基于自適應跳頻的電力應急通信原型系統

張穎杰，李江波，詹詠琳

（廣東技術師范大學計算機科學學院，廣州510665）

面對電力應急通信的應用需求，通過研究基于自適應跳頻的電力應急通信機制，針對適應現場惡劣的通信條件所必須的特定要求，實現距離遠、抗干擾、易部署的電力應急通信原型系統。該系統包括：作為核心算法的JS自適應跳頻算法，作為硬件平臺的LoRa數字電臺，以及作為用戶操作平臺的串口上位機軟件。通過實驗證明，該系統能夠提高電力應急通信過程中的網絡組建效率、通信成功概率，對提升電力應急現場的通信效率具有一定的實用價值。

數字電臺；應急通信；自適應跳頻

0 引言

（1）項目背景

2020年4月26日，中國工程院發布“中國電子信息工程科技發展十六大技術挑戰（2020）”，分析了我國在該方面十六個領域所面臨的技術挑戰。其中的第十五點指出，建立重大突發事件應急平臺是應對重大突發事件、提升國家治理能力的重要挑戰[1]。

國家能源局在《電力行業應急能力建設行動計劃（2018-2020年）》中明確了當前電力應急能力建設的目標和任務。該行動計劃從制度保障能力建設、應急準備能力建設、預防預警能力建設、救援處置能力建設、恢復重建能力建設、促進電力應急產業發展共六方面設定了主要建設任務。可靠的應急通信系統是確保實現這些建設任務的重要基礎[2]。

（2）研究意義

電力應急通信系統為應急現場管理提供了在線信息平臺，在事故治理中發揮出基礎而關鍵的作用。為在現場惡劣環境中保持可靠穩定的數據傳輸，至少需要滿足以下幾點：

①距離遠，以跨越可能涉及甚廣的事故范圍。

②抗干擾，以適應事故現場復雜苛刻的通信狀況。

③易部署，以在原有設施無法使用時快速組網建立通信鏈路。

目前電力應急通信方式主要采用衛星通信和公網蜂窩移動通信，但各自都有其局限性。衛星通信欠缺廣域的通信接入能力，信號易受各種因素的干擾，數據采集能力較弱。公網蜂窩移動通信的覆蓋范圍有限，且基站很可能已在突發事件中遭受到破壞。因此，有必要研究采用新型的應急通信技術以克服傳統技術的缺點。

LoRa技術（Long Range Radio）最大的特點就是在同樣的功耗下，能得到相比傳統無線方式更遠的通信距離，實現了低功耗和遠距離的統一。在城鎮條件下傳輸距離可達2-5km，郊區可達15km。

跳頻技術（Frequency-Hopping Spread Spectrum），即傳輸數據使用的載波依照某種規則，隨著時間幀的改變在一組預設好的頻點中跳變。跳頻可以起到頻率分集和干擾分集的作用，有效地改善無線鏈路的傳輸質量并降低干擾。結合自適應算法，自動調整跳頻序列，可大幅提升節點雙方同時在同一信道上通信，即會合的頻率。開展基于LoRa技術和跳頻技術的電力應急通信系統的研究，能為現場工作人員提供一種高效可靠的通信方式，促進當地社會活動的恢復，為保障我國電力供給、穩定社會發展發揮支撐作用。

（3）本文貢獻

①實現基于自適應跳頻的電力應急通信上位機。現有研究大多缺乏在真實環境下的實驗，無法直接適應應急通信需求。本系統通過在無線通信設備上進行實驗，更好地結合理論和實踐。

②實現自適應跳頻算法與LoRa技術的結合應用。本系統在軟件設計中以自適應跳頻算法為核心，結合使用LoRa無線電臺硬件平臺，在更低的功耗下獲得更遠的通信距離，提高了現場適應性。

③通過設置實驗，在實際使用過程中和仿真實驗中證明，JS算法[3]保證了可用信道集上的所有信道均有會合成功的機會，大大提高了會合幾率。

圖1 技術-需求架構示意圖

1 國內外研究現狀

1.1 代表性的技術和系統

20世紀七十年代，美國首次建設應急通信網絡[4]。美國聯邦通信委員會FCC從1998年開始為國家安全和應急準備人員提供優先服務和業務恢復[5]。“911事件”之后，更是使用了大量新技術來提高應急通信保障能力[1]。在美國面對2005年的卡特里娜颶風時，這些建設成果就為政府救災和災后恢復工作提供了巨大幫助[5]。

我國的應急通信技術起步較晚，與發達國家差距較大。同時，我國的應急通信領域也在快速發展中，應急體系已經形成。目前我國針對應急通信的主要研究方向在公眾電信支撐的應急通信[4]。

1.2 自適應跳頻技術

跳頻通信技術由于其抗干擾能力優秀，國外從70年代中期就開始應用到軍隊上。將跳頻技術與自適應時變技術相結合的自適應跳頻技術是跳頻通信的一個發展方向，法國的PR4G戰斗網跳頻電臺就有自適應跳頻的功能[6]。

國外有許多關于自適應跳頻算法的研究成果。文獻[7]是一種在認知無線電網絡中集合具有多個收發器的非許可用戶的方法。文獻[8]是一種用于在具有兩個或更多個接入信道的多址網絡中實現會合的方法，在每一輪信道序列生成中包括至少一個跳轉模式和至少一個停留模式。

當前會合算法仍有很大改進空間，許多問題需要研究解決，這也使得本系統的創作更具有研究性[9]。

在國內的自適應跳頻算法研究中，文獻[10]和文獻[11]都是一種認知無線網絡中的信道交匯方法，文獻[10]中使用同一CH算法生成所有用戶的信道序列，文獻[11]則區分了發送方和接收方。文獻[12]是一種認知移動自組織網絡控制信道選擇方法，采用特定的映射準則構造跳頻序列集合，進而生成跳頻圖樣。這些研究在提高跳頻公平性，減少交會時間，提高通信效率等方面做出了很大的貢獻。

1.3 LoRa技術

大約2009年，LoRa技術在法國和瑞士得到開發，而其芯片的晶圓生產、封裝和測試等工作主要在亞洲實現。目前，中國已成為了一個基于LoRa的物聯網應用創新中心，取得了很多成就，產業鏈的玩家也愈發豐富。

文獻[13]主要是實現異頻無線電臺間的互聯互通，提高無線網的靈活性和抗毀性，實現超短波信號的遠距離傳輸。文獻[14]是一種基于LoRa的定位及通信系統，充分利用了LoRa技術的優點，網絡覆蓋能力較強。但其沒有考慮緊急情況下的通信限制因素，不適于應急通信。

1.4 發展趨勢

近幾年的緊急突發事件使應急通信需求日益增加（例如新冠疫情），對于數據傳遞方法的發現與實現成為了當前的研究熱點。認知無線電（Cognitive Radio Networks，CRN）設備具有優秀的信道跳轉性能，而信道跳轉方式對于CRN中信道動態變化等復雜網絡環境有良好的適應性[9]。一方面跳頻通信可有效地改善無線鏈路的傳輸質量并降低干擾；同時LoRa技術允許其以低成本和低功耗進行遠程通信。因其在應用環境特殊的電力應急通信中具有良好的實用性與適應性，LoRa技術與自適應跳頻技術在電力應急通信中的結合應用顯得越發突出。

2 系統設計

2.1 系統架構

基于自適應跳頻的電力應急通信原型系統的系統架構由物理層、傳輸層和應用層組成，其架構關系如圖2所示。

圖2 系統架構圖

（1）物理層，完成數據的收發。

（2）傳輸層，完成上下層之間的數據傳輸。

（3）應用層，完成通信模式與交互功能的實現。

2.2 硬件平臺

本系統要求其應用的硬件平臺支持信道快速跳變，以實現自適應跳頻算法。該項目的開發硬件平臺主要采用JZX877無線電臺，在設計實現基于串口通信的上位機后將其應用于E90-DTU（400SL30）電臺，進行進一步的開發、測試和實驗。

圖3 相關硬件設備

（1）JZX877

JZX877無線數傳模塊，采用ISM頻段工作頻率，可用信道數16；發射功率為500mW（27dB），高接收靈敏度-123dbm，體積為63mm×43mm×15mm（不含天線座）。

（2）E90-DTU（400SL30）

E90-DTU（400SL30）是采用軍工級LoRa調制技術的無線數傳電臺；工作在410.125～493.125MHz頻段（默認433.125MHz）；超低功耗，守候電流僅為15mA。LoRa直序擴頻技術將帶來更遠的通訊距離，且具有功率密度集中，抗干擾能力強的優勢。支持LBT功能，電臺自動根據當前環境噪音強度等待發送，極大地提高模塊在惡劣環境下的通信成功率。

2.3 軟件平臺

本系統的軟件系統通過串口通信在物理層的數字電臺與應用層的上位機之間傳遞數據，用戶可在上位機中完成操作，并由其自動完成跳頻過程。軟件設計模塊為：設置收發設備參數模塊、統計收發數據信息模塊通信數據收發系統模塊，及其子模塊，如圖4所示。

圖4 軟件總體結構圖

2.4 功能模塊

如圖5圖6所示，上位機可由紅框所示區域分割為若干個功能模塊，包括：

（1）參數設置模塊。用戶在此選擇工作串口，設置工作信道、波特率、校驗位。

（2）數據傳輸模塊。用戶在此發送和接收數據。

（3）收發統計模塊。完成對設備接收、發送、回復、確認數據次數的統計，并計算其確認率與回復率。

（4）跳頻控制模塊。該模塊負責控制跳頻模式和統計交匯時間，及記錄跳頻過程中經歷的信道序列。

（5）信息可視化模塊。該系統上位機軟件將一些常用的信息可視化展示，以方便操作人員的觀察。

圖5 軟件界面

圖6 軟件功能子模塊劃分

3 系統實現

3.1 核心算法

跳頻通信主要有共同信道跳頻和多交匯多信道跳頻兩大工作模式。其中，多交匯多信道跳頻的每個節點基于交匯算法生成自己的跳頻序列，多對無線設備可以同時在多個信道上實現通信。這使其通常帶有隨機性，不易跟蹤和偵聽干擾，頻譜利用率高且抗干擾能力強。

本系統的核心算法JumpStay（簡稱JS），其基本思想為每輪生成一段跳頻序列，由不斷進行信道跳轉的“跳模式”（jump-pattern）和停留在特定信道的“停模式”（stay-pattern）組成。將二者有機結合，以保證節點能實現交會通信[3]。

對于本項目的自適應跳頻算法JS，有幾個重要的初始參數：

（1）可用信道數M

（2）活動用戶數K

（3）模型類型Model

要在一輪中生成兩個模式，需要預先確定三個參數：

（1）大于M的最小素數P

（2）[1，M]中的步長r（3）[1，P]中的索引i

在每一輪中，Jump模式持續2P時隙，隨后的Stay模式持續P時隙（即每一輪總共需要3P時隙）。在Jump模式中，用戶從索引i開始，通過對P的模運算，以步長r在[1，P]中持續跳轉；在隨后的Stay模式中，用戶只停留在r信道上。

該算法解決會合問題的關鍵思路是，如果兩個用戶的步長不同，那么根據中國剩余定理，它們一定可以在跳變中的某個信道節點上實現會合；如果步長相同，那么可以在Stay模式中實現會合。

JS算法保證了可用信道集上的所有信道均有會合成功的機會，與現有的跳頻算法相比，該算法在各種場景下都具有最好的性能，適用于多用戶和多跳場景的融合[3]。

圖7 JS算法生成跳頻序列示意圖

3.2 關鍵函數

按照本系統的核心算法設計的接口函數，將在用戶確定可用信道后自動預設好需要的全局參數，在每次信道跳變之前計算出下一個目標信道。在此思路下，將JS算法拆分為兩個部分，分別對應序列生成的兩個階段：

（1）跳頻啟動函數

由于在用戶確定可用信道序列之后，每一個回合內的素數P、步長r、索引i這三個關鍵參數并不需要用戶手動改變，因此在此基礎上完善功能，將其封裝為跳頻啟動函數JumpStay（）。

（2）序列生成函數

決定跳頻模式的關鍵參數是當前時隙，其存放在時隙計數器中。通過時隙判斷出當前模式后，JSHop?ping（）便按照既定的算法生成序列。這一過程會在每一次信道跳變之前進行。

圖8 JumpStay（左）與JSHopping（右）的流程圖

3.3 協議實現

本系統軟件上位機采用的通信協議實現基于技卓芯無線模塊的通信協議格式，包括：

（1）幀頭。內容為5A 5A 00 00 5A。

（2）方向碼。內容為80表示下發，00表示上傳。

（3）功能碼。1字節長，內容為該指令的功能。

（4）數據長度。1字節長，內容為數據域的字節長度。

（5）數據域。長度可變，內容為傳輸的數據。

（6）校驗。1字節長，內容為整條協議的字節和。

（7）結束符。內容為0D 0A。

4 系統測試

4.1 測試環境

假設一個只有兩名用戶的簡單網絡，同時可用信道共有16個，記為C={1，2，3，…，15，16}。將此信道集分為兩個子信道集C1={1，2，3，4，5，6，7，8}，C2={9，10，11，12，13，14，15，16}，將其分配給兩名用戶。調整一名用戶的信道集，使其與另一名用戶的信道集部分重合，以實現兩名認知用戶間不同的信道交集數。以信道交集數為自變量，采用蒙特卡洛實驗測試，在每個不對稱信道集上分別進行100次測試。

4.2 結果分析

在上述條件下，兩名認知用戶各自開始跳頻，一方周期性地發送數據，另一方對接收數據進行回復。設置實驗，統計期望交匯時間ETTR和最大交匯時間MTTR（100次蒙特卡洛實驗的平均值）。TTR是從用戶雙方都開始跳頻時計算，到雙方下一次交匯所用的時隙數。在整個統計周期內，ETTR是TTR的均值，MTTR是TTR的最大值。硬件實驗數據和計算機仿真結果如圖9所示，可以看出，當信道交集數大于4時，ETTR基本處于一個較低的水平；MTTR雖然還有波動，但下降趨勢較為明顯。

圖9 不同信道交集數下的ETTR和MTTR

5 結語

現有的應急通信系統一方面很少將自適應跳頻技術與LoRa技術相結合，另一方面往往缺乏真實環境下的實踐檢驗。為更好地結合與發揮自適應跳頻技術與LoRa技術的獨特優勢，將其用于我國亟待發展的應急通信體系，我們實現了一種距離遠、抗干擾、易部署的電力應急通信系統。通過硬件實驗和仿真實驗證明，該系統在網絡中通信用戶之間重合的可用信道較少時仍能保持較低的期望交匯時間，具有較高的網絡組建效率和通信成功概率。