陳文彬 龐建民 鄭利斌 李新軍

0 引言

電力無線通信網(wǎng)作為電網(wǎng)的重要支撐和保障,是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化運行和控制的重要基礎(chǔ)．如何將電力無線通信網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)信息安全可靠地傳輸至監(jiān)控中心,對電網(wǎng)的安全運行十分重要．當(dāng)前主要使用的電力無線通信手段包括電力無線專網(wǎng)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信、公眾移動通信等多種通信技術(shù)[1-3]．就當(dāng)前的通信技術(shù)手段而言,由于其在終端設(shè)備的信息監(jiān)測上仍存在大量盲區(qū),無法完成對線路的實時狀態(tài)監(jiān)測與控制.

近年來,隨著5G/6G[4-6]、智能電網(wǎng)[7-8]、自組網(wǎng)技術(shù)[9]、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、D2D(Device to Device,終端直通)[10-11]等的迅速發(fā)展,以及電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[12-14]的提出,為實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)各類設(shè)備及人員全景感知、泛在接入、智能開放,具有廣連接、大容量、低時延、深覆蓋的電力通信網(wǎng)絡(luò)正在得到廣泛研究[15-19]．如文獻[9]中對基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)的電力通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進行了全面闡述和介紹.

同時,已有大量研究者開展了Mesh網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)在電力無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究[20-25],討論如何提升電力無線網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測的傳輸實時性和可靠性．無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為MANET(Mobile ad hoc Network,移動自組網(wǎng))的一種特殊形式,具有多跳網(wǎng)狀拓撲和自組織能力．但Mesh的設(shè)計定位更適用于節(jié)點固定的場景,以提供高質(zhì)量、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)為目標;MANET則主要定位于軍事、救援等應(yīng)急場景,設(shè)備存在一定的移動性．因此,Mesh更適合應(yīng)用在電力無線通信方面．例如,文獻[23]提出采用雙鏈路備份方案實現(xiàn)高壓輸電線路網(wǎng)絡(luò)的可靠覆蓋；文獻[24]提出通過引入接收確認、選擇重傳、差錯控制等可靠協(xié)議設(shè)計機制提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性；文獻[2]則基于節(jié)點間的距離、鏈路之間的間隔,提出了一種在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中添加鏈路連接增強網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的策略．但上述研究首先均未充分結(jié)合實際網(wǎng)絡(luò)特征考慮傳輸性能隨著傳輸次數(shù)增加帶來的性能損失,其次,很可能明顯增加網(wǎng)絡(luò)信令開銷.

因此,本文將充分考慮電力無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)典型特征,在不提升網(wǎng)絡(luò)信令開銷的前提下,研究如何提升電力無線通信網(wǎng)絡(luò)的深覆蓋、高可靠等業(yè)務(wù)的傳輸能力,從而滿足高頻次、高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集,以及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)全景感知和泛在接入的要求.

1 基于Mesh的傳統(tǒng)鏈式多跳傳輸協(xié)議

1.1 系統(tǒng)模型

電力無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要特征為:輸電線路及鐵塔的分布形式為線性分布,即網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為鏈狀拓撲．Mesh網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用之一是可采用無線多跳的鏈路方式進行信息傳遞．如圖1,該鏈式電力無線網(wǎng)絡(luò)中存在7個節(jié)點,分別表示為節(jié)點N0,N1,…,N6,節(jié)點之間的歸一化距離為1．?dāng)?shù)據(jù)需要從N0傳輸?shù)焦?jié)點N6.

1.2 傳統(tǒng)多跳傳輸協(xié)議

傳統(tǒng)鏈式多跳傳輸方式描述如下:假設(shè)每一跳傳輸?shù)陌l(fā)送和接收節(jié)點分別為當(dāng)前跳的“源節(jié)點”和“目的節(jié)點”,如果當(dāng)前跳的目的節(jié)點成功接收數(shù)據(jù)時,它會向當(dāng)前跳的源節(jié)點返回“ACK”確認信號,并且轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱惶脑垂?jié)點;其后續(xù)相鄰節(jié)點也能在同時收到“ACK”確認信號,并做好接收數(shù)據(jù)的準備．如果當(dāng)前跳的目的節(jié)點無法成功接收數(shù)據(jù),它將向源節(jié)點返回“NACK”信號從而請求源節(jié)點重傳數(shù)據(jù),其后續(xù)相鄰節(jié)點在收到該“NACK”信號后保持原狀態(tài)不變.

如圖1中,假設(shè)數(shù)據(jù)包的平均誤塊率(Block Error Ratio,BLER)為30%,即每一個數(shù)據(jù)Block每跳出錯的概率即為30%,因此可近似理解為每一個Block全程6跳的傳輸過程中平均有2跳會發(fā)生錯誤,則至少需要8次才能將數(shù)據(jù)從節(jié)點N0傳輸至節(jié)點N6．在第1跳中,節(jié)點N0向節(jié)點N1發(fā)送數(shù)據(jù),節(jié)點N1回復(fù)ACK表示成功接收．在第2跳中,節(jié)點N1向節(jié)點N2發(fā)送該包,但節(jié)點N2接收失敗,于是向節(jié)點N1反饋NACK請求重傳．因此在第3跳中,節(jié)點N1將數(shù)據(jù)重傳至節(jié)點N2．在第4跳和第5跳中,節(jié)點N3和節(jié)點N4均成功接收了數(shù)據(jù),第6跳數(shù)據(jù)傳輸失?。谑堑?跳為節(jié)點N4繼續(xù)重傳數(shù)據(jù),節(jié)點N5成功接收．最后,在第8跳中,節(jié)點N5成功將數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點N6．綜上,該數(shù)據(jù)總共經(jīng)歷了8次才由節(jié)點N0傳輸?shù)焦?jié)點N6.

傳統(tǒng)多跳電力無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是:路由選擇方法簡單,參與路由的節(jié)點數(shù)目少,各跳之間相互獨立．缺點為:一旦目的節(jié)點錯誤接收數(shù)據(jù),必須請求源節(jié)點重傳,造成時間和功率等資源的浪費.

2 免重傳無線多跳系統(tǒng)及傳輸協(xié)議

2.1 基本思路

在無線通信傳輸過程中,傳輸距離、多徑衰落和信號干擾等因素都會降低包的成功接收率．自由空間傳播模型下的路徑損耗的計算公式[26]為

L0=32.44+20·log(f)+20·log(d),

(1)

式中:f為工作頻率(單位:MHz),d為接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點之間的距離(單位:km).

在傳輸總距離一定的情況下,傳統(tǒng)系統(tǒng)傳輸時延主要由端到端跳數(shù)和每跳的重傳次數(shù)共同決定．若減小BLER,則減小了單跳傳輸距離,每跳重傳次數(shù)會減少,但系統(tǒng)端到端跳數(shù)會增加;若增大BLER,則增大了單跳傳輸距離,系統(tǒng)端到端跳數(shù)會減小,但每跳重傳次數(shù)會增大．因此端到端跳數(shù)與每跳重傳次數(shù)之間存在一定的反比關(guān)系,傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的時延將在這兩者之間取折中.

本文提出的方案可近似理解為免重傳方案,即當(dāng)接收節(jié)點無法準確接收時不必請求重傳,而是由備份節(jié)點嘗試向更遠的目的節(jié)點發(fā)送,可大幅降低端到端的總跳數(shù),從而大幅降低系統(tǒng)端到端時延,但所付出的代價是需要更多的節(jié)點參與到路由轉(zhuǎn)發(fā)中來.

2.2 系統(tǒng)組成

本文所提出的新型電力無線免重傳多跳傳輸系統(tǒng),主要由源節(jié)點、目的節(jié)點和備份節(jié)點組成．備份節(jié)點是為了保證通信鏈路正常,存在于兩座塔之間的數(shù)量不等、僅具有路由功能的路由節(jié)點.

每一跳發(fā)送數(shù)據(jù)的都是源節(jié)點,接收數(shù)據(jù)的都為目的節(jié)點,備份節(jié)點即為源節(jié)點與目的節(jié)點之間用來準確接收源節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)的節(jié)點．備份節(jié)點比目的節(jié)點離源節(jié)點更近．備份節(jié)點和目的節(jié)點之間的距離定義為“備份步長”．假設(shè)每相鄰兩個節(jié)點之間設(shè)有一個備份節(jié)點,每相鄰兩個備份節(jié)點之間也可設(shè)一個“備份-備份”節(jié)點．“備份-備份”節(jié)點是當(dāng)前跳備份節(jié)點在后續(xù)跳中的備份節(jié)點,比當(dāng)前跳的備份節(jié)點距離源節(jié)點距離更短．本方案假設(shè)無論當(dāng)前跳的目的節(jié)點能否正確接收數(shù)據(jù),當(dāng)前跳的備份節(jié)點均能正確接收數(shù)據(jù).

當(dāng)目的節(jié)點無法正確接收源節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)時,備份節(jié)點將代替目的節(jié)點執(zhí)行目的節(jié)點的功能,即進行下一跳轉(zhuǎn)發(fā)．如果當(dāng)前跳的目的節(jié)點沒有成功接收數(shù)據(jù),備份節(jié)點將變?yōu)楹罄m(xù)跳的源節(jié)點,則備份-備份節(jié)點就轉(zhuǎn)變?yōu)楹罄m(xù)跳的備份節(jié)點．如圖2所示,其路由中存在18個節(jié)點,備份節(jié)點位于源節(jié)點和目的節(jié)點之間的2/3處,備份節(jié)點之間也存在“備份-備份”節(jié)點,位于距離下一個備份節(jié)點的1/3處．圖2中,每一跳的源節(jié)點和目的節(jié)點都屬于同一種類型的節(jié)點,例如,圓節(jié)點向下一個圓節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),它們之間的方型節(jié)點是備份節(jié)點;同樣的,當(dāng)源節(jié)點和目的節(jié)點均為三角型節(jié)點時,它們之間的黑色圓節(jié)點是備份節(jié)點.

2.3 傳輸協(xié)議

下面介紹節(jié)點之間的具體傳輸步驟和過程,圖3為當(dāng)前跳數(shù)據(jù)傳輸時各節(jié)點信令流程和工作流程示意圖．當(dāng)前跳的源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)后,當(dāng)前跳的目的節(jié)點接收數(shù)據(jù),同時當(dāng)前跳的備份節(jié)點偵聽并接收同樣的數(shù)據(jù)．在此假設(shè)ACK/NACK都能準確接收,因為ACK/NACK是指示數(shù)據(jù)塊傳輸是否正確的重要信令,所以通常情況下,通信系統(tǒng)會保證其傳輸錯誤率非常低．例如:在4G/LTE蜂窩系統(tǒng)中,ACK/NACK傳輸?shù)哪繕苏`碼率通常設(shè)定在10-4以下．另外,系統(tǒng)可以采用減低MCS、重復(fù)編碼、功率提升等傳統(tǒng)技術(shù)方案對ACK/NACK的傳輸準確性進行增強和保證.

如果當(dāng)前跳的目的節(jié)點正確接收數(shù)據(jù)時,當(dāng)前跳的目的節(jié)點向源節(jié)點反饋ACK信令,當(dāng)前跳的備份節(jié)點、后續(xù)跳的備份節(jié)點均能同時偵聽到ACK信令;當(dāng)前跳的目的節(jié)點轉(zhuǎn)變?yōu)楹罄m(xù)跳的源節(jié)點,當(dāng)前跳的備份節(jié)點釋放收到的數(shù)據(jù),后續(xù)跳的備份節(jié)點和目的節(jié)點做好接收數(shù)據(jù)的準備.

如果當(dāng)前跳的目的節(jié)點無法正確接收數(shù)據(jù)時,當(dāng)前跳的目的節(jié)點向源節(jié)點反饋NACK信令,當(dāng)前跳的備份節(jié)點、后續(xù)跳的備份節(jié)點均能同時偵聽到NACK信令;當(dāng)前跳的目的節(jié)點不做任何動作,當(dāng)前跳的備份節(jié)點轉(zhuǎn)變?yōu)楹罄m(xù)跳的源節(jié)點,后續(xù)跳的備份節(jié)點轉(zhuǎn)變?yōu)楹罄m(xù)跳的目的節(jié)點來接收數(shù)據(jù).

與傳統(tǒng)方案相比,本文所提的免重傳方案不會產(chǎn)生額外的信令開銷．在目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)后反饋ACK/NACK時,當(dāng)前跳的備份節(jié)點、后續(xù)跳的備份節(jié)點、備份-備份節(jié)點和目的節(jié)點均要同時偵聽該ACK/NACK．假設(shè)目的節(jié)點與源節(jié)點之間的歸一化距離為“1”,當(dāng)目的節(jié)點向源節(jié)點反饋ACK/NACK時,所有距離目的節(jié)點在“1”之內(nèi)的節(jié)點都可以偵聽到信令,包括當(dāng)前跳的源節(jié)點、備份節(jié)點、后續(xù)跳的備份節(jié)點和目的節(jié)點．因此,當(dāng)這些節(jié)點偵聽到ACK/NACK信令時,它們可以根據(jù)該信令和距離當(dāng)前跳目的節(jié)點的距離自動判斷并轉(zhuǎn)換自己在后續(xù)跳中的角色.

3 性能分析

本節(jié)將重點對傳統(tǒng)傳輸方案和本文所提出的免重傳無線方案的平均傳輸次數(shù)進行性能對比分析．平均傳輸次數(shù)與系統(tǒng)端至端傳輸時延呈正比關(guān)系,如果平均傳輸次數(shù)越多,則平均端到端時延也更大.

假設(shè)N表示傳統(tǒng)傳輸方案路由中存在N+1個節(jié)點,假設(shè)每跳之間的距離為單位距離1,因此第1個源節(jié)點和最后一個目的節(jié)點之間的歸一化距離為N,對應(yīng)于圖1和圖2,第1個節(jié)點位于坐標“0”,最后一個節(jié)點位于坐標“N”.

假設(shè)誤塊率BLER為q,即表示數(shù)據(jù)塊出錯的概率為q,因此,若采用傳統(tǒng)方案,每跳中數(shù)據(jù)塊無差錯到達接收方的概率為1-q,數(shù)據(jù)塊第i次無差錯到達接收方且前i-1次都出錯的概率為

Pi=(1-q)·qi-1,

(2)

所以,每一跳中數(shù)據(jù)塊無損壞到達接收方需要的平均發(fā)送次數(shù)為

(3)

因此,采用傳統(tǒng)方案的平均傳輸總次數(shù)為

(4)

本文所提出的免重傳方案的傳輸次數(shù)與備份節(jié)點的個數(shù)和備份步長存在緊密關(guān)系．在本文所提出的免重傳系統(tǒng)中,假設(shè)平均傳輸總次數(shù)為Q,單跳如果失敗,但備份節(jié)點接收成功,則實際傳輸距離為(1-a);如果成功,則傳輸距離為實際每跳距離1(歸一化距離)．因此可得出如下計算:

Q·[q·(1-a)+(1-q)]=N.

(5)

因此,免重傳系統(tǒng)的平均傳輸總次數(shù)為

(6)

根據(jù)上述分析,計算仿真得出N=3和N=10時傳統(tǒng)方案和本文免重傳方案的平均傳輸次數(shù)的比較結(jié)果如圖4所示．圖4中,傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的平均傳輸總次數(shù)隨著誤塊率的增加呈現(xiàn)大幅增長,主要原因是如果傳輸失敗的概率增加,重傳次數(shù)也相應(yīng)迅速增加．然而,本文所提出的免重傳系統(tǒng)的平均重傳次數(shù)并沒有呈現(xiàn)大幅增長,因為在免重傳方案中,當(dāng)前跳的目的節(jié)點如果不能準確接收,但存在距離源節(jié)點更近的備份節(jié)點可以準確接收數(shù)據(jù)包．如果從單跳傳輸距離的角度來對比考慮,傳統(tǒng)多跳系統(tǒng)每跳傳輸距離可能為0;但免重傳多跳系統(tǒng)每跳傳輸?shù)木嚯x至少為1-a,因此免重傳系統(tǒng)傳輸總次數(shù)肯定也低于傳統(tǒng)方案.

圖5為N=10時,隨著誤塊率的增加,本文所提出的免重傳方案傳輸次數(shù)Q與傳統(tǒng)方案傳輸次數(shù)M之間的比值變化(備份步長a分別設(shè)置為1/2,1/3,1/6)．比值越小,則說明免重傳方案的次數(shù)越少,性能越優(yōu)．由圖5可知,在誤塊率較低時(q<0.2),采用新方案的平均傳輸總次數(shù)與傳統(tǒng)方案相比,減少的并不明顯,因為在BLER較低的情況下,傳統(tǒng)方案傳輸出錯概率很低,重傳次數(shù)很少;然而隨著誤塊率的進一步增大,傳統(tǒng)方案出錯增多,重傳次數(shù)增多,新方案的優(yōu)勢得到明顯體現(xiàn)．如當(dāng)誤塊率為0.4時,新方案的平均傳輸次數(shù)僅為傳統(tǒng)方案次數(shù)的65%～75%．且備份步長a越小,降低的次數(shù)越多．因為備份步長越短,每跳備份節(jié)點傳輸?shù)木嚯x就越遠,總次數(shù)會越少.

上述分析是基于傳統(tǒng)方案中鏈式多跳節(jié)點個數(shù)固定為N+1時,在直接調(diào)整每跳BLER情況下兩種傳輸方案的性能對比．然而,BLER與傳輸距離密切相關(guān),單跳的傳輸距離又將直接影響傳統(tǒng)方案的總跳數(shù)．因此,本文繼續(xù)假定源節(jié)點與目的節(jié)點的總傳輸距離一定,對比分析通過改變每跳傳輸距離而改變BLER的情況下的兩種方案的性能.

假設(shè)源節(jié)點與目的節(jié)點的總傳輸距離固定為D,單位為km．假設(shè)接收節(jié)點所收到的干擾一致,根據(jù)表1參數(shù),進行鏈路仿真計算和鏈路損耗計算,得出傳輸距離與SNR的關(guān)系、SNR與BLER的關(guān)系．基于此進一步重新仿真兩種方案在傳輸總距離固定為10 km時的性能,如圖6所示.

表1 鏈路仿真參數(shù)Table 1 Link simulation parameters

由圖6可知,傳統(tǒng)傳輸方案的總次數(shù)隨著誤塊率的增加呈現(xiàn)先減少后增長的趨勢．前期次數(shù)減少是因為單跳的傳輸距離在增加,總距離固定則傳輸總次數(shù)下降;后期次數(shù)增長是因誤塊率太高帶來了重復(fù)傳輸?shù)脑龆啵疚拿庵貍鞣桨傅目偞螖?shù)也呈現(xiàn)先減少后增長的趨勢,但后期傳輸次數(shù)的增長幅度得到明顯控制,因為距離源節(jié)點距離更近的備份節(jié)點可準確接收數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)．另外,對比圖中4條曲線的最小值,可得出本文的免重傳方案的最優(yōu)性能可比傳統(tǒng)方案的最優(yōu)性能提升10%～20%.

總之,在BLER較低的情況下,可通過增加單跳的傳輸距離,減少傳輸總跳數(shù),降低端到端時延，但隨著傳輸距離的進一步增大,BLER將進一步增大,系統(tǒng)出錯概率增大,傳統(tǒng)方案重復(fù)次數(shù)增多,總跳數(shù)增加．本文所提出的免重傳方案因存在距離源節(jié)點更近的備份節(jié)點準確接收數(shù)據(jù),所以，傳輸總次數(shù)得到明顯優(yōu)化.

值得注意的是:大部分情況下,本文所述的“備份節(jié)點”可以是系統(tǒng)中原來已部署的節(jié)點,無需增加總節(jié)點個數(shù)與部署成本．原因在于:傳統(tǒng)方案中,為了避免多次重傳,目標BLER通常設(shè)置得較低,因而單跳傳輸距離短;而在所提方案中,容錯性能較好,目標BLER可以設(shè)置得較高,從而單跳傳輸距離遠,可進行“跨節(jié)點”傳輸,而此時“被跨過的節(jié)點”即可自動成為本文所述的“備份節(jié)點”．例如當(dāng)傳統(tǒng)方案BLER為0.01時,所述新方案單跳可設(shè)置傳輸兩個節(jié)點,將中間節(jié)點設(shè)置為備份節(jié)點使用,即a為1/2,BLER也因此增大.由圖6可知,新方案在BLER大于0.01區(qū)間的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方案在BLER為0.01時的性能.

4 結(jié)束語

針對電力無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域信號覆蓋難、通信質(zhì)量差的問題,本文所提出的基于Mesh的免重傳電力無線多跳高效傳輸技術(shù)可在未增加任何網(wǎng)絡(luò)信令開銷的前提下,明顯降低數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳輸所需的平均次數(shù),進一步顯著降低平均時延,提升電力在無線通信網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性,仿真試驗也驗證了該結(jié)論．隨著當(dāng)前泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、小型化低功耗技術(shù)、射頻拉遠技術(shù)的迅速發(fā)展,使得本文的研究具有一定的實際應(yīng)用價值.