基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備通信算法

程鵬

摘要 針對可穿戴電力檢修設備普遍使用3G等公共移動通信網絡與地面指揮設備進行通信所導致的帶寬受限、通信質量差、時延高、通信信號盲區等問題，本文設計了一種基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備通信算法。算法首先在可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備間通過Wi-Fi無線連接構建無線自組織網絡。其次，對所生成的無線自組織網絡根據網絡拓撲的不同分別進行初始化，在網絡中應用最小生成樹算法建立數據路由路徑。再次，根據建立的路由路徑設計對應的通信支持及調度方法。最后，丈中對比現存的基于公共移動網絡的可穿戴電力檢修設備通信算法，證明了本算法的有效性和實用性。

【關鍵詞】Wi-Fi 無線自組網 可穿戴電力檢修設備 最小生成樹

1 引言

隨著我國社會生產力的跨越式發展，整個社會的正常運轉都愈加依賴于電力供給，一旦電力設施發生故障將會造成極其嚴重的損失。所以電力部門對電力設施的日常維護、檢修以及搶修就變得極其重要。但如今在對電力設施進行檢修工作時，其工作地點一般在電力高塔上，存在著高空工作人員和地面指揮人員間的通信問題。維修人員在電力塔上搶修時，不能將塔上的具體故障情況需反饋給塔下的指揮人員以供決策和指導。這時需要搶修人員下到地面再與指揮人員溝通，這明顯效率低且安全性不高。因此，需要一套設備，能夠在不影響高空工作人員正常工作的前提下，將故障現場情況以高清視頻的方式傳回，并且實現高空工作人員與地面指揮人員間的雙向語音通信。

對于該需求，最好的解決方法是使用可穿戴電力檢修裝備。但是，現存的多種可穿戴電力檢修裝備方案，在數據傳輸方案方面，基本都選擇3G等公共移動通信網絡進行數據傳輸。這些使用公共移動通信網絡的數據傳輸方案存在明顯的缺陷和不足：

（1）通信帶寬不夠，延遲大，在視頻監測的同時，用于雙向語音通信，語音質量很差，畫面跳幀現象嚴重，且畫面和語音偏離嚴重，同步性差;

（2）可穿戴電力檢修裝備和地面指揮設備間的通信采用客戶/服務器模型，數據需通過遠端服務器中轉，實時性差;

（3）公網數據通信不符合國家電網有關數據安全保密的要求;

（4）公共移動網絡存在覆蓋盲區的問題，在無信號覆蓋的野外將無法使用。所以基于公共移動通信網絡的數據傳輸方案在實際中不能正常的工作。

鑒于此，本文設計了一種基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備間的通信方法。該算法使用Wi-Fi技術在可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備間進行無線互聯，構建區域無線自組織網絡。并根據所構成的無線自組織網絡的不同網絡拓撲，將網絡分為點對點、點對多點、多點對點和多點對多點網絡，對不同的網絡分別完成網絡初始化，設計對應的數據通信控制方法。相比于使用公共移動通信網絡的數據傳輸方案，本方案能夠在任意地點自動的構建區域無線網絡，并提供更大帶寬的通信服務，從而使得可穿戴電力檢修裝備與地面指揮設備在任意地點都能實現高質量、低延時、高安全性的通信。

2 無線自組網絡與Wi-Fi技術

2.1 無線自組織網絡

無線自組織網絡是一種特殊的無線移動通信網絡。無線移動通信網絡可以按照有無基礎設施分為兩類：第一種是如蜂窩移動通信系統、無線局域網等具有通信基站或接入點等基礎設施的網絡。在該網絡中，移動節點只有收發數據的功能，并不具有路由的功能，移動節點間的通信必須借助基站或接入點來實現。第二種就是無線自組織網絡，無線自組織網絡最大的特點就在于不需要預設的基礎設施，網絡中的所有節點地位相等，都具有數據路由和數據收發兩種功能。在無線自組網中，節點間的通信基于多跳的形式，互相不在通信范圍內的節點對之間的通信，需要中間節點進行中轉。

本文所提出的算法在待通信的設備間構建無線自組網以完成設備間的相互通信，但由于將使用場景限定于可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備間，而且在此應用場景中，可穿戴電力檢修設備只需要發送數據給地面指揮設備，而地面指揮設備需要收發數據和進行數據轉發，所以在本文所構建的無線自組網中，設備間的地位是不平等的。此時，地面指揮設備間所構成的網絡可以看作是無線自組網，網內設備地位相等，都具有數據路由和數據收發兩種功能，且通過多跳的方式相互通信。而可穿戴電力檢修設備與地面指揮設備間可以看作是一個無線局域網，地面指揮設備作為移動接入點，可穿戴電力檢修設備作為移動終端。所以本文所提出的無線自組網總體上來說是一個混合結構網絡，核心是地面指揮設備間所構成的無線自組織網絡，可穿戴電力檢修設備則作為該網絡的從屬設備。

本文所提出的無線自組織網絡具有以下主要特征：

（1）獨立組網：地面指揮設備間不需要預設的基礎設施，能夠在任意地點，方便的構成一個獨立的區域無線自組網。并且地面指揮設備構成無線自組網后，作為接入點與可穿戴電力檢修設備構成無線局域網;

（2）半動態網絡拓撲：由于使用場景的限制，本文所構建的無線自組網中的節點移動范圍小，所以網絡拓撲在工作過程中較為固定，基本不會發生劇烈的變化，所以網絡中能夠使用靜態數據路由;

（3）有中心節點：在本文所構建的網絡中，可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備的地位不平等，地面指揮設備間所構成的網絡中是沒有中心的，而在可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備間構成的無線局域網中，地面指揮設備作為中心節點。

1.2 Wi-Fi技術

Wi-Fi技術是一種重要的無線網絡技術，其是基于802.11協議族的無線局域網接入技術的總稱。Wi-Fi技術的主要特點在于無線接入和高速傳輸。在數據傳輸速度方面.根據使用的協議不同，Wi-Fi的數據傳輸速率可以達到llMbps （802.llb）或54Mbps （802.lla），適合應用于大量數據的高速傳輸。而且其使用無線信道進行連接，覆蓋范圍可達數百米，如果使用信號中繼技術，則可將通信范圍擴大至數公里，所以適用于大范圍內的無線組網。Wi-Fi在實際使用中一般由Wi-Fi AP和無線網卡構成無線網絡。Wi-FiAP作為接入熱點讓作為客戶端的無線網卡接入，并且承擔著接收無線網卡數據和將數據轉發給無線網卡的任務，所以Wi-Fi AP能通信范圍就是Wi-Fi無線網絡的最大覆蓋范圍。

本文所提出的算法利用Wi-Fi技術在設備間建立無線連接，構成無線自組網絡，從而完成設備間數據交互。然而，要保證設備間能夠相互連接從而構成無線自組網絡，則設備的無線傳輸距離要滿足公式：

r_t 2 >S*1n（N）/（πN） （1）

其中，r_t為無線傳輸距離，S為設備分布的區域面積，N為無線自組織網絡中設備數目。對于Wi-Fi技術而言，其無線傳輸距離可計算為

Lp=32.45+201gf+201gd （2）

其中，Lp為路徑傳輸損耗，f為工作頻率，對于Wi-Fi而言為2.4，d為無線傳輸距離。必須要滿足d>r_t，才能保證在設備間使用Wi-Fi技術能夠構成連通的網絡。由于本文所提出的算法用于可穿戴電力檢修設備與地面指揮設備互聯通信這一使用場景中，此時，設備分布的區域多為相鄰的電力高塔間，區域面積較小，而如前所述，Wi-Fi AP的覆蓋范圍較大，所以能夠保證實際的無線傳輸距離d遠大于所要求的距離r_t，從而保證需要通信的設備間成功的構建無線自組網絡。

本文所提出的算法利用Wi-Fi進行數據傳輸，相比與利用3G等公共移動通信網進行數據傳輸的可穿戴電力檢修裝備通信算法而言，其優點在于：

（1）具有更快的數據傳輸速率。3G公共移動網絡的數據傳輸數率一般在2Mbps左右，而Wi-Fi的數據傳輸速率最高可達54Mbps，遠高于3G公共移動網絡;

（2）使用免費頻段，不需要任何費用。Wi-Fi -般使用2.4Ghz或5Ghz的頻段進行通信，這兩個頻段屬于公共頻段，可以免費使用，而3G公共移動網絡使用2Ghz的頻段進行通信，用戶使用需要認證，會產生流量費用;

（3）具有更廣闊的使用場景。3G公共移動網絡的基礎設施建設費用高昂，所以信號覆蓋面積有限，很多偏遠地區沒有3G等公共網絡的覆蓋。而Wi-Fi能在任何地點很簡單的進行網絡的建立，所以Wi-Fi的應用場景更廣闊。

3 基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備通信算法

本文所提出的基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備通信算法的算法流程框圖如圖l所示。整個算法可分為3個部分：

3.1 設備間連接的建立

算法于地面指揮設備和可穿戴電力檢修設備間通過Wi-Fi建立無線連接，構成無線自組網。

3.2 無線自組織網絡的初始化

算法對所生成網絡中的每臺可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備進行標識，并生成數據傳輸路徑。

3.3 數據傳輸過程

算法控制可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備間雙向數據傳輸過程。

3.1 連接建立過程

算法在可穿戴電力檢修設備與地面指揮設備間、地面指揮設備與地面指揮設備間利用Wi-Fi技術建立無線連接，從而構成無線自組網絡。由于算法被用于可穿戴電力檢修設備與地面指揮設備互聯通信這一使用場景中，此時，可穿戴電力檢修設備只需與地面指揮設備進行通信，且只需收發數據，而且不需要為其它節點路由數據，而地面指揮設備即需要收發數據，也要具有路由功能。所以可以將可穿戴電力檢修設備作為Wi-Fi終端設備，而地面指揮設備就可以合理的作為Wi-Fi AP。而且，如前所述，在設備間使用Wi-Fi技術能夠保證成功無線互聯，建立起無線自組網絡。

在連接建立過程中，首先，算法控制每個可穿戴電力檢修裝備獨立的搜索作為Wi-FiAP接入點的各個地面指揮設備，使它們相互建立無線連接。然后，算法也需要控制所有的地面指揮設備間搜索各自通信范圍內的其它地面指揮設備，相互間建立起無線連接。設備間的連接建立后，無線網絡的拓撲形式就確定了。根據不同的可穿戴電力檢修設備與地面指揮設備的數目，其網絡拓撲可以是點對點、點對多點、多點對點和多點對多點網絡，其中最具有代表性的多點對多點網絡拓撲的示例如圖2所示。

3.2 網絡初始化過程

在可穿戴電力檢修設備與地面指揮設備間、地面指揮設備與地面指揮設備間的無線連接建立后，即無線自組織網絡的網絡拓撲確定后，算法就對網絡進行初始化過程。對于所有的網絡拓撲，即點對點、點對多點、多點對點和多點對多點網絡都需要為網絡中的可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備分配唯一的標識號，用以區分每一臺不同的設備。然后，對于點對點網絡和多點對點網絡就不需要額外的網絡初始化操作。而對于點對多點和多點對多點網絡，則需要生成對應的數據轉發路徑，即路由路徑。

這里以點對多點網絡為例，由于存在著多臺地面指揮設備，所以在算法的連接建立階段，存在著不能將可穿戴電力檢修設備與所有地面指揮設備同時直接連接的情況。此時，根據無線傳感網的性質，不能與可穿戴電力檢修設備直接連接的地面指揮設備將通過多跳的形式相互通信。由于算法被用于可穿戴電力檢修設備與地面指揮設備互聯通信這一使用場景中，可穿戴電力檢修設備與地面指揮設備所構成的網絡拓撲比較固定，則算法將以能夠與可穿戴電力檢修設備直接連接的可穿戴電力檢修設備為根，建立最小生成森林，作為網絡中可穿戴電力檢修設備向地面指揮設備發送數據的固定路由，其如圖3所示。可穿戴電力檢修設備只能與1號和3號地面指揮設備直接連接，則以1號和3號設備為根，建立最小生成森林，用以將可穿戴電力檢修設備的數據轉發給位于其通信范圍外的地面指揮設備。

而在存在多臺地面指揮設備的情況下，在地面指揮設備間也需要構建數據路由路徑。算法將在互相連接的地面指揮設備間建立一顆最小生成樹，作為地面指揮設備間數據傳輸的路徑。其如圖4所示。

3.3 數據傳輸過程

算法只需對點對多點與多點對多點網絡中的數據傳輸的過程中進行特別的控制。至于點對點網絡與多點對點網絡，算法直接將數據傳輸給目標設備。算法對點對多點網絡與多點對多點網絡中的設備間雙向數據傳輸過程采取相同的控制方法。

以點對多點網絡為例，算法將可穿戴電力檢修設備的數據廣播給能與其直接連接的地面指揮設備，接收到數據的地面指揮設備將檢查其自身保存的如圖3所示數據路由路徑，將數據轉發給下一跳節點。在圖3中，只有1號和3號地面指揮設備能夠直接接收到可穿戴電力檢修設備的數據，然后，1號地面指揮設備要將數據轉發給2號地面指揮設備，3號地面指揮設備則要將將數據發送給4號和5號地面指揮設備，這就完成了可穿戴電力檢修設備的數據在所有地面指揮設備間的擴散。

至于地面指揮設備向可穿戴設備發送數據的過程，算法會將源地面指揮設備的數據按照如圖4中所生成的路由路徑轉發給其它的地面指揮設備。如圖4所示，如果5號設備要發送數據，則算法將5號設備的數據發送給3號設備，而3號設備將數據轉發給2號和4號設備，然后再由2號設備轉發給1號設備。而且，算法將在接收到源設備數據的地面指揮設備中檢查該源設備是否在所生成的最小生成森林中以自身為根最小生成樹中，如果在，則將該數據轉發給可穿戴電力檢修設備。即對于圖4中的3號設備，其會發現5號設備存在與以其為根的對可穿戴電力檢修設備的數據進行轉發的路由樹中，則3號節點會將該數據遞交給可穿戴電力檢修設備。

4 測試結果

為了驗證本文算法，使用NS3網絡模擬器，對本文中所提出基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備通信算法和使用3G公共移動通信網絡的可穿戴電力檢修裝備通信算法進行了仿真對比。如表1所示，分別在點對點（1臺可穿戴設備和1臺地面指揮設備）、多點對點（2臺可穿戴設備和1臺地面指揮設備）、點對多點（1臺可穿戴設備和3臺地面指揮設備）和多點對多點（2臺可穿戴設備和3臺地面指揮設備）網絡情況下，多次測量所有可穿戴電力檢修設備將一輪數據發送給所有地面指揮設備的時延，取平均值。

由表1可以看出，本文所提出的基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備通信算法由于使用Wi-Fi技術進行無線數據傳輸，并且在設備間直接進行數據傳輸而不用訪問遠端服務器，所以在數據時延上要遠優于基于3G公共移動網絡的同類算法。

圖5所示為本算法與使用3G公共移動通信網絡的算法于多點對多點網絡中端到端傳輸視頻質量對比。從圖中可以看出使用本文所提出的算法在接收端接收到的視頻質量明顯要優于使用3G公共移動通信網絡的算法。本文所提出的算法使用Wi-Fi進行無線數據傳輸，其帶寬要遠遠大于3G公共移動通信所提供的數據帶寬，所以所傳輸的視頻數據能有更高的分辨率和幀率。

5 結論

本文設計了一種基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備間的通信算法。文章首先闡述了研究背景及意義。并對算法中所使用的基礎技術，Wi-Fi技術和無線自組織網絡技術，進行簡要說明。然后，文章對所提出的算法分為三部分進行說明，分別為設備間無線連接的建立、網絡初始化和數據傳輸控制。最后，通過仿真，與基于3G公共移動網絡的同類通信算法進行了比較，證明了所提出算法的有效性。本文所提出的基于無線自組網的可穿戴電力檢修設備間的通信算法簡單有效，能夠在任何地點為需要通信的可穿戴電力檢修設備和地面指揮設備構建無線自組網絡，并提供高質量、低延時、高安全性的通信服務，具有很強的實用性。

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