LPWAN上行多跳通信在輸電線路監測應用研究*

李敬兆，萬露，楊大禹，高之翔

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

輸電鐵塔線路基本都廣泛分布在野外，有些輸電鐵塔甚至建立在偏遠的山區中，運行環境比較惡劣[1]。未來智能自動化電網，需要構建高性能的輸電線路實時監測網絡。傳統監測網絡以有線為主，統監測網絡以有線為，存在接線復雜、統監測網絡以有線為主，存在接線復雜、可靠性低、安全性低、成本高、擴展及維護困難等問題[2]。近年來也有很多研究利用無線傳感網絡進行監測，文獻[2]設計了一種基于ZigBee技術的無線輸電線在線監測系統。無線傳感網絡的數據的傳輸主要由節點多跳傳輸至變電站再上傳至控制中心，該模型在傳輸過程中節點發射功率大，能量損耗嚴重，節點數據擁塞以及節點間干擾嚴重[3]。

低功耗廣域網技術(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)是一種具備低成本、低功耗、廣覆蓋、大連接的新型的物聯網網絡接入技術，與輸電線路監測的需求相匹配。但大多數LPWAN拓撲結構是星型的，終端設備或站(STA,station)直接連接到基站(BS,bustion)或網關(GW,gateway)[4]，而在輸電線路上的終端設備沿線部署，呈線性分布，這種方式會導致遠離基站的終端設備需要以高功率水平傳輸，導致能源消耗加快從而縮短壽命[5]。文獻[4]提出在上行鏈路上啟用逐級多跳連接，文獻[5]提出分析了在LPWAN單跳、逐級跳和最優跳三種路由模型，證明了最優跳是延長LPWAN的壽命的有希望的路由選擇。但文獻[5]中假設節點是均勻分布的，而且計算瓶頸能量時沒有考慮到可靠性的需求，文中根據輸電線路特點和可靠性要求采用LPWAN上行多跳通信。

1 輸電線路線路監測模型

輸電線路監測系統由現場測量感知終端設備、低功耗廣域網絡和遠程數據管理控制中心三部分組成。終端設備部署在架空輸電線路桿塔上、被監測輸電設備附近或之上，負責遠程實時采集電力鐵塔傾角、電纜拉力、鐵塔振動、環境溫度、濕度、弧垂、張力、電磁場數據[6]，形成長鏈狀拓撲網絡。低功耗廣域網絡是由這些大量的終端設備組成，終端設備利用他們的鄰居建立多跳路徑，以較低的傳輸功率將數據發送其他STA然后到基站最后到達控制中心。文章主要研究終端設備與基站之間網絡研究，具體模型如圖1所示。

圖1 輸電線路檢測模型

2 輸電線路LPWAN多跳通訊拓撲

現有的LPWAN技術可以分為兩種類型[4]：一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4 G蜂窩通信技術，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。在大多數LPWAN拓撲方案(如LoRaWAN(見圖2)或SIGFOX)中，主要是星形拓撲，STA以單跳方式與GW直接通信，這樣的拓撲結構雖然簡化了協議棧，便于集中控制。工作在授權頻譜下的LPWAN有可以利用傳統蜂窩網絡的基礎設施的優勢。但大多數情況下STA是電池供電，則有遠離GW的STA必須以高功率電平進行傳輸，能耗增加導致電池快速耗盡。

在輸電線路上LPWAN最優多跳中，根據STA與GW之間的距離可構成多個距離環，STA把數據發送到靠近GW環上的STA，最終到達GW。一個鐵塔上的多個STA距離較近研究時可簡化成一個，如圖3所示。

圖2 LoRaWAN網絡拓撲

圖3 輸電線路多跳網絡拓撲

有以下參數：

(1)最大距離(D)：在最遠環(即最后一個環)的STA被放置在距離D，該距離由LPWAN技術的覆蓋范圍給定;

(2)環數(R)和距離擴展(d)：網絡結構中的環數定義為R，距離擴展取決于所選擇的距離擴展模型，擴展模型有：等距離、斐波納契(Fibonacci)或反向斐波納契(R-Fibonacci)。等距擴展設置環之間的距離相同，斐波那契擴散設置在距離GW更近的環之間距離小以及遠環之間的距離大，反向斐波那契設置距離GW近的距離大而遠的距離小。輸電線路上STA分布均勻，文中選用等距擴展模型，有R=D/d。

3 多跳路由和傳輸配置算法

路由模型負責確定數據包遵循的路徑，對STA的接收和發送狀態期間的能量消耗有很大的影響。多跳路由和傳輸配置算法確定最佳路由連接，以及每個建立的路由連接的最佳傳輸配置。由于環跳長度不是在最優跳數中預定的，相應的傳輸配置有所不同，所以跳數的最優組合可能會根據情況而有所不同。計算瓶頸能量還要考慮到節點故障率與重發次數之間的關系，算法可以概括在以下三個主要階段。

3.1 計算可能的環形跳組合

算法1Data: Number of rings R

Result: Set of possible ring hopsΔs←1

for 1≤r≤R! do

for 1≤j≤R! do

p←R!/r!;

v←mod(j,r);

Ifv=0 then

v←r;

End

δr[s:p·j,r]←v;

s←p·j+1;

End

s=1

end

3.2 瓶頸能量計算

STA的能耗跟其所處的狀態不同而不同，通常由兩個能量消耗來源決定：微處理器(ep)和收發器(et)等。微處理器有的狀態是低功率模式(LPM)和處理模式(CPU)，而收發器有的狀態有睡眠(SL)，空閑(ID)，接收(RX)和發送(TX)。對于TX狀態，由于其對電流消耗(I)的不同影響，需要區分每個可能的發射功率(Ptx)[7]。STA消耗的總能量e=ep+et。

ep=(tlpmIlpm+tcpuIcpu)VDD

(1)

et=(tslIsl+tidIid+trxIrx+ttxItx)VDD

(2)

式中tlpm，tcpu，tsl，tid和trx分別是STA處于LPM，CPU，SL，ID和RX狀態的時間段，Ilpm，Icpu,Isl，Iid和Irx是相應的電流消耗。TX狀態下功率電平p的時間和電流消耗分別定義為ttx(p)和Itx(p)，VDD是額定電壓。由文獻[5]知最消耗能量的是在TX和RX狀態，故計算能耗時只需考慮TX和RX狀態。發送所需的時間取決于數據包長度，要發送的數據包數量和數據速率。

在傳輸信號過程中因受噪聲、干擾、衰落和路徑損耗等因素的影響，產生差錯(包括誤碼和數據包丟失)是難以避免的。提高數據傳輸的可靠性常用自動重發請求(ARQ)技術，即當發往目的節點的某個數據偵中途丟失或者出錯時，目的節點會自動發出重傳請求，源節點收到重傳請求后，將重傳該數據包[8]，計算能耗時也應考慮。

(3)

式中Λr,i表示矩陣Λ位于r行和i列中的元素；ci-1表示第i行上所有的STA數，因此考慮到np由其子節點發送的有效載荷加上由STA本身產生的數量大于npmax，考慮到填充效應。

(4)

(5)

(6)

然后，在環r中由STA消耗的RX能量可以類似于TX能量計算，但是考慮到RX電流消耗(Irx)，預計每個數據包接收都是恒定的。然而根據直接節點的傳輸配置，可能會使用不同的數據速率。從而有得出：

(7)

其中：

(8)

Stx,R-x是環R-x上的直接節點STA的數據速率;環r一個STA消耗的總能量e(r)是TX和RX消耗的總和。

e(r)=etx(r)+erx(r)

(9)

3.3 最優跳和傳輸配置

(10)

4 實驗仿真分析

為了評估最佳跳躍路由在節能方面的性能，用仿真軟件MATLAB作為仿真平臺，仿真實驗時分別采用單跳方式和如圖3所示的方式進行試驗，根據能耗計算公式計算得出每個環上的STA的總能耗，能耗比較如圖4所示。

圖4 每環上單跳與最優跳的能耗

由圖4可以不難看出單跳的第5環上的能耗最大，即單跳的能耗瓶頸是第5環，多跳的瓶頸是第1環。多跳的能耗瓶頸遠比單跳的能耗瓶頸小得多，在同等條件下多跳方式下的網絡壽命比單跳的長。本實驗僅采用圖3所示的多跳方式，不一定是最優跳的方式，會根據具體情況的變化而變化，但可以肯定的是這種方式一定優于單跳方式。

5 結束語

未來智能自動化電網需要構建高性能的輸電線路實時監測網絡，文中提出采用LPWAN技術進行傳輸數據。并且根據輸電線路上節點布置特性，提出采用多跳躍拓撲結構，仿真實驗表明其顯著降低了LPWAN中的STA的消耗，網絡壽命比單跳長。上行鏈路中的多跳通信是延長LPWAN的壽命的有希望的路由選擇，但目前僅考慮能耗方面的要求，還要考慮時延方面的要求。影響壽命的也不僅僅是拓撲和路由選擇，下一步需要綜合能耗和時延方面的研究。