基于非授權頻譜D2D的無信號區在線監測數據傳輸技術

鄭文杰，商攀峰，白德盟

（山東電力研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

隨著國家交直流特高輸電線路及其配套落地工程的大規模建設，架空輸電線路運維壓力也越來越大，在線監測技術以其易部署、實時性強成為線路防護利器。目前架空輸電線路在線監測裝置主要通過運營商4G 網絡實時回傳在線監測數據，但是，高壓線路大多跨越無信號區域，給在線監測設備數據回傳造成較大困難，在運營商基站覆蓋率低的山區、林區，運營商無線信號差，容易導致架空輸電線路在線監測數據無法實時回傳的問題。

基于LoRa 技術的無線自組網方案可以實現監測數據的低功耗傳輸，但是不適用于高清圖片、視頻等傳輸要求［1］；藍牙、Wi-Fi 可以實現設備間近距離高速數據傳輸，但是受傳輸距離限制，難以滿足低功耗條件下桿塔間數據傳輸要求［2-3］。終端直接通信技術（Device to Device，D2D）通信技術，即終端直接通信技術，使得距離相近的用戶可以不通過基站轉接而直接通信，在提高系統吞吐量，降低用戶功耗方面有巨大優勢，而基于D2D 通信技術實現D2D 輔助中繼通信，通過利用鏈路較好的設備作為中繼輔助其他設備通信，可以有效提高系統性能［4］。

為了同時避免對運營商用戶及Wi-Fi 用戶的同頻干擾，需要選用合適的非授權頻譜進行部署，同時采取有效的信道共用技術，避免信通占用對其他通信技術造成的同頻干擾。為此，劉思嘉等對授權頻譜輔助接入（Licensed Assisted Access，LAA）與Wi-Fi 在非授權頻段的共存方案進行了研究，對LAA 和Wi-Fi 系統在非授權頻段上共存的解決方案進行闡述分析和對比［5］；黃曉舸提出2 種接入機制：基于先聽后發（Listen Before Talk，LBT）的隨機接入機制和基于邊聽邊發（Listen And Talk，LAT）的沖突避免接入機制，實現了非授權頻段LTE（LTEunlicensed，LTEU）與Wi-Fi 系統的和諧共存［6］。但是考慮無信號區架空線路頻譜占用特點，可以對信道接入方案進行進一步簡化提高傳輸速率、降低計算復雜度。

為了實現無信號區域在線監測數據回傳，需要采用中繼手段對在線監測數據進行中繼傳輸，直到到達信號良好覆蓋區域對在線監測數據進行回傳。尹航研究了基于博弈論的D2D 通信中繼選擇算法、功率分配方法，提出使用降價迭代拍賣實現D2D 通信中繼選擇，該模型將所有周邊D2D 設備作為競標者而中繼節點作為拍賣者，實現了最大化系統能量效率［7］；郭漪等提出了一種基于網絡編碼的D2D 通信中最優功率分配、中繼選擇算法，在終端設備發射總功率一定的前提下，為了達到最大信道容量，對D2D 鏈路上的設備進行了最優功率分配，確定最佳中繼節點［8］。王雪等研究了D2D 中繼輔助通信的能效優化算法，基于功率控制和中繼選擇，采用匈牙利算法進行信道分配，使得系統D2D 用戶的總能效顯著提高［9］。目前中繼選擇算法多考慮復雜信道環境下中繼選擇算法，但是架空輸電線路信道環境良好，且桿塔之間往往呈近似線性分布，可以采取更加簡潔高效的中繼算法實現信號回傳。

針對上述問題，提出一種基于非授權頻譜D2D的無信號區在線監測數據回傳方案，分析架空輸電線路在線監測裝置分布特點，建立裝置間直接通信的路損模型，結合無信號區輸電線路信道環境，采用基于定向天線的傳輸路由進行信息中繼。并通過仿真驗證了本方法可以在降低天線的傳輸功率、提高整個監測網絡的生存時間和穩定工作時間基礎上，保障在線監測數據高速率可靠回傳。

1 基于非授權頻譜的桿塔間直接通信

區別于LoRa、藍牙、Wi-Fi 等無線通信技術，D2D 技術可以直接與4G 通信模塊進行公用，且具備大帶寬、低時延、安全性高等優點。我國的頻譜是由國家分配，而在美歐日韓等國家，頻譜資源早已拍賣出天價。但授權許可頻譜是無線移動服務的基石，以滿足覆蓋范圍、頻譜效率和可靠性的服務要求，但未授權頻譜通過提高容量和在某些情況下改善數據連通性，在補充許可頻譜方面發揮著重要作用，因此考慮使用非授權頻譜。

1.1 頻譜選擇

中國電信研究院盧斌等系統調研了非授權頻譜資源分配現狀，介紹了NR-U 標準化研究進展、部署場景和其他非授權頻譜主要技術［10］。當前我國的非授權頻譜，主要使用2.4 GHz、5 GHz和60 GHz等3個頻段［11］，我國非授權頻譜資源分布如圖1 所示。由圖可知，2.4 GHz 頻段廣泛應用于科研、工業、醫學領域以及室內Wi-Fi 中，該頻段免許可頻譜帶寬達到83.5 MHz。對于5 GHz 頻段頻譜資源，中國當前可使用帶寬為325 MHz。6 GHz 頻段和60 GHz 頻段等較高頻段，我國目前尚無明確劃分。所以需要從2.4 GHz、5 GHz 和60 GHz 頻段中使用D2D 技術。根據電磁場再均勻介質中傳播規律，信號傳輸損耗與載波頻段呈負相關，所以高頻段具有較大系統容量的同時，路徑損耗比低頻載波更大，在限制發射功率下基站覆蓋范圍更小。另外，頻率越高，硬件成本相應提升。

圖1 中國非授權頻譜資源分布

當前輸電線路在線監測主要包含微氣象監測、圖像監控、覆冰監測、微風振動、舞動監測、導線溫度監測、導線弧垂監測、風偏監測、現場污穢度監測、桿塔傾斜監測［12-13］，其中舞動監測、風偏監測傳輸時延最低，一般要求不高于1 s；圖像監測傳輸數據量最大，單張圖片大小不高于4 MB，拍照密度周期大于5 min。所以選用2.4 GHz作為載波頻譜。

1.2 適配郊區輸電桿塔的信道模型選擇

為了對數據傳輸質量進行有效評估，需要對信道環境進行有效建模。信道模型為路徑損耗、陰影衰落、穿墻損耗等諸多參數的計算提供了依據。針對2～5 GHz 信道環境，第三代合作計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）主要定義了市區宏小區（Urban-macro Area，Uma）、市區微小區（Urban-micro Area，UMi）、郊區宏小區（Rural-macro Area，RMa）和室內熱點（Indoor Hotspot，InH）等四類場景［14］。

1）Uma（城區宏站）：該場景是對密集城市區域的建模，該場景下運營商基站一般高于城區遮擋體，信號覆蓋良好，完全滿足輸電在線監測設備數據傳輸需求。

2）RMa（農村宏站）：適用于遮擋物較少的郊區、鄉村或其他空曠無人區域。該場景下首先滿足信號覆蓋需求，基站高度為10～150 m，基站間距離較遠。

3）UMi（城區微站）：城市區域開放場景，基站天線高度低于遮擋建筑，用戶設備高度一般低于2 m，微站間距一般不大于200 m。

4）InH（室內熱點）：廣泛分布在辦公樓宇、宿舍樓宇等環境，此場景下不同區域之間一般有隔間、圍墻遮擋。

針對架空線路戶外部署、相鄰桿塔無遮擋的特點，可以匹配RMa 模型。輸電在線監測裝置多分布在導線或桿塔塔體，110～1 000 kV 線路高度一般為24～55 m，桿塔間距為300～500 m，因此無信號區輸電線路信道環境可以參考國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）提供的郊區宏小區場景（3D-RMa-Los）建立信道模型。

1.3 基于LBT的信道接入算法

因為2.4 GHz 頻段同時用于SIM（科學研究、工業、醫學）領域，為了避免對該頻譜既有通信產生的同頻干擾，需要采用公平競爭的信道接入機制。

Wi-Fi 采用CSMA/CA 機制，信號發送端首先需要偵測將要利用的通信媒介，確定當前信道處于信道空閑狀態才進行信道占用、數據發送。D2D 設備的一種信道接入方案為半靜態ON/OFF 方案，如圖2所示。

圖2 半靜態ON/OFF方案

由圖2可知，LTE基站可以通過半靜態方式進行ON/OFF 狀態的切換，且LTE 的ON/OFF 時間百分比是動態變化的。

半靜態ON/OFF 機制為：一個周期為400 ms，由Ton和Toff兩個部分組成。Ton是一個周期中D2D 工作的時間。Toff可以是20～200ms 間的任意值，根據當前Ton值而定。D2D 系統在每個周期的Toff時間計算Wi-Fi的信道利用率。根據這個利用率，D2D系統調整下個周期中Ton的值。

在半靜態ON/OFF 方案中，小基站將會測量Wi-Fi 媒介的利用率，并相應的調整開/關的循環周期。監測時間應足夠大，以保證檢測的可靠性。D2D 根據自己的載波偵聽結果進行ON/OFF 決策，ON/OFF周期相對于Wi-Fi 的時間粒度太大，因此不能很好地實時反映信道狀態；D2D 依據自己的意志進行信道占用，而不是采用隨機退避的LBT 機制，因此損害了信道占用的公平性，影響了Wi-Fi 正常的信道接入。

D2D 在不采用LBT 機制的情形下，無論是沿用傳統幀結構，還是采用半靜態ON/OFF 機制，都無法保證D2D 能與Wi-Fi 友好共存。不做隨機退避的LBT 機制下，節點每次發送之前要監聽信道，并且監聽信道的空閑時長是固定的，在監聽周期內信道一直空閑，此節點才可以獲得傳輸機會；一旦信道忙，該節點無法獲得傳輸機會。若某個節點接入信道，它將占用信道直到所有業務都傳輸完成，另一運營商的D2D始終無法獲得傳輸機會。

為了實現與Wi-Fi 信號的共存，采用類似于CSMA/CA機制的LBT Category 4機制，如圖3所示。

圖3 采用可變競爭窗口的LBT機制

由圖3 可知，發送節點從競爭窗口范圍內獲得一個隨機數N。競爭窗口的大小按照一定規則在最小競爭窗口與最大競爭窗口之間取值。發送節點可以調整競爭窗口的大小。在LBT 過程中，隨機數N決定了節點在占用信道發送數據之前要求的信道空閑時間長度。本機制的主要優勢體現在競爭窗口可以根據信道情況進行動態調整，所以應主要關注競爭窗口q的調整策略對共存性能的影響。

2 裝置間中繼算法研究

不同于配電物聯網等處在蜂窩網絡密集區、通信節點間同頻干擾嚴重、需要反復遴選調優的特點［15-20］，輸電線路在線監測裝置網絡環境單一，所以采用最小功率算法作為中繼選擇方法。首先發送探測幀進行信道測量，相鄰中繼節點進行應答，當前節點與最近中繼節點進行數據傳輸。因為架空線路多呈線性、稀疏分布、位置固定，兩個桿塔的連接是線性的，桿塔從遠端到近端的連接表現出一定的線性關系，而在線傳輸的無線信號監控設備向各個方向傳播，沒有方向性，這將無形中增加設備的傳輸能耗。如果設備使用定向天線傳輸無線信號，在相同距離條件下，設備可以有效降低能耗，提高能耗利用率，延長節點壽命。

目前，業界普遍認為，在線監測系統應該分為三層，即感知層、網絡層和應用層。這三個層次的功能分別是電力信息采集、電力信息傳輸和電力信息處理應用。基于定向天線的傳輸線信息路由主要工作在網絡層，即完成每個節點的組網。

首先，應確定各設備節點的位置和方向，這是定向天線應用的基礎。一般來說，桿塔都在視野內，方向很容易糾正，而且廣泛應用的北斗定位系統可以用來獲取相鄰塔的位置信息，從而計算鐵塔在線監測裝置相對方向，并自動校正天線的接收和發射方向。該設備實現了網絡層路由選擇、環路避免、路由重構，同時建立了自己的路由表，解決了路由表的維護問題。根據路由表確定下一跳節點，以降低路由的錯誤概率，提高網絡的穩定性，減少網絡延遲，提高工作網絡的性能。

架空輸電線路信息傳輸如圖4 所示。從圖中可以看出，架空輸電線路桿塔的連接基本上是線性的，這為定向天線在通信鏈路中的應用提供了一定的依據。設備的監控信息發出后，通過數據跳轉傳輸，最后通過變電站或基站傳輸到監控系統。

圖4 定向傳輸算法

具體步驟為：

1）桿塔上在線監測設備節點傳感器獲取微氣象、舞動、通道圖像等需要監控的物理量；

2）設備節點數據單元封裝獲取的信息，并封裝監控點的位置和時間等屬性信息；

3）設備節點查詢本地路由表，從而確定下一跳桿塔在線監測設備節點；

4）確定下一跳桿塔后，根據下一跳桿塔的位置自動調整定向天線的位置和方向；

5）根據與下一跳設備節點的距離，調整傳輸功率，降低能耗，發送信息；

6）下一跳桿塔在線監測裝置接收信息，融合并封裝設備節點的監控信息；

7）下一跳節點進行下一次轉發路由，最后轉發到監控系統。

通過上述步驟，在線監測數據通過塔間跳轉，最終到達運營商信號覆蓋區域，從而實現在線監測數據回傳至主系統。實現無信號區線路環境監測。

3 基于非授權頻譜D2D 的無信號區在線監測數據傳輸技術仿真驗證

將基于非授權頻譜D2D的無信號區在線監測數據傳輸技術應用到網絡中，并與普通網絡進行了比較，如圖5所示。

圖5（a）顯示了網絡生存期，通過比較可以看出，新方法中設備節點的生命周期比傳統算法長約400輪，即單次中繼任務能耗降低約16.7%；圖5（b）顯示了網絡的穩定工作時間，從圖中可以看出，新方法的平均工作時間比普通方法長約20%；圖5（c）顯示了在線監測設備平均吞吐量，無信號區在線監測裝置平均吞吐量超過24.44 Mbit/s，滿足在線監測數據圖片、文本傳輸要求。

圖5 仿真結果

所提出的基于非授權頻譜D2D的無信號區在線監測數據傳輸技術，可以在降低天線傳輸功率、提高整個監測網絡的生存時間和穩定工作時間基礎上，保障在線監測數據高速率可靠回傳。

4 結語

針對無運營商信號覆蓋區域的架空輸電線路在線監測數據回傳問題進行研究。結合架空線路桿塔間距大、高度高、少遮擋的特點，選擇設備間直接通信技術作為在線監測設備的基本通信技術；針對無信號區域架空線路電磁場環境良好的特點，選擇Rma 模型建立在線監測數據傳輸的信道模型；同時，為了避免對2.4 GHz 頻段Wi-Fi 及科研、工業、醫學用戶造成干擾，提出使用先聽后發機制進行信道接入；最后，采用定向天線方式實現無信號區數據中繼回傳。

仿真結果證明，所提出的無信號區數據回傳技術，可以在降低天線傳輸功率、提高整個在線監測網生存周期的同時，實現在線監測數據的高速可靠回傳，滿足各類文本、圖像數據回傳需求。

隨著北斗通信等先進信息技術的大范圍推廣應用，結合北斗衛星實現在線監測數據回傳，為實現無信號區域數據回傳提供了更大可能。