一種面向電力設(shè)施的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及頻譜競爭分配方案

摘要：為提升電力設(shè)施傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測效率，通過引入無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)電力設(shè)施傳感器監(jiān)測性能需求，對(duì)無線傳感器監(jiān)測頻譜分配問題進(jìn)行了深入研究，提出了基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)頻資源競爭分配機(jī)制；在此基礎(chǔ)上，利用MATLAB仿真軟件對(duì)所提出的頻譜競爭分配機(jī)制進(jìn)行了仿真。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；頻譜共享方案；多層多簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.003

中圖分類號(hào)：TN 92，TP 277" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-000-03

A Wireless Sensor Network and Spectrum Allocation Scheme for Power Facilities

JIN Jing1，2

（1.CHN Energy ZhiShen Control Technology Co.， Ltd.， Beijing 102200， China;

2.Beijing Engineering Research Center of Power Station Automation， Beijing 102200， China）

Abstract： In order to improve the monitoring efficiency of power facility sensor network， the wireless sensor network was constructed by introducing wireless Internet of Things technology. According to the monitoring performance requirements of power facility sensors， the spectrum allocation of wireless sensor monitoring was deeply studied， and the time-frequency resource competition allocation mechanism based on priority was proposed. On this basis， the proposed spectrum competition allocation mechanism is simulated by using MATLAB simulation software.

Key words： IoT; spectrum sharing scheme; multi-layers and multi-clusters wireless network

0" 引言

當(dāng)前，無線通信技術(shù)的應(yīng)用正促進(jìn)無線物聯(lián)網(wǎng)的全面發(fā)展[1]。然而，無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國電力基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用比例仍較低，目前我國電力基礎(chǔ)設(shè)施中信息交互傳輸主要依賴有線網(wǎng)絡(luò)，大量傳感器基于光纖或網(wǎng)線等完成信息的上傳、匯聚，從而導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度極高、部署維護(hù)成本極大，并且后期難以擴(kuò)展[2]。隨著智能電廠的提出及推進(jìn)，為在電力基礎(chǔ)設(shè)施中采用無通信技術(shù)、引入無線物聯(lián)網(wǎng)提供了基礎(chǔ)[3]。

不同于有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸基于電磁信號(hào)，由于電磁波輻射的開放性，對(duì)無線物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)的傳輸線路及方向無法像有線網(wǎng)絡(luò)傳輸那樣進(jìn)行嚴(yán)格約束，因此信號(hào)間易產(chǎn)生干擾。為避免電磁干擾，各路無線物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)需在頻域、時(shí)域、空域或碼域上實(shí)現(xiàn)正交[4]。具體來說，各路物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)可通過采用不同的發(fā)射頻點(diǎn)或設(shè)置不同的傳輸時(shí)間實(shí)現(xiàn)互不干擾，也可以通過拉開空間距離或采用不同的正交編碼規(guī)避相互間的干擾。電力基礎(chǔ)設(shè)施傳感器種類多樣、數(shù)量巨大且部署位置較近，傳感器上傳信息量巨大，需對(duì)有限的頻譜資源進(jìn)行高效復(fù)用，因此無線傳輸鏈路間極易產(chǎn)生干擾，而受限于傳感器所處空間及正交編碼數(shù)量的有限性，空間復(fù)用及碼分復(fù)用技術(shù)并不適用于電力傳感器數(shù)據(jù)的無線回傳。為此，本文將基于時(shí)域及頻域復(fù)用技術(shù)研究面向電力設(shè)施的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及頻譜競爭分配方案，在頻譜資源受限的情況下，構(gòu)建滿足傳輸時(shí)延、傳輸質(zhì)量的多層級(jí)無線物聯(lián)網(wǎng)。

1" 多層級(jí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

本文多層級(jí)無線傳感器設(shè)計(jì)的思路是為每類傳感器建立一個(gè)多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)，以火力發(fā)電站制粉系統(tǒng)為例，如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器類型多樣，包括采集磨煤機(jī)溫度值的傳感器、采集壓力值的傳感器以及采集電流值的傳感器，各類傳感器均配置了無線通信模塊；根據(jù)接收信噪比將其分成若干小組，并設(shè)置組員、中心節(jié)點(diǎn)。各中心節(jié)點(diǎn)傳感器負(fù)責(zé)融合所在小組內(nèi)各傳感器上傳的數(shù)據(jù)[5]。存在邏輯關(guān)系的各小組間可建立大組，并構(gòu)建數(shù)據(jù)匯聚中心。并且根據(jù)數(shù)據(jù)融合的層級(jí)，可建立設(shè)備級(jí)的數(shù)據(jù)融合中心以及系統(tǒng)級(jí)的融合中心，前者負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備內(nèi)各類傳感器上報(bào)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)的全面刻畫，后者負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備融合中心上報(bào)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的刻畫。因此，整個(gè)多層級(jí)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浔举|(zhì)上可以認(rèn)為是一個(gè)多層小組嵌套的結(jié)構(gòu)。

2" 基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)頻資源競爭分配機(jī)制

本文設(shè)計(jì)基于傳輸優(yōu)先級(jí)的時(shí)頻資源分配機(jī)制[6]，其具體思想是：對(duì)頻譜資源進(jìn)行時(shí)域及頻域分割，形成單位時(shí)頻資源塊。各傳感器先對(duì)各資源塊進(jìn)行感知，如果發(fā)現(xiàn)空閑，則對(duì)空閑資源塊進(jìn)行占用，若發(fā)現(xiàn)無空閑資源塊，則等待一段時(shí)間再進(jìn)行頻譜感知，具體流程為如下所述。

首先，制定小組內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。相比信令交互數(shù)據(jù)，運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸更為重要。為此，可在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)定義兩大類優(yōu)先級(jí)傳輸，即運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸為高優(yōu)先級(jí)，信令交互數(shù)據(jù)為低優(yōu)先級(jí)。

然后，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)高低對(duì)WTN與NW進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新（WTN是算法中退避參數(shù)值，定義信道占用發(fā)生沖突時(shí)，低優(yōu)先級(jí)者需要等待的時(shí)間；NW是算法中偵聽參數(shù)值，信道占用前需要完成信道偵聽的次數(shù)）。

（1）初始化：在同類型小組內(nèi)設(shè)置相同的WTN與NW值。

（2）當(dāng)組員發(fā)現(xiàn)頻譜占用時(shí)，根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)對(duì)WTN進(jìn)行如下更新。

a）首先對(duì)WTN值進(jìn)行初始化，初始化值根據(jù)上次頻譜感知的情況來設(shè)定，若為首次退避，則設(shè)為最小值，即WTNmin。

b）進(jìn)行頻譜感知，并判斷頻譜是否被占用；如果沒占用，則判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)更新下單次延時(shí)指數(shù)值為WTNi+1/ki （i=1， 2），并在區(qū)間[2WTNi-1， 2WTNi+1-1]內(nèi)隨機(jī)生產(chǎn)相應(yīng)的退避周期Tgbackoff。

c）若頻譜被占用，則對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判決，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行更新：若為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸，則降低等待初始值為k1WTNi，若為低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸，增大等待初始值為k2WTNi，并在區(qū)間[2WTNi-1， 2WTNi+1-1]內(nèi)隨機(jī)生產(chǎn)相應(yīng)的退避周期Tgbackoff。

d）當(dāng)退避周期Tgbackoff結(jié)束時(shí)，再進(jìn)行頻譜感知，對(duì)頻譜占有情況進(jìn)行判決；如果頻譜被占用，則返回步驟c）；如果頻譜未占用，則保存本次的延時(shí)指數(shù)值并用于產(chǎn)生下次退避等待時(shí)間。

（3）當(dāng)組員在接入頻譜遇到?jīng)_突時(shí)，根據(jù)不同的時(shí)延要求對(duì)NW進(jìn)行如下更新。

a）當(dāng)啟動(dòng)競爭窗口等待計(jì)數(shù)器時(shí)，首先根據(jù)當(dāng)前頻譜擁塞情況，計(jì)算競爭窗口等待初始值，即NWini；然后在[NWini， NWini+LNW]區(qū)間內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生NWn作為競爭窗口值。LNW為固定的整數(shù)。

b）開始感知頻譜，若頻譜被占用，等待一個(gè)退避周期，重新執(zhí)行本步驟；若頻譜空閑，更新NWn=NWn-1。

c）判斷NWn是否等于0；若不等于0，執(zhí)行步驟b）；若為0，則獲得頻譜使用權(quán)。

d）獲取頻譜，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量判斷是否發(fā)生頻譜干擾；若發(fā)生干擾，則根據(jù)本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)對(duì)競爭窗口等待起始值進(jìn)行更新，并返回步驟a）進(jìn)行重傳；若沒有發(fā)生干擾，則計(jì)算本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髸r(shí)延ys，根據(jù)該最大時(shí)延計(jì)算更新后續(xù)競爭窗口等待初始值。

步驟d）中所涉及的競爭窗口等待初始值更新方法及最大時(shí)延計(jì)算方法具體如下所述。當(dāng)頻譜發(fā)生占用沖突時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行如下更新：若為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸，則降低等待初始值為[k3NWini]；若為低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸，增大等待初始值為[k4NWini]，1lt;k3lt;k4，[.]IN為取整運(yùn)算。在數(shù)據(jù)傳輸完成后，計(jì)算本次數(shù)據(jù)的最大時(shí)延，并根據(jù)當(dāng)前及上次累計(jì)的最大時(shí)延對(duì)下次數(shù)據(jù)傳輸?shù)母偁幋翱诘却跏贾礜Wini進(jìn)行更新。

若當(dāng)前及上次累計(jì)的最大時(shí)延大于所要求的最大時(shí)延門限值，將NWini更新為NWini，current，即為競爭窗口等待起始值；若當(dāng)前及上次累計(jì)的最大時(shí)延小于所要求的最小時(shí)延門限值，將NWini更新為NWmin，即為最小競爭窗口等待起始值；其他情況則將NWini更新為NWmin+（NWini，current -NWmin）yst，yst為關(guān)于最大時(shí)延門限值及最小時(shí)延門限值的函數(shù)，可在實(shí)際環(huán)境中測試選取。

3" 仿真分析

本小節(jié)對(duì)延時(shí)指數(shù)WTN的更新策略進(jìn)行仿真分析。仿真工具采用MATLAB仿真軟件。由于WTN動(dòng)態(tài)更新策略涉及動(dòng)態(tài)更新參數(shù)k1、k2及小組成員數(shù)量N三個(gè)參數(shù)，仿真主要分析驗(yàn)證k1、k2、N對(duì)本文算法的影響。定義r12為k2與k1的比值，即r12=k2/k1；定義平均頻譜感知占用概率為各組員感知頻譜時(shí)發(fā)現(xiàn)被占用的平均概率；最大空閑時(shí)長為頻譜能量接近噪聲所持續(xù)的最大時(shí)長。假設(shè)WTN初始值WTNmin為5 ms；每隔0.5 ms各組員決定是否啟動(dòng)頻譜感知，各組員等概率進(jìn)行頻譜感知；傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及控制信令的概率分別為70%和30%。假設(shè)NW為最小值1.5 ms，且組員接入頻譜時(shí)不會(huì)發(fā)生占用沖突；針對(duì)每組k1、r12、N仿真進(jìn)行5 000次，計(jì)算平均頻譜感知占用概率及頻譜最大空閑時(shí)長。

當(dāng)小組規(guī)模N為20，k1∈[1，2]，r12∈[1，3]時(shí)，計(jì)算得到的平均頻譜感知占用概率及最大空閑時(shí)長分別如圖2、圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著k1及r12的升高，平均頻譜感知占用概率在不斷降低。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)k1較小時(shí)，提升r12值可大大減小平均頻譜感知占用概率；而當(dāng)k1較大時(shí)，增大r12值減少平均頻譜感知占用概率的程度相對(duì)弱化；由圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)k1較大時(shí)，增大r12值可明顯增大頻譜的空閑時(shí)長；而當(dāng)k1較小時(shí)，提高r12值所導(dǎo)致的最長頻譜空閑時(shí)長則較短。綜合考慮平均頻譜感知占用概率與最大頻譜空閑時(shí)長（當(dāng)然前者性能更為重要），應(yīng)在道道特定平均頻譜感知占用概率的情況下，盡可能減少頻譜空閑時(shí)長。若考慮平均頻譜感知占用概率低于10%，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)k1=1.3、r12=3時(shí)，頻譜最大空閑時(shí)長最低，為6 ms。

綜合以上分析，可以發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的延時(shí)指數(shù)WTN更新機(jī)制，應(yīng)以增大r12為主，k1的取值可以相對(duì)較小，即以增大k2為主。而最優(yōu)的k1、k2取值與小組規(guī)模相關(guān)。

4" 結(jié)束語

本文面向智能電廠等電力基礎(chǔ)設(shè)施傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳需求，引入無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建適用于多類型大規(guī)模傳感器的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；并在此基礎(chǔ)上提出了一種頻譜競爭分配機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)有限頻譜資源的高效利用。■

參考文獻(xiàn)

[1] 王斯薈．基于廣電5G+WiFi6+LoRa融合的企業(yè)移動(dòng)物聯(lián)專網(wǎng)方案研究[J]．通信技術(shù)，2020， 53（08）：1952-1958.

[2] 金晶．面向火電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2016.

[3] 李維聰，劉霞．基于無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄苋剂瞎芾響?yīng)用方案研究[J]．南方能源建設(shè)，2021，8（02）：56-62.

[4] 林俊．面向電力物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)研究[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2020.

[5] 何婷．火力發(fā)電實(shí)時(shí)預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．武漢：中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，2020.

[6] 牛釗，馬濤，盧嶄嶄．三種不同干擾下CSMA/CA機(jī)制的性能分析[J]．艦船電子工程傳輸學(xué)報(bào)，2016（03）：68-73.