楊權(quán)東，朱從亮，劉勝利，袁建濤

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

電力物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代社會必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，各組成部分及設(shè)備通常都分布在較大的地理范圍內(nèi)，覆蓋了從發(fā)電到用戶的整個過程[1-2]。智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般可以分為三個層次：第一層是廣域數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，簡稱為廣域網(wǎng)，對應(yīng)于智能電網(wǎng)的輸電域，主要用于區(qū)域性數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與電網(wǎng)控制中心之間的主干數(shù)據(jù)傳輸；第二個層次是鄰域數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，簡稱鄰域網(wǎng)，對應(yīng)于智能電網(wǎng)的配電域，用于用戶智能電表和鄰域數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)接入和傳輸；第三個層次用戶家庭內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，一般稱為家域網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)用于連接家庭內(nèi)部的智能用電器和智能電表。不同層次的網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬的要求都各不相同，所以不同層次的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)也對應(yīng)于不同種類的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

除了230 MHz，其他的無線專網(wǎng)技術(shù)，如ZigBee、RFID、LoRa也將在電網(wǎng)中得到應(yīng)用[3]。因此，電力物聯(lián)網(wǎng)中會存在多種制式的通信技術(shù)，形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以滿足各種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸需求[4]。盡管如此，目前電力系統(tǒng)終端采集覆蓋不足，通信接入網(wǎng)覆蓋廣度不夠，數(shù)據(jù)不貫通，難以支撐復(fù)雜智能電網(wǎng)新興業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)需求。因此，需要對現(xiàn)有的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行研究，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，擴充網(wǎng)絡(luò)的容量。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

與其他領(lǐng)域的傳感網(wǎng)絡(luò)類似，電力物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層及應(yīng)用層組成(見圖1)。

感知層即為數(shù)據(jù)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(huán)境信息。

網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)將感知層的數(shù)據(jù)通過不同種類的通信技術(shù)上傳至上層。主要的傳輸技術(shù)有：有線網(wǎng)傳輸、傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸、衛(wèi)星無線網(wǎng)傳輸以及電力專網(wǎng)傳輸。

平臺層主要負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲與管理。大量的電力數(shù)據(jù)上傳至平臺層后，經(jīng)由平臺層進行存儲，并按照數(shù)據(jù)類型為用戶提供管理接口。

應(yīng)用層主要面向企業(yè)以及個人用戶。包括數(shù)據(jù)的查詢、企業(yè)數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用，都是基于海量的電力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行的。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成及其特點

電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用場景豐富，如電表數(shù)據(jù)采集、臺區(qū)識別、異常事件上報等。這些應(yīng)用都需要不同的通信技術(shù)支撐。如電表數(shù)據(jù)采集，由剛開始的人工采集變?yōu)楝F(xiàn)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?yōu)楝F(xiàn)有的電力線載波方式。目前，電力物聯(lián)網(wǎng)中主要存在的通信技術(shù)主要有ZigBee、NB-IoT、LoRa、RFID、230HZM電力專網(wǎng)、傳統(tǒng)的移動通信技術(shù)等。

2.1 ZigBee通信技術(shù)

ZigBee通信技術(shù)，主要應(yīng)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(tǒng)的占空比(在一個脈沖循環(huán)內(nèi)，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(shè)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(xié)議還不需要繳納專利費，和其他常見無線通信技術(shù)相比成本較低。

(3)低速率。ZigBee系統(tǒng)在各節(jié)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(shù)據(jù)，同時也限定了其部分的組網(wǎng)方法。

(4)時延短。不管是通信時延還是喚醒時延，ZigBee技術(shù)都表現(xiàn)優(yōu)異。其典型的搜索設(shè)備時延30 ms，喚醒時延是15 ms，設(shè)備信道接入時延為15 ms。對于時延要求比較敏感的應(yīng)用，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，為用電的安全性以及資源的利用效率提供技術(shù)保障。

2.2 NB-IoT

NB-IoT是IoT領(lǐng)域一種無線通信技術(shù)，主要解決的是低功耗、小數(shù)據(jù)包以及海量連接的通信問題[6]。因此，該技術(shù)的優(yōu)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(yōu)勢，使得NB-IoT在電力物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，海量的電力終端的短數(shù)據(jù)包傳輸需求可以通過NB-IoT來滿足。

2.3 LoRa技術(shù)

LoRa可以實現(xiàn)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(shù)，可以提供超低功耗的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[7]。

LoRa的關(guān)鍵技術(shù)在于線性調(diào)頻擴頻調(diào)制。該技術(shù)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?shù)木嚯x，這也是其優(yōu)勢之一。在電力物聯(lián)網(wǎng)中，LoRa通常用于變電站或者其他大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2.4 RFID技術(shù)

RFID技術(shù)是在電力物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用較多的一種傳感技術(shù)[8]。它通過無線信號識別目標并可以讀寫數(shù)據(jù)，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(shù)。單個標簽閱讀器可同時識別多個標簽，并能應(yīng)用于高度移動的場景。

2.5 230 MHz電力專網(wǎng)通信

230 MHz電力專網(wǎng)系統(tǒng)工作于230 MHz頻段，獨創(chuàng)25 kHz離散頻點獨立使用、任意載波聚合，動態(tài)頻譜感知等關(guān)鍵技術(shù)，融合邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片功能，具備豐富的產(chǎn)品形態(tài)，為行業(yè)用戶提供數(shù)據(jù)、語音、視頻、集群及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的無線接入能力[9]。

無線頻譜是不可再生的國家戰(zhàn)略資源，230 MHz電力專網(wǎng)通信技術(shù)通過零散碎片頻譜重耕，提高頻譜利用效率。該電力專網(wǎng)通信將核心網(wǎng)的功能下沉，配合邊緣計算，實現(xiàn)低時延的電力通信。同時優(yōu)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(yè)務(wù)。該技術(shù)采用扁平化系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓撲簡單，部署成本低，系統(tǒng)可靠性高，維護量少，更加契合電力通信接入網(wǎng)的需求。

230 MHz電力專網(wǎng)具備安全可靠、功能豐富、成熟穩(wěn)定、配置靈活、管理全面、組網(wǎng)簡單、運維便捷等特點，主要面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，適配電網(wǎng)企業(yè)業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)，最大載波聚合已經(jīng)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(xiàn)在也逐漸向5G技術(shù)逐步演進。

2.6 傳統(tǒng)移動通信技術(shù)

傳統(tǒng)的移動通信技術(shù)LTE、5G等主要以廣域網(wǎng)的形式存在。適合于數(shù)據(jù)量大，對傳輸數(shù)據(jù)速率有需求的業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)的移動通信技術(shù)的優(yōu)點是覆蓋范圍廣，無需額外的布網(wǎng)即可使用。然而傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)使用許可頻段，使用其進行大數(shù)據(jù)量傳輸將會產(chǎn)生巨額的費用。

3 電力物聯(lián)網(wǎng)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

在復(fù)雜多樣的電力物聯(lián)網(wǎng)中，如何結(jié)合不同通信技術(shù)優(yōu)點、高效使用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、發(fā)揮通信系統(tǒng)最大性能是需要關(guān)注的問題。下面主要從多個角度介紹電力物聯(lián)網(wǎng)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 干擾消除

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的干擾主要來自于不同網(wǎng)絡(luò)使用相同信道時產(chǎn)生的干擾[10]。當電力物聯(lián)網(wǎng)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(fù)用相近的信道或者相同的信道進行傳輸，即同頻組網(wǎng)或者異頻組網(wǎng)模式，電力物聯(lián)網(wǎng)終端的信號傳輸就會產(chǎn)生干擾。為了解決該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景下小區(qū)間的干擾，增強型的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)可以引入到電力物聯(lián)網(wǎng)中，可以從功率、頻域和時域三個角度來減少或者避免小區(qū)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(tǒng)做功率控制，就可以減輕干擾。頻域即不同的小區(qū)盡量選擇不同的正交信道進行傳輸，這樣可以避免小區(qū)之間的干擾。時域即不同的小區(qū)采用時分復(fù)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(shù)

當一個區(qū)域存在多種制式的通信技術(shù)覆蓋時，多連接技術(shù)可以用來增強重疊覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸能力[11]。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)終端技術(shù)的發(fā)展，多模終端將會是發(fā)展的趨勢，即終端可以同時連接多種制式的通信技術(shù)。多連接技術(shù)需要不同通信協(xié)議互相融合支撐，最終將數(shù)據(jù)進行匯總傳輸。

多連接技術(shù)中必須擁有最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)選擇策略。同時連接多種通信技術(shù)，可以提高終端的數(shù)據(jù)傳輸速率，但也會增加通信造成的信令開銷。因此，通信技術(shù)的選擇直接決定了電力物聯(lián)網(wǎng)終端的服務(wù)質(zhì)量。在進行多連接時，電力物聯(lián)網(wǎng)終端需要自適應(yīng)進行網(wǎng)絡(luò)選擇，使得多連接的通信技術(shù)選擇結(jié)果能夠根據(jù)電力物聯(lián)網(wǎng)終端當前所處的場景環(huán)境，動態(tài)地計算連接的通信技術(shù)帶來的效益。

3.3 網(wǎng)絡(luò)間切換技術(shù)

在多連接技術(shù)的前提下，如何進行網(wǎng)絡(luò)間的切換也是一個關(guān)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(fā)。

(1) 當連接性能下降，無法保證業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求，并且考慮到移動終端狀態(tài)等因素，可能觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)為該業(yè)務(wù)重新選擇一個新的網(wǎng)絡(luò)連接，將該業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)下發(fā)生移動，為保證業(yè)務(wù)連續(xù)性，在不同網(wǎng)絡(luò)之間進行切換。

在這樣的多連接場景切換過程中，實質(zhì)上是網(wǎng)絡(luò)再選擇的過程。當系統(tǒng)中的終端需要進行網(wǎng)絡(luò)切換，環(huán)境中的通信狀態(tài)即會發(fā)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(fā)生被動切換。因為此時系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)被打破，每個終端的網(wǎng)絡(luò)選擇策略不再是最優(yōu)的。但是，系統(tǒng)中同時切換將會造成系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)間的切換需要設(shè)定一個合適的閾值，來保證當其中部分終端發(fā)生切換時，不會影響到其他的用戶。

3.4 負載均衡技術(shù)

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

3.5 頻譜共享技術(shù)

為了提高頻譜的利用效率，不同制式的通信技術(shù)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(tǒng)移動通信技術(shù)共享免許可頻段，以提高傳統(tǒng)移動通信的性能，降低成本，滿足電力物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)容量。5.8 G LTE-U技術(shù)即是通過傳統(tǒng)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(shù)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(shù)的公平性。由于傳統(tǒng)通信技術(shù)與工作在免許可頻段通信技術(shù)在信道接入上存在差異，工作在免許可頻段的通信技術(shù)通常是采用退避競爭信道接入技術(shù)，而傳統(tǒng)移動通信采用中心式信道分配方法。由于傳統(tǒng)移動通信技術(shù)的接入，原有的免許可頻段通信技術(shù)的性能將會降低，因此在頻譜共享技術(shù)中，主要考慮兩個網(wǎng)絡(luò)的公平性問題。即在提升傳統(tǒng)移動通信性能的同時，需要保證原有通信技術(shù)傳輸?shù)男阅堋ｋ娏ξ锫?lián)網(wǎng)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(shù)的和諧共存。占空比機制即兩個技術(shù)在時間上分開，避免了因為傳統(tǒng)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(tǒng)移動通信技術(shù)在免許可頻段的接入機制，采用統(tǒng)一的退避競爭協(xié)議，與原有通信技術(shù)共同競爭免許可信道[15]。

3.6 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)功能軟件化、用戶面與數(shù)據(jù)面分離、邊緣計算等趨勢。為了實現(xiàn)這些功能，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)助力無線網(wǎng)絡(luò)更加智能化與數(shù)字化。其將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，通過軟件的方式將網(wǎng)絡(luò)分為多個虛擬子網(wǎng)，以同時滿足不同應(yīng)用的不同需求。增加網(wǎng)絡(luò)的容量，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以幫助電力物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)更大容量、更高速傳輸、實時通信以及安全穩(wěn)定的通信服務(wù)。對于電力行業(yè)，可以將切片技術(shù)分為三種情況：一是電力控制切片；二是電力監(jiān)測切片；三是電力通信切片。網(wǎng)絡(luò)切片可以實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)切片的工作，業(yè)務(wù)的隔離性與運營的獨立性滿足了智能電網(wǎng)的行業(yè)需求。

4 結(jié)語

隨著國網(wǎng)電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進，海量物聯(lián)網(wǎng)終端將會通過不同制式的無線通信技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)中，形成一個大型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。充分利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將會大幅提高電力物聯(lián)網(wǎng)的容量與性能。本文主要通過對電力物聯(lián)網(wǎng)中存在的無線通信技術(shù)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(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)作為解決方案。在現(xiàn)有的電力物聯(lián)網(wǎng)中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在233 MHz電力專網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)共存場景。

為了進一步提高電力物聯(lián)網(wǎng)的性能，滿足持續(xù)增加的通信業(yè)務(wù)需求，未來的電力物聯(lián)網(wǎng)將會呈現(xiàn)一種高度融合的通信架構(gòu)。因此，還需要繼續(xù)對電力物聯(lián)網(wǎng)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行研究，最終形成一種電力混合專用網(wǎng)絡(luò)。