基于微波技术的低功耗无线自主网技术

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 郑武略 张天浩 王瑞显 刘楠

针对应用传统技术组建的网络功率消耗量较大问题，为此提出基于微波技术的低功耗无限自主网技术研究。根据输电线路杆塔为线状分布的特点，构建星型+链型通信信道，开展星型+链型组网；利用微波技术实现网络无线通信；根据通信信号强度与网络设备功耗关系开发智能通信链路管理算法，依据设定的通信信道强度门限值计算通信链路状态，以此完成基于微波技术的低功耗无限自主网。经实验证明，应用此次设计技术开发的网络功率消耗值低于传统技术，可以满足无限自主网低功耗技术需求。

低功耗无限自主网是以Ad Hes 网络为基础，无限极、无中心、自主管理、多跳共享且能满足低功耗要求的无限网络，由于低功耗无限自主网技术在应用过程中无需基础设施，可以快速开展联网的同时还具有较强的抗毁性，因此低功耗无限自主网得到了越来越多的重视。由于国内对于低功耗无限自主网技术相关领域的研究起步比较晚，理论资源比较少，一些技术问题尚待解决。低功耗无限自主网技术具有广阔的开发前景，但是现有的技术在实际应用中由于涉及的通信设备比较多，并且组网技术还不够成熟，采用的智能链路管理算法计算过程比较复杂，导致消耗的功率较大，已经无法满足低功耗无限自主网技术要求，为此提出基于微波技术的低功耗无限自主网技术研究。微波技术可以利用电磁波实现在大气中的视距传输信息，具有良好的微波信道传输特性，外界环境因素对其影响比较小，因此目前微波技术已经被得到广泛应用，尤其是在无线通信技术领域中[1]。此次以微波技术理论作为理论依据，设计一种新的低功耗无限自主网技术，降低功耗，为低功耗无限自主网提供参考依据。

1 基于微波技术的低功耗无限自主网技术设计

1.1 开展星型+链型组网

低功耗无限自主网技术设计开发首先要对组网链路进行规划，由于输电线路杆塔大多为线状分布，为了有效规划网络资源，此次采用星型+链型组网方式进行低功耗无限自主网，如图1 所示为星型+链型网络结构图。

图1 星型+链型网络结构图Fig.1 Star+chain network structure diagram

如图1 所示，根据实际设备数量确定网络节点数量，网络节点数量不宜过多，也不宜过少，节点的分布形态和连接方式根据输电线路杆塔为线状分布的特点，此次网络节点的布点方式采用星型+链型，星型+链型的布点方式可以缩短链路路径，同时还与输电线路杆塔布局相符合，可以降低网络线路功耗。此次设计的组网还采用了分级结构，将网络中节点划分成一个簇或者多个簇，簇头之间形成一个高级的网络，簇头可以预先指定，另其负责簇间数据的传输。在星型+链型组网中，节点分为高级节点和低级节点，普通的簇成员为低级节点，簇头为高级节点。两种级别的节点任务分工不同，因此为了有效利用网络资源，对不同级别的网络节点使用不同的频率进行通信，各个簇成员之间的通信采用一种频率，簇头与簇头之间的通信采用另一种通信频率，这样可以提高网络的扩充性，并且使网络规模不容易受到限制。

在星型+链型组网过程中需要确定簇头和簇成员的数量，簇成员和簇头的数量不宜过多，也不能过少，在网络中簇头的主要任务是负责簇成员之间路由的维护，根据网络负载情况将资源分配到各个簇成员上，因此可以根据网络负载情况来确定簇成员和簇头数量，其计算公式如式（1）所示：

公式（1）中，TRF表示网络负载因子；n表示组网中簇头数量；x表示簇成员数量；a表示星型+链型组网中每个簇头的平均邻居节点数；w表示星型+链型组网中总的节点数量。利用公式（1）计算出星型+链型组网中簇头和簇成员的数量，以此完成了星型+链型组网。

1.2 基于微波技术的无线通信

完成组网工作后，需要对网络通信技术进行设计，由于传统技术在实际应用中网络容易外界因素的干扰，影响网络通信功能，基于此需求采用微波技术。微波技术利用发信机作为信号发射器，以收信机作为信号接收器，采用脉冲宽度调制方式对网络通信信号进行调制。微波技术使用不同的脉宽表示不同的符号，用序列表示为如式（2）所示：

公式（2）中，e(t)表示微波脉冲宽度调制的数字基带信号；g表示n个可能的占空比；表示持续时间内的矩形脉冲[2]。微波技术对数字基带信号进行变频生成脉冲宽度调制信号，再经过放大器将网络信息进行放大，将其作为输入信号输入到网络中[3]。为了避免外界因素对微波信号的干扰，在网络中布置一个干扰器，利用干扰器降低输入信号的饶信比，以此保证组网中数据的有效传输。

低功耗无限自主网传递的信息种类较多，为了保证组网信息传递有效，通过调制电磁波瞬时频率来表达不同的组网信息[4]。将组网的通信信道定义在466-467频，建立十个信道组，每个信道组由两个无线信道组成，这两种无线信道一种是0 号信道组，另一种是工作信道组，其中0 号信道组用于低功耗无限自主网维护，工作信道组用于低功耗无限自主网通信，对每个信道组的中心频率进行设定，由于此次设计的是低功耗无限自主网，需要满足低功耗需求，因此将中心频率设定在466～467Hz 之间，具体如表1 所示。

表1 微波信道组中心频率表Tab.1 Center frequency table of microwave channel group

将电磁波信号发射器和信号接收器的频率偏差值设定为25±5kHz，确保不同信号的准确接收和发送。

1.3 开发智能通信链路管理算法

此次设计的低功耗无限自主网涉及的微波设备较多，并且信道链路也比较复杂，为保证信道链路资源得到合理分配，并且降低功耗，在上文基础上，开发智能通信链路管理算法。据有关研究资料表明，通信消耗的功率与接收信号强度有直接关系，接收信号强度越强则消耗的功率值越高，而接受信号强度可以用来表示当前信号是否处于空闲状态，如果通信信道处于空闲状态，则需要及时关闭该通道，以此保证功率的有效利用。因此根据该理论开发智能通信链路管理算法。

无线节点可以接收的信号强度最大范围为90-120，如果信号强度超出该范围，则可以视为网络通信异常，功率消耗过高，因此此次在算法中设计一个信号强度门限值，如果信号强度超出门限值，则说明网络中不存在需要发送的信号，此时关闭通道；如果信号强度没有超出门限值，则说明网络中存在有待发射的无线节点，此时打开通信通道[5]。利用HFV 软件测评网络通信信道的信号强度，在通过微波信号接收器打开信道的信号强度评估，从一个8 位的寄存器读取到精度在0.25dB 的信号强度值，对其进行计算，其计算公式如式（3）所示：

公式（3）中，n表示通信链路状态，打开或者关闭；s表示通信链路信号强度值；d表示通信链路通信强度门限值；t表示通信时间。利用上述公式计算出通信链路管理指令，将其发送到低功耗无限自主网平台上，并采用窄带物联网实现信息与指令交互，保证在低功率下实现微波设备运行，以此完成基于微波技术的低功率无限自主网技术设计。

2 实验论证分析

实验以小组为实验环境，根据该小区用网需求进行低功率无限自主网。通过无线节点12 针外接口与该小区网络设备连接，通过串口与微波设备进行数据交互，该小区用户数量为1000户，占地面积为1253.42m2，相邻两个单元之间的距离为156m，因此共设计200 个网络节点，将小区正中间单元楼设定为中心节点，由中心节点向外发送信息类指令，根据每个单元地址逐个读取通信数据信息，将数据信息通过串口上传到PC 机上。实验中设计到的电子设备共45台，令两种技术组建的网络进行无线通信，通信时间为6h，通信的数据量分别为100GB、200GB、300GB、400GB、500GB、600GB，在通信过程中测量到两个网络功率消耗值，根据技术开发要求，低功耗无限自主网每小时每平方米的功耗不得超过10W，如果超过该标准则视为技术不合格，因此将其作为实验结果，对此次设计的基于微波技术的低功耗无限自主网技术进行验证，实验结果如表2 所示。

从表2 中数据可以看出，应用此次设计技术开发的网络功率消耗较低，符合技术要求，并且远小于传统技术开发的网络，此次根据通信设备功率消耗特点开发了相应的管理算法，并且采用了星型+链型通信信道，可以有效利用网络资源，降低网络功率消耗，因此实验证明了此次设计的技术可以满足低功耗无限自主网技术需求。

表2 两种技术开发网络功率消耗对比（W）Tab.2 Comparison of network power consumption (W) developed by two technologies

3 结语

此次结合低功耗需求，设计的低功耗无限自主网技术经过现场实验验证，技术能够有效应用，在保证正常通信的同时还能确保网络功率消耗最低，具有良好的现实应用价值。由于时间限制，低功耗无限自主网技术还存在一些不足，虽然完成了基本的组网设计，但是该项技术在诸多方面还需要有待完善与优化，比如智能通信链路管理算法仍需要完善，今后仍会在该方面进行进一步研究与探索，为低功耗无限自主网技术研究与应用提供理论依据。

引用

[1] 刘星.数字微波技术在广播电视信号传输中的应用分析[J].卫星电视与宽带多媒体,2020(1):17-19.

[2] 王辉.广播电视信号传输中数字微波技术应用研究[J].电子世界,2020(20):208-209.

[3] 陈世海,杨茂桃,张星宇,等.采用无线自组网技术的远程苔藓微雾灌溉系统[J].信息通信,2020(6):47-50.

[4] 贺渝兵,曾国奇,宗茂,等.基于蜂群测控资源智能管控的无人机区域组网技术研究[J].无线电工程,2020,50(11):932-938.

[5] 李利民.探讨SDH数字微波技术在广播电视微波传输网建设中的重要作用[J].数字通信世界,2020(6):140-141.