用于電力物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)接入的低碰撞跳頻通信系統(tǒng)

杜書，馬玫，趙波，曾琦，劉星

研究與開發(fā)

用于電力物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)接入的低碰撞跳頻通信系統(tǒng)

杜書1，馬玫1，趙波1，曾琦2，劉星2

（1. 國網(wǎng)四川省電力公司信息通信公司，四川 成都 610041；2. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

通信網(wǎng)絡(luò)是電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和信息傳輸?shù)谋匾M成部分。為了適應(yīng)未來多種電力業(yè)務(wù)爆發(fā)式發(fā)展，接入靈活和擴(kuò)展性強(qiáng)的無線通信技術(shù)是電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方向之一。面向電力物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)大規(guī)模接入、接入時(shí)刻隨機(jī)、信息傳輸安全可靠性高等特點(diǎn)，提出一種隨機(jī)接入下具有低碰撞概率的電力跳頻通信方式，采用移位跳頻序列組合方法給出了該跳頻圖案的產(chǎn)生方法。并通過理論計(jì)算和仿真給出了這類跳頻序列特性和電力跳頻通信系統(tǒng)傳輸誤碼率性能。通過分析驗(yàn)證了所提新型低碰撞跳頻序列及其通信系統(tǒng)可以滿足電力物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模接入、高可靠通信需求，具有較好的應(yīng)用前景。

電力物聯(lián)網(wǎng)；跳頻通信系統(tǒng)；低碰撞；跳頻序列；誤碼率

0 引言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，更多的電力業(yè)務(wù)終端（如配電自動(dòng)化終端、用采業(yè)務(wù)終端、精準(zhǔn)負(fù)荷控制終端、輸電監(jiān)控終端、充電樁終端等）會(huì)接入電力物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。這種通信網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：電力業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)眾多（大規(guī)模接入）、終端接入時(shí)刻隨機(jī)（隨機(jī)接入）、信息傳輸安全可靠性高等。如何設(shè)計(jì)和采用安全可靠的通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要問題。在傳統(tǒng)無線通信中，跳頻技術(shù)作為一種最優(yōu)的安全通信方式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種關(guān)鍵通信場景（如戰(zhàn)術(shù)通信、多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等[1-2]）。已有研究也考慮將跳頻/擴(kuò)頻技術(shù)引入電力場景中（如電力線載波等），實(shí)現(xiàn)多種電力終端信息復(fù)用、終端與電力主站的雙向通信[3-6]。本文考慮的電力多業(yè)務(wù)接入跳頻（frequency-hopping，F(xiàn)H）通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。在電力主站范圍內(nèi)，大量業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)通過跳頻技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)接入時(shí)間是隨機(jī)的。由于無線信道的開放性，不同業(yè)務(wù)間可能存在相互干擾和惡意干擾。

跳頻技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，第一部跳頻電臺(tái)問世于20世紀(jì)70年代末[7]，此后關(guān)于跳頻技術(shù)的研究源源不斷。1981年，王永澄[8]研究了基于Reed-Solomon碼的跳頻圖案的性能，分析了其自相關(guān)和互相關(guān)特性以及保密特性。1983年，陳文德[9]研究了寬間隔的跳頻圖案，開辟了跳頻圖案寬間隔特性的新研究方向。1996年，梅文華[10]提出了跳頻通信的地址編碼理論，包括其理論限制和對(duì)應(yīng)的構(gòu)造。同年，葛造坤等[11]對(duì)快速跳頻電臺(tái)的同步性能進(jìn)行了研究，提出了一種實(shí)時(shí)搜索最佳同步頻率的同步方案。1999年，潘武等[12]對(duì)差分跳頻性能進(jìn)行了理論分析，并且針對(duì)差分跳頻的特點(diǎn)，提出了頻率序列檢測的方法。2007年，陳亞丁等[13]搭建了超高速跳頻通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)其抗干擾性能進(jìn)行了研究，利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分析了超高速跳頻通信抗干擾性能的提升。跳頻信號(hào)的中心頻率隨著給定的跳頻圖案（跳頻序列）隨機(jī)跳變，這種通信方式可從頻域有效地避開惡意干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)惡意干擾消除；同時(shí)，若一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)通過多跳發(fā)送（快跳頻方式），可進(jìn)一步利用頻率分集降低多徑衰落和惡意干擾的影響[7]。另外，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)跳頻序列集合能有效控制頻點(diǎn)碰撞概率，避免多節(jié)點(diǎn)之間的互干擾，提供較優(yōu)的多址接入能力。由此可以看出，跳頻圖案是跳頻技術(shù)的核心，決定了跳頻通信系統(tǒng)的抵抗惡意干擾和多址接入能力。

圖1　電力多業(yè)務(wù)接入跳頻通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，已有的跳頻序列（圖案）均以頻點(diǎn)滿足偽隨機(jī)特性為主要目的，如素?cái)?shù)跳頻序列、寬間隔跳頻序列、基于Reed-Solomon碼的跳頻序列等[7]。在這類偽隨機(jī)跳頻序列中，各頻點(diǎn)出現(xiàn)位置和次數(shù)均呈現(xiàn)均勻分布特性，可實(shí)現(xiàn)惡意干擾和跳頻網(wǎng)絡(luò)內(nèi)互干擾均勻化，使得每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)都能獲得較好的傳輸性能。也正是由于頻點(diǎn)的均勻性，傳統(tǒng)偽隨機(jī)跳頻在任意時(shí)延接入下頻點(diǎn)的碰撞概率都基本一致[7]。傳統(tǒng)跳頻序列個(gè)數(shù)和頻點(diǎn)碰撞概率完全受頻隙集合大小限制，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)接入；其次，在任意時(shí)延下傳統(tǒng)跳頻序列的頻點(diǎn)碰撞較大，不利于電力通信高可靠性傳輸需求[14-15]。在電力物聯(lián)網(wǎng)場景下，希望采用的跳頻序列具有如下特點(diǎn)：跳頻序列條數(shù)多（滿足大量節(jié)點(diǎn)接入），跳頻頻點(diǎn)隨機(jī)性好（減小惡意干擾），在任意時(shí)延下，跳頻序列的漢明相關(guān)值小（減小用戶互干擾）。但是目前的最優(yōu)偽隨機(jī)跳頻序列無法完全滿足上述需求。

針對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)通信特點(diǎn)，本文提出一種基于新型低碰撞區(qū)（low-hit-zone，LHZ）跳頻序列的電力跳頻通信網(wǎng)絡(luò)。基于常規(guī)偽隨機(jī)跳頻序列集，跳頻圖案的產(chǎn)生采用移位跳頻序列組合的方法。與傳統(tǒng)跳頻序列相比，這種LHZ跳頻序列可提供兩級(jí)的漢明相關(guān)值：在較小接入時(shí)延下，LHZ跳頻序列的漢明相關(guān)值盡可能小；在大時(shí)延下，這種LHZ跳頻序列的漢明相關(guān)值雖略有增加但仍小于傳統(tǒng)跳頻序列[16-17]。由此，新型LHZ跳頻序列可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)接入下的低碰撞概率。與類似的無碰撞區(qū)（no-hit-zone，NHZ）跳頻序列相比，在相同頻隙個(gè)數(shù)條件下，新型LHZ跳頻序列的序列條數(shù)更多，更適合大規(guī)模電力業(yè)務(wù)終端接入。以頻移鍵控（frequency shift keying，F(xiàn)SK）調(diào)制異步跳頻碼分多址系統(tǒng)的上行鏈路為例，采用跳頻技術(shù)的業(yè)務(wù)終端到主站的通信收發(fā)模型如圖2所示，驗(yàn)證了采用新型LHZ跳頻序列的電力物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的傳輸性能。研究表明，基于LHZ跳頻序列的跳頻通信體制可為電力物聯(lián)網(wǎng)提供大規(guī)模節(jié)點(diǎn)安全接入。

1 跳頻序列的相關(guān)定義及電力LHZ跳頻序列的需求

首先介紹與跳頻序列設(shè)計(jì)相關(guān)的重要概念：漢明相關(guān)函數(shù)以及LHZ跳頻序列。

圖2　采用跳頻技術(shù)的業(yè)務(wù)終端到主站的通信收發(fā)模型

對(duì)于跳頻序列集，其最大漢明自相關(guān)、最大漢明互相關(guān)和最大漢明相關(guān)分別定義為[14]：

對(duì)于跳頻序列集，令a()和c()為兩個(gè)給定的非負(fù)整數(shù)，定義漢明自相關(guān)低碰撞區(qū)大小AHZ、漢明互相關(guān)低碰撞區(qū)大小CHZ、低碰撞區(qū)大小HZ分別為：

稱滿足式（3）的跳頻序列集為LHZ跳頻序列集。

基于以上給出的LHZ跳頻序列及漢明相關(guān)函數(shù)定義，下面介紹適合電力物聯(lián)網(wǎng)通信場景的跳頻序列需求。設(shè)計(jì)的跳頻序列應(yīng)具有如下特點(diǎn)：跳頻序列條數(shù)多（滿足大量節(jié)點(diǎn)接入）、跳頻頻點(diǎn)隨機(jī)性好（減小惡意干擾）、在任意時(shí)延下跳頻序列的漢明相關(guān)值小（減小用戶互干擾）。

目前在分布式網(wǎng)絡(luò)管理方面的研究如下。

●跳頻頻隙集= {1,2,…,f}中的所有頻率被每條跳頻序列均勻使用。即每個(gè)頻點(diǎn)在序列中的出現(xiàn)位置基本隨機(jī)，出現(xiàn)次數(shù)基本相同，以保證通信抗惡意干擾能力。

●新構(gòu)造的跳頻序列集中，在準(zhǔn)同步接入時(shí)，任意兩條跳頻序列漢明互相關(guān)值小（頻率互碰撞的次數(shù)很小）。在異步隨機(jī)接入時(shí)，漢明互相關(guān)值的范圍可略微放寬但仍應(yīng)盡量小，以有效消除電力業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)互干擾。

●在相同的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)，新構(gòu)造的跳頻序列集中的序列數(shù)目比傳統(tǒng)最優(yōu)偽隨機(jī)跳頻序列的個(gè)數(shù)成倍增加，使得跳頻系統(tǒng)能容納更多的電力業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)接入。

●在相同新構(gòu)造的跳頻序列集中，任意跳頻序列的漢明自相關(guān)值（序列與其平移序列的頻點(diǎn)碰撞次數(shù)）盡可能少。

2 一種電力跳頻LHZ序列設(shè)計(jì)方法

本文利用常規(guī)偽隨機(jī)跳頻序列集，采用移位跳頻序列組合方法生成一類LHZ跳頻圖案。這類LHZ跳頻序列滿足第1節(jié)描述的電力跳頻通信需求。詳細(xì)的構(gòu)造算法主要分為3步。

步驟1 選取F上的傳統(tǒng)偽隨機(jī)跳頻序列集：

= {0,1, ... ,S-1} （5）

步驟2 令、為正整數(shù)，滿足=，定義移位序列= (0,, 2, …, (-1))。生成移位跳頻序列：

且：

基于上述構(gòu)造方法得到的跳頻序列集具有以下性質(zhì)。

證畢。

3 序列實(shí)例與比較

本節(jié)按照上述的序列構(gòu)造方法，給出一個(gè)適合電力物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)接入的LHZ跳頻序列實(shí)例，給出其漢明相關(guān)特性，并和已有的傳統(tǒng)跳頻序列進(jìn)行比較。

下面將本文提出的跳頻序列與無碰撞區(qū)跳頻序列性能比較[20]。如果構(gòu)造同樣參數(shù)的NHZ跳頻序列集，即頻隙集大小、序列長度、NHZ大小相同的情況下，根據(jù)Ye-Fan界[20]有：

即在頻隙集大小、序列長度、NHZ大小相同的情況下，NHZ跳頻序列集最多只有2條序列。本文構(gòu)造的LHZ跳頻序列集與NHZ跳頻序列集參數(shù)比較見表1。

4 基于低碰撞序列的電力跳頻通信的傳輸性能

本節(jié)將跳頻技術(shù)及構(gòu)造的LHZ跳頻序列應(yīng)用于電力物聯(lián)網(wǎng)多業(yè)務(wù)終端通信網(wǎng)，并采用MATLAB仿真軟件研究該電力物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的傳輸性能（以誤碼率為指標(biāo)）。采用圖2所示的通信收發(fā)模型，在電力業(yè)務(wù)終端側(cè)，數(shù)據(jù)采用FSK調(diào)制后再送入跳頻模塊。跳頻載波的中心頻率跳頻規(guī)律由本文設(shè)計(jì)的LHZ跳頻序列控制，且不同的業(yè)務(wù)終端使用跳頻序列集中不同的跳頻序列，從而實(shí)現(xiàn)跳頻多址接入（FH multi-access，F(xiàn)HMA）。為了方便分析，本文考慮經(jīng)典的FSK調(diào)制的跳頻系統(tǒng)（FSK/FH系統(tǒng)），假設(shè)一個(gè)FSK符號(hào)由一跳發(fā)送，且相鄰跳頻頻點(diǎn)間隙足夠大，能保證跳頻信號(hào)間相互正交。在主站接收端，接收到多個(gè)電力業(yè)務(wù)終端發(fā)來的信號(hào)依次進(jìn)行解調(diào)、非相干解調(diào)和判決，最終得到發(fā)送的數(shù)據(jù)[7]。

表1　本文構(gòu)造的LHZ跳頻序列集與NHZ跳頻序列集參數(shù)比較

圖3　采用低碰撞跳頻序列的電力物聯(lián)網(wǎng)FSK/FH通信系統(tǒng)性能

為了驗(yàn)證本文所提的低碰撞跳頻序列是否符合電力物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)指標(biāo)需求，這里選取某省的12 類業(yè)務(wù)作為應(yīng)用場景。根據(jù)該省提供的指標(biāo)數(shù)據(jù)，整理得出的某省12類業(yè)務(wù)的可靠性需求見表2。

表2　某省12類業(yè)務(wù)的可靠性需求

從表2可以看出，用電信息采集、智能營業(yè)廳、基建視頻監(jiān)控、倉儲(chǔ)管理、綜合能源、變電站一鍵順控及運(yùn)維班全面監(jiān)視項(xiàng)目這6類業(yè)務(wù)的可靠性需求均大于或等于90%，即誤碼率應(yīng)小于或等于0.1，于是選取跳頻序列集中的6條序列對(duì)其進(jìn)行信息傳輸。由圖3可以看出，在信噪比為20 dB時(shí)，其業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)= 6時(shí)的誤碼率小于10-1，滿足其可靠性需求。同時(shí)，配電自動(dòng)化（二遙）、配電自動(dòng)化（三遙）、供電電壓自動(dòng)采集、輸配變機(jī)器巡檢這4類業(yè)務(wù)的可靠性需求大于或等于95%，即誤碼率應(yīng)小于或等于0.05，則選取跳頻序列集中的另外4條序列對(duì)其進(jìn)行信息傳輸。由圖3可看到，在信噪比為20 dB時(shí)，其業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)= 4時(shí)的誤碼率介于10-2和10-1之間，由圖3可判斷其值小于或等于0.05，則滿足其可靠性需求。最后，電動(dòng)汽車充電樁和精準(zhǔn)負(fù)荷控制的可靠性需求大于或等于99%，誤碼率應(yīng)小于或等于0.01，于是選取跳頻序列集中余下的2條序列對(duì)其進(jìn)行信息傳輸。由圖3可看到，在信噪比為20 dB時(shí)，其業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)=2時(shí)的誤碼率小于10-2，滿足其可靠性需求。則采用該低碰撞跳頻序列可使得所有的電力業(yè)務(wù)滿足可靠性需求，即本文所提低碰撞跳頻序列是可行的。

5 結(jié)束語

針對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中大規(guī)模終端隨機(jī)接入、高可靠安全傳輸?shù)男枨螅疚奶岢霾捎锰l技術(shù)的電力物聯(lián)網(wǎng)通信體制；利用循環(huán)移位和組合方法設(shè)計(jì)了一類新型的低碰撞跳頻序列集。通過理論分析證明了，這類跳頻序列在隨機(jī)接入下具有較低的頻點(diǎn)碰撞概率；且在相同參數(shù)下，序列條數(shù)比其他類似的無碰撞區(qū)跳頻序列條數(shù)更多，更適合電力物聯(lián)網(wǎng)的通信需求。最后通過仿真驗(yàn)證了這類低碰撞跳頻序列在電力跳頻通信系統(tǒng)中的傳輸性能。通過上述分析可知，所提低碰撞跳頻序列及其通信系統(tǒng)可以滿足電力物聯(lián)網(wǎng)通信需求，具有較好的應(yīng)用前景。

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Low-hit frequency-hopping communication systems for power Internet of things random access

DU Shu1, MA Mei1, ZHAO Bo1, ZENG Qi2, LIU Xing2

1. State Grid Sichuan Electric Power Company, Information Communication Company, Chengdu 610041, China 2. College of Electrical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China

The communication network is an essential component of the data acquisition and information transmission in power Internet of things (IoT). To meet the development requirements of multiple power service in the future, the wireless communication technique with flexible-access and high scalability is one of the development directions for power IoT. Due to the features of large-scale access, random access time, high security and reliability for information transmission of power IoT, a frequency-hopping (FH) technique with low-hit rate for random access was proposed. The construction algorithm of such FH pattern was based upon the combination and shift operation of conventional FH sequences. By the theoretical arithmetic and numerical simulation, the properties of the proposed FH pattern and the error-rate of the FH-based power IoT were evaluated. The analysis reveals that the new class of FH sequences and the system can meet the requirements of large-scale access and highly reliable communication for the power IoT, which has good application prospects.

power Internet of things, frequency-hopping communication system, low hit, frequency-hopping sequence, BER

TM727.2

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2023018

2022-05-17；

2023-01-10

曾琦，qzeng1@hotmail.com

國網(wǎng)四川省電力有限公司科技項(xiàng)目“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)感知層終端接入網(wǎng)研究”（No. 52194719003K）

The Science and Technology Project of State Grid Sichuan Electric Power Co., Ltd. “Research on Terminal Access Networks in Sensing Layer of Ubiquitous Power Internet of Things” (No. 52194719003K)

杜書（1983-），男，博士，國網(wǎng)四川省電力公司信息通信公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ偶夹g(shù)應(yīng)用。

馬玫（1982-），女，國網(wǎng)四川省電力公司信息通信公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ拧?/p>

趙波（1987-），男，國網(wǎng)四川省電力公司信息通信公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ胚\(yùn)行。

曾琦（1982-），男，博士，四川大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)信息技術(shù)、電力物聯(lián)網(wǎng)。

劉星（1986-），男，博士，四川大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏νㄐ偶夹g(shù)與信息理論。