寬帶載波方案混裝通信異常問題分析

梁捷

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司計量中心，廣西 南寧 530023）

廣西電網(wǎng)從2017年開始結(jié)合應(yīng)用需求對寬帶載波的采集速率、路由組網(wǎng)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了實驗室測試與試點應(yīng)用，截至2019年底，完成寬帶載波現(xiàn)場安裝97.2 萬戶，進(jìn)一步推動了基于寬帶載波技術(shù)的實用化系統(tǒng)建設(shè)和實用芯片的開發(fā)。此外，為保證不同廠家的方案在同一個臺區(qū)安裝，即混裝時能正常通信和滿足相位識別，自動搜表等廣西電網(wǎng)的應(yīng)用需求[2]，廣西電網(wǎng)將組織寬帶載波方案和各相關(guān)設(shè)備的廠家進(jìn)行磨合測試，以提高不同方案和設(shè)備廠家工作配合度和消除影響實際應(yīng)用的技術(shù)缺陷。

1 存在的問題

2019年在廣西電網(wǎng)省級計量中心進(jìn)行窄帶載波通信設(shè)備安裝前磨合測試時發(fā)現(xiàn)，不同廠家的載波方案以不同的路由-電表組合混裝時，某些組合常出現(xiàn)通信失敗的情況。例如廠家A 的載波方案與廠家B，C同時安裝同一個臺區(qū)時，廠家A的路由模塊與廠家B 的電表模塊能穩(wěn)定通信，但與廠家C 的模塊卻通信不穩(wěn)定甚至無法通信。

2 問題處理和分析

根據(jù)異常現(xiàn)象，首先進(jìn)行寬帶載波信道訪問機(jī)制的分析。南方電網(wǎng)寬帶載波通信主要涉及的設(shè)備為集中器載波模塊，在通信網(wǎng)絡(luò)中作為主節(jié)點，又稱為中央?yún)f(xié)調(diào)器（central coordinator，簡稱CCO）和電能表載波模塊（通常用station 表示，簡稱STA）[3]。其通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧層級分為物理層，數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）和應(yīng)用層。其中MAC 層主要通過帶沖突避免策略的載波偵聽多址（carrier sense multiple access with collision avoidance，簡稱 CSMA）和時分多址（time division multiple access，簡稱TDMA）的信道訪問機(jī)制[4]競爭物理信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的可靠傳輸。CCO作為主節(jié)點，負(fù)責(zé)完成組網(wǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理等功能，它發(fā)送的攜帶有網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)信息的、用于特定目的的管理消息稱為信標(biāo)。寬帶載波通信網(wǎng)絡(luò)使用基于信標(biāo)幀的信道訪問機(jī)制。圖1為信標(biāo)時隙劃分示意圖。

圖1 信標(biāo)時隙劃分示意圖

圖1 中，信標(biāo)時隙和TDMA 時隙等明確分配給CCO 或具體STA 使用的時隙，統(tǒng)稱為非競爭時隙。CSMA 時隙是指在信標(biāo)周期中分配給某個特定優(yōu)先級或某個特定種類的業(yè)務(wù)使用的時隙，當(dāng)有多個站點都滿足使用綁定CSMA 時隙的條件時，多個站點之間進(jìn)一步通過CSMA競爭機(jī)制獲取綁定CSMA的使用權(quán)。CSMA 時隙未指明使用者，需要由有需求的STA競爭使用的時隙，統(tǒng)稱為競爭時隙。

信標(biāo)幀必須在信標(biāo)時隙中進(jìn)行發(fā)送。信標(biāo)時隙由CCO進(jìn)行分配，分配時需要指明具體STA可以使用的對應(yīng)時隙。時隙管理過程為：CCO周期性地發(fā)送信標(biāo)幀，信標(biāo)幀中包含了CCO分配的信標(biāo)周期內(nèi)的信標(biāo)時隙，TDMA 時隙，CSMA 時隙等時隙的規(guī)劃信息。寬帶載波通信網(wǎng)絡(luò)中STA 作為子節(jié)點，通信時必須遵循CCO分配的時隙，進(jìn)行信道訪問。

本案例異常問題分析時監(jiān)聽到某廠家的CCO某時刻的時隙管理報文（十六進(jìn)制）如下：

根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行報文解析，提取出問題相關(guān)的通信參數(shù)和時隙分配信息為：發(fā)送信標(biāo)站點MAC地址為440000000206，信標(biāo)時隙長度：25 ms（FA 對應(yīng)的十進(jìn)制值為250，單位：100 μs），CSMA時隙分片長度的值為4，信標(biāo)周期長度：1580 ms（B8 3D 按低位在前，高位在后解析，對應(yīng)的十進(jìn)制值為15800，單位：100 μs）。若TDMA未使用，則CSMA在信標(biāo)周期內(nèi)的可用通信時長為1580-25=1555 ms。

混裝測試臺區(qū)中的2個廠家對該報文，根據(jù)不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計算出的CSMA時隙分片情況如表1所示。

表1 2個廠家時隙分片情況

表1 中，實際時隙分片長度為CCO 報文中的CSMA時隙分片大小的值乘以通信規(guī)約給出的單位。實際時隙分片數(shù)為CSMA 在信標(biāo)周期內(nèi)的可用通信時長除以實際時隙分片長度（取整）。不同廠家的載波方案混裝時，若使用的標(biāo)準(zhǔn)對CSMA 時隙長度的單位定義不一致，將導(dǎo)致計算出的實際CSMA 時隙分片數(shù)不同。本例中，由于CCO 按廠家2 的標(biāo)準(zhǔn)安排信標(biāo)周期，此時廠家1 的CSMA 時隙分片長度單位較大，導(dǎo)致可發(fā)CSMA 時隙分片數(shù)較少。由于通信協(xié)議要求在CSMA 時隙中發(fā)送的報文，必須保證能夠在相應(yīng)的CSMA時隙中傳送完成，不能跨越時隙。即使廠家1 通過信道競爭獲得信道占用權(quán)，當(dāng)它需要發(fā)送長報文，即報文內(nèi)容的時隙分片數(shù)大于3 時，STA 經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)報文長度超出了實際可用分片數(shù)，只能放棄該信標(biāo)周期，等待下一個周期，從而導(dǎo)致廠家1的通信報文發(fā)送失敗。

3 問題處理措施

南方電網(wǎng)電科院2019年分別在5月和11月組織寬帶載波磨合測試時，給出過2 個版本的低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它們對CSMA 的定義不同，分別為10 ms 和100 ms。部分廠家沒有根據(jù)最新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行CSMA 時隙長度等參數(shù)的設(shè)置，故造成通信失敗。若該異常問題不排除，故障載波通信設(shè)備安裝至現(xiàn)場后，會導(dǎo)致低壓集抄臺區(qū)用戶的用電量數(shù)據(jù)采集無法正常穩(wěn)定采集，影響用電量結(jié)算。在該問題整改并經(jīng)實驗室測試驗證異常現(xiàn)象消失后。本次磨合測試的載波設(shè)備在廣西某地12個低壓臺區(qū)安裝，觀察其1 個月的抄表應(yīng)用情況，結(jié)果表明，各臺區(qū)載波通信穩(wěn)定，用電數(shù)據(jù)采集成功率可達(dá)97%以上，說明該異常問題的診斷準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)場應(yīng)用前的磨合測試時，除了須進(jìn)行同一廠家的CCO與STA之間的聯(lián)合調(diào)試外，仍有必要進(jìn)行不同廠家的CCO 與STA 之間的互聯(lián)互通磨合測試，重點關(guān)注通信穩(wěn)定性和時效性等指標(biāo)，才能減少現(xiàn)場混裝使用時的通信異常問題。此外，載波通信失敗問題涉及信道訪問機(jī)制、規(guī)約一致性、外界干擾等多個方面，故障分析時須全面考慮，進(jìn)行深入測試才可能發(fā)現(xiàn)問題。