程鵬

摘要 針對可穿戴電力檢修設(shè)備普遍使用3G等公共移動通信網(wǎng)絡(luò)與地面指揮設(shè)備進行通信所導致的帶寬受限、通信質(zhì)量差、時延高、通信信號盲區(qū)等問題，本文設(shè)計了一種基于無線自組網(wǎng)的可穿戴電力檢修設(shè)備通信算法。算法首先在可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備間通過Wi-Fi無線連接構(gòu)建無線自組織網(wǎng)絡(luò)。其次，對所生成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的不同分別進行初始化，在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最小生成樹算法建立數(shù)據(jù)路由路徑。再次，根據(jù)建立的路由路徑設(shè)計對應(yīng)的通信支持及調(diào)度方法。最后，丈中對比現(xiàn)存的基于公共移動網(wǎng)絡(luò)的可穿戴電力檢修設(shè)備通信算法，證明了本算法的有效性和實用性。

【關(guān)鍵詞】Wi-Fi 無線自組網(wǎng) 可穿戴電力檢修設(shè)備 最小生成樹

1 引言

隨著我國社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展，整個社會的正常運轉(zhuǎn)都愈加依賴于電力供給，一旦電力設(shè)施發(fā)生故障將會造成極其嚴重的損失。所以電力部門對電力設(shè)施的日常維護、檢修以及搶修就變得極其重要。但如今在對電力設(shè)施進行檢修工作時，其工作地點一般在電力高塔上，存在著高空工作人員和地面指揮人員間的通信問題。維修人員在電力塔上搶修時，不能將塔上的具體故障情況需反饋給塔下的指揮人員以供決策和指導。這時需要搶修人員下到地面再與指揮人員溝通，這明顯效率低且安全性不高。因此，需要一套設(shè)備，能夠在不影響高空工作人員正常工作的前提下，將故障現(xiàn)場情況以高清視頻的方式傳回，并且實現(xiàn)高空工作人員與地面指揮人員間的雙向語音通信。

對于該需求，最好的解決方法是使用可穿戴電力檢修裝備。但是，現(xiàn)存的多種可穿戴電力檢修裝備方案，在數(shù)據(jù)傳輸方案方面，基本都選擇3G等公共移動通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。這些使用公共移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方案存在明顯的缺陷和不足：

（1）通信帶寬不夠，延遲大，在視頻監(jiān)測的同時，用于雙向語音通信，語音質(zhì)量很差，畫面跳幀現(xiàn)象嚴重，且畫面和語音偏離嚴重，同步性差;

（2）可穿戴電力檢修裝備和地面指揮設(shè)備間的通信采用客戶/服務(wù)器模型，數(shù)據(jù)需通過遠端服務(wù)器中轉(zhuǎn)，實時性差;

（3）公網(wǎng)數(shù)據(jù)通信不符合國家電網(wǎng)有關(guān)數(shù)據(jù)安全保密的要求;

（4）公共移動網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋盲區(qū)的問題，在無信號覆蓋的野外將無法使用。所以基于公共移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方案在實際中不能正常的工作。

鑒于此，本文設(shè)計了一種基于無線自組網(wǎng)的可穿戴電力檢修設(shè)備間的通信方法。該算法使用Wi-Fi技術(shù)在可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備間進行無線互聯(lián)，構(gòu)建區(qū)域無線自組織網(wǎng)絡(luò)。并根據(jù)所構(gòu)成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)的不同網(wǎng)絡(luò)拓撲，將網(wǎng)絡(luò)分為點對點、點對多點、多點對點和多點對多點網(wǎng)絡(luò)，對不同的網(wǎng)絡(luò)分別完成網(wǎng)絡(luò)初始化，設(shè)計對應(yīng)的數(shù)據(jù)通信控制方法。相比于使用公共移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方案，本方案能夠在任意地點自動的構(gòu)建區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)，并提供更大帶寬的通信服務(wù)，從而使得可穿戴電力檢修裝備與地面指揮設(shè)備在任意地點都能實現(xiàn)高質(zhì)量、低延時、高安全性的通信。

2 無線自組網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi技術(shù)

2.1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)

無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)。無線移動通信網(wǎng)絡(luò)可以按照有無基礎(chǔ)設(shè)施分為兩類：第一種是如蜂窩移動通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等具有通信基站或接入點等基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點只有收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，并不具有路由的功能，移動節(jié)點間的通信必須借助基站或接入點來實現(xiàn)。第二種就是無線自組織網(wǎng)絡(luò)，無線自組織網(wǎng)絡(luò)最大的特點就在于不需要預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點地位相等，都具有數(shù)據(jù)路由和數(shù)據(jù)收發(fā)兩種功能。在無線自組網(wǎng)中，節(jié)點間的通信基于多跳的形式，互相不在通信范圍內(nèi)的節(jié)點對之間的通信，需要中間節(jié)點進行中轉(zhuǎn)。

本文所提出的算法在待通信的設(shè)備間構(gòu)建無線自組網(wǎng)以完成設(shè)備間的相互通信，但由于將使用場景限定于可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備間，而且在此應(yīng)用場景中，可穿戴電力檢修設(shè)備只需要發(fā)送數(shù)據(jù)給地面指揮設(shè)備，而地面指揮設(shè)備需要收發(fā)數(shù)據(jù)和進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，所以在本文所構(gòu)建的無線自組網(wǎng)中，設(shè)備間的地位是不平等的。此時，地面指揮設(shè)備間所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以看作是無線自組網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備地位相等，都具有數(shù)據(jù)路由和數(shù)據(jù)收發(fā)兩種功能，且通過多跳的方式相互通信。而可穿戴電力檢修設(shè)備與地面指揮設(shè)備間可以看作是一個無線局域網(wǎng)，地面指揮設(shè)備作為移動接入點，可穿戴電力檢修設(shè)備作為移動終端。所以本文所提出的無線自組網(wǎng)總體上來說是一個混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，核心是地面指揮設(shè)備間所構(gòu)成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，可穿戴電力檢修設(shè)備則作為該網(wǎng)絡(luò)的從屬設(shè)備。

本文所提出的無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有以下主要特征：

（1）獨立組網(wǎng)：地面指揮設(shè)備間不需要預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠在任意地點，方便的構(gòu)成一個獨立的區(qū)域無線自組網(wǎng)。并且地面指揮設(shè)備構(gòu)成無線自組網(wǎng)后，作為接入點與可穿戴電力檢修設(shè)備構(gòu)成無線局域網(wǎng);

（2）半動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲：由于使用場景的限制，本文所構(gòu)建的無線自組網(wǎng)中的節(jié)點移動范圍小，所以網(wǎng)絡(luò)拓撲在工作過程中較為固定，基本不會發(fā)生劇烈的變化，所以網(wǎng)絡(luò)中能夠使用靜態(tài)數(shù)據(jù)路由;

（3）有中心節(jié)點：在本文所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備的地位不平等，地面指揮設(shè)備間所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中是沒有中心的，而在可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備間構(gòu)成的無線局域網(wǎng)中，地面指揮設(shè)備作為中心節(jié)點。

1.2 Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi技術(shù)是一種重要的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其是基于802.11協(xié)議族的無線局域網(wǎng)接入技術(shù)的總稱。Wi-Fi技術(shù)的主要特點在于無線接入和高速傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸速度方面.根據(jù)使用的協(xié)議不同，Wi-Fi的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到llMbps （802.llb）或54Mbps （802.lla），適合應(yīng)用于大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。而且其使用無線信道進行連接，覆蓋范圍可達數(shù)百米，如果使用信號中繼技術(shù)，則可將通信范圍擴大至數(shù)公里，所以適用于大范圍內(nèi)的無線組網(wǎng)。Wi-Fi在實際使用中一般由Wi-Fi AP和無線網(wǎng)卡構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。Wi-FiAP作為接入熱點讓作為客戶端的無線網(wǎng)卡接入，并且承擔著接收無線網(wǎng)卡數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給無線網(wǎng)卡的任務(wù)，所以Wi-Fi AP能通信范圍就是Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的最大覆蓋范圍。

本文所提出的算法利用Wi-Fi技術(shù)在設(shè)備間建立無線連接，構(gòu)成無線自組網(wǎng)絡(luò)，從而完成設(shè)備間數(shù)據(jù)交互。然而，要保證設(shè)備間能夠相互連接從而構(gòu)成無線自組網(wǎng)絡(luò)，則設(shè)備的無線傳輸距離要滿足公式：

r_t 2 >S*1n（N）/（πN） （1）

其中，r_t為無線傳輸距離，S為設(shè)備分布的區(qū)域面積，N為無線自組織網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)目。對于Wi-Fi技術(shù)而言，其無線傳輸距離可計算為

Lp=32.45+201gf+201gd （2）

其中，Lp為路徑傳輸損耗，f為工作頻率，對于Wi-Fi而言為2.4，d為無線傳輸距離。必須要滿足d>r_t，才能保證在設(shè)備間使用Wi-Fi技術(shù)能夠構(gòu)成連通的網(wǎng)絡(luò)。由于本文所提出的算法用于可穿戴電力檢修設(shè)備與地面指揮設(shè)備互聯(lián)通信這一使用場景中，此時，設(shè)備分布的區(qū)域多為相鄰的電力高塔間，區(qū)域面積較小，而如前所述，Wi-Fi AP的覆蓋范圍較大，所以能夠保證實際的無線傳輸距離d遠大于所要求的距離r_t，從而保證需要通信的設(shè)備間成功的構(gòu)建無線自組網(wǎng)絡(luò)。

本文所提出的算法利用Wi-Fi進行數(shù)據(jù)傳輸，相比與利用3G等公共移動通信網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目纱┐麟娏z修裝備通信算法而言，其優(yōu)點在于：

（1）具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。3G公共移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率一般在2Mbps左右，而Wi-Fi的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達54Mbps，遠高于3G公共移動網(wǎng)絡(luò);

（2）使用免費頻段，不需要任何費用。Wi-Fi -般使用2.4Ghz或5Ghz的頻段進行通信，這兩個頻段屬于公共頻段，可以免費使用，而3G公共移動網(wǎng)絡(luò)使用2Ghz的頻段進行通信，用戶使用需要認證，會產(chǎn)生流量費用;

（3）具有更廣闊的使用場景。3G公共移動網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用高昂，所以信號覆蓋面積有限，很多偏遠地區(qū)沒有3G等公共網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。而Wi-Fi能在任何地點很簡單的進行網(wǎng)絡(luò)的建立，所以Wi-Fi的應(yīng)用場景更廣闊。

3 基于無線自組網(wǎng)的可穿戴電力檢修設(shè)備通信算法

本文所提出的基于無線自組網(wǎng)的可穿戴電力檢修設(shè)備通信算法的算法流程框圖如圖l所示。整個算法可分為3個部分：

3.1 設(shè)備間連接的建立

算法于地面指揮設(shè)備和可穿戴電力檢修設(shè)備間通過Wi-Fi建立無線連接，構(gòu)成無線自組網(wǎng)。

3.2 無線自組織網(wǎng)絡(luò)的初始化

算法對所生成網(wǎng)絡(luò)中的每臺可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備進行標識，并生成數(shù)據(jù)傳輸路徑。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸過程

算法控制可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備間雙向數(shù)據(jù)傳輸過程。

3.1 連接建立過程

算法在可穿戴電力檢修設(shè)備與地面指揮設(shè)備間、地面指揮設(shè)備與地面指揮設(shè)備間利用Wi-Fi技術(shù)建立無線連接，從而構(gòu)成無線自組網(wǎng)絡(luò)。由于算法被用于可穿戴電力檢修設(shè)備與地面指揮設(shè)備互聯(lián)通信這一使用場景中，此時，可穿戴電力檢修設(shè)備只需與地面指揮設(shè)備進行通信，且只需收發(fā)數(shù)據(jù)，而且不需要為其它節(jié)點路由數(shù)據(jù)，而地面指揮設(shè)備即需要收發(fā)數(shù)據(jù)，也要具有路由功能。所以可以將可穿戴電力檢修設(shè)備作為Wi-Fi終端設(shè)備，而地面指揮設(shè)備就可以合理的作為Wi-Fi AP。而且，如前所述，在設(shè)備間使用Wi-Fi技術(shù)能夠保證成功無線互聯(lián)，建立起無線自組網(wǎng)絡(luò)。

在連接建立過程中，首先，算法控制每個可穿戴電力檢修裝備獨立的搜索作為Wi-FiAP接入點的各個地面指揮設(shè)備，使它們相互建立無線連接。然后，算法也需要控制所有的地面指揮設(shè)備間搜索各自通信范圍內(nèi)的其它地面指揮設(shè)備，相互間建立起無線連接。設(shè)備間的連接建立后，無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲形式就確定了。根據(jù)不同的可穿戴電力檢修設(shè)備與地面指揮設(shè)備的數(shù)目，其網(wǎng)絡(luò)拓撲可以是點對點、點對多點、多點對點和多點對多點網(wǎng)絡(luò)，其中最具有代表性的多點對多點網(wǎng)絡(luò)拓撲的示例如圖2所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)初始化過程

在可穿戴電力檢修設(shè)備與地面指揮設(shè)備間、地面指揮設(shè)備與地面指揮設(shè)備間的無線連接建立后，即無線自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓撲確定后，算法就對網(wǎng)絡(luò)進行初始化過程。對于所有的網(wǎng)絡(luò)拓撲，即點對點、點對多點、多點對點和多點對多點網(wǎng)絡(luò)都需要為網(wǎng)絡(luò)中的可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備分配唯一的標識號，用以區(qū)分每一臺不同的設(shè)備。然后，對于點對點網(wǎng)絡(luò)和多點對點網(wǎng)絡(luò)就不需要額外的網(wǎng)絡(luò)初始化操作。而對于點對多點和多點對多點網(wǎng)絡(luò)，則需要生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，即路由路徑。

這里以點對多點網(wǎng)絡(luò)為例，由于存在著多臺地面指揮設(shè)備，所以在算法的連接建立階段，存在著不能將可穿戴電力檢修設(shè)備與所有地面指揮設(shè)備同時直接連接的情況。此時，根據(jù)無線傳感網(wǎng)的性質(zhì)，不能與可穿戴電力檢修設(shè)備直接連接的地面指揮設(shè)備將通過多跳的形式相互通信。由于算法被用于可穿戴電力檢修設(shè)備與地面指揮設(shè)備互聯(lián)通信這一使用場景中，可穿戴電力檢修設(shè)備與地面指揮設(shè)備所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓撲比較固定，則算法將以能夠與可穿戴電力檢修設(shè)備直接連接的可穿戴電力檢修設(shè)備為根，建立最小生成森林，作為網(wǎng)絡(luò)中可穿戴電力檢修設(shè)備向地面指揮設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的固定路由，其如圖3所示?？纱┐麟娏z修設(shè)備只能與1號和3號地面指揮設(shè)備直接連接，則以1號和3號設(shè)備為根，建立最小生成森林，用以將可穿戴電力檢修設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給位于其通信范圍外的地面指揮設(shè)備。

而在存在多臺地面指揮設(shè)備的情況下，在地面指揮設(shè)備間也需要構(gòu)建數(shù)據(jù)路由路徑。算法將在互相連接的地面指揮設(shè)備間建立一顆最小生成樹，作為地面指揮設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?。其如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸過程

算法只需對點對多點與多點對多點網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中進行特別的控制。至于點對點網(wǎng)絡(luò)與多點對點網(wǎng)絡(luò)，算法直接將數(shù)據(jù)傳輸給目標設(shè)備。算法對點對多點網(wǎng)絡(luò)與多點對多點網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備間雙向數(shù)據(jù)傳輸過程采取相同的控制方法。

以點對多點網(wǎng)絡(luò)為例，算法將可穿戴電力檢修設(shè)備的數(shù)據(jù)廣播給能與其直接連接的地面指揮設(shè)備，接收到數(shù)據(jù)的地面指揮設(shè)備將檢查其自身保存的如圖3所示數(shù)據(jù)路由路徑，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點。在圖3中，只有1號和3號地面指揮設(shè)備能夠直接接收到可穿戴電力檢修設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后，1號地面指揮設(shè)備要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給2號地面指揮設(shè)備，3號地面指揮設(shè)備則要將將數(shù)據(jù)發(fā)送給4號和5號地面指揮設(shè)備，這就完成了可穿戴電力檢修設(shè)備的數(shù)據(jù)在所有地面指揮設(shè)備間的擴散。

至于地面指揮設(shè)備向可穿戴設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，算法會將源地面指揮設(shè)備的數(shù)據(jù)按照如圖4中所生成的路由路徑轉(zhuǎn)發(fā)給其它的地面指揮設(shè)備。如圖4所示，如果5號設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)，則算法將5號設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送給3號設(shè)備，而3號設(shè)備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給2號和4號設(shè)備，然后再由2號設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)給1號設(shè)備。而且，算法將在接收到源設(shè)備數(shù)據(jù)的地面指揮設(shè)備中檢查該源設(shè)備是否在所生成的最小生成森林中以自身為根最小生成樹中，如果在，則將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給可穿戴電力檢修設(shè)備。即對于圖4中的3號設(shè)備，其會發(fā)現(xiàn)5號設(shè)備存在與以其為根的對可穿戴電力檢修設(shè)備的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)的路由樹中，則3號節(jié)點會將該數(shù)據(jù)遞交給可穿戴電力檢修設(shè)備。

4 測試結(jié)果

為了驗證本文算法，使用NS3網(wǎng)絡(luò)模擬器，對本文中所提出基于無線自組網(wǎng)的可穿戴電力檢修設(shè)備通信算法和使用3G公共移動通信網(wǎng)絡(luò)的可穿戴電力檢修裝備通信算法進行了仿真對比。如表1所示，分別在點對點（1臺可穿戴設(shè)備和1臺地面指揮設(shè)備）、多點對點（2臺可穿戴設(shè)備和1臺地面指揮設(shè)備）、點對多點（1臺可穿戴設(shè)備和3臺地面指揮設(shè)備）和多點對多點（2臺可穿戴設(shè)備和3臺地面指揮設(shè)備）網(wǎng)絡(luò)情況下，多次測量所有可穿戴電力檢修設(shè)備將一輪數(shù)據(jù)發(fā)送給所有地面指揮設(shè)備的時延，取平均值。

由表1可以看出，本文所提出的基于無線自組網(wǎng)的可穿戴電力檢修設(shè)備通信算法由于使用Wi-Fi技術(shù)進行無線數(shù)據(jù)傳輸，并且在設(shè)備間直接進行數(shù)據(jù)傳輸而不用訪問遠端服務(wù)器，所以在數(shù)據(jù)時延上要遠優(yōu)于基于3G公共移動網(wǎng)絡(luò)的同類算法。

圖5所示為本算法與使用3G公共移動通信網(wǎng)絡(luò)的算法于多點對多點網(wǎng)絡(luò)中端到端傳輸視頻質(zhì)量對比。從圖中可以看出使用本文所提出的算法在接收端接收到的視頻質(zhì)量明顯要優(yōu)于使用3G公共移動通信網(wǎng)絡(luò)的算法。本文所提出的算法使用Wi-Fi進行無線數(shù)據(jù)傳輸，其帶寬要遠遠大于3G公共移動通信所提供的數(shù)據(jù)帶寬，所以所傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)能有更高的分辨率和幀率。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于無線自組網(wǎng)的可穿戴電力檢修設(shè)備間的通信算法。文章首先闡述了研究背景及意義。并對算法中所使用的基礎(chǔ)技術(shù)，Wi-Fi技術(shù)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進行簡要說明。然后，文章對所提出的算法分為三部分進行說明，分別為設(shè)備間無線連接的建立、網(wǎng)絡(luò)初始化和數(shù)據(jù)傳輸控制。最后，通過仿真，與基于3G公共移動網(wǎng)絡(luò)的同類通信算法進行了比較，證明了所提出算法的有效性。本文所提出的基于無線自組網(wǎng)的可穿戴電力檢修設(shè)備間的通信算法簡單有效，能夠在任何地點為需要通信的可穿戴電力檢修設(shè)備和地面指揮設(shè)備構(gòu)建無線自組網(wǎng)絡(luò)，并提供高質(zhì)量、低延時、高安全性的通信服務(wù)，具有很強的實用性。

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