巡測(cè)時(shí)間的7.3倍。

2.2 任務(wù)執(zhí)行時(shí)間比較

系統(tǒng)每天凌晨自動(dòng)執(zhí)行日數(shù)據(jù)采集、抄表數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，2010年4月29日任務(wù)執(zhí)行情況如圖5所示。

圖5 2010年4月29日任務(wù)執(zhí)行情況

以頻率2站點(diǎn)為例，終端日數(shù)據(jù)采集從00：45：00啟動(dòng)，到03：05：00結(jié)束，查詢前置機(jī)日志可以看到，前置機(jī)實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間為00：45：40左右，實(shí)際耗時(shí)約8 360 s。在此期間，當(dāng)日優(yōu)先級(jí)更高的營(yíng)銷(xiāo)電表日數(shù)據(jù)巡測(cè)任務(wù)終端數(shù)量為0，即未執(zhí)行。終端成功率為99%，即11臺(tái)終端通信失敗，由于每臺(tái)終端日數(shù)據(jù)巡測(cè)為4幀，前置機(jī)超時(shí)設(shè)置為5 s，那么前置機(jī)等待超時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間為220 s。因此，2頻站點(diǎn)日數(shù)據(jù)巡測(cè)終端有效數(shù)量為1 074臺(tái)-11臺(tái)=1 063臺(tái)；日數(shù)據(jù)采集有效時(shí)間為8 360 s-220 s=8 140 s；平均每臺(tái)終端日數(shù)據(jù)巡測(cè)耗時(shí)8 140 s/1 063臺(tái)≈7.66 s/臺(tái)。

高速數(shù)傳系統(tǒng)的棲霞站點(diǎn)100臺(tái)終端（包含9臺(tái)路由終端）日數(shù)據(jù)采集從00：45：00啟動(dòng)，到00：46：36結(jié)束，查詢前置機(jī)日志可以看到，前置機(jī)實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間為00：45：15左右，實(shí)際耗時(shí)約81 s，平均每臺(tái)終端的日數(shù)據(jù)采集時(shí)間為0.81 s。

頻率2站點(diǎn)下有2種規(guī)約類(lèi)型終端，一種是1996規(guī)約，另一種是2004規(guī)約，查看日數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)配置，這2種終端召測(cè)數(shù)據(jù)配置基本一致。棲霞站點(diǎn)下只有2004規(guī)約終端，不考慮規(guī)約類(lèi)型因素。比較上述2個(gè)站點(diǎn)下終端日數(shù)據(jù)巡測(cè)的平均耗時(shí)可計(jì)算出，現(xiàn)有棲霞站19.2 kbps高速數(shù)傳終端的日數(shù)據(jù)采集速度是頻率2站點(diǎn)下終端速度的8～9倍。由于該高速數(shù)傳系統(tǒng)中有少量帶通信路由的終端，如果全部為直通的終端，速度還會(huì)略有提高。

3 效益分析

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度大幅提高

通過(guò)上述測(cè)試分析可知，高速數(shù)傳系統(tǒng)的通信速率比傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升。若在南京推廣應(yīng)用，現(xiàn)有負(fù)荷管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度將成倍提高，對(duì)解決南京負(fù)荷管理系統(tǒng)現(xiàn)有的終端數(shù)據(jù)采集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題具有重要的戰(zhàn)略意義。

3.2 突破系統(tǒng)發(fā)展容量瓶頸

對(duì)于南京電力負(fù)荷管理系統(tǒng)這樣的大型系統(tǒng)，容量問(wèn)題需提前考慮并作長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。傳統(tǒng)的解決方案是增加多個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)采用不同的頻點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方案受頻點(diǎn)等資源的制約，而且如果在一個(gè)地點(diǎn)架設(shè)多個(gè)基站，也將遇到?jīng)]有合適的天線位置、基站設(shè)備位置等問(wèn)題，系統(tǒng)將變得更為復(fù)雜。根據(jù)上述分析結(jié)果，按1.2 kbps系統(tǒng)傳統(tǒng)容量為1 000臺(tái)，綜合考慮傳輸速率、通信模式等情況，高速數(shù)傳系統(tǒng)容量一般是傳統(tǒng)系統(tǒng)的5倍，每個(gè)高速數(shù)傳站點(diǎn)的終端容量將是5 000臺(tái)。因此，高速數(shù)傳系統(tǒng)應(yīng)用到南京負(fù)荷管理系統(tǒng)后，單個(gè)站點(diǎn)可容納的終端數(shù)量將成倍提高，系統(tǒng)容量問(wèn)題得到有效解決。

3.3 解決局部信號(hào)盲點(diǎn)和盲區(qū)

南京市主城區(qū)地勢(shì)較為平坦，傳統(tǒng)的宏蜂窩基站信號(hào)較好，但由于市區(qū)高樓林立，存在少量丘陵低山，局部的盲點(diǎn)和盲區(qū)依舊存在。在房地產(chǎn)高速發(fā)展的今天，原先通信良好的用戶，也可能受到新建樓盤(pán)的遮擋而出現(xiàn)通信問(wèn)題，增加檢修和管理工作的負(fù)擔(dān)。盲點(diǎn)或盲區(qū)問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)的整體通信成功率的提高造成了一定障礙，而且是現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)通和維護(hù)工作中的難點(diǎn)。高速數(shù)傳系統(tǒng)提供的智能路由功能，有效消除了高樓或山丘背后、地勢(shì)低洼處、天線施工不便等處的通信死角，在終端安裝地區(qū)組成一個(gè)互聯(lián)互通的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)通信成功率和穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，減少了大量的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、電費(fèi)結(jié)算、負(fù)荷管理等重要功能也得到了有力保障。

4 結(jié)論

高速數(shù)傳系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸速率提高至19.2 kbps，并結(jié)合TDMA、時(shí)序優(yōu)化控制技術(shù)，使得通信速度較傳統(tǒng)的230 MHz信道有了大幅提高。采用智能路由技術(shù)不僅節(jié)省了安裝調(diào)試工作量，提高了信道的可靠性和可用性，而且可以保證數(shù)據(jù)的100%采集。試點(diǎn)工程驗(yàn)證了本方案的可靠性和實(shí)用性，能夠完全滿足用戶用電信息采集系統(tǒng)對(duì)信道的需求。

當(dāng)前南京負(fù)荷管理系統(tǒng)終端的升級(jí)改造（更換）工作正在進(jìn)行，這批終端將被改造成高速數(shù)傳終端接入高速數(shù)傳系統(tǒng)。隨著用戶數(shù)量的增加，高速數(shù)傳系統(tǒng)在速度方面的優(yōu)勢(shì)將愈發(fā)明顯，系統(tǒng)整體效率將極大提高，也為未來(lái)系統(tǒng)擴(kuò)容也打下良好基礎(chǔ)。

［1］ 周昭茂，張愷.電力負(fù)荷管理系統(tǒng)通信網(wǎng)技術(shù)［J］.大眾用電，2006（12）：19-21.

［2］ IEEE 802.15.4—2006，Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specification for Low-Rate Wireless Personal Area Networks（WAPNs）［S］.