基于自适应跳频的电力应急通信原型系统

张颖杰，李江波，詹咏琳

（广东技术师范大学计算机科学学院，广州510665）

面对电力应急通信的应用需求，通过研究基于自适应跳频的电力应急通信机制，针对适应现场恶劣的通信条件所必须的特定要求，实现距离远、抗干扰、易部署的电力应急通信原型系统。该系统包括：作为核心算法的JS自适应跳频算法，作为硬件平台的LoRa数字电台，以及作为用户操作平台的串口上位机软件。通过实验证明，该系统能够提高电力应急通信过程中的网络组建效率、通信成功概率，对提升电力应急现场的通信效率具有一定的实用价值。

数字电台；应急通信；自适应跳频

0 引言

（1）项目背景

2020年4月26日，中国工程院发布“中国电子信息工程科技发展十六大技术挑战（2020）”，分析了我国在该方面十六个领域所面临的技术挑战。其中的第十五点指出，建立重大突发事件应急平台是应对重大突发事件、提升国家治理能力的重要挑战[1]。

国家能源局在《电力行业应急能力建设行动计划（2018-2020年）》中明确了当前电力应急能力建设的目标和任务。该行动计划从制度保障能力建设、应急准备能力建设、预防预警能力建设、救援处置能力建设、恢复重建能力建设、促进电力应急产业发展共六方面设定了主要建设任务。可靠的应急通信系统是确保实现这些建设任务的重要基础[2]。

（2）研究意义

电力应急通信系统为应急现场管理提供了在线信息平台，在事故治理中发挥出基础而关键的作用。为在现场恶劣环境中保持可靠稳定的数据传输，至少需要满足以下几点：

①距离远，以跨越可能涉及甚广的事故范围。

②抗干扰，以适应事故现场复杂苛刻的通信状况。

③易部署，以在原有设施无法使用时快速组网建立通信链路。

目前电力应急通信方式主要采用卫星通信和公网蜂窝移动通信，但各自都有其局限性。卫星通信欠缺广域的通信接入能力，信号易受各种因素的干扰，数据采集能力较弱。公网蜂窝移动通信的覆盖范围有限，且基站很可能已在突发事件中遭受到破坏。因此，有必要研究采用新型的应急通信技术以克服传统技术的缺点。

LoRa技术（Long Range Radio）最大的特点就是在同样的功耗下，能得到相比传统无线方式更远的通信距离，实现了低功耗和远距离的统一。在城镇条件下传输距离可达2-5km，郊区可达15km。

跳频技术（Frequency-Hopping Spread Spectrum），即传输数据使用的载波依照某种规则，随着时间帧的改变在一组预设好的频点中跳变。跳频可以起到频率分集和干扰分集的作用，有效地改善无线链路的传输质量并降低干扰。结合自适应算法，自动调整跳频序列，可大幅提升节点双方同时在同一信道上通信，即会合的频率。开展基于LoRa技术和跳频技术的电力应急通信系统的研究，能为现场工作人员提供一种高效可靠的通信方式，促进当地社会活动的恢复，为保障我国电力供给、稳定社会发展发挥支撑作用。

（3）本文贡献

①实现基于自适应跳频的电力应急通信上位机。现有研究大多缺乏在真实环境下的实验，无法直接适应应急通信需求。本系统通过在无线通信设备上进行实验，更好地结合理论和实践。

②实现自适应跳频算法与LoRa技术的结合应用。本系统在软件设计中以自适应跳频算法为核心，结合使用LoRa无线电台硬件平台，在更低的功耗下获得更远的通信距离，提高了现场适应性。

③通过设置实验，在实际使用过程中和仿真实验中证明，JS算法[3]保证了可用信道集上的所有信道均有会合成功的机会，大大提高了会合几率。

图1 技术-需求架构示意图

1 国内外研究现状

1.1 代表性的技术和系统

20世纪七十年代，美国首次建设应急通信网络[4]。美国联邦通信委员会FCC从1998年开始为国家安全和应急准备人员提供优先服务和业务恢复[5]。“911事件”之后，更是使用了大量新技术来提高应急通信保障能力[1]。在美国面对2005年的卡特里娜飓风时，这些建设成果就为政府救灾和灾后恢复工作提供了巨大帮助[5]。

我国的应急通信技术起步较晚，与发达国家差距较大。同时，我国的应急通信领域也在快速发展中，应急体系已经形成。目前我国针对应急通信的主要研究方向在公众电信支撑的应急通信[4]。

1.2 自适应跳频技术

跳频通信技术由于其抗干扰能力优秀，国外从70年代中期就开始应用到军队上。将跳频技术与自适应时变技术相结合的自适应跳频技术是跳频通信的一个发展方向，法国的PR4G战斗网跳频电台就有自适应跳频的功能[6]。

国外有许多关于自适应跳频算法的研究成果。文献[7]是一种在认知无线电网络中集合具有多个收发器的非许可用户的方法。文献[8]是一种用于在具有两个或更多个接入信道的多址网络中实现会合的方法，在每一轮信道序列生成中包括至少一个跳转模式和至少一个停留模式。

当前会合算法仍有很大改进空间，许多问题需要研究解决，这也使得本系统的创作更具有研究性[9]。

在国内的自适应跳频算法研究中，文献[10]和文献[11]都是一种认知无线网络中的信道交汇方法，文献[10]中使用同一CH算法生成所有用户的信道序列，文献[11]则区分了发送方和接收方。文献[12]是一种认知移动自组织网络控制信道选择方法，采用特定的映射准则构造跳频序列集合，进而生成跳频图样。这些研究在提高跳频公平性，减少交会时间，提高通信效率等方面做出了很大的贡献。

1.3 LoRa技术

大约2009年，LoRa技术在法国和瑞士得到开发，而其芯片的晶圆生产、封装和测试等工作主要在亚洲实现。目前，中国已成为了一个基于LoRa的物联网应用创新中心，取得了很多成就，产业链的玩家也愈发丰富。

文献[13]主要是实现异频无线电台间的互联互通，提高无线网的灵活性和抗毁性，实现超短波信号的远距离传输。文献[14]是一种基于LoRa的定位及通信系统，充分利用了LoRa技术的优点，网络覆盖能力较强。但其没有考虑紧急情况下的通信限制因素，不适于应急通信。

1.4 发展趋势

近几年的紧急突发事件使应急通信需求日益增加（例如新冠疫情），对于数据传递方法的发现与实现成为了当前的研究热点。认知无线电（Cognitive Radio Networks，CRN）设备具有优秀的信道跳转性能，而信道跳转方式对于CRN中信道动态变化等复杂网络环境有良好的适应性[9]。一方面跳频通信可有效地改善无线链路的传输质量并降低干扰；同时LoRa技术允许其以低成本和低功耗进行远程通信。因其在应用环境特殊的电力应急通信中具有良好的实用性与适应性，LoRa技术与自适应跳频技术在电力应急通信中的结合应用显得越发突出。

2 系统设计

2.1 系统架构

基于自适应跳频的电力应急通信原型系统的系统架构由物理层、传输层和应用层组成，其架构关系如图2所示。

图2 系统架构图

（1）物理层，完成数据的收发。

（2）传输层，完成上下层之间的数据传输。

（3）应用层，完成通信模式与交互功能的实现。

2.2 硬件平台

本系统要求其应用的硬件平台支持信道快速跳变，以实现自适应跳频算法。该项目的开发硬件平台主要采用JZX877无线电台，在设计实现基于串口通信的上位机后将其应用于E90-DTU（400SL30）电台，进行进一步的开发、测试和实验。

图3 相关硬件设备

（1）JZX877

JZX877无线数传模块，采用ISM频段工作频率，可用信道数16；发射功率为500mW（27dB），高接收灵敏度-123dbm，体积为63mm×43mm×15mm（不含天线座）。

（2）E90-DTU（400SL30）

E90-DTU（400SL30）是采用军工级LoRa调制技术的无线数传电台；工作在410.125～493.125MHz频段（默认433.125MHz）；超低功耗，守候电流仅为15mA。LoRa直序扩频技术将带来更远的通讯距离，且具有功率密度集中，抗干扰能力强的优势。支持LBT功能，电台自动根据当前环境噪音强度等待发送，极大地提高模块在恶劣环境下的通信成功率。

2.3 软件平台

本系统的软件系统通过串口通信在物理层的数字电台与应用层的上位机之间传递数据，用户可在上位机中完成操作，并由其自动完成跳频过程。软件设计模块为：设置收发设备参数模块、统计收发数据信息模块通信数据收发系统模块，及其子模块，如图4所示。

图4 软件总体结构图

2.4 功能模块

如图5图6所示，上位机可由红框所示区域分割为若干个功能模块，包括：

（1）参数设置模块。用户在此选择工作串口，设置工作信道、波特率、校验位。

（2）数据传输模块。用户在此发送和接收数据。

（3）收发统计模块。完成对设备接收、发送、回复、确认数据次数的统计，并计算其确认率与回复率。

（4）跳频控制模块。该模块负责控制跳频模式和统计交汇时间，及记录跳频过程中经历的信道序列。

（5）信息可视化模块。该系统上位机软件将一些常用的信息可视化展示，以方便操作人员的观察。

图5 软件界面

图6 软件功能子模块划分

3 系统实现

3.1 核心算法

跳频通信主要有共同信道跳频和多交汇多信道跳频两大工作模式。其中，多交汇多信道跳频的每个节点基于交汇算法生成自己的跳频序列，多对无线设备可以同时在多个信道上实现通信。这使其通常带有随机性，不易跟踪和侦听干扰，频谱利用率高且抗干扰能力强。

本系统的核心算法JumpStay（简称JS），其基本思想为每轮生成一段跳频序列，由不断进行信道跳转的“跳模式”（jump-pattern）和停留在特定信道的“停模式”（stay-pattern）组成。将二者有机结合，以保证节点能实现交会通信[3]。

对于本项目的自适应跳频算法JS，有几个重要的初始参数：

（1）可用信道数M

（2）活动用户数K

（3）模型类型Model

要在一轮中生成两个模式，需要预先确定三个参数：

（1）大于M的最小素数P

（2）[1，M]中的步长r（3）[1，P]中的索引i

在每一轮中，Jump模式持续2P时隙，随后的Stay模式持续P时隙（即每一轮总共需要3P时隙）。在Jump模式中，用户从索引i开始，通过对P的模运算，以步长r在[1，P]中持续跳转；在随后的Stay模式中，用户只停留在r信道上。

该算法解决会合问题的关键思路是，如果两个用户的步长不同，那么根据中国剩余定理，它们一定可以在跳变中的某个信道节点上实现会合；如果步长相同，那么可以在Stay模式中实现会合。

JS算法保证了可用信道集上的所有信道均有会合成功的机会，与现有的跳频算法相比，该算法在各种场景下都具有最好的性能，适用于多用户和多跳场景的融合[3]。

图7 JS算法生成跳频序列示意图

3.2 关键函数

按照本系统的核心算法设计的接口函数，将在用户确定可用信道后自动预设好需要的全局参数，在每次信道跳变之前计算出下一个目标信道。在此思路下，将JS算法拆分为两个部分，分别对应序列生成的两个阶段：

（1）跳频启动函数

由于在用户确定可用信道序列之后，每一个回合内的素数P、步长r、索引i这三个关键参数并不需要用户手动改变，因此在此基础上完善功能，将其封装为跳频启动函数JumpStay（）。

（2）序列生成函数

决定跳频模式的关键参数是当前时隙，其存放在时隙计数器中。通过时隙判断出当前模式后，JSHop⁃ping（）便按照既定的算法生成序列。这一过程会在每一次信道跳变之前进行。

图8 JumpStay（左）与JSHopping（右）的流程图

3.3 协议实现

本系统软件上位机采用的通信协议实现基于技卓芯无线模块的通信协议格式，包括：

（1）帧头。内容为5A 5A 00 00 5A。

（2）方向码。内容为80表示下发，00表示上传。

（3）功能码。1字节长，内容为该指令的功能。

（4）数据长度。1字节长，内容为数据域的字节长度。

（5）数据域。长度可变，内容为传输的数据。

（6）校验。1字节长，内容为整条协议的字节和。

（7）结束符。内容为0D 0A。

4 系统测试

4.1 测试环境

假设一个只有两名用户的简单网络，同时可用信道共有16个，记为C={1，2，3，…，15，16}。将此信道集分为两个子信道集C1={1，2，3，4，5，6，7，8}，C2={9，10，11，12，13，14，15，16}，将其分配给两名用户。调整一名用户的信道集，使其与另一名用户的信道集部分重合，以实现两名认知用户间不同的信道交集数。以信道交集数为自变量，采用蒙特卡洛实验测试，在每个不对称信道集上分别进行100次测试。

4.2 结果分析

在上述条件下，两名认知用户各自开始跳频，一方周期性地发送数据，另一方对接收数据进行回复。设置实验，统计期望交汇时间ETTR和最大交汇时间MTTR（100次蒙特卡洛实验的平均值）。TTR是从用户双方都开始跳频时计算，到双方下一次交汇所用的时隙数。在整个统计周期内，ETTR是TTR的均值，MTTR是TTR的最大值。硬件实验数据和计算机仿真结果如图9所示，可以看出，当信道交集数大于4时，ETTR基本处于一个较低的水平；MTTR虽然还有波动，但下降趋势较为明显。

图9 不同信道交集数下的ETTR和MTTR

5 结语

现有的应急通信系统一方面很少将自适应跳频技术与LoRa技术相结合，另一方面往往缺乏真实环境下的实践检验。为更好地结合与发挥自适应跳频技术与LoRa技术的独特优势，将其用于我国亟待发展的应急通信体系，我们实现了一种距离远、抗干扰、易部署的电力应急通信系统。通过硬件实验和仿真实验证明，该系统在网络中通信用户之间重合的可用信道较少时仍能保持较低的期望交汇时间，具有较高的网络组建效率和通信成功概率。