基于非授权频谱D2D的无信号区在线监测数据传输技术

郑文杰，商攀峰，白德盟

（山东电力研究院，山东 济南 250003）

0 引言

随着国家交直流特高输电线路及其配套落地工程的大规模建设，架空输电线路运维压力也越来越大，在线监测技术以其易部署、实时性强成为线路防护利器。目前架空输电线路在线监测装置主要通过运营商4G 网络实时回传在线监测数据，但是，高压线路大多跨越无信号区域，给在线监测设备数据回传造成较大困难，在运营商基站覆盖率低的山区、林区，运营商无线信号差，容易导致架空输电线路在线监测数据无法实时回传的问题。

基于LoRa 技术的无线自组网方案可以实现监测数据的低功耗传输，但是不适用于高清图片、视频等传输要求［1］；蓝牙、Wi-Fi 可以实现设备间近距离高速数据传输，但是受传输距离限制，难以满足低功耗条件下杆塔间数据传输要求［2-3］。终端直接通信技术（Device to Device，D2D）通信技术，即终端直接通信技术，使得距离相近的用户可以不通过基站转接而直接通信，在提高系统吞吐量，降低用户功耗方面有巨大优势，而基于D2D 通信技术实现D2D 辅助中继通信，通过利用链路较好的设备作为中继辅助其他设备通信，可以有效提高系统性能［4］。

为了同时避免对运营商用户及Wi-Fi 用户的同频干扰，需要选用合适的非授权频谱进行部署，同时采取有效的信道共用技术，避免信通占用对其他通信技术造成的同频干扰。为此，刘思嘉等对授权频谱辅助接入（Licensed Assisted Access，LAA）与Wi-Fi 在非授权频段的共存方案进行了研究，对LAA 和Wi-Fi 系统在非授权频段上共存的解决方案进行阐述分析和对比［5］；黄晓舸提出2 种接入机制：基于先听后发（Listen Before Talk，LBT）的随机接入机制和基于边听边发（Listen And Talk，LAT）的冲突避免接入机制，实现了非授权频段LTE（LTEunlicensed，LTEU）与Wi-Fi 系统的和谐共存［6］。但是考虑无信号区架空线路频谱占用特点，可以对信道接入方案进行进一步简化提高传输速率、降低计算复杂度。

为了实现无信号区域在线监测数据回传，需要采用中继手段对在线监测数据进行中继传输，直到到达信号良好覆盖区域对在线监测数据进行回传。尹航研究了基于博弈论的D2D 通信中继选择算法、功率分配方法，提出使用降价迭代拍卖实现D2D 通信中继选择，该模型将所有周边D2D 设备作为竞标者而中继节点作为拍卖者，实现了最大化系统能量效率［7］；郭漪等提出了一种基于网络编码的D2D 通信中最优功率分配、中继选择算法，在终端设备发射总功率一定的前提下，为了达到最大信道容量，对D2D 链路上的设备进行了最优功率分配，确定最佳中继节点［8］。王雪等研究了D2D 中继辅助通信的能效优化算法，基于功率控制和中继选择，采用匈牙利算法进行信道分配，使得系统D2D 用户的总能效显著提高［9］。目前中继选择算法多考虑复杂信道环境下中继选择算法，但是架空输电线路信道环境良好，且杆塔之间往往呈近似线性分布，可以采取更加简洁高效的中继算法实现信号回传。

针对上述问题，提出一种基于非授权频谱D2D的无信号区在线监测数据回传方案，分析架空输电线路在线监测装置分布特点，建立装置间直接通信的路损模型，结合无信号区输电线路信道环境，采用基于定向天线的传输路由进行信息中继。并通过仿真验证了本方法可以在降低天线的传输功率、提高整个监测网络的生存时间和稳定工作时间基础上，保障在线监测数据高速率可靠回传。

1 基于非授权频谱的杆塔间直接通信

区别于LoRa、蓝牙、Wi-Fi 等无线通信技术，D2D 技术可以直接与4G 通信模块进行公用，且具备大带宽、低时延、安全性高等优点。我国的频谱是由国家分配，而在美欧日韩等国家，频谱资源早已拍卖出天价。但授权许可频谱是无线移动服务的基石，以满足覆盖范围、频谱效率和可靠性的服务要求，但未授权频谱通过提高容量和在某些情况下改善数据连通性，在补充许可频谱方面发挥着重要作用，因此考虑使用非授权频谱。

1.1 频谱选择

中国电信研究院卢斌等系统调研了非授权频谱资源分配现状，介绍了NR-U 标准化研究进展、部署场景和其他非授权频谱主要技术［10］。当前我国的非授权频谱，主要使用2.4 GHz、5 GHz和60 GHz等3个频段［11］，我国非授权频谱资源分布如图1 所示。由图可知，2.4 GHz 频段广泛应用于科研、工业、医学领域以及室内Wi-Fi 中，该频段免许可频谱带宽达到83.5 MHz。对于5 GHz 频段频谱资源，中国当前可使用带宽为325 MHz。6 GHz 频段和60 GHz 频段等较高频段，我国目前尚无明确划分。所以需要从2.4 GHz、5 GHz 和60 GHz 频段中使用D2D 技术。根据电磁场再均匀介质中传播规律，信号传输损耗与载波频段呈负相关，所以高频段具有较大系统容量的同时，路径损耗比低频载波更大，在限制发射功率下基站覆盖范围更小。另外，频率越高，硬件成本相应提升。

图1 中国非授权频谱资源分布

当前输电线路在线监测主要包含微气象监测、图像监控、覆冰监测、微风振动、舞动监测、导线温度监测、导线弧垂监测、风偏监测、现场污秽度监测、杆塔倾斜监测［12-13］，其中舞动监测、风偏监测传输时延最低，一般要求不高于1 s；图像监测传输数据量最大，单张图片大小不高于4 MB，拍照密度周期大于5 min。所以选用2.4 GHz作为载波频谱。

1.2 适配郊区输电杆塔的信道模型选择

为了对数据传输质量进行有效评估，需要对信道环境进行有效建模。信道模型为路径损耗、阴影衰落、穿墙损耗等诸多参数的计算提供了依据。针对2～5 GHz 信道环境，第三代合作计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）主要定义了市区宏小区（Urban-macro Area，Uma）、市区微小区（Urban-micro Area，UMi）、郊区宏小区（Rural-macro Area，RMa）和室内热点（Indoor Hotspot，InH）等四类场景［14］。

1）Uma（城区宏站）：该场景是对密集城市区域的建模，该场景下运营商基站一般高于城区遮挡体，信号覆盖良好，完全满足输电在线监测设备数据传输需求。

2）RMa（农村宏站）：适用于遮挡物较少的郊区、乡村或其他空旷无人区域。该场景下首先满足信号覆盖需求，基站高度为10～150 m，基站间距离较远。

3）UMi（城区微站）：城市区域开放场景，基站天线高度低于遮挡建筑，用户设备高度一般低于2 m，微站间距一般不大于200 m。

4）InH（室内热点）：广泛分布在办公楼宇、宿舍楼宇等环境，此场景下不同区域之间一般有隔间、围墙遮挡。

针对架空线路户外部署、相邻杆塔无遮挡的特点，可以匹配RMa 模型。输电在线监测装置多分布在导线或杆塔塔体，110～1 000 kV 线路高度一般为24～55 m，杆塔间距为300～500 m，因此无信号区输电线路信道环境可以参考国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）提供的郊区宏小区场景（3D-RMa-Los）建立信道模型。

1.3 基于LBT的信道接入算法

因为2.4 GHz 频段同时用于SIM（科学研究、工业、医学）领域，为了避免对该频谱既有通信产生的同频干扰，需要采用公平竞争的信道接入机制。

Wi-Fi 采用CSMA/CA 机制，信号发送端首先需要侦测将要利用的通信媒介，确定当前信道处于信道空闲状态才进行信道占用、数据发送。D2D 设备的一种信道接入方案为半静态ON/OFF 方案，如图2所示。

图2 半静态ON/OFF方案

由图2可知，LTE基站可以通过半静态方式进行ON/OFF 状态的切换，且LTE 的ON/OFF 时间百分比是动态变化的。

半静态ON/OFF 机制为：一个周期为400 ms，由Ton和Toff两个部分组成。Ton是一个周期中D2D 工作的时间。Toff可以是20～200ms 间的任意值，根据当前Ton值而定。D2D 系统在每个周期的Toff时间计算Wi-Fi的信道利用率。根据这个利用率，D2D系统调整下个周期中Ton的值。

在半静态ON/OFF 方案中，小基站将会测量Wi-Fi 媒介的利用率，并相应的调整开/关的循环周期。监测时间应足够大，以保证检测的可靠性。D2D 根据自己的载波侦听结果进行ON/OFF 决策，ON/OFF周期相对于Wi-Fi 的时间粒度太大，因此不能很好地实时反映信道状态；D2D 依据自己的意志进行信道占用，而不是采用随机退避的LBT 机制，因此损害了信道占用的公平性，影响了Wi-Fi 正常的信道接入。

D2D 在不采用LBT 机制的情形下，无论是沿用传统帧结构，还是采用半静态ON/OFF 机制，都无法保证D2D 能与Wi-Fi 友好共存。不做随机退避的LBT 机制下，节点每次发送之前要监听信道，并且监听信道的空闲时长是固定的，在监听周期内信道一直空闲，此节点才可以获得传输机会；一旦信道忙，该节点无法获得传输机会。若某个节点接入信道，它将占用信道直到所有业务都传输完成，另一运营商的D2D始终无法获得传输机会。

为了实现与Wi-Fi 信号的共存，采用类似于CSMA/CA机制的LBT Category 4机制，如图3所示。

图3 采用可变竞争窗口的LBT机制

由图3 可知，发送节点从竞争窗口范围内获得一个随机数N。竞争窗口的大小按照一定规则在最小竞争窗口与最大竞争窗口之间取值。发送节点可以调整竞争窗口的大小。在LBT 过程中，随机数N决定了节点在占用信道发送数据之前要求的信道空闲时间长度。本机制的主要优势体现在竞争窗口可以根据信道情况进行动态调整，所以应主要关注竞争窗口q的调整策略对共存性能的影响。

2 装置间中继算法研究

不同于配电物联网等处在蜂窝网络密集区、通信节点间同频干扰严重、需要反复遴选调优的特点［15-20］，输电线路在线监测装置网络环境单一，所以采用最小功率算法作为中继选择方法。首先发送探测帧进行信道测量，相邻中继节点进行应答，当前节点与最近中继节点进行数据传输。因为架空线路多呈线性、稀疏分布、位置固定，两个杆塔的连接是线性的，杆塔从远端到近端的连接表现出一定的线性关系，而在线传输的无线信号监控设备向各个方向传播，没有方向性，这将无形中增加设备的传输能耗。如果设备使用定向天线传输无线信号，在相同距离条件下，设备可以有效降低能耗，提高能耗利用率，延长节点寿命。

目前，业界普遍认为，在线监测系统应该分为三层，即感知层、网络层和应用层。这三个层次的功能分别是电力信息采集、电力信息传输和电力信息处理应用。基于定向天线的传输线信息路由主要工作在网络层，即完成每个节点的组网。

首先，应确定各设备节点的位置和方向，这是定向天线应用的基础。一般来说，杆塔都在视野内，方向很容易纠正，而且广泛应用的北斗定位系统可以用来获取相邻塔的位置信息，从而计算铁塔在线监测装置相对方向，并自动校正天线的接收和发射方向。该设备实现了网络层路由选择、环路避免、路由重构，同时建立了自己的路由表，解决了路由表的维护问题。根据路由表确定下一跳节点，以降低路由的错误概率，提高网络的稳定性，减少网络延迟，提高工作网络的性能。

架空输电线路信息传输如图4 所示。从图中可以看出，架空输电线路杆塔的连接基本上是线性的，这为定向天线在通信链路中的应用提供了一定的依据。设备的监控信息发出后，通过数据跳转传输，最后通过变电站或基站传输到监控系统。

图4 定向传输算法

具体步骤为：

1）杆塔上在线监测设备节点传感器获取微气象、舞动、通道图像等需要监控的物理量；

2）设备节点数据单元封装获取的信息，并封装监控点的位置和时间等属性信息；

3）设备节点查询本地路由表，从而确定下一跳杆塔在线监测设备节点；

4）确定下一跳杆塔后，根据下一跳杆塔的位置自动调整定向天线的位置和方向；

5）根据与下一跳设备节点的距离，调整传输功率，降低能耗，发送信息；

6）下一跳杆塔在线监测装置接收信息，融合并封装设备节点的监控信息；

7）下一跳节点进行下一次转发路由，最后转发到监控系统。

通过上述步骤，在线监测数据通过塔间跳转，最终到达运营商信号覆盖区域，从而实现在线监测数据回传至主系统。实现无信号区线路环境监测。

3 基于非授权频谱D2D 的无信号区在线监测数据传输技术仿真验证

将基于非授权频谱D2D的无信号区在线监测数据传输技术应用到网络中，并与普通网络进行了比较，如图5所示。

图5（a）显示了网络生存期，通过比较可以看出，新方法中设备节点的生命周期比传统算法长约400轮，即单次中继任务能耗降低约16.7%；图5（b）显示了网络的稳定工作时间，从图中可以看出，新方法的平均工作时间比普通方法长约20%；图5（c）显示了在线监测设备平均吞吐量，无信号区在线监测装置平均吞吐量超过24.44 Mbit/s，满足在线监测数据图片、文本传输要求。

图5 仿真结果

所提出的基于非授权频谱D2D的无信号区在线监测数据传输技术，可以在降低天线传输功率、提高整个监测网络的生存时间和稳定工作时间基础上，保障在线监测数据高速率可靠回传。

4 结语

针对无运营商信号覆盖区域的架空输电线路在线监测数据回传问题进行研究。结合架空线路杆塔间距大、高度高、少遮挡的特点，选择设备间直接通信技术作为在线监测设备的基本通信技术；针对无信号区域架空线路电磁场环境良好的特点，选择Rma 模型建立在线监测数据传输的信道模型；同时，为了避免对2.4 GHz 频段Wi-Fi 及科研、工业、医学用户造成干扰，提出使用先听后发机制进行信道接入；最后，采用定向天线方式实现无信号区数据中继回传。

仿真结果证明，所提出的无信号区数据回传技术，可以在降低天线传输功率、提高整个在线监测网生存周期的同时，实现在线监测数据的高速可靠回传，满足各类文本、图像数据回传需求。

随着北斗通信等先进信息技术的大范围推广应用，结合北斗卫星实现在线监测数据回传，为实现无信号区域数据回传提供了更大可能。