基于HPLC與RF自適應(yīng)通信的配用電異構(gòu)場域網(wǎng)

黃 瑞 ，劉 超 ，劉謀海 ，余敏琪 ，肖湘奇 ，曾文偉

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，長沙 410004；2.智能電氣量測與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室，長沙 410004）

配用電場域網(wǎng)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的重要組成部分，是解決電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中最后一公里的通信技術(shù)問題。

在場域網(wǎng)建設(shè)中，電力線載波PLC（power line carrier）通信利用現(xiàn)有廣泛分布的電力線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，線路建設(shè)成本低和部署方便，應(yīng)用前景廣闊。但其在應(yīng)用過程中存在線路阻抗難以匹配、多徑反射及噪音干擾等問題，使其可靠性和穩(wěn)定性較低，在遠(yuǎn)距離傳輸中會出現(xiàn)較大失真[1]。針對這些問題，文獻(xiàn)[2]創(chuàng)建了一種改進(jìn)L型結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)阻抗匹配電路來調(diào)整PLC通信的輸入阻抗；文獻(xiàn)[3-4]提出了一種改進(jìn)低壓PLC通信壓縮感知信道估計方法，以及低壓PLC通信主動抗干擾技術(shù)，來改善PLC通信的質(zhì)量。

在配用電場域網(wǎng)建設(shè)中，網(wǎng)絡(luò)覆蓋性、通信可靠性、部署經(jīng)濟(jì)性對單一PLC通信方式提出了挑戰(zhàn)[5]。一些基于PLC采用雙模通信方式的方案被提出，例如，PLC+無線電力專網(wǎng)方式[6]、PLC+微功率無線方式[7]、PLC+無線局域網(wǎng)方式[8]和PLC+遠(yuǎn)距離無線通信[9]等方式，這些方案基本上均采用“一主一輔”的混合獨立組網(wǎng)方式，各通信方式組網(wǎng)后采用獨立路由模式，通過仿真技術(shù)驗證了雙模通信方案的可行性[6-9]。

微功率無線通信RF（radio frequency）以其低功耗、組網(wǎng)靈活等特點，逐漸成為場域網(wǎng)建設(shè)中重要的數(shù)據(jù)傳輸方式[7，10]，本文針對配用電場域網(wǎng)的高度城市化、高密度服務(wù)環(huán)境，特別是高層混凝土建筑及地下室使用場景，采用高速電力線寬帶載波HPLC（high-speed power line broadband carrier）+RF雙模通信方式組建智能配用電雙模異構(gòu)場域網(wǎng)，全網(wǎng)形成統(tǒng)一的動態(tài)混合路由表，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間依據(jù)實時混合路由表，自適應(yīng)選擇最優(yōu)鏈路（HPLC或RF）以最佳速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連通率和數(shù)據(jù)傳輸率，并在工程應(yīng)用環(huán)境中驗證了該方案的有效性。

1 智能電表雙模通信模塊硬件組成

智能電表雙模通信模塊具有HPLC通信和RF能力，其硬件原理如圖1所示。

圖1 智能電表雙模通信模塊硬件原理Fig.1 Hardware schematic of smart meter dual-mode communication module

在圖1中，主控單元是該通信模塊的核心，主要運(yùn)行雙模協(xié)議及應(yīng)用層軟件，主存貯器和輔助存貯器作為程序與數(shù)據(jù)的存貯部件。HPLC通信模塊主要由載波通信芯片、線路驅(qū)動器、帶通濾波器和耦合變壓器4個部分組成，其中，載波通信芯片選取支持先進(jìn)的多載波正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM（or?thogonal frequency division multiplexing）的芯片，線路驅(qū)動器用于對發(fā)送模擬信號放大，帶通濾波對接收到的模擬信號進(jìn)行濾波，耦合變壓器用于雙向模擬信號與電力線之間的耦合。RF模塊主要由射頻芯片、阻抗匹配電路和信號發(fā)射天線3個部分組成。主控單元通過串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）方式與各主要部件進(jìn)行通信，通過串行總線方式與采集器或集中器進(jìn)行通信，實現(xiàn)電表抄讀和費(fèi)控等功能。

模塊實現(xiàn)的主要通信參數(shù)如表1所示，符合國家電網(wǎng)公司相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。表中，RF采用移頻鍵控FSK（frequency shift keying）調(diào)制方式，基帶信號采用高斯移頻鍵控GFSK（gauss frequency shift keying）。

表1 智能電表雙模通信模塊主要通信參數(shù)Tab.1 Main communication parameters of smart meter dual-mode communication module

2 智能電表雙模通信協(xié)議棧

智能電表雙模通信協(xié)議棧以易維護(hù)、層次簡潔和便于錯誤定位為主要目標(biāo)，系統(tǒng)不區(qū)分載波和無線端口，以統(tǒng)一抽象的“數(shù)據(jù)通道”替代，使得無線和載波端口地位一致，更容易統(tǒng)一。智能電表雙模通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能電表雙模通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)Fig.2 Smart meter dual-mode communication protocol stack structure

圖2中，應(yīng)用層實現(xiàn)電表抄讀、節(jié)點注冊、事件上報等業(yè)務(wù)。通過串行485總線與電能表或集中器進(jìn)行通信。雙模協(xié)議棧包括異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層、HPLC通信鏈路介質(zhì)訪問控制MAC（medium access con?trol）層和物理層 PHY（physical layer）、RF 鏈路的MAC層和PHY。雙模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與維護(hù)、路由管理及應(yīng)用層報文的匯聚和分發(fā)，通過數(shù)據(jù)傳輸和管理原語與應(yīng)用層進(jìn)行通信，采用自適應(yīng)通信算法擇優(yōu)與RF的MAC層、HPLC的MAC層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。RF的MAC層定義了帶沖突避免的載波偵聽多址接入和時分多址接入控制機(jī)制，與RF的PHY采用數(shù)據(jù)和管理訪問點進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。RF的PHY定義了射頻通信所需要的頻率資源、輸出功率限制、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)信道編碼方式和信道切換方法等。HPLC的MAC層通過載波偵聽多址接入和時分多址接入競爭物理信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的可靠傳輸，與HPLC的PHY之間采用狀態(tài)與完成原語進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。HPLC的PHY主要實現(xiàn)寬帶載波信號的調(diào)制并耦合到電力線媒介上，接收電力線媒介的寬帶載波信號，解調(diào)為數(shù)據(jù)報文并交予MAC子層處理。整個軟件體系是建立在操作系統(tǒng)對各硬件設(shè)備的管理和調(diào)度的基礎(chǔ)上。

雙模異構(gòu)通信協(xié)議的報文封裝過程如圖3所示，業(yè)務(wù)提取過程與此相反。

圖3 雙模異構(gòu)通信協(xié)議報文封裝過程Fig.3 Packet encapsulation process under dual-mode heterogeneous communication protocol

3 智能配用電雙模異構(gòu)場域網(wǎng)

智能配用電雙模異構(gòu)場域網(wǎng)將HPLC和RF兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，發(fā)揮各自通信方式的優(yōu)點，優(yōu)勢互補(bǔ)，在增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性的基礎(chǔ)上，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，保證通信可靠性。

3.1 雙模異構(gòu)場域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能配用電雙模異構(gòu)場域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。在圖4中，中心節(jié)點負(fù)責(zé)完成組網(wǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理等功能，其對應(yīng)的設(shè)備實體為集中器本地通信單元，T1與T2為代理結(jié)點，具有數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能，它們都具有三相HPLC通信功能。節(jié)點A1-A4具有A相線HPLC通信功能，節(jié)點B1-B5具有B相線HPLC通信功能，節(jié)點C1-C5具有C相線HPLC通信功能，所有節(jié)點均具有RF通信能力。

圖4 雙模異構(gòu)場域網(wǎng)拓?fù)銯ig.4 Topology of dual-mode heterogeneous field network

每個節(jié)點能在任何給定時刻利用自適應(yīng)通信技術(shù)，選擇最佳通信媒質(zhì)（HPLC或RF）及調(diào)制方案，建立具有最佳數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)鏈路，這種媒質(zhì)和調(diào)制方案的選擇由設(shè)備自身自動、動態(tài)、實時完成，無需預(yù)編程或路徑硬編碼。

3.2 雙模異構(gòu)場域網(wǎng)的組網(wǎng)

3.2.1 中心節(jié)點組建網(wǎng)絡(luò)

只有中心節(jié)點有權(quán)建立新網(wǎng)絡(luò)，如果組網(wǎng)流程在其他節(jié)點上發(fā)起，網(wǎng)絡(luò)層將終止該流程，并通知上層該請求不合法。中心節(jié)點組網(wǎng)流程如圖5所示，其組網(wǎng)步驟如下。

圖5 中心節(jié)點的組網(wǎng)流程Fig.5 Networking process at the central node

步驟1組網(wǎng)準(zhǔn)備。為擴(kuò)大異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，在RF與HPLC通信信道同時進(jìn)行組網(wǎng)準(zhǔn)備。中心節(jié)點在RF的MAC層指定信道組發(fā)起信道掃描，尋找可能的干擾，若收到成功的能量檢測掃描結(jié)果，且各信道能量級別都超出可接受的級別，則判斷有可用信道組。同時中心節(jié)點在其HPLC的MAC層也發(fā)起網(wǎng)間協(xié)調(diào)幀的監(jiān)聽，以發(fā)現(xiàn)是否存在鄰居網(wǎng)絡(luò)，若收到鄰居網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間協(xié)調(diào)幀，則與鄰居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)成功后啟動組網(wǎng)。

步驟2確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識NID（network identifier）為NID=（中心節(jié)點長地址mod 69069）&&0xFFFF。并固定中心節(jié)點的終端設(shè)備標(biāo)識 TEI（terminal equipment identifier）為 TEI=1。依據(jù)中心節(jié)點存貯的白名單確定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。確定RF網(wǎng)絡(luò)的時隙號、層次號和信標(biāo)輪次、信標(biāo)最大轉(zhuǎn)發(fā)輪次及場強(qiáng)門限；確定HPLC網(wǎng)絡(luò)的時隙長度、無線時隙長度、信標(biāo)時隙數(shù)量、載波偵聽多址時隙數(shù)量、載波信噪比門限等參數(shù)。

步驟3發(fā)起RF的組網(wǎng)流程。中心節(jié)點在RF的可用信道組發(fā)送組網(wǎng)信標(biāo)，依據(jù)各節(jié)點的回復(fù)，建立臨時鄰居表。依據(jù)臨時鄰居表，發(fā)送場強(qiáng)收集命令，收集各節(jié)點的場強(qiáng)。

步驟4發(fā)起HPLC的組網(wǎng)流程。中心節(jié)點通過HPLC的MAC層發(fā)送中央信標(biāo)和安排發(fā)送發(fā)現(xiàn)信標(biāo)及代理信標(biāo)，觸發(fā)逐層級節(jié)點通過發(fā)送請求關(guān)聯(lián)報文進(jìn)行接入網(wǎng)絡(luò)請求，中心節(jié)點通過關(guān)聯(lián)確認(rèn)報文，通知節(jié)點入網(wǎng)結(jié)果。同時中心節(jié)點定時廣播其本身的發(fā)現(xiàn)列表報文和接收各節(jié)點發(fā)送的發(fā)現(xiàn)列表報文和通信成功率上報報文。

步驟5創(chuàng)建路由表。中心節(jié)點依據(jù)收集的各節(jié)點的RF鏈路的場強(qiáng)表和HPLC鏈路的請求關(guān)聯(lián)報文、發(fā)現(xiàn)列表報文和通信成功率上報報文，為每個鄰居信息表中的子節(jié)點計算從中心節(jié)點到該子節(jié)點的路徑，建立載波無線混合路由表。

步驟6配置子節(jié)點參數(shù)。依據(jù)建立的路由表，開始對子節(jié)點依次進(jìn)行參數(shù)配置，配置子節(jié)點參數(shù)是通過構(gòu)造并發(fā)送配置子節(jié)點幀完成，配置節(jié)點路由表中路徑從優(yōu)到劣依次順序進(jìn)行嘗試，直到收到節(jié)點的回應(yīng)幀，子節(jié)點參數(shù)配置完畢，表示組網(wǎng)完成。中心節(jié)點根據(jù)組網(wǎng)節(jié)點和白名單對比判斷組網(wǎng)是否完整，對不完整的網(wǎng)絡(luò)不做特殊處理，等待沒有入網(wǎng)的節(jié)點主動加入網(wǎng)絡(luò)。

3.2.2 游離節(jié)點的動態(tài)入網(wǎng)

游離子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的流程如圖6所示。

圖6 游離節(jié)點動態(tài)入網(wǎng)流程Fig.6 Dynamic network access process of free node

通常情況下，HPLC鏈路的通信質(zhì)量和通信速率高于RF鏈路。因此，游離節(jié)點首先通過HPLC鏈路的MAC層接收網(wǎng)絡(luò)報文，經(jīng)評估選擇信道質(zhì)量好的站點為其代理站點，按照報文中的指示發(fā)起關(guān)聯(lián)請求報文，依據(jù)收到關(guān)聯(lián)確認(rèn)報文判斷是否入網(wǎng)成功，若入網(wǎng)成功，則設(shè)置本節(jié)點的TEI并發(fā)送發(fā)現(xiàn)信標(biāo)。若未收到關(guān)聯(lián)確認(rèn)報文或入網(wǎng)請求被拒絕，則節(jié)點由RF鏈路的MAC層通過輪詢方式向每個信道組發(fā)送入網(wǎng)申請請求幀，接收到1個入網(wǎng)申請響應(yīng)幀，則鎖定當(dāng)前信道組并記錄通道場強(qiáng)，然后在收到的所有入網(wǎng)申請響應(yīng)幀中，選取1條最優(yōu)路徑，以此路徑構(gòu)造游離節(jié)點就緒幀，通過向RF鏈路的MAC子層發(fā)送游離節(jié)點就緒幀，并接收中心節(jié)點發(fā)來的配置終端節(jié)點命令，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)配置。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動態(tài)維護(hù)

（1）網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點實時維護(hù)其路由表，中心節(jié)點通過信標(biāo)路由參數(shù)通知條目，對全網(wǎng)的信標(biāo)周期、路由周期、發(fā)現(xiàn)列表報文發(fā)送周期和通信成功率上報周期4個連續(xù)周期進(jìn)行管理。全網(wǎng)中的每個節(jié)點在1個發(fā)現(xiàn)列表報文發(fā)送周期中至少發(fā)送10次發(fā)現(xiàn)列表報文，在1個通信成功率上報周期中至少向中心節(jié)點上報1個通信成功率上報報文。

（2）中心節(jié)點在1個路由周期內(nèi)，向全網(wǎng)所有節(jié)點發(fā)送一次RF場強(qiáng)收集命令，通過接收網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的發(fā)現(xiàn)列表報文、通信成功率上報報文和場強(qiáng)收集應(yīng)答幀，更新網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的鄰居節(jié)點信息并重新計算從中心節(jié)點到各子節(jié)點的路徑，據(jù)此更新路由表，通過配置子節(jié)點幀更新網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點的存儲路由表。子節(jié)點收到中心節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，如果其攜帶的路由表與本身存儲的路由表均不一致，則把本身存儲的最差路徑更換為該路徑。

（3）各節(jié)點根據(jù)接收到的HPLC鏈路信標(biāo)和RF鏈路信標(biāo)，感知自己的鄰居節(jié)點并判斷周圍站點的HPLC信道質(zhì)量和RF信道場強(qiáng)，記錄形成1個發(fā)現(xiàn)列表并進(jìn)行周期性廣播，節(jié)點通過鄰居節(jié)點發(fā)現(xiàn)列表報文的接收，計算它與這些鄰居節(jié)點的通信成功率，獲得更全面的鄰居節(jié)點信息從而形成更詳細(xì)的發(fā)現(xiàn)列表。節(jié)點在1個路由周期內(nèi)依據(jù)實時發(fā)現(xiàn)列表，判斷鄰居節(jié)點的信道情況及鄰居站點的變化情況，進(jìn)行路由優(yōu)化更新，若評估出1個新的代理站點時，可以通過代理變更請求報文，向中心節(jié)點發(fā)起代理變更請求。

（4）為防止發(fā)生路由環(huán)路的問題，通過設(shè)置抑制計時器來控制路由更新時間。當(dāng)節(jié)點從鄰居節(jié)點接收到以前能訪問但目前不能訪問節(jié)點路由更新后，即將該路由標(biāo)記為不可訪問，并啟動1個抑制計時器；如果再次收到從鄰居節(jié)點發(fā)送來的更新信息，包含1個比原來路徑具有更好度量值的路由，即標(biāo)記為可訪問，并取消抑制計時器；如果在抑制計時器超時之前從不同鄰居節(jié)點收到的更新信息包含的度量值比以前的更差，更新將被忽略，這樣可以有更多的時間讓更新信息傳遍整個網(wǎng)絡(luò)。

3.3 創(chuàng)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的混合路由表

3.3.1 權(quán)重值計算

各節(jié)點保存有RF網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點信息表，記錄著鄰居節(jié)點間鏈路實時的場強(qiáng)信息；HPLC網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點信息表，記錄著鄰居節(jié)點間鏈路實時的上下行通信成功率和信道質(zhì)量。

1）鏈路評估

鄰居節(jié)點間RF鏈路的實時場強(qiáng)用接收信號強(qiáng)度指示器的測量值RRF來表示，其范圍為-120～-40dBm。當(dāng)場強(qiáng)RRF≤-120 dBm時，RSSI值均為120；當(dāng)場強(qiáng)-120 dBm＜RRF＜-40 dBm時，RSSI值為場強(qiáng)值的絕對值；當(dāng)場強(qiáng)RRF≥-40 dBm時，RSSI值均為40；場強(qiáng)RRF大于門限值-96 dBm時，表示無法通過RF鏈路進(jìn)行通信。

鄰居節(jié)點間HPLC上、下行鏈路通信成功率SHPLC由上行通信成功率乘以下行通信成功率計算得到；鏈路的信道質(zhì)量QHPLC用原始信號信噪比來表示，當(dāng)通信成功率低于所設(shè)置的最小通信成功率或信噪比低于設(shè)置的門限值Qgate時，均表示無法通過HPLC鏈路進(jìn)行通信。

2）通信速率修正

報文長度不同，會影響通信速率計算，用用電信息抄表常用報文的長度來估算RF鏈路的通信速率VRF和HPLC鏈路的通信速率VHPLC，用鏈路場強(qiáng)對VRF進(jìn)行修正，得到RF鏈路的權(quán)值WRF為

式中：90是鏈路場強(qiáng)的門限值；40是場強(qiáng)的最大值。

用HPLC鏈路的信道質(zhì)量與通信成功率對VHPLC進(jìn)行修正，得到HPLC鏈路的權(quán)值WHPLC為

式中，Qmax為信道質(zhì)量的最大值。

3）權(quán)重賦值

取節(jié)點間HPLC和RF鏈路修正后的通信速率的最大值max(WRF,WHPLC)作為該兩節(jié)點間邊的權(quán)重，以保證節(jié)點之間選取傳輸速度最快和最可靠的鏈路。

3.3.2 混合網(wǎng)絡(luò)路由算法

根據(jù)配用電異構(gòu)場域網(wǎng)的應(yīng)用特點，其路由算法僅僅考慮主節(jié)點與子節(jié)點之間的路由問題，路由算法以子節(jié)點與主節(jié)點之間路由通信時間最短作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[13]；考慮到中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)消耗時間及網(wǎng)絡(luò)的可靠性，用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)對優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行修正，采用改進(jìn)的Bellman-Ford算法[14]對網(wǎng)絡(luò)層數(shù)m進(jìn)行了限定。

對于一個具有n個節(jié)點、r條邊的有向圖G(n,r)，節(jié)點的編號為1,2,…,n，規(guī)定1為中心節(jié)點；用w(i,j)表示有向邊r(i,j)的權(quán)值，其中i和j分別為所連接的2個節(jié)點。定義e(i)為節(jié)點到中心節(jié)點的距離；e0(i)為上一次迭代完成后節(jié)點i到中心節(jié)點的距離；k為迭代次數(shù)，限定網(wǎng)絡(luò)層次為m；P為上輪迭代距離變小的節(jié)點集合；Q為本輪迭代距離變小的節(jié)點集合。其改進(jìn)算法步驟如下。

步驟1初始化，令e(1)=0,e(i)=+∞,i∈[2,…,n]，把節(jié)點1加入集合P中。迭代次數(shù)k=1，則第0次迭代的距離分別為e0(1)=0，e0(i)=+∞，i∈[2,…,n]。

步驟2在第k次迭代中，依進(jìn)入順序?qū)螾中的各節(jié)點i計算可得

如果e(j)＜e0(j)，并且當(dāng)j不在集合Q中時，把節(jié)點j加入到集合Q，從集合P中去除節(jié)點i。

步驟3如果集合Q為空集或k=m，則算法結(jié)束，e(i)就是從點節(jié)1到節(jié)點i的最短距離；當(dāng)集合Q非空且k＜m，執(zhí)行步驟4。

步驟4清空集合P并把集合Q中的元素轉(zhuǎn)移到集合P，再清空集合Q，同時對任意的點i∈[1,…,n]，令e0(i)=e(i)，再令k=k+1轉(zhuǎn)移到步驟2。

4 節(jié)點間的自適應(yīng)通信

假定網(wǎng)絡(luò)某時刻連接示意如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接示意Fig.7 Schematic of network node connection

當(dāng)前節(jié)點B實時的最優(yōu)路由表的表項如表2所示，表中鏈路代碼1表示HPLC通信，2表示RF通信。

表2 節(jié)點最優(yōu)路由表的部分表項Tab.2 Some entries in a node’s optimal routing table

例如，節(jié)點B（TEI=8）需要向中心節(jié)點（TEI=1）上報抄表數(shù)據(jù)，節(jié)點B應(yīng)用層通過MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元MSDU（service data unit）由網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送原語，網(wǎng)絡(luò)層依據(jù)原始目的TEI查詢路由表，獲取其轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的TEI為10，鏈路代碼為1，則通過HPLC進(jìn)行通信，依據(jù)發(fā)送原語中的原始目的地址（TEI=1）、原始源地址（TEI=8）和MSDU類型，設(shè)置路由總跳數(shù)和剩余路由跳數(shù)，廣播方向為上行廣播，生成HPLC鏈路MAC幀頭，通過HPLC的PHY進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

若節(jié)點B通過HPLC鏈路收到MAC報文，對MAC報文進(jìn)行解析，若報文的原始目的TEI為20，查詢實時路由表獲取其轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的TEI為9，鏈路代碼為2，則通過RF進(jìn)行通信，對該MAC報文的MSDU報文內(nèi)容不做修改，生成RF鏈路MAC幀頭，通過RF的PHY進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

同理，若節(jié)點B通過RF鏈路收到MAC報文，對MAC報文進(jìn)行解析，若報文的原始目的TEI=5，查詢實時路由表獲取其轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的TEI=7，鏈路代碼為1，則通過HPLC鏈路進(jìn)行通信，對該MAC報文的MSDU報文內(nèi)容不做修改，生成HPLC鏈路MAC幀頭，通過HPLC的PHY進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

5 實驗測試

為驗證智能配用電雙模異構(gòu)場域網(wǎng)在用電信息系統(tǒng)中的性能，在實驗室環(huán)境下，搭建了如圖8所示的6層15節(jié)點平面菱形網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的測試平臺，所有節(jié)點信號都經(jīng)由程控衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，可達(dá)到阻斷、開放節(jié)點鏈路通信功能，以實現(xiàn)人工模擬控制組網(wǎng)，測試雙模切換的效果。

圖8 實驗室搭建測試平臺拓?fù)銯ig.8 Topology of laboratory test platform

考慮到RF的輻射作用，對所有容易引起輻射的環(huán)節(jié)都進(jìn)行屏蔽處理，將各節(jié)點放入各自屏蔽箱內(nèi)，圖8中共有16個節(jié)點（包括集中器），各節(jié)點分別使用雙模通信模塊、HPLC通信模塊和RF通信模塊組網(wǎng)測試。

針對雙模通信模塊測試，屏蔽箱內(nèi)和屏蔽箱之間測試設(shè)備連接如圖9所示。

在圖9中，同軸射頻載波信號進(jìn)入箱體后，經(jīng)載波耦合器耦合到電力線與電表載波模塊進(jìn)行通訊；同軸RF信號通過屏蔽箱內(nèi)信號入口天線，與電表RF模塊進(jìn)行通訊。電表載波信號通過電源濾波器，將載波和電源信道分離，可使市電供電和載波通訊信道完全隔離，電力線不會對通信信道造成干擾，并經(jīng)載波耦合器連接程控衰減器后進(jìn)入模擬網(wǎng)絡(luò)，電表RF信號經(jīng)信號出口天線，再經(jīng)衰減器后進(jìn)入模擬網(wǎng)絡(luò)。同時載波信號工作在2～12 MHz頻帶，RF信號工作470～510 MHz頻帶，箱體內(nèi)干擾小，屏蔽箱內(nèi)用小辣椒天線或平板天線接收、轉(zhuǎn)發(fā)RF信號。

圖9 屏蔽箱測試設(shè)備連接Fig.9 Test equipment connection of shield box

搭建完成的場域網(wǎng)實驗室測試環(huán)境如圖10所示。

圖10 場域網(wǎng)實驗室測試環(huán)境Fig.10 Test environment of field network in laboratory

測試中，上位機(jī)抄表軟件使用Tool-Studio，中心節(jié)點調(diào)試軟件使用Wps-Cac-Tool。經(jīng)過15 d的連續(xù)測試，針對雙模通信、HPLC通信和RF通信的場域網(wǎng)，通過調(diào)節(jié)不同節(jié)點衰減器的衰減率，各模擬100次不同組網(wǎng)狀態(tài)，測試其組網(wǎng)等性能，測試平均結(jié)果如表3所示。

表3 3種通信模式場域網(wǎng)實驗室測試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of field network in laboratory in three kinds of communication mode %

由表3測試數(shù)據(jù)可以得出，雙模場域網(wǎng)的組網(wǎng)成功率比HPLC、RF分別提升了1.76%、5.66%；日凍結(jié)成功率分別比HPLC、RF提升了2.61%、5.37%；停復(fù)電上報成功率比HPLC、RF提升了4.52%、8.19%；臺區(qū)識別率比HPLC、RF提升了8.83%、6.85%；96點曲線抄表成功率比HPLC、RF提升了1.18%、4.04%；96點曲線抄表占空比比HPLC、RF降低了45.46%、50.35%。在實驗室環(huán)境下，雙模場域網(wǎng)的整體性能比HPLC和RF場域網(wǎng)均有所提升。

雙模智能電表、HPLC智能電表和RF智能電表分別安裝在成都市的禹龍小區(qū)3#、4#、6#號臺區(qū)進(jìn)行測試，該臺區(qū)分別為低中高層建筑群，電表全部集中安裝在各層鐵皮電表箱，每個表箱12塊電表，集中器均安裝在低壓配電房內(nèi)，中心節(jié)點天線均引出配電房。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模禹龍3#為157臺，禹龍4#為177臺，禹龍6#為322臺，測試的抄表輪次每15 min一輪，并發(fā)抄讀數(shù)據(jù)項個數(shù)為3，發(fā)送時間間隔為100 ms。每種電表分別測試20 d，進(jìn)行重復(fù)性組網(wǎng)測試。其周期性和業(yè)務(wù)性能測試平均數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 3種通信模式場域網(wǎng)現(xiàn)場環(huán)境下測試數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of field network in jobsite of three kinds of communication mode

由表3的測試數(shù)據(jù)可以得出，雙模場域網(wǎng)的組網(wǎng)成功率可達(dá)99.66%，比HPLC、RF分別提高1.01%、3.38%；抄表平均總時間比HPLC、RF分別縮短56.90%、73.13%，效果明顯；抄表成功率可達(dá)99.28%，比HPLC、RF分別提高了2.28%、5.30%；15 min通道占空比相對HPLC、RF分別降低了56.88%、62.79%。從實際應(yīng)用環(huán)境的測試來看，雙模場域網(wǎng)的整體性能比HPLC和RF場域網(wǎng)均有提升。

6 結(jié)論

通過實驗室與實際環(huán)境測試表明，基于HPLC與RF自適應(yīng)通信的智能配用電雙模異構(gòu)場域網(wǎng)具有以下優(yōu)點：

（1）充分利用了HPLC和RF的通信優(yōu)點，提高了智能電表至場域網(wǎng)中心結(jié)點的連通率，提升了網(wǎng)絡(luò)的連通性、穩(wěn)定性和魯棒性，減少了網(wǎng)絡(luò)額外維護(hù)工作量；

（2）智能電表通過網(wǎng)絡(luò)建立的統(tǒng)一混合鏈路路由表，能自動選擇最佳通信媒介（HPLC或RF）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少了網(wǎng)絡(luò)層級，提高了傳輸效率。