電力通信中異構網絡關鍵技術研究

袁群義

（廣州健新科技有限責任公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，信息交換和傳輸成為現今社會發展的重要部分，物聯網的出現更加加深了各種信息之間的聯系。電力通信其存在的意義是為了保障電力系統能夠穩定且安全的運行，是電力系統的重要基礎設施，也是維持電力系統安全穩定的重要支柱之一。電力通信是電力物聯網的核心，而電力物聯網是現今社會不可或缺的基礎，其出現是當前階段信息技術發展的成果。為保障電力物聯網終端的數據傳輸業務的平穩運行，其使用了多種無線通信技術共同構建了一個龐大的異構網絡，滿足各種數據傳輸的需求。根據目前的調查情況來看，電力系統的終端存在著通信接入網覆蓋面積不夠、數據不連貫、數據傳輸效率低等問題。而異構網絡存在的主要目的就是實現各種信息之間的快速、安全的傳輸和交換[1]。為了充分發揮異構網絡的性能，分析了異構網絡的組成部分及其特點，介紹了電力物聯網中異構網絡存在的關鍵問題以及相應的解決方案。

1 電力物聯網系統

隨著電網規模的不斷擴大，新能源的出現，使得電網連接主體逐漸成為能源輸送和轉換的重要環節，在這種發展大背景下，對電網的智能化、靈活性、數字化等發展提出新的更高的發展要求。電力物聯網成為電網應對新的發展形勢下的解決電網發展問題的有效途徑。電力物聯網能夠保障電網的安全運行，有效地解決現階段電網結構不合理，分布和調節等方面的問題，通過數據共享和分析推動電網智能化。電力物聯網致力于打造以用戶為核心，滿足用戶多樣化需求的新模式。

隨著物聯網技術的發展，其優勢逐漸凸顯，這種技術被應用在智能電網之中構成了電力物聯網，也是我國通信技術發展的階段產物。電力物聯網系統能夠對通信和電力技術設施資源進行有效的整合，從而提高電力通信系統的信息化水平和各個環節的工作效率。電力物聯網系統是由：感知層、網絡層、平臺層、應用層共同構成的。電力物聯網系統如圖1所示。

圖1 電力物聯網系統

（1）感知層。感知層是由電力終端構成的數據采集層。

（2）網絡層。網絡層將感知層采集的數據通過通信技術（無線/有線傳輸網絡，蜂窩，電力專網）傳輸至上層。

（3）平臺層。平臺層負責對數據進行管理和儲存作用，當大量數據傳輸到上層后，平臺層對其進行儲存，同時按照數據類型為用戶提供接口。

（4）應用層。應用層可對外/對內開展業務（個人/企業），在海量的數據支持下可提供數據查詢、數據分析等。

電力物聯網的建設是智能電網發展和被應用的重要前提，是現階段信息技術發展的產物，對電力通信的智能化、高效化有重要影響。

2 異構網絡概述

異構網絡指由2個或者2個以上的無線通信系統，通過采取不同的接入技術達到系統之間相互補充發揮各自最大的優勢，滿足未來通信的一種手段[2]。異構網絡如圖2所示。電力物聯網可被應用的場景較為廣泛，如異常事件上報、臺區識別和電表數據采集等，但是這些應用可以被穩定使用都離不開不同的通信技術的支持。如電表數據采集，由傳統的人工采集發展為自動采集。其中，自動采集技術也隨著科技發展由傳統的RS485演變為現今的電力線載波通信方式。電力物聯網中的通信技術主要有以下幾種[3-6]。

圖2 異構網絡

2.1 ZigBee通信技術

ZigBee通信技術是一種近程無線網絡通信技術，運輸距離短，但是對應的能耗和成本就較低。ZigBee通信技術的物理層、MAC層和鏈路層在IEEE802.15.4標準的基礎上又進行了完善和擴展。ZigBee通信的突出特點有以下幾個方面。

（1）低功耗。低功耗是ZigBee通信技術最為突出的特點，在低耗能待機的情況下，1個節點能夠持續工作6～24個月。

（2）低成本。免協議費用和大幅簡化協議，降低了對通信器控制的要求節約了子功能節點，也降低了成本。

（3）低速率。ZigBee工作速率維持在20～250 kb/s的較低速率中，每個節點的速率為10～250 kb/s。低速率的工作下對部分組網方法產生局限性。

（4）近距離。ZigBee通信技術的傳輸范圍為10～100 m，屬于近距離傳輸。

（5）短時延。ZigBee只需要15 ms就能從睡眠狀態轉變為工作狀態，節點在30 ms內就能夠連接網絡，其具有響應速度快、延時較短、節能省電的特點。

（6）高容量。ZigBee采用的星狀、片狀和網狀網絡結構，1個主節點能夠同時管理254個字節點，容量大，主節點在管理子節點的同時能夠被上一層的網絡節點同時管理，從而組成了一個大的節點網絡。

（7）協議簡單、安全性高。ZigBee協議較為簡化，有利于降低成本，可交互性和可維修性，同時也提供了3級安全模式，不僅保障了網絡的安全，也使得安全屬性能夠被靈活的確認。

2.2 窄帶物聯網通信技術

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）是物聯網（Internet of Things，IoT）領域的一種新興的無線網絡技術，主要領域是在低功耗廣覆蓋IoT的市場，主要有以下幾個方面的特點。一是覆蓋范圍廣。NB-IoT通信技術縮小寬帶以提高功率，重復發送來獲取時間分級增益，能夠覆蓋到地下深層35 km處，覆蓋范圍較為廣泛。二是連接數量大。能夠在同一基站下，通過話務模式實現休眠和激活狀態的靈活切換，并且減少空口信令交互和提高資源利用率等，同一基站下多增加了50～100倍接入數，使得每個小區的連接可高達50 000個，實現了物聯網下的海量連接。三是低功耗。其運行終端大部分狀態下處于休眠狀態，功能消耗低，待機時間長。四是低成本。硬件能夠被剪裁，軟件按照需求簡化，降低了NB-IoT通信單模塊的成本。以上這些優勢使得NBIoT在電力物聯網中廣泛應用，實現了海量的終端數據包的傳輸需求。

2.3 LoRa技術

遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）技術是一種用于無線電調制解調的技術，LoRa是IoT的無線平臺，基于擴頻技術可實現遠距離的傳輸，其主要的特點有以下幾個方面。

（1）抗干擾。與其他的無線電技術相比，LoRa技術工作原理是通過高擴頻因子將小容量數據進行大范圍的傳輸，不易受到干擾影響，就算是同頻率同時將信號發送主機也不會相互干擾。LoRa技術抗干擾原理如圖3所示。

圖3 LoRa技術抗干擾原理

（2）傳輸距離遠以及功耗低。保留頻移鍵控低功耗的同時增加傳輸距離，其在開闊地帶的傳輸距離可達到8 km，實現了低功耗和高傳輸距離兼得，但是其傳輸速率有限，通常被用于大范圍數據采集業務。

（3）穿透力強。LoRa的傳輸頻率可高達868 MHz，擁有強大的穿墻能力。

（4）較高的安全性。LoRa采用了嵌入式點對點AES-128數據加密技術，其安全性高。

2.4 RFID技術

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是自動識別技術的一種，通過無線射頻（閱讀器和標簽之間）非接觸通信，利用射頻卡將識別到的目標與數據進行交換，以此達到非接觸式識別目的。RFID技術能夠根據通信位置劃分為近場和遠場，其數據交換方式也對應其負載調制和反向散射調制。其主要有以下特點：一是快速掃描，RFID技術單個閱讀器能夠同時識別多個標簽；二是穿透性好能夠實現無屏障閱讀，RFID技術能夠在被覆蓋的情況下穿透紙張、木材、塑料等非金屬或是非透明的阻擋物進行讀取識別，如自動售貨機；三是數據容量大，其最大可以容納數兆的字符，并能夠隨記憶載體變化同時擴大數據容量；四是體型小，形狀多，RFID技術讀取上不受形狀與尺寸的限制，如校園卡。

RFID技術的優勢突出，但相對應的也存在以下需要優化的部分：RFID技術受到讀寫器、標簽等影響成本較高；技術標準難以統一；多目標識別的精準率需要提高。

RFID技術在電力物聯網中被廣泛應用的1種傳感技術，其非接觸性的目標數據互換、單個標簽閱讀器能夠同時讀取多個標簽等優勢，使得這種技術常被應用在高度移動的場景中。

2.5 203 MHz 電力專網通信

203 MHz電力專網具有能夠被任意載波聚合、動態頻譜感知、散點頻點獨立使用等特點，能夠為用戶提供語音、視頻、數據以及物聯網行業業務等無線接入。一方面，203 MHz電力專網通信通過零散碎片頻譜重拼提高離頻譜的利用效率；另一方面，這種通信技術的延時性較低，運用邊緣計算能力，采用核心網功能下沉方式降低延時，通過對高層信令的優化滿足海量傳輸。203 MHz電力專網通信技術采用了扁平化的系統架構，成本低廉、系統穩定可靠、低維護，從而增加電力通信接入網的契合度。

203 MHz電力專網通信技術具有高安全性、多功能性、靈活配置、管理全面、網絡組成簡單以及運行維護相對便捷等優點，被應用在電網企業和物聯網應用場景中。

2.6 傳統移動通信技術

傳統的移動通信技術是由移動臺、移動交換機共同組成的，適用于對傳輸速率有要求且數據較大的業務。傳統移動通信技術主要有以下特點：一是無線通信，物體保持移動性；二是電波在進行傳播的過程中可能會出現各種現象（多普勒、折射、反射等），產生干擾，從而會導致信號延時和展寬等；三是用戶之間，環境影響等使得噪聲和干擾情況嚴重；四是通信系統結構較為復雜，由多用戶系統和網絡共同構建。對于5G移動通信來說，其頻譜利用率高、應用廣泛，但易受高頻段無線電波的影響；5G移動通信技術通過多點、多無線、多用戶之間相互協作，很大程度上提高了移動通信的性能。

3 電力通信中異構網絡關鍵技術

物聯網能夠通過一定感知、計算、執行和通信等設備，以計算機為基礎（射頻、無線、條形碼、云計算等），通過網絡實現數據傳輸。在電力通信這個復雜的物聯網中，怎樣高效地使用異構網絡，發揮其系統最大的性能優勢是目前需要關注的問題。以下從多方面多角度分析電力物聯網異構網絡的幾項關鍵技術。

3.1 干擾消除技術

異構網絡中的干擾問題嚴重阻礙其運行，其干擾是各個不同網絡同時使用信道而產生的。由于電力物聯網構建的特性，會出現多個相互重疊且覆蓋的小基站，在進行通信道數據的傳輸時，如果互相覆蓋的基站同時使用同一個信道進行數據傳輸，那么會對物聯網的終端信號產生干擾。為了消除這種干擾帶給異構網絡運行的阻礙，一方面可從功率、頻域和時域3個方面來減少小區間對其的干擾現象，增強小區間干擾協調技術，對系統作好功率的控制工作，以此來減少干擾現象的發生。另一方面，在頻域的選擇上，最大程度上選擇不同正交的信道進行數據傳輸任務，以避免小區間之間的互相干擾現象的發生，同時不同小區間則使用時分復用的機制，在不相同的時隙進行數據的傳輸工作，減少干擾。

3.2 多連接技術

在一個區域存在多種形式的通信技術覆蓋的情況下，多連接技術能夠增強重疊的覆蓋區域內的數據傳輸功能。隨著時代的發展和科技的進步，多模終端技術逐漸成為電力物聯網技術的主要發展趨勢。不同通信協議直接相互融合相互支撐，是使用多連接技術的前提條件，在這個前提存在的基礎上，多連接技術能夠將其所有數據進行匯總傳輸。多連接技術的成立和順利運行的前提條件是配置最優的網絡選擇策略。多連接技術的使用使得終端在進行數據傳輸時更加的高效，同時其信令開銷會出現增長。通信技術直接決定了電力物聯網的終端服務質量，因此在多連接技術的使用過程中，需要配置最優的策略（根據終端環境進行配置），動態地計算這項技術帶來的效益。

3.3 網絡間切換技術

在多連接技術發展的前提下，網絡間切換技術也是一個值得研究的重點問題。在以下幾種情況下容易出發多連接場景的切換。一是當多連接的服務性能不足以支撐業務服務質量，為了保障業務質量會考慮移動終端狀態的情況進行網絡切換。二是移動終端處于密集覆蓋的網絡下進行移動，為了保證業務連貫性和質量，會進行網絡切換。多場景切換就是網絡的選擇，當終端進行網絡切換這個行為時，其環境中同性狀態也會改變，不僅對通信終端會有影響，同時會對其他終端產生影響。當系統的最優態被打破后，其每個終端的選擇都不會是最優的選擇。同時，系統中的切換則會導致系統發生混亂，頻繁的切換會增加信令的開銷。為了避免這種現象的發生，保障電力物聯網系統的平穩運行，需要在網絡切換的狀態下指定一個閥值來避免其中一個終端切換時影響其他的用戶使用。

3.4 負載均衡技術

電力物聯網終端在可連接多種通信網絡的狀態下，部分通信制式會隨著用戶量的增加出現其性能下降的情況。為避免這種情況影響服務質量，需要考慮不同通信之間負載均衡的問題。不同的通信技術能夠選擇其適合的用戶，選擇最優的用戶進行數據傳輸任務，并且可以最大化系統容量來負責均衡其目標。

3.5 頻譜共享技術

不同制式的通信技術可以通過共享統一頻段的無限資源提高頻譜的利用效率。對于免許可頻段而言，其頻段資源豐富且免費，而對于許可頻段而言，不僅擁擠而且費用昂貴。在共享頻段的狀態下，不僅能夠有效地降低傳統的移動通信的成本，還能夠增加其性能，最大程度地滿足電力物聯網系統的容量。例如5.8GLTE-U技術，這項技術就是通過頻譜共享來改善了頻段資源短缺問題。但是，傳統通信技術和工作在免許可頻段通信技術的信道接入上有所不同，即傳統的移動通信使用的是中心信道分配，工作則是用退避競爭信道接入，接入上的差異性會導致免許可頻段有可能會降低性能。針對這種情況，在頻譜共享技術中，需要考慮到2個網絡的公平性，在提升傳統性能的同時保障原有通信技術的性能。因此，這種情況下電力物聯網可以使用占空比機制（降低傳統移動通信接入帶來的影響）和先聽后說機制（將2個通信在時間上區分開來），使這2種通信技術在不降低原有性能的情況下達到共存。此外，也可以通過修改傳統移動通信的接入機制，使用退避競爭協議達到與原有通信技術的共存。

3.6 網絡切片技術

網絡切片即為按需組網，是對資源充足的1項技術，通常是由無線子切片、承載網子切片和核心網子切片3部分組成的。其技術核心是網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV），由通信服務的類型來進行選擇。隨著5G網絡技術的普及，其在現今呈現出用戶與數據面分離、邊緣計算機等趨勢，為了更好地發揮其這些功能的性能，網絡切片技術是其重點。網絡切片技術能夠虛化網絡功能，通過按需組網的方式，將網絡分割成多個虛擬子網，不僅增加了網絡的容量和性能，也能夠滿足不同應用的需求。

4 結 論

隨著社會的發展和科學技術的不斷進步，電力物聯網技術也在不斷發展優化，其重要性在新階段的發展進程中不言而喻。隨著國網電力物聯網建設步伐的加快，異構網絡隨著大量的物聯網終端不同制式的無線通信技術的接入而日漸壯大，從而形成1個大型的異構網絡。為了滿足其發展趨勢，提高電力物聯網的性能和服務質量，滿足日漸增加的業務需求，高度融合的通信架構是其主要基礎。這種情況下，電信通信中異構網絡技術的研究就尤為重要，是提高通信覆蓋面積、滿足復雜的新型智能電網業務的重要途徑，也是推動社會發展的技術支撐。