电力通信系统中异构网络关键技术研究

杨权东，朱从亮，刘胜利，袁建涛

(1.乐清工程师创新服务中心，浙江 乐清 325600；2.浙江大学，浙江 杭州 310057)

电力物联网是现代社会必不可少的基础设施，各组成部分及设备通常都分布在较大的地理范围内，覆盖了从发电到用户的整个过程[1-2]。智能电网的通信网络架构一般可以分为三个层次：第一层是广域数据传输网络，简称为广域网，对应于智能电网的输电域，主要用于区域性数据汇聚节点与电网控制中心之间的主干数据传输；第二个层次是邻域数据传输网络，简称邻域网，对应于智能电网的配电域，用于用户智能电表和邻域数据汇聚节点之间的数据接入和传输；第三个层次用户家庭内部的数据传输网络，一般称为家域网，这种网络用于连接家庭内部的智能用电器和智能电表。不同层次的网络对数据传输速率和带宽的要求都各不相同，所以不同层次的数据传输网络也对应于不同种类的通信和网络技术。

除了230 MHz，其他的无线专网技术，如ZigBee、RFID、LoRa也将在电网中得到应用[3]。因此，电力物联网中会存在多种制式的通信技术，形成异构网络，以满足各种业务的数据传输需求[4]。尽管如此，目前电力系统终端采集覆盖不足，通信接入网覆盖广度不够，数据不贯通，难以支撑复杂智能电网新兴业务的数据需求。因此，需要对现有的异构网络进行研究，提高数据传输的效率，扩充网络的容量。

1 电力物联网系统

与其他领域的传感网络类似，电力物联网由感知层、网络层、平台层及应用层组成(见图1)。

感知层即为数据采集层，由一系列电力终端组成，如温湿度传感器、摄像头等，采集环境信息。

网络层负责将感知层的数据通过不同种类的通信技术上传至上层。主要的传输技术有：有线网传输、传统蜂窝网络传输、卫星无线网传输以及电力专网传输。

平台层主要负责数据的存储与管理。大量的电力数据上传至平台层后，经由平台层进行存储，并按照数据类型为用户提供管理接口。

应用层主要面向企业以及个人用户。包括数据的查询、企业数据分析等应用，都是基于海量的电力数据基础上进行的。

图1 电力物联网系统架构

2 异构网络组成及其特点

电力物联网中应用场景丰富，如电表数据采集、台区识别、异常事件上报等。这些应用都需要不同的通信技术支撑。如电表数据采集，由刚开始的人工采集变为现有的自动采集。自动采集的通信方式也从原始的RS-485通信方式变为现有的电力线载波方式。目前，电力物联网中主要存在的通信技术主要有ZigBee、NB-IoT、LoRa、RFID、230HZM电力专网、传统的移动通信技术等。

2.1 ZigBee通信技术

ZigBee通信技术，主要应用于短距离和低速率下的通信场景[5]。

(1)低功耗。一套ZigBee系统的占空比(在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比利)非常低，可以小于0.1%。各个设备工作周期短，功耗也非常低，同时具备有“休眠”的概念。

(2)低成本。初期模块成本为6.0美元，后因为市场的不断演变至今，价格已低于2.5 美元。同时，ZigBee协议还不需要缴纳专利费，和其他常见无线通信技术相比成本较低。

(3)低速率。ZigBee系统在各节点每秒的传输速率仅为10～250 kbps。这将意味着其并不能以高速传输数据，同时也限定了其部分的组网方法。

(4)时延短。不管是通信时延还是唤醒时延，ZigBee技术都表现优异。其典型的搜索设备时延30 ms，唤醒时延是15 ms，设备信道接入时延为15 ms。对于时延要求比较敏感的应用，如工业互联网场景，ZigBee是一个不错的选择。

ZigBee作为一种短距离、低速率无线传感器网络技术，可以广泛应用在电力物联网领域，为用电的安全性以及资源的利用效率提供技术保障。

2.2 NB-IoT

NB-IoT是IoT领域一种无线通信技术，主要解决的是低功耗、小数据包以及海量连接的通信问题[6]。因此，该技术的优势也非常明显：广覆盖、具备支撑海量连接的能力、更低功耗以及具有更低的模块成本。正是因为这些优势，使得NB-IoT在电力物联网中得到广泛应用，海量的电力终端的短数据包传输需求可以通过NB-IoT来满足。

2.3 LoRa技术

LoRa可以实现远距离传输，其特点是成本低，但传输速率有限。它基于扩频技术，可以提供超低功耗的数据传输服务[7]。

LoRa的关键技术在于线性调频扩频调制。该技术在保留频移键控带来的低功耗特性的同时，显著增加了无线传输的距离，这也是其优势之一。在电力物联网中，LoRa通常用于变电站或者其他大范围内的数据采集业务，以保证数据传输的安全性。

2.4 RFID技术

RFID技术是在电力物联网中应用较多的一种传感技术[8]。它通过无线信号识别目标并可以读写数据，而不需要双方建立物理连接；是一种非接触式的自动识别技术。单个标签阅读器可同时识别多个标签，并能应用于高度移动的场景。

2.5 230 MHz电力专网通信

230 MHz电力专网系统工作于230 MHz频段，独创25 kHz离散频点独立使用、任意载波聚合，动态频谱感知等关键技术，融合边缘计算、网络切片功能，具备丰富的产品形态，为行业用户提供数据、语音、视频、集群及物联网业务的无线接入能力[9]。

无线频谱是不可再生的国家战略资源，230 MHz电力专网通信技术通过零散碎片频谱重耕，提高频谱利用效率。该电力专网通信将核心网的功能下沉，配合边缘计算，实现低时延的电力通信。同时优化高层信令，通过增强连接、唤醒机制满足海量连接的传输业务。该技术采用扁平化系统架构，网络拓扑简单，部署成本低，系统可靠性高，维护量少，更加契合电力通信接入网的需求。

230 MHz电力专网具备安全可靠、功能丰富、成熟稳定、配置灵活、管理全面、组网简单、运维便捷等特点，主要面向物联网应用场景，适配电网企业业务和频谱特点，利用频谱感知和载波聚合，满足电力无线通信接入要求，包括配电自动化“三遥”和精准负荷控制等低时延、高可靠业务，最大载波聚合已经达到120个子带聚合，达到3 MHz带宽，上行通信速率达到5.3 Mbps，现在也逐渐向5G技术逐步演进。

2.6 传统移动通信技术

传统的移动通信技术LTE、5G等主要以广域网的形式存在。适合于数据量大，对传输数据速率有需求的业务。传统的移动通信技术的优点是覆盖范围广，无需额外的布网即可使用。然而传统的移动通信网络使用许可频段，使用其进行大数据量传输将会产生巨额的费用。

3 电力物联网中异构网络关键技术

在复杂多样的电力物联网中，如何结合不同通信技术优点、高效使用异构网络、发挥通信系统最大性能是需要关注的问题。下面主要从多个角度介绍电力物联网中异构网络的关键技术。

3.1 干扰消除

异构网络中的干扰主要来自于不同网络使用相同信道时产生的干扰[10]。当电力物联网中存在多个小基站，其覆盖范围相互重叠。由于两个小基站可能复用相近的信道或者相同的信道进行传输，即同频组网或者异频组网模式，电力物联网终端的信号传输就会产生干扰。为了解决该异构网络场景下小区间的干扰，增强型的小区间干扰协调技术可以引入到电力物联网中，可以从功率、频域和时域三个角度来减少或者避免小区间的干扰问题。功率角度即功率分配，由于干扰的大小与功率的大小成正比，因此只需要对系统做功率控制，就可以减轻干扰。频域即不同的小区尽量选择不同的正交信道进行传输，这样可以避免小区之间的干扰。时域即不同的小区采用时分复用的机制，在不同的时隙进行传输，可以有效地避免干扰。

3.2 多连接技术

当一个区域存在多种制式的通信技术覆盖时，多连接技术可以用来增强重叠覆盖区域的数据传输能力[11]。随着电力物联网终端技术的发展，多模终端将会是发展的趋势，即终端可以同时连接多种制式的通信技术。多连接技术需要不同通信协议互相融合支撑，最终将数据进行汇总传输。

多连接技术中必须拥有最优的网络选择策略。同时连接多种通信技术，可以提高终端的数据传输速率，但也会增加通信造成的信令开销。因此，通信技术的选择直接决定了电力物联网终端的服务质量。在进行多连接时，电力物联网终端需要自适应进行网络选择，使得多连接的通信技术选择结果能够根据电力物联网终端当前所处的场景环境，动态地计算连接的通信技术带来的效益。

3.3 网络间切换技术

在多连接技术的前提下，如何进行网络间的切换也是一个关键的问题[12]。一般情况下，多连接场景下切换可能由如下几种情况触发。

(1) 当连接性能下降，无法保证业务服务质量需求，并且考虑到移动终端状态等因素，可能触发网络为该业务重新选择一个新的网络连接，将该业务在不同的连接之间进行切换。

(2) 由于移动终端在密集覆盖网络下发生移动，为保证业务连续性，在不同网络之间进行切换。

在这样的多连接场景切换过程中，实质上是网络再选择的过程。当系统中的终端需要进行网络切换，环境中的通信状态即会发生改变。此时影响的不仅是该移动的终端，其他的终端也可能发生被动切换。因为此时系统的最优状态被打破，每个终端的网络选择策略不再是最优的。但是，系统中同时切换将会造成系统混乱，大量的切换会引起巨大的信令开销。因此，为了保证电力物联网系统的稳定，网络间的切换需要设定一个合适的阈值，来保证当其中部分终端发生切换时，不会影响到其他的用户。

3.4 负载均衡技术

当终端可以连接多种通信网络时，由于部分通信制式随着接入用户数目的增加而性能下降，因此需要考虑不同通信技术的负载均衡问题[13]。与网络选择相反，不同通信技术可以对用户进行选择。通过最大化系统的容量，以负载均衡为目标条件，不同通信技术的热点选择最优的用户进行数据传输。

3.5 频谱共享技术

为了提高频谱的利用效率，不同制式的通信技术可以共享同一频段的无线资源[14]。免许可频段资源丰富，并且免费。相比较而言，许可频段的费用高，且比较拥挤。因此，可以与传统移动通信技术共享免许可频段，以提高传统移动通信的性能，降低成本，满足电力物联网的系统容量。5.8 G LTE-U技术即是通过传统的移动通信共享免许可频段来改善许可频段资源短缺的问题。

在5.8 G LTE-U技术中，需要解决的是在共享免许可频段资源的同时，保证工作在免许可频段技术的公平性。由于传统通信技术与工作在免许可频段通信技术在信道接入上存在差异，工作在免许可频段的通信技术通常是采用退避竞争信道接入技术，而传统移动通信采用中心式信道分配方法。由于传统移动通信技术的接入，原有的免许可频段通信技术的性能将会降低，因此在频谱共享技术中，主要考虑两个网络的公平性问题。即在提升传统移动通信性能的同时，需要保证原有通信技术传输的性能。电力物联网可以采用占空比机制以及先听后说机制来保证两种通信技术的和谐共存。占空比机制即两个技术在时间上分开，避免了因为传统移动通信接入而降低原有通信性能的问题。另外一种则是修改传统移动通信技术在免许可频段的接入机制，采用统一的退避竞争协议，与原有通信技术共同竞争免许可信道[15]。

3.6 网络切片技术

5G网络呈现功能软件化、用户面与数据面分离、边缘计算等趋势。为了实现这些功能，网络切片技术助力无线网络更加智能化与数字化。其将网络功能虚拟化，通过软件的方式将网络分为多个虚拟子网，以同时满足不同应用的不同需求。增加网络的容量，提高网络的性能。

网络切片技术可以帮助电力物联网实现更大容量、更高速传输、实时通信以及安全稳定的通信服务。对于电力行业，可以将切片技术分为三种情况：一是电力控制切片；二是电力监测切片；三是电力通信切片。网络切片可以实现切片间的物理隔离，从而使得一个切片的故障、拥塞，不会影响另一个网络切片的工作，业务的隔离性与运营的独立性满足了智能电网的行业需求。

4 结语

随着国网电力物联网建设的推进，海量物联网终端将会通过不同制式的无线通信技术接入网络中，形成一个大型的异构网络。充分利用异构网络将会大幅提高电力物联网的容量与性能。本文主要通过对电力物联网中存在的无线通信技术进行分析，接着从六种不同的角度分析可能存在的问题，并提出相应的关键技术作为解决方案。在现有的电力物联网中，异构网络的应用主要体现在233 MHz电力专网与其他网络共存场景。

为了进一步提高电力物联网的性能，满足持续增加的通信业务需求，未来的电力物联网将会呈现一种高度融合的通信架构。因此，还需要继续对电力物联网中的异构网络进行研究，最终形成一种电力混合专用网络。