集群型无线自组网通信技术在智能表计中的研究与应用

2022-11-23宋新德田永明刘沙查恋池陈顺飞叶鹏

电测与仪表 2022年11期

宋新德，田永明，刘沙，查恋池，陈顺飞，叶鹏

(1.国网乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐 830000； 2.武汉盛帆电子股份有限公司，武汉 430200)

0 引言

近年来，我国有关部门相继出台了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》、《关于促进智能电网发展的指导意见》支持、鼓励、推动能源互联网建设[1-2]。能源互联网是电、热、气、水等多种能源网络协调互补的未来能源系统，能源互联网具有万物互联、全面感知、信息高效传输和智能处理等特点，在体系建设、运作模式上和底层技术上采用互联网思维，并同时具有“大云物移智”信息通信新技术[3-6]。无线通信技术最大的特点是实现了低功耗和远距离的统一，借助无线通信技术可以很好地实现能源互联网的建设，以解决传统的能源计量器具感知方式存在的设备功耗高、感知盲区多、网络性能差、数据利用率低等诸多问题，以满足日益增长的双向互动业务需求[7-8]。

然而，现有的能源互联网无线网络中，主要由主节点、中继节点和子节点组成。其中，中继节点的组网采集顺序一般由所属中继级别及信号强度决定，中继级数少且信号强度越高的中继节点会优先组网采集[9]。在现场应用环境中，优先组网采集的中继节点或主节点会发现更多的表计子节点，所以优先组网采集的中继节点或主节点形成的群网络会比后续中继节点或主节点形成的群网络更大[10]。而中继节点既可采用市电供电也可采用电池供电，为便于现场安装维护一般采用电池供电，所管理的群内表计子节点越多，功耗就越大，电池使用寿命也就越短[11-13]。现场应用中中继节点电池使用寿命不统一，大大增加了现场维护成本。

为解决现有的无线网络组网存在负载网络不均衡、稳定性差、维护难等难题，文中结合实际应用，给出一种集群型无线自优化动态组网方法，以提高微功率无线网络的稳健性和通信成功率，并通过建立现场无线网络系统，进行典型现场环境下无线组网效果应用验证。

1 无线集群型网络组网介绍

集群型无线组网主要由主节点、集群路由中继节点以及表计子节点组成，集群路由中继节点不同于传统的中继节点，它既可以当作中继节点使用，也可以作为集群主节点，作为集群主节点时可以管理群网内所有子节点。其中，主节点一般以模块方式安装在采集终端上，具有自动路由、档案管理以及子节点数据感知与控制功能。集群路由中继节点即可和对应主节点进行通信，也可以与相邻中继节点进行数据通信。集群路由中继节点由于采用低功耗设计，故可使用大容量电池进行供电，方便现场安装与维护。表计子节点只能与群主节点进行一对一数据通信，表计子节点为星型网络节点，故子节点与相邻节点不能进行数据通信。典型组网结构图如图1所示。

该典型组网结构图包括一个主节点M1，4个集群路由中继节点(R1、R2、R3、R4)及11个表计子节点(N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11)。主节点M1和集群路由中继节点(R1、R2、R3、R4)统称为群主节点，图1中的虚线表示子节点通信链路，实线表示群主节点通信链路。集群路由中继节点R3既属于主节点M1又属于集群路由中继节点R1，会通过自优化动态组网方法选择合适的通信路径，其他的表计子节点如N1、N6、N9同样类似处理，得出最优网络。最终该典型结构共包括有5个集群：由M1、N2组成的MQ1集群，由R1、N1、N3组成的JQ1集群，由R2、N4、N5组成的JQ2集群，由R3、N6、N7、N8组成的JQ3集群，由R4、N9、N10、N11组成的JQ4集群；集群网络拥有唯一群主节点，主节点M1管理所有集群路由中继节点。当主节点接收到采集终端设备下发的表计档案之后，主节点首先开始对集群路由中继节点进行组网，主节点通过广播方式发送带有网络信号的命令来搜索邻居集群路由中继节点R1、R2、R3、R4，并将其配置入网，主节点完成搜索自身邻居之后，开始搜集主节点邻居集群路由中继节点的邻居场强信息，主节点M1获取下属集群路由中继节点R1相邻节点的场强信息，集群路由中继节点R1利用广播组网信标帧方式，收集相邻集群路由中继节点R2、R3的场强信息。主节点通过循环遍历的方式逐级搜索集群路由中继节点，如搜索成功，就将其配置入网，遍历结束后完成整个无线组网。

图1 典型组网结构图

2 自优化动态组网方法

自优化动态组网方法基于集群广播采集方式，可适应多种能源互联网无线通信网络。群主节点在广播采集时，通过广播采集命令下发链路动态因子，智能表计子节点响应群主节点感知指令时，根据表计子节点入网情况和群主节点的链路动态因子值，自动优选加入最佳集群网络。其中链路动态因子依据群主节点收集的场强信息、网络状态信息等影响因素自动生成，若是市电供电的智能电表采集系统，则影响因素主要包括：网络质量、中继级别、剩余网络容量；若是电池供电的表计采集系统，则考虑低功耗设计，影响因素分别是：电池电量、网络质量、中继级别、网络容量。下面主要介绍电池供电的表计采集系统，利用网络链路动态因子，使组网网络结构实现最优状态。

网络链路动态因子影响参数主要包括：集群路由中继节点电池电量B、网络质量P、剩余网络容量S、中继级别L，其中网络质量P，可用群主节点与主节点之间的信号强度即场强大小的数值表示[14-15]，群主节点剩余网络容量，即群主节点设定的总可容纳子节点数目大小减去已加入该群主节点的子节点数目。在计算链路动态因子时，网络质量P和群主节点剩余网络容量S，需进行线性函数归一化处理后，再乘以系数10，使得数值落入[0-10]之间，如式(1)所示：

(1)

式中Zcur为群主节点与主节点之间的网络质量的当前值或者群主节点剩余网络容量的当前值；Zmin为群主节点与主节点之间的网络质量的最低值或者群主节点剩余网络容量的最小值；Zmax为群主节点与主节点之间的网络质量的最高值或者群主节点最大可支持的网络容量。

另外集群路由中继节点可读取自身当前电池电量，根据电池电量值获取B的取值，将集群路由中继节点电池电量B细分为1档～4档，如下表1所示。

表1 电池电量B取值

所有群主节点均需根据当前不同的状态，计算出该群主节点的链路动态因子值，如式(2)所示。

(2)

式中W为所计算出的链路动态因子值；ix、jx、kx分别是P、S、L受影响的系数。由于电池电量影响为非线性，故不同电池电量区间，ix、jx、kx系数值应选用不同。其中ix、jx系数值取值[0-1]之间，经过多次测试确定出最优值；比如：B=1时，i1=0.8，j1=0.2，即电池电量低时，以网络质量占比为重，优先选择网络质量好的群组；B=4时，i4=0.5，j4=0.5，即电池电量高时，网络质量和网络容量同样重要，兼顾选择。kx系数值为当前中继级别除以最大可支持的中继级别，整个网络最大支持中继级别可设定为(0～64)之间的数值。

另外，为便于根据现场应用环境调整网络结构，加入λ、β系数，两者取值[0-1]之间。加入λ、β系数后，若λ=1，β=0，则在不改变ix、jx、kx取值的前提下直接去掉网络容量的影响；同样，若λ=0，β=1，则在不改变ix、jx、kx取值的前提下直接去掉网络质量的影响。这些系数值可采用远程指令进行设置，ix、jx、kx系数值一般采用默认设置，λ、β系数用于现场网络调整。

若群主节点当前电池电量为3.63 V，则判定为电池电量高，用B取4时的系数值进行计算，查看各系数值，此时i4=0.5，j4=0.5；若群主节点设定总网络容量为200，现已有150个子节点加入该群主节点，则剩余网络容量S为50，按照式(2)归一化后处理得出剩余网络容量S为2.5；若群主节点与主节点之间当前场强为-98 dBm，而一般场强范围为(-30 dBm～-150 dBm)，按照式(2)归一化后处理得出网络质量P为4.3；该群主节点当前中继级别为2，最大可支持中继级别设定为4，则k4=0.5，L=2；根据现场环境调整时，λ=1，β=1，最终根据式(2)可计算出该群主节点当前的链路动态因子W=2.4。

其中，主节点进行链路动态因子值计算时，由于采用市电供电电池电量B始终取最高值，即电池电量B取4，网络质量P始终取最高值，即网络质量P取10，中继级别L取0。

各群主节点利用式(2)实时计算链路动态因子，采用广播采集命令下发给表计子节点。子节点保存多套群主节点动态因子，子节点根据入网情况自动优选最佳集群，并上报数据。

3 组网测试与验证

为充分验证上述自优化动态组网方法的组网通信效果，特此选取基于LoRa无线通信技术的电池供电表计采集系统，进行现场典型环境应用验证。

3.1 试验环境

(1)按照1个主节点、4个集群路由中继节点和300只LoRa水表子节点，构建无线网络系统。

(2)网络布局。具体分布位置如图2所示。

图2 现场应用网络

其中主节点M1附近分布50只表计，使其组成集群MQ1；集群路由中继节点R1附近分布50只表计，使其组成集群JQ1；集群路由中继节点R2附近分布50只表计，使其组成集群JQ2；集群路由中继节点R3附近分布50只表计，使其组成集群JQ3；剩下100只表计，组成自由群F1，分布于集群路由中继节点R1、集群路由中继节点R2和集群路由中继节点R3的中间位置，用于试验中自由选择集群。

3.2 测试数据

为测试自优化动态组网方法中电池电量、网络质量、中继级别、网络容量四个链路动态因子对于通信成功率的影响，以及验证自优化链路动态因子的使用效果，如下分别对现场典型网络进行电池电量影响试验、网络质量影响试验、中继级别通信成功率测试、网络容量影响试验、自优化链路动态因子验证试验以及功耗测试。

为便于快速验证网络情况，将采集频率设置为一小时，一天组网24次，第一次组网选择在采集终端档案变化或者改变网络号后。

3.2.1 电池电量影响试验

为验证电池电量影响，将自由群F1中所有子节点加入主节点集群MQ1，分别测试所有子节点F11～F1n电池电量低和电池电量高时的组网通信情况，已知子节点所用电池为3.6 V锂电池，当电池为3.2 V以下判定为电池电量低，当电池为3.6 V以上判定为电池电量高，其测试结果如图3所示。

图3 电池电量影响试验

由图3可知：在其他条件相同的情况下，当电池电量低于3.2 V时，会影响子节点无法组网，无法通信成功。

3.2.2 网络质量影响试验

为验证网络质量影响，将自由群F1中所有子节点加入主节点集群MQ1，且分别将自由群F1所有子节点F11～F1n放置于靠近集群MQ1的位置和远离集群MQ1且有遮挡的位置，以模拟网络质量好和网络质量差的情况，其测试结果如图4所示。

图4 网络质量影响试验

由图4可知：当远离主节点且有遮挡的位置，存在网络质量差，会很明显地引起通信成功率低，且曲线会出现上下波动情况，即存在子节点通信情况不稳定的现象。

3.2.3 中继级别通信测试

为验证网络链路的稳定性和可靠性，分别测试无中继、1级中继和多级中继情况下组网的通信成功率。保持所有节点中电池电量为高，分别测试无中继、1级中继、2级中继和3级中继情况下组网的通信成功率。其中无中继路径情况为将自由群F1中子节点加入主节点集群MQ1，主节点M1直接采集自由群F1中子节点数据；1级中继路径情况为将自由群F1中节点加入集群JQ1，即自由群F1中子节点经过集群路由中继节点R1再到主节点M1；2级中继路径情况为将自由群F1中子节点加入集群JQ2，即自由群F1中子节点经过集群路由中继节点R2到集群路由中继节点R1再到主节点M1；3级中继路径情况为将自由群F1中子节点加入集群JQ3，即自由群F1中子节点经过集群路由中继节点R3到集群路由中继节点R2再到集群路由中继节点R1最后到主节点M1，测试结果如图5所示。

图5 中继级别通信测试

由图5可知：

(a)在同等条件下，中继级别越高，通信成功率越低；

(b)无中继情况下，从组网开始到网络稳定，经历3次组网过程；

(d)2级中继情况下，从组网开始到网络稳定，需经历8次组网过程。

(e)3级中继情况下，网络通信会很不稳定。

(1)网络容量影响试验。

第一种，主节点集群MQ1中放置50只表计，让自由群F1子节点加入集群MQ1，测试其通信成功率；第二种，主节点集群MQ1中放置100只表计，让自由群F1子节点加入集群MQ1，测试其通信成功率。同时，观察两种情况下的3日内的通信稳定性。测试结果如图6所示。

由图6可知，当剩余网络容量小时，其通信成功率会下降，且采集曲线会容易出现上下波动，通信稳定性会降低。

图6 网络容量影响试验

(2)自组网链路动态因子验证试验。

按照图2所示表计分布，让自由群F1内子节点自主寻找网络集群构建网络路径，先后测试无链路动态因子时网络通信情况和有链路动态因子后网络通信情况，测试结果如图7所示。

图7 链路动态因子验证试验

由图7可知：加入链路动态因子后可提高网络通信成功率。且查看网络拓扑图，可发现，在无链路动态因子的情况下，自由群F1内100只表计，有65只选择加入了主节点集群MQ1，有12只选择加入了集群路由中继节点集群JQ1，13只选择加入了集群路由中继节点集群JQ2和10只选择加入了集群路由中继节点集群JQ3；在有链路动态因子的情况下，自由群F1内100只表计，有28只选择加入了主节点集群MQ1，有25只选择加入了集群路由中继节点集群JQ1，23只选择加入了集群路由中继节点集群JQ2和24只选择加入了集群路由中继节点集群JQ3。可以看出：无链路动态因子时若表计足够多，则会导致主节点集群MQ1容量过大，会出现上述测试中通信不稳定的情况。加入链路动态因子后，在网络稳定状态下，各集群可基本达到负载均衡状态，提高了无线组网稳定性和网络通信成功率。

(3)功耗测试。

本次测试采用LoRa方式的水表进行验证，首先对表计子节点进行功耗测试，1号表和2号表采用自优化动态组网方法加入链路动态因子进行功耗测试，3号表则不采用自优化动态组网方法无链路动态因子进行功耗测试。根据表2所示功耗测试数据可计算出采用链路动态因子，一般设定水表每月定时活阀2次，每月远程控制动阀2次，表端每天返回数据6次，可计算出水表一年总耗电量为247.3 mAh，选用ER18505电池容量为4 000 mAh，有效容量按50%计算，可得出使用年限大于8年。同时，从测试数据可知，本项目采用的自优化动态组网方法及数据采集流程，可极大减少表计唤醒次数，将静态电流降至18 μA以内，相比未采用自优化动态组网方法表计静态功耗为28 μA左右，降低表计功耗30%以上。

其次，使用Keysight N6705C直流电源分析仪周期监听集群路由中继静态功耗和组网功耗，其中组网功耗为集群路由中继组网时的功耗，该集群路由中继下挂150只表计和4台2级集群路由中继，且每台二级集群路由中继分别下挂100只表计，整个集群的表计数量是550只。如表3所示为集群路由中继功耗测试，其中，年静态功耗预算=静态电流×24 h×365；年数据采集功耗=广播数据采集平均功耗×(单次耗时/3 600)h×每天采集次数×365；年数据转发功耗=数据转发平均功耗×(持续时间/3 600)h×每天数据转发次数×365；年点抄功耗=(发送电流×耗时+接收电流×耗时)/3 600×每天点抄次数×365。

根据上述测试数据，年静态功耗预算：0.078 093 mA×24 h×365=684.09 mAh；按照每天广播采集数据1次计算，年数据采集功耗预算：34.37 mA×(270/3 600)h×1×365=94.09 mAh；集群路由中继之间的数据转发按照每天4次计算，年数据转发功耗预算为：130.48 mA×(1.38/3 600)h×4×4×365=292.1 mAh；按照每天点对点补抄50次(实际网络通信稳定后会远低于50次)，年点抄功耗预算为：2 462.18 mAh；总年功耗预算为：3 532.46 mAh，电池标称容量：76 000 mAh，有效容量按照50%计算，预计使用年限为11年左右，可很好地满足低功耗设计要求。