電力通信系統中異構網絡關鍵技術研究

楊權東，朱從亮，劉勝利，袁建濤

(1.樂清工程師創新服務中心，浙江 樂清 325600；2.浙江大學，浙江 杭州 310057)

電力物聯網是現代社會必不可少的基礎設施，各組成部分及設備通常都分布在較大的地理范圍內，覆蓋了從發電到用戶的整個過程[1-2]。智能電網的通信網絡架構一般可以分為三個層次：第一層是廣域數據傳輸網絡，簡稱為廣域網，對應于智能電網的輸電域，主要用于區域性數據匯聚節點與電網控制中心之間的主干數據傳輸；第二個層次是鄰域數據傳輸網絡，簡稱鄰域網，對應于智能電網的配電域，用于用戶智能電表和鄰域數據匯聚節點之間的數據接入和傳輸；第三個層次用戶家庭內部的數據傳輸網絡，一般稱為家域網，這種網絡用于連接家庭內部的智能用電器和智能電表。不同層次的網絡對數據傳輸速率和帶寬的要求都各不相同，所以不同層次的數據傳輸網絡也對應于不同種類的通信和網絡技術。

除了230 MHz，其他的無線專網技術，如ZigBee、RFID、LoRa也將在電網中得到應用[3]。因此，電力物聯網中會存在多種制式的通信技術，形成異構網絡，以滿足各種業務的數據傳輸需求[4]。盡管如此，目前電力系統終端采集覆蓋不足，通信接入網覆蓋廣度不夠，數據不貫通，難以支撐復雜智能電網新興業務的數據需求。因此，需要對現有的異構網絡進行研究，提高數據傳輸的效率，擴充網絡的容量。

1 電力物聯網系統

與其他領域的傳感網絡類似，電力物聯網由感知層、網絡層、平臺層及應用層組成(見圖1)。

感知層即為數據采集層，由一系列電力終端組成，如溫濕度傳感器、攝像頭等，采集環境信息。

網絡層負責將感知層的數據通過不同種類的通信技術上傳至上層。主要的傳輸技術有：有線網傳輸、傳統蜂窩網絡傳輸、衛星無線網傳輸以及電力專網傳輸。

平臺層主要負責數據的存儲與管理。大量的電力數據上傳至平臺層后，經由平臺層進行存儲，并按照數據類型為用戶提供管理接口。

應用層主要面向企業以及個人用戶。包括數據的查詢、企業數據分析等應用，都是基于海量的電力數據基礎上進行的。

圖1 電力物聯網系統架構

2 異構網絡組成及其特點

電力物聯網中應用場景豐富，如電表數據采集、臺區識別、異常事件上報等。這些應用都需要不同的通信技術支撐。如電表數據采集，由剛開始的人工采集變為現有的自動采集。自動采集的通信方式也從原始的RS-485通信方式變為現有的電力線載波方式。目前，電力物聯網中主要存在的通信技術主要有ZigBee、NB-IoT、LoRa、RFID、230HZM電力專網、傳統的移動通信技術等。

2.1 ZigBee通信技術

ZigBee通信技術，主要應用于短距離和低速率下的通信場景[5]。

(1)低功耗。一套ZigBee系統的占空比(在一個脈沖循環內，通電時間相對于總時間所占的比利)非常低，可以小于0.1%。各個設備工作周期短，功耗也非常低，同時具備有“休眠”的概念。

(2)低成本。初期模塊成本為6.0美元，后因為市場的不斷演變至今，價格已低于2.5 美元。同時，ZigBee協議還不需要繳納專利費，和其他常見無線通信技術相比成本較低。

(3)低速率。ZigBee系統在各節點每秒的傳輸速率僅為10～250 kbps。這將意味著其并不能以高速傳輸數據，同時也限定了其部分的組網方法。

(4)時延短。不管是通信時延還是喚醒時延，ZigBee技術都表現優異。其典型的搜索設備時延30 ms，喚醒時延是15 ms，設備信道接入時延為15 ms。對于時延要求比較敏感的應用，如工業互聯網場景，ZigBee是一個不錯的選擇。

ZigBee作為一種短距離、低速率無線傳感器網絡技術，可以廣泛應用在電力物聯網領域，為用電的安全性以及資源的利用效率提供技術保障。

2.2 NB-IoT

NB-IoT是IoT領域一種無線通信技術，主要解決的是低功耗、小數據包以及海量連接的通信問題[6]。因此，該技術的優勢也非常明顯：廣覆蓋、具備支撐海量連接的能力、更低功耗以及具有更低的模塊成本。正是因為這些優勢，使得NB-IoT在電力物聯網中得到廣泛應用，海量的電力終端的短數據包傳輸需求可以通過NB-IoT來滿足。

2.3 LoRa技術

LoRa可以實現遠距離傳輸，其特點是成本低，但傳輸速率有限。它基于擴頻技術，可以提供超低功耗的數據傳輸服務[7]。

LoRa的關鍵技術在于線性調頻擴頻調制。該技術在保留頻移鍵控帶來的低功耗特性的同時，顯著增加了無線傳輸的距離，這也是其優勢之一。在電力物聯網中，LoRa通常用于變電站或者其他大范圍內的數據采集業務，以保證數據傳輸的安全性。

2.4 RFID技術

RFID技術是在電力物聯網中應用較多的一種傳感技術[8]。它通過無線信號識別目標并可以讀寫數據，而不需要雙方建立物理連接；是一種非接觸式的自動識別技術。單個標簽閱讀器可同時識別多個標簽，并能應用于高度移動的場景。

2.5 230 MHz電力專網通信

230 MHz電力專網系統工作于230 MHz頻段，獨創25 kHz離散頻點獨立使用、任意載波聚合，動態頻譜感知等關鍵技術，融合邊緣計算、網絡切片功能，具備豐富的產品形態，為行業用戶提供數據、語音、視頻、集群及物聯網業務的無線接入能力[9]。

無線頻譜是不可再生的國家戰略資源，230 MHz電力專網通信技術通過零散碎片頻譜重耕，提高頻譜利用效率。該電力專網通信將核心網的功能下沉，配合邊緣計算，實現低時延的電力通信。同時優化高層信令，通過增強連接、喚醒機制滿足海量連接的傳輸業務。該技術采用扁平化系統架構，網絡拓撲簡單，部署成本低，系統可靠性高，維護量少，更加契合電力通信接入網的需求。

230 MHz電力專網具備安全可靠、功能豐富、成熟穩定、配置靈活、管理全面、組網簡單、運維便捷等特點，主要面向物聯網應用場景，適配電網企業業務和頻譜特點，利用頻譜感知和載波聚合，滿足電力無線通信接入要求，包括配電自動化“三遙”和精準負荷控制等低時延、高可靠業務，最大載波聚合已經達到120個子帶聚合，達到3 MHz帶寬，上行通信速率達到5.3 Mbps，現在也逐漸向5G技術逐步演進。

2.6 傳統移動通信技術

傳統的移動通信技術LTE、5G等主要以廣域網的形式存在。適合于數據量大，對傳輸數據速率有需求的業務。傳統的移動通信技術的優點是覆蓋范圍廣，無需額外的布網即可使用。然而傳統的移動通信網絡使用許可頻段，使用其進行大數據量傳輸將會產生巨額的費用。

3 電力物聯網中異構網絡關鍵技術

在復雜多樣的電力物聯網中，如何結合不同通信技術優點、高效使用異構網絡、發揮通信系統最大性能是需要關注的問題。下面主要從多個角度介紹電力物聯網中異構網絡的關鍵技術。

3.1 干擾消除

異構網絡中的干擾主要來自于不同網絡使用相同信道時產生的干擾[10]。當電力物聯網中存在多個小基站，其覆蓋范圍相互重疊。由于兩個小基站可能復用相近的信道或者相同的信道進行傳輸，即同頻組網或者異頻組網模式，電力物聯網終端的信號傳輸就會產生干擾。為了解決該異構網絡場景下小區間的干擾，增強型的小區間干擾協調技術可以引入到電力物聯網中，可以從功率、頻域和時域三個角度來減少或者避免小區間的干擾問題。功率角度即功率分配，由于干擾的大小與功率的大小成正比，因此只需要對系統做功率控制，就可以減輕干擾。頻域即不同的小區盡量選擇不同的正交信道進行傳輸，這樣可以避免小區之間的干擾。時域即不同的小區采用時分復用的機制，在不同的時隙進行傳輸，可以有效地避免干擾。

3.2 多連接技術

當一個區域存在多種制式的通信技術覆蓋時，多連接技術可以用來增強重疊覆蓋區域的數據傳輸能力[11]。隨著電力物聯網終端技術的發展，多模終端將會是發展的趨勢，即終端可以同時連接多種制式的通信技術。多連接技術需要不同通信協議互相融合支撐，最終將數據進行匯總傳輸。

多連接技術中必須擁有最優的網絡選擇策略。同時連接多種通信技術，可以提高終端的數據傳輸速率，但也會增加通信造成的信令開銷。因此，通信技術的選擇直接決定了電力物聯網終端的服務質量。在進行多連接時，電力物聯網終端需要自適應進行網絡選擇，使得多連接的通信技術選擇結果能夠根據電力物聯網終端當前所處的場景環境，動態地計算連接的通信技術帶來的效益。

3.3 網絡間切換技術

在多連接技術的前提下，如何進行網絡間的切換也是一個關鍵的問題[12]。一般情況下，多連接場景下切換可能由如下幾種情況觸發。

(1) 當連接性能下降，無法保證業務服務質量需求，并且考慮到移動終端狀態等因素，可能觸發網絡為該業務重新選擇一個新的網絡連接，將該業務在不同的連接之間進行切換。

(2) 由于移動終端在密集覆蓋網絡下發生移動，為保證業務連續性，在不同網絡之間進行切換。

在這樣的多連接場景切換過程中，實質上是網絡再選擇的過程。當系統中的終端需要進行網絡切換，環境中的通信狀態即會發生改變。此時影響的不僅是該移動的終端，其他的終端也可能發生被動切換。因為此時系統的最優狀態被打破，每個終端的網絡選擇策略不再是最優的。但是，系統中同時切換將會造成系統混亂，大量的切換會引起巨大的信令開銷。因此，為了保證電力物聯網系統的穩定，網絡間的切換需要設定一個合適的閾值，來保證當其中部分終端發生切換時，不會影響到其他的用戶。

3.4 負載均衡技術

當終端可以連接多種通信網絡時，由于部分通信制式隨著接入用戶數目的增加而性能下降，因此需要考慮不同通信技術的負載均衡問題[13]。與網絡選擇相反，不同通信技術可以對用戶進行選擇。通過最大化系統的容量，以負載均衡為目標條件，不同通信技術的熱點選擇最優的用戶進行數據傳輸。

3.5 頻譜共享技術

為了提高頻譜的利用效率，不同制式的通信技術可以共享同一頻段的無線資源[14]。免許可頻段資源豐富，并且免費。相比較而言，許可頻段的費用高，且比較擁擠。因此，可以與傳統移動通信技術共享免許可頻段，以提高傳統移動通信的性能，降低成本，滿足電力物聯網的系統容量。5.8 G LTE-U技術即是通過傳統的移動通信共享免許可頻段來改善許可頻段資源短缺的問題。

在5.8 G LTE-U技術中，需要解決的是在共享免許可頻段資源的同時，保證工作在免許可頻段技術的公平性。由于傳統通信技術與工作在免許可頻段通信技術在信道接入上存在差異，工作在免許可頻段的通信技術通常是采用退避競爭信道接入技術，而傳統移動通信采用中心式信道分配方法。由于傳統移動通信技術的接入，原有的免許可頻段通信技術的性能將會降低，因此在頻譜共享技術中，主要考慮兩個網絡的公平性問題。即在提升傳統移動通信性能的同時，需要保證原有通信技術傳輸的性能。電力物聯網可以采用占空比機制以及先聽后說機制來保證兩種通信技術的和諧共存。占空比機制即兩個技術在時間上分開，避免了因為傳統移動通信接入而降低原有通信性能的問題。另外一種則是修改傳統移動通信技術在免許可頻段的接入機制，采用統一的退避競爭協議，與原有通信技術共同競爭免許可信道[15]。

3.6 網絡切片技術

5G網絡呈現功能軟件化、用戶面與數據面分離、邊緣計算等趨勢。為了實現這些功能，網絡切片技術助力無線網絡更加智能化與數字化。其將網絡功能虛擬化，通過軟件的方式將網絡分為多個虛擬子網，以同時滿足不同應用的不同需求。增加網絡的容量，提高網絡的性能。

網絡切片技術可以幫助電力物聯網實現更大容量、更高速傳輸、實時通信以及安全穩定的通信服務。對于電力行業，可以將切片技術分為三種情況：一是電力控制切片；二是電力監測切片；三是電力通信切片。網絡切片可以實現切片間的物理隔離，從而使得一個切片的故障、擁塞，不會影響另一個網絡切片的工作，業務的隔離性與運營的獨立性滿足了智能電網的行業需求。

4 結語

隨著國網電力物聯網建設的推進，海量物聯網終端將會通過不同制式的無線通信技術接入網絡中，形成一個大型的異構網絡。充分利用異構網絡將會大幅提高電力物聯網的容量與性能。本文主要通過對電力物聯網中存在的無線通信技術進行分析，接著從六種不同的角度分析可能存在的問題，并提出相應的關鍵技術作為解決方案。在現有的電力物聯網中，異構網絡的應用主要體現在233 MHz電力專網與其他網絡共存場景。

為了進一步提高電力物聯網的性能，滿足持續增加的通信業務需求，未來的電力物聯網將會呈現一種高度融合的通信架構。因此，還需要繼續對電力物聯網中的異構網絡進行研究，最終形成一種電力混合專用網絡。