基于微功率技术的现场通信网络适应性研究

基于微功率技术的现场通信网络适应性研究

0微功率无线系统在域网通信网络中应用案例在构建现场输电网络通信网络（田地网络，fa）时，无线网络具有成本低、易受访问方便的优点。当前无线网络技术方案中,国家频谱管理政策限制了采用蜂窝无线网络技术［２－３］进行大规模电力通信专网建设,而采用工业、科学和医疗(ISM)频段的微功率无线技术具有组网灵活、系统简洁的优势,成为电力通信的重要技术选择之一。然而,大多数微功率无线技术,例如无线传感网络［４］、无线局域网［５］,其设计初衷是应用于小范围的近距网络(homeareanetwork),实现多点接入功能,在输配电线路等通信距离长达数公里的现场网络中,使用微功率无线技术获得的通信性能与其在原始设计环境(工作范围为100m)下有较大差别。另一方面,微功率无线技术也未考虑工业级环境的需求,例如IEEE802.11g设计在非同步的数据通信业务体制下,没有提供工业级控制类业务的时间同步要求。目前,在一些针对微功率无线远距离传输的研究中,开展了对通信协议在远距传输中的理论性能分析［５－７］,从协议的角度提出微功率无线技术在远距离传输中的适应方案［８］。但是,上述成果并未从工程角度提供通信距离与通信性能之间的关系,未考虑信号强度对传输性能的影响。在当前的各项微功率无线技术中,IEEE802.11g(2.4GHz)技术使用ISM频段,具有物理层传输速率较高(54Mbit/s)、技术成熟、向下兼容IEEE802.11b等优点。因此,本文以IEEE802.11g技术为例,分析了微功率无线技术的通信距离与业务带宽、业务时延之间的关系,通过计算、仿真、实验,获得了微功率无线技术与IEEE2030标准定义的通信技术指标的适应性,为智能电网的现场通信网络的工程应用提供参考。最后,针对电力业务的同步要求,本文分析了微功率无线技术对同步的支持能力,提出了一种基于软件层面实现业务同步的技术方案,并进行了理论分析和仿真。1微功率无线距离通信在实际的输电线路现场网络中,档距通常为1km左右,最长不超过3km;而配电线路中,档距通常在100m左右,最长不超过300m。一方面,实现微功率无线的远距离通信需要考虑天线设计、功率控制、协议适配;另一方面,也要考虑通信距离增加后带来的通信带宽、时延性能参数变化,为理论分析和工程设计提供参考。1.1无线传输节点在输配电线路信息节点之间组成线状、多跳的无线网络,如图1所示。在每一个杆塔处布置一个无线传输节点,节点通过使用高增益的定向天线,配合适当的发送功率控制,满足不同传输距离下的远距离通信。该节点实现以下功能:1收集线路杆塔上传感器采集到的信息,并传递到变电站;2信息的中继传输,实现临近杆塔之间通信;3将同步网的时钟信息,向终端的节点逐级传递。1.2信号距离对物理层选择的影响上述组网方式的通信本质为点对点多跳传输,其性能分析的根本是分析点对点通信的性能。而在实际的工程中,决定无线传输性能的因素如下。1)接收信号的强度。IEEE802.11g在物理层使用了正交频分复用(OFDM)技术,配合不同的调制方式和编码方式,实现了最高为54Mbit/s的物理层速率。在实际系统中,传输距离越远,接收信号强度越小,收发双方能够选择的物理层技术受到了限制,因此,需要分析传输距离对物理层技术选择的影响。2)协议的效率。IEEE802.11g在媒体接入控制(MAC)层使用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的信道接入控制协议,随着距离的增加,无线电在空中传输的时间也增大,随之增大的是半双工方式下节点发送数据产生碰撞的概率,需要充分考虑远距离传输对碰撞概率的影响。下面从接受信号强度、远距离传输对碰撞的影响及碰撞概率3个方面分析远距离传输对IEEE802.11g的性能约束,随后根据性能约束,计算点对点传输的极限吞吐量和最大传输时延,最后根据得到的传输性能计算出最大同步误差。1.2.1通信性能限制的分析1.2.1.接收信号强度在无线信道中,信号损失主要有无线电在空中进行传播引起的路径损耗和多径引起的快衰落。在输电、配电线路中,通信节点之间是视距传输,且周围的障碍物较少,因此仅考虑路径损耗。对此,采用文献模型进行计算,得到接收信号强度Pｒ为:式中:Pｔ为发送信号的强度;Gｔ为发送天线的增益;Gｒ为接收天线的增益;dｋｍ为节点之间的距离;fｍｈｚ为IEEE802.11g工作的频点。1.2.1.传播时延和时延由于在现场网络中,通信节点之间较远的传输距离增加了无线电信号在空中的传播时延,从而影响使用半双工通信方式的两端点之间竞争信道产生碰撞的概率。如图2所示,站点1能成功发送数据的前提是:站点2在时刻a与时刻b之间,即在2Tｄｅｌａｙ+TＲＴＴ+TＣＣＡ+TＭＰ的时间段里面,均不发送数据。因此,可以得到一个站点成功发送数据时,其他站点不能发送数据的时隙数目n［５］为:式中:Tｓｌｏｔ为时隙长度;Tｄｅｌａｙ为传播时延;TＣＣＡ为CCA(信道空闲监测技术)监测持续时间;TＲＴＴ为射频芯片从接收模式转换到发送模式所需要的时间;TＭＰ为MAC处理所需要的时间。1.2.1.发送数据的概率对退避窗口进行二维的马尔科夫链的建模［７］,可以得到节点在某一个时隙发送数据的概率τ为:式中:p为节点在某一个时间发送数据产生碰撞的概率;bｉ，０为节点在成功发送数据前,碰撞i次后剩余退避时隙为0的马尔科夫链的状态。计算式(3)和式(4),就可以得到节点成功发送数据的概率。1.2.2节点双线回归系统所需时间一个节点传输链路层数据包所需要的时间见参考文献[10-11],可知使用请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制时成功发送数据所需时间为:式中:TＲＴＳ为发送RTS所需要的时间;TＣＴＳ为发送CTS所需要的时间;TＡＣＫ为发送ACK报文所需时间;Tｄａｔａ为发送数据所需要的时间;Tｂ１为退避所需要的时间;Tｄ１为分布式帧间间隔(DIFS)持续时间;Tｓ２为短帧间间隔(SIFS)持续时间。失败的数据传送所需要的时间为:式中:Tｃ３为节点等待CTS超时所需要的时间。不使用RTS/CTS机制的数据成功发送所需时间为:失败的数据传送所需要的时间为:式中:Tａ１为节点等待ACK超时的时间。则最终可以得到网络的吞吐量C为:式中:Tｓｕｃｃｅｓｓ为成功发送一次数据需要的时间;Tｆａｉｌ为失败的一次数据发送需要的时间;Lｄ１为数据包的负载数据的长度。数据包的MAC时延为:2网络部署gps传统的微功率无线技术未考虑工业控制业务的时间同步要求。而目前现场网络主要采用全球定位系统(GPS)［１２－１３］装置的信息终端设备,该方案受成本、部署环境和安全性的限制。因此,采用通信网络传递时钟是终端设备时钟获取的另外一种可行途径。2.1主从式交互过程本文借鉴IEEE1588［１４］实现高精度同步的思想,提出一种能够在软件层面实现的同步方案。该同步方案不需要额外的硬件,仅需在现有的IEEE802.11g设备上面安装新软件,具有实现简单、精度满足线路在线监测要求的特点。在整个线状网络中,通信节点首先从同步网中获取高精度的业务时钟,随后将该时钟信息逐级传递给相邻的低等级时钟,主从时钟信息的主从式交互过程如图3所示。步骤1:主站点先获取本地实时时钟(RTC)超前业务时钟的时间Tｏｆｆ。步骤2:由主站向从站发送Sync报文,该报文中含有将其到达物理层的时间T１。步骤3:从站接收到Sync报文,并记录下该报文到达从站的时间T２。步骤4:从站向主站发送Delay_Req报文,并记录下该报文离开站点的时间T３。步骤5:主站记录下Delay_Req报文到达的时间T４,并将T４记录在Delay_Resp报文里面,发送给从站。步骤6:从站根据式(11)计算出从时钟超前主时钟的时间值Tｏｆｆｓｅｔ。步骤7:从站点重复以上的步骤,向其下一级站点发送Sync报文,此过程中,从站发送的同步报文中的时间戳信息Tｔ１如下。式中:Tｃｕｒｒｅｎｔ为发送这个同步报文时,发送站点本地时刻信息。上述流程中,存在以下几点细节:1所有站点的时钟信息均来自于硬件的RTC;24个时刻信息的获取与处理位于MAC层与物理层之间;3从站在获取到Tｏｆｆｓｅｔ后,会将Tｏｆｆｓｅｔ的值保留下来,对获得的数值取加权平均值。2.2次同步过程中误差的处理本文提出的同步算法中,所有的误差来自3个部分:1通信设备时钟相对于业务源时钟的频率误差;2进行时钟计算所需要的4个时刻(T１,T２,T３,T４)的精准度;3将时钟信息从主时钟传递至从时钟所需要花费的时间。其中,频率误差与晶振相关,在一定程度上是无法更改的。所有的时刻处理均在MAC层与物理层之间,避免了排队等待时延不确定引起的同步误差。对传输时延,采用成功传输概率为99%时所需要的最大时间Tｔ２,其计算的方式如下:式中:Nｒ为重传的次数。Nｒ需要满足的条件为:因此,可以得到在一次同步过程中引入的误差为:式中:fｒｅｆ为参考时钟频率;fｏｆｆｓｅｔ为节点的时钟频率相对于参考时钟的误差;TＰ１为进行物理层处理所需要消耗的时间,物理层处理的时间误差为微秒级别,因此获得的同步时刻精度为微秒级。3传输时延分析根据上文的理论分析开展计算机仿真,采用MATLAB仿真软件,同时对比仿真数据与无线通信设备测试结果。部分仿真与测试参数见附录A表A1。仿真得到传输距离与碰撞概率之间的关系如图4所示。对不同物理层技术进行远距离传输仿真,得到传输距离与吞吐量之间的关系如图5所示,传输距离与时延之间的关系如图6所示,限于篇幅,仅给出物理层速率为24Mbit/s及以上的远距离性能,其余性能见附录A图A1和图A2。综上所述,在点对点网络中,随着传输距离的增加,吞吐量呈阶梯形减小,时延呈阶梯形上升。使用RTS/CTS机制后,初期RTS/CTS机制的控制信息会占用吞吐量的资源,随着距离的增加,RTS/CTS机制将会减小节点的碰撞引起的消耗,最后其吞吐量反而超过未使用RTS/CTS机制的情况。传输时延存在相似的结论。随后结合传输信号的衰减对实际系统的传输性能进行理论分析,并进行点对点拓扑下的通信设备测试。由于高压输电环境下的电磁干扰主要反映为环境噪声的大小,而在实际工程中安装的通信天线与输电线路之间的安全距离较远(约为10m),高压输电线路在2.4GHz频段对通信的电磁干扰较小,可以通过适当的功率冗余予以消除。通过GPS定位确定节点之间的距离,每500m测试一次。由于测试设备限制,仅测试不使用RTS/CTS机制的情况,通过运行测试软件得到吞吐量和时延结果,分别如图7和图8所示。可知,测试吞吐量数据与理论数据的走势基本一致,但测试吞吐量相对较高,因为理论计算时接受信号的灵敏度是根据标准所规定的最低要求给定的,而实际射频芯片的数据相对标准有一定的冗余。传输时延吻合度较高。根据得到的时延,对同步性能进行理论仿真。设定无线传输节点具有实时时钟,其精准度为±12×10－６,则得到在一次同步后,从时钟与主时钟之间的同步误差与距离之间的关系如图9所示。可知,采用提出的同步方式,可以减小上层数据包排队不确定性对同步的影响,整个误差最主要的来源是物理层处理产生的时延的抖动。实际应用中,对于通信距离在3km内的环境,可直接使用点对点拓扑实现节点间的通信,当通信距离超过3km时,组成点对点的多跳网络实现两端节点通信(见图1)。在此设定下,根据前文测试数据可得表1。可知,对于一定距离内(如30km)的通信,使用IEEE802.11g进行远距离通信能够实满足IEEE2030［１５］的信息传输时间和时延需求,而当传输距离超过30km时,需要中继的站点数目也增加,届时IEEE802.11g的传输带宽无法满足IEEE2030定义的性能指标,此时,使用微功率无线技术将不能获得理想的性能。4微功率无线传输技术现场应用场景本文以输电线路的在线监测系统为基础,以IEEE802.11g微功率无线技术为例,研究微功率无线技术对输配电线路的现场通信网络的适应性。通过对IEEE802.11g在现场网络中的通信指标(包括带宽、时延等