基于微波技術(shù)的低功耗無線自主網(wǎng)技術(shù)

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局 鄭武略 張?zhí)旌?王瑞顯 劉楠

針對應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)功率消耗量較大問題，為此提出基于微波技術(shù)的低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)研究。根據(jù)輸電線路桿塔為線狀分布的特點，構(gòu)建星型+鏈型通信信道，開展星型+鏈型組網(wǎng)；利用微波技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無線通信；根據(jù)通信信號強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗關(guān)系開發(fā)智能通信鏈路管理算法，依據(jù)設(shè)定的通信信道強(qiáng)度門限值計算通信鏈路狀態(tài)，以此完成基于微波技術(shù)的低功耗無限自主網(wǎng)。經(jīng)實驗證明，應(yīng)用此次設(shè)計技術(shù)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)功率消耗值低于傳統(tǒng)技術(shù)，可以滿足無限自主網(wǎng)低功耗技術(shù)需求。

低功耗無限自主網(wǎng)是以Ad Hes 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，無限極、無中心、自主管理、多跳共享且能滿足低功耗要求的無限網(wǎng)絡(luò)，由于低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用過程中無需基礎(chǔ)設(shè)施，可以快速開展聯(lián)網(wǎng)的同時還具有較強(qiáng)的抗毀性，因此低功耗無限自主網(wǎng)得到了越來越多的重視。由于國內(nèi)對于低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究起步比較晚，理論資源比較少，一些技術(shù)問題尚待解決。低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)具有廣闊的開發(fā)前景，但是現(xiàn)有的技術(shù)在實際應(yīng)用中由于涉及的通信設(shè)備比較多，并且組網(wǎng)技術(shù)還不夠成熟，采用的智能鏈路管理算法計算過程比較復(fù)雜，導(dǎo)致消耗的功率較大，已經(jīng)無法滿足低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)要求，為此提出基于微波技術(shù)的低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)研究。微波技術(shù)可以利用電磁波實現(xiàn)在大氣中的視距傳輸信息，具有良好的微波信道傳輸特性，外界環(huán)境因素對其影響比較小，因此目前微波技術(shù)已經(jīng)被得到廣泛應(yīng)用，尤其是在無線通信技術(shù)領(lǐng)域中[1]。此次以微波技術(shù)理論作為理論依據(jù)，設(shè)計一種新的低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)，降低功耗，為低功耗無限自主網(wǎng)提供參考依據(jù)。

1 基于微波技術(shù)的低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)設(shè)計

1.1 開展星型+鏈型組網(wǎng)

低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)設(shè)計開發(fā)首先要對組網(wǎng)鏈路進(jìn)行規(guī)劃，由于輸電線路桿塔大多為線狀分布，為了有效規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)資源，此次采用星型+鏈型組網(wǎng)方式進(jìn)行低功耗無限自主網(wǎng)，如圖1 所示為星型+鏈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 星型+鏈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Star+chain network structure diagram

如圖1 所示，根據(jù)實際設(shè)備數(shù)量確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量不宜過多，也不宜過少，節(jié)點的分布形態(tài)和連接方式根據(jù)輸電線路桿塔為線狀分布的特點，此次網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的布點方式采用星型+鏈型，星型+鏈型的布點方式可以縮短鏈路路徑，同時還與輸電線路桿塔布局相符合，可以降低網(wǎng)絡(luò)線路功耗。此次設(shè)計的組網(wǎng)還采用了分級結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點劃分成一個簇或者多個簇，簇頭之間形成一個高級的網(wǎng)絡(luò)，簇頭可以預(yù)先指定，另其負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的傳輸。在星型+鏈型組網(wǎng)中，節(jié)點分為高級節(jié)點和低級節(jié)點，普通的簇成員為低級節(jié)點，簇頭為高級節(jié)點。兩種級別的節(jié)點任務(wù)分工不同，因此為了有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，對不同級別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用不同的頻率進(jìn)行通信，各個簇成員之間的通信采用一種頻率，簇頭與簇頭之間的通信采用另一種通信頻率，這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充性，并且使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不容易受到限制。

在星型+鏈型組網(wǎng)過程中需要確定簇頭和簇成員的數(shù)量，簇成員和簇頭的數(shù)量不宜過多，也不能過少，在網(wǎng)絡(luò)中簇頭的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)簇成員之間路由的維護(hù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況將資源分配到各個簇成員上，因此可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況來確定簇成員和簇頭數(shù)量，其計算公式如式（1）所示：

公式（1）中，TRF表示網(wǎng)絡(luò)負(fù)載因子；n表示組網(wǎng)中簇頭數(shù)量；x表示簇成員數(shù)量；a表示星型+鏈型組網(wǎng)中每個簇頭的平均鄰居節(jié)點數(shù)；w表示星型+鏈型組網(wǎng)中總的節(jié)點數(shù)量。利用公式（1）計算出星型+鏈型組網(wǎng)中簇頭和簇成員的數(shù)量，以此完成了星型+鏈型組網(wǎng)。

1.2 基于微波技術(shù)的無線通信

完成組網(wǎng)工作后，需要對網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，由于傳統(tǒng)技術(shù)在實際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)容易外界因素的干擾，影響網(wǎng)絡(luò)通信功能，基于此需求采用微波技術(shù)。微波技術(shù)利用發(fā)信機(jī)作為信號發(fā)射器，以收信機(jī)作為信號接收器，采用脈沖寬度調(diào)制方式對網(wǎng)絡(luò)通信信號進(jìn)行調(diào)制。微波技術(shù)使用不同的脈寬表示不同的符號，用序列表示為如式（2）所示：

公式（2）中，e(t)表示微波脈沖寬度調(diào)制的數(shù)字基帶信號；g表示n個可能的占空比；表示持續(xù)時間內(nèi)的矩形脈沖[2]。微波技術(shù)對數(shù)字基帶信號進(jìn)行變頻生成脈沖寬度調(diào)制信號，再經(jīng)過放大器將網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行放大，將其作為輸入信號輸入到網(wǎng)絡(luò)中[3]。為了避免外界因素對微波信號的干擾，在網(wǎng)絡(luò)中布置一個干擾器，利用干擾器降低輸入信號的饒信比，以此保證組網(wǎng)中數(shù)據(jù)的有效傳輸。

低功耗無限自主網(wǎng)傳遞的信息種類較多，為了保證組網(wǎng)信息傳遞有效，通過調(diào)制電磁波瞬時頻率來表達(dá)不同的組網(wǎng)信息[4]。將組網(wǎng)的通信信道定義在466-467頻，建立十個信道組，每個信道組由兩個無線信道組成，這兩種無線信道一種是0 號信道組，另一種是工作信道組，其中0 號信道組用于低功耗無限自主網(wǎng)維護(hù)，工作信道組用于低功耗無限自主網(wǎng)通信，對每個信道組的中心頻率進(jìn)行設(shè)定，由于此次設(shè)計的是低功耗無限自主網(wǎng)，需要滿足低功耗需求，因此將中心頻率設(shè)定在466～467Hz 之間，具體如表1 所示。

表1 微波信道組中心頻率表Tab.1 Center frequency table of microwave channel group

將電磁波信號發(fā)射器和信號接收器的頻率偏差值設(shè)定為25±5kHz，確保不同信號的準(zhǔn)確接收和發(fā)送。

1.3 開發(fā)智能通信鏈路管理算法

此次設(shè)計的低功耗無限自主網(wǎng)涉及的微波設(shè)備較多，并且信道鏈路也比較復(fù)雜，為保證信道鏈路資源得到合理分配，并且降低功耗，在上文基礎(chǔ)上，開發(fā)智能通信鏈路管理算法。據(jù)有關(guān)研究資料表明，通信消耗的功率與接收信號強(qiáng)度有直接關(guān)系，接收信號強(qiáng)度越強(qiáng)則消耗的功率值越高，而接受信號強(qiáng)度可以用來表示當(dāng)前信號是否處于空閑狀態(tài)，如果通信信道處于空閑狀態(tài)，則需要及時關(guān)閉該通道，以此保證功率的有效利用。因此根據(jù)該理論開發(fā)智能通信鏈路管理算法。

無線節(jié)點可以接收的信號強(qiáng)度最大范圍為90-120，如果信號強(qiáng)度超出該范圍，則可以視為網(wǎng)絡(luò)通信異常，功率消耗過高，因此此次在算法中設(shè)計一個信號強(qiáng)度門限值，如果信號強(qiáng)度超出門限值，則說明網(wǎng)絡(luò)中不存在需要發(fā)送的信號，此時關(guān)閉通道；如果信號強(qiáng)度沒有超出門限值，則說明網(wǎng)絡(luò)中存在有待發(fā)射的無線節(jié)點，此時打開通信通道[5]。利用HFV 軟件測評網(wǎng)絡(luò)通信信道的信號強(qiáng)度，在通過微波信號接收器打開信道的信號強(qiáng)度評估，從一個8 位的寄存器讀取到精度在0.25dB 的信號強(qiáng)度值，對其進(jìn)行計算，其計算公式如式（3）所示：

公式（3）中，n表示通信鏈路狀態(tài)，打開或者關(guān)閉；s表示通信鏈路信號強(qiáng)度值；d表示通信鏈路通信強(qiáng)度門限值；t表示通信時間。利用上述公式計算出通信鏈路管理指令，將其發(fā)送到低功耗無限自主網(wǎng)平臺上，并采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息與指令交互，保證在低功率下實現(xiàn)微波設(shè)備運(yùn)行，以此完成基于微波技術(shù)的低功率無限自主網(wǎng)技術(shù)設(shè)計。

2 實驗論證分析

實驗以小組為實驗環(huán)境，根據(jù)該小區(qū)用網(wǎng)需求進(jìn)行低功率無限自主網(wǎng)。通過無線節(jié)點12 針外接口與該小區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接，通過串口與微波設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，該小區(qū)用戶數(shù)量為1000戶，占地面積為1253.42m2，相鄰兩個單元之間的距離為156m，因此共設(shè)計200 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將小區(qū)正中間單元樓設(shè)定為中心節(jié)點，由中心節(jié)點向外發(fā)送信息類指令，根據(jù)每個單元地址逐個讀取通信數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息通過串口上傳到PC 機(jī)上。實驗中設(shè)計到的電子設(shè)備共45臺，令兩種技術(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，通信時間為6h，通信的數(shù)據(jù)量分別為100GB、200GB、300GB、400GB、500GB、600GB，在通信過程中測量到兩個網(wǎng)絡(luò)功率消耗值，根據(jù)技術(shù)開發(fā)要求，低功耗無限自主網(wǎng)每小時每平方米的功耗不得超過10W，如果超過該標(biāo)準(zhǔn)則視為技術(shù)不合格，因此將其作為實驗結(jié)果，對此次設(shè)計的基于微波技術(shù)的低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行驗證，實驗結(jié)果如表2 所示。

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用此次設(shè)計技術(shù)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)功率消耗較低，符合技術(shù)要求，并且遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)技術(shù)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)，此次根據(jù)通信設(shè)備功率消耗特點開發(fā)了相應(yīng)的管理算法，并且采用了星型+鏈型通信信道，可以有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，降低網(wǎng)絡(luò)功率消耗，因此實驗證明了此次設(shè)計的技術(shù)可以滿足低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)需求。

表2 兩種技術(shù)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)功率消耗對比（W）Tab.2 Comparison of network power consumption (W) developed by two technologies

3 結(jié)語

此次結(jié)合低功耗需求，設(shè)計的低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過現(xiàn)場實驗驗證，技術(shù)能夠有效應(yīng)用，在保證正常通信的同時還能確保網(wǎng)絡(luò)功率消耗最低，具有良好的現(xiàn)實應(yīng)用價值。由于時間限制，低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)還存在一些不足，雖然完成了基本的組網(wǎng)設(shè)計，但是該項技術(shù)在諸多方面還需要有待完善與優(yōu)化，比如智能通信鏈路管理算法仍需要完善，今后仍會在該方面進(jìn)行進(jìn)一步研究與探索，為低功耗無限自主網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

引用

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[2] 王輝.廣播電視信號傳輸中數(shù)字微波技術(shù)應(yīng)用研究[J].電子世界,2020(20):208-209.

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