电力通信中异构网络关键技术研究

袁群义

（广州健新科技有限责任公司，广东 广州 510000）

随着社会经济和科学技术的不断发展，信息交换和传输成为现今社会发展的重要部分，物联网的出现更加加深了各种信息之间的联系。电力通信其存在的意义是为了保障电力系统能够稳定且安全的运行，是电力系统的重要基础设施，也是维持电力系统安全稳定的重要支柱之一。电力通信是电力物联网的核心，而电力物联网是现今社会不可或缺的基础，其出现是当前阶段信息技术发展的成果。为保障电力物联网终端的数据传输业务的平稳运行，其使用了多种无线通信技术共同构建了一个庞大的异构网络，满足各种数据传输的需求。根据目前的调查情况来看，电力系统的终端存在着通信接入网覆盖面积不够、数据不连贯、数据传输效率低等问题。而异构网络存在的主要目的就是实现各种信息之间的快速、安全的传输和交换[1]。为了充分发挥异构网络的性能，分析了异构网络的组成部分及其特点，介绍了电力物联网中异构网络存在的关键问题以及相应的解决方案。

随着电网规模的不断扩大，新能源的出现，使得电网连接主体逐渐成为能源输送和转换的重要环节，在这种发展大背景下，对电网的智能化、灵活性、数字化等发展提出新的更高的发展要求。电力物联网成为电网应对新的发展形势下的解决电网发展问题的有效途径。电力物联网能够保障电网的安全运行，有效地解决现阶段电网结构不合理，分布和调节等方面的问题，通过数据共享和分析推动电网智能化。电力物联网致力于打造以用户为核心，满足用户多样化需求的新模式。

随着物联网技术的发展，其优势逐渐凸显，这种技术被应用在智能电网之中构成了电力物联网，也是我国通信技术发展的阶段产物。电力物联网系统能够对通信和电力技术设施资源进行有效的整合，从而提高电力通信系统的信息化水平和各个环节的工作效率。电力物联网系统是由：感知层、网络层、平台层、应用层共同构成的。电力物联网系统如图1所示。

图1 电力物联网系统

（1）感知层。感知层是由电力终端构成的数据采集层。

（2）网络层。网络层将感知层采集的数据通过通信技术（无线/有线传输网络，蜂窝，电力专网）传输至上层。

（3）平台层。平台层负责对数据进行管理和储存作用，当大量数据传输到上层后，平台层对其进行储存，同时按照数据类型为用户提供接口。

（4）应用层。应用层可对外/对内开展业务（个人/企业），在海量的数据支持下可提供数据查询、数据分析等。

电力物联网的建设是智能电网发展和被应用的重要前提，是现阶段信息技术发展的产物，对电力通信的智能化、高效化有重要影响。

异构网络指由2个或者2个以上的无线通信系统，通过采取不同的接入技术达到系统之间相互补充发挥各自最大的优势，满足未来通信的一种手段[2]。异构网络如图2所示。电力物联网可被应用的场景较为广泛，如异常事件上报、台区识别和电表数据采集等，但是这些应用可以被稳定使用都离不开不同的通信技术的支持。如电表数据采集，由传统的人工采集发展为自动采集。其中，自动采集技术也随着科技发展由传统的RS485演变为现今的电力线载波通信方式。电力物联网中的通信技术主要有以下几种[3-6]。

图2 异构网络

2.1 ZigBee通信技术

ZigBee通信技术是一种近程无线网络通信技术，运输距离短，但是对应的能耗和成本就较低。ZigBee通信技术的物理层、MAC层和链路层在IEEE802.15.4标准的基础上又进行了完善和扩展。ZigBee通信的突出特点有以下几个方面。

（1）低功耗。低功耗是ZigBee通信技术最为突出的特点，在低耗能待机的情况下，1个节点能够持续工作6～24个月。

（2）低成本。免协议费用和大幅简化协议，降低了对通信器控制的要求节约了子功能节点，也降低了成本。

（3）低速率。ZigBee工作速率维持在20～250 kb/s的较低速率中，每个节点的速率为10～250 kb/s。低速率的工作下对部分组网方法产生局限性。

（4）近距离。ZigBee通信技术的传输范围为10～100 m，属于近距离传输。

（5）短时延。ZigBee只需要15 ms就能从睡眠状态转变为工作状态，节点在30 ms内就能够连接网络，其具有响应速度快、延时较短、节能省电的特点。

（6）高容量。ZigBee采用的星状、片状和网状网络结构，1个主节点能够同时管理254个字节点，容量大，主节点在管理子节点的同时能够被上一层的网络节点同时管理，从而组成了一个大的节点网络。

（7）协议简单、安全性高。ZigBee协议较为简化，有利于降低成本，可交互性和可维修性，同时也提供了3级安全模式，不仅保障了网络的安全，也使得安全属性能够被灵活的确认。

2.2 窄带物联网通信技术

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）是物联网（Internet of Things，IoT）领域的一种新兴的无线网络技术，主要领域是在低功耗广覆盖IoT的市场，主要有以下几个方面的特点。一是覆盖范围广。NB-IoT通信技术缩小宽带以提高功率，重复发送来获取时间分级增益，能够覆盖到地下深层35 km处，覆盖范围较为广泛。二是连接数量大。能够在同一基站下，通过话务模式实现休眠和激活状态的灵活切换，并且减少空口信令交互和提高资源利用率等，同一基站下多增加了50～100倍接入数，使得每个小区的连接可高达50 000个，实现了物联网下的海量连接。三是低功耗。其运行终端大部分状态下处于休眠状态，功能消耗低，待机时间长。四是低成本。硬件能够被剪裁，软件按照需求简化，降低了NB-IoT通信单模块的成本。以上这些优势使得NBIoT在电力物联网中广泛应用，实现了海量的终端数据包的传输需求。

2.3 LoRa技术

远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）技术是一种用于无线电调制解调的技术，LoRa是IoT的无线平台，基于扩频技术可实现远距离的传输，其主要的特点有以下几个方面。

（1）抗干扰。与其他的无线电技术相比，LoRa技术工作原理是通过高扩频因子将小容量数据进行大范围的传输，不易受到干扰影响，就算是同频率同时将信号发送主机也不会相互干扰。LoRa技术抗干扰原理如图3所示。

图3 LoRa技术抗干扰原理

（2）传输距离远以及功耗低。保留频移键控低功耗的同时增加传输距离，其在开阔地带的传输距离可达到8 km，实现了低功耗和高传输距离兼得，但是其传输速率有限，通常被用于大范围数据采集业务。

（3）穿透力强。LoRa的传输频率可高达868 MHz，拥有强大的穿墙能力。

（4）较高的安全性。LoRa采用了嵌入式点对点AES-128数据加密技术，其安全性高。

2.4 RFID技术

射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是自动识别技术的一种，通过无线射频（阅读器和标签之间）非接触通信，利用射频卡将识别到的目标与数据进行交换，以此达到非接触式识别目的。RFID技术能够根据通信位置划分为近场和远场，其数据交换方式也对应其负载调制和反向散射调制。其主要有以下特点：一是快速扫描，RFID技术单个阅读器能够同时识别多个标签；
二是穿透性好能够实现无屏障阅读，RFID技术能够在被覆盖的情况下穿透纸张、木材、塑料等非金属或是非透明的阻挡物进行读取识别，如自动售货机；
三是数据容量大，其最大可以容纳数兆的字符，并能够随记忆载体变化同时扩大数据容量；
四是体型小，形状多，RFID技术读取上不受形状与尺寸的限制，如校园卡。

RFID技术的优势突出，但相对应的也存在以下需要优化的部分：RFID技术受到读写器、标签等影响成本较高；
技术标准难以统一；
多目标识别的精准率需要提高。

RFID技术在电力物联网中被广泛应用的1种传感技术，其非接触性的目标数据互换、单个标签阅读器能够同时读取多个标签等优势，使得这种技术常被应用在高度移动的场景中。

2.5 203 MHz 电力专网通信

203 MHz电力专网具有能够被任意载波聚合、动态频谱感知、散点频点独立使用等特点，能够为用户提供语音、视频、数据以及物联网行业业务等无线接入。一方面，203 MHz电力专网通信通过零散碎片频谱重拼提高离频谱的利用效率；
另一方面，这种通信技术的延时性较低，运用边缘计算能力，采用核心网功能下沉方式降低延时，通过对高层信令的优化满足海量传输。203 MHz电力专网通信技术采用了扁平化的系统架构，成本低廉、系统稳定可靠、低维护，从而增加电力通信接入网的契合度。

203 MHz电力专网通信技术具有高安全性、多功能性、灵活配置、管理全面、网络组成简单以及运行维护相对便捷等优点，被应用在电网企业和物联网应用场景中。

2.6 传统移动通信技术

传统的移动通信技术是由移动台、移动交换机共同组成的，适用于对传输速率有要求且数据较大的业务。传统移动通信技术主要有以下特点：一是无线通信，物体保持移动性；
二是电波在进行传播的过程中可能会出现各种现象（多普勒、折射、反射等），产生干扰，从而会导致信号延时和展宽等；
三是用户之间，环境影响等使得噪声和干扰情况严重；
四是通信系统结构较为复杂，由多用户系统和网络共同构建。对于5G移动通信来说，其频谱利用率高、应用广泛，但易受高频段无线电波的影响；
5G移动通信技术通过多点、多无线、多用户之间相互协作，很大程度上提高了移动通信的性能。

物联网能够通过一定感知、计算、执行和通信等设备，以计算机为基础（射频、无线、条形码、云计算等），通过网络实现数据传输。在电力通信这个复杂的物联网中，怎样高效地使用异构网络，发挥其系统最大的性能优势是目前需要关注的问题。以下从多方面多角度分析电力物联网异构网络的几项关键技术。

3.1 干扰消除技术

异构网络中的干扰问题严重阻碍其运行，其干扰是各个不同网络同时使用信道而产生的。由于电力物联网构建的特性，会出现多个相互重叠且覆盖的小基站，在进行通信道数据的传输时，如果互相覆盖的基站同时使用同一个信道进行数据传输，那么会对物联网的终端信号产生干扰。为了消除这种干扰带给异构网络运行的阻碍，一方面可从功率、频域和时域3个方面来减少小区间对其的干扰现象，增强小区间干扰协调技术，对系统作好功率的控制工作，以此来减少干扰现象的发生。另一方面，在频域的选择上，最大程度上选择不同正交的信道进行数据传输任务，以避免小区间之间的互相干扰现象的发生，同时不同小区间则使用时分复用的机制，在不相同的时隙进行数据的传输工作，减少干扰。

3.2 多连接技术

在一个区域存在多种形式的通信技术覆盖的情况下，多连接技术能够增强重叠的覆盖区域内的数据传输功能。随着时代的发展和科技的进步，多模终端技术逐渐成为电力物联网技术的主要发展趋势。不同通信协议直接相互融合相互支撑，是使用多连接技术的前提条件，在这个前提存在的基础上，多连接技术能够将其所有数据进行汇总传输。多连接技术的成立和顺利运行的前提条件是配置最优的网络选择策略。多连接技术的使用使得终端在进行数据传输时更加的高效，同时其信令开销会出现增长。通信技术直接决定了电力物联网的终端服务质量，因此在多连接技术的使用过程中，需要配置最优的策略（根据终端环境进行配置），动态地计算这项技术带来的效益。

3.3 网络间切换技术

在多连接技术发展的前提下，网络间切换技术也是一个值得研究的重点问题。在以下几种情况下容易出发多连接场景的切换。一是当多连接的服务性能不足以支撑业务服务质量，为了保障业务质量会考虑移动终端状态的情况进行网络切换。二是移动终端处于密集覆盖的网络下进行移动，为了保证业务连贯性和质量，会进行网络切换。多场景切换就是网络的选择，当终端进行网络切换这个行为时，其环境中同性状态也会改变，不仅对通信终端会有影响，同时会对其他终端产生影响。当系统的最优态被打破后，其每个终端的选择都不会是最优的选择。同时，系统中的切换则会导致系统发生混乱，频繁的切换会增加信令的开销。为了避免这种现象的发生，保障电力物联网系统的平稳运行，需要在网络切换的状态下指定一个阀值来避免其中一个终端切换时影响其他的用户使用。

3.4 负载均衡技术

电力物联网终端在可连接多种通信网络的状态下，部分通信制式会随着用户量的增加出现其性能下降的情况。为避免这种情况影响服务质量，需要考虑不同通信之间负载均衡的问题。不同的通信技术能够选择其适合的用户，选择最优的用户进行数据传输任务，并且可以最大化系统容量来负责均衡其目标。

3.5 频谱共享技术

不同制式的通信技术可以通过共享统一频段的无限资源提高频谱的利用效率。对于免许可频段而言，其频段资源丰富且免费，而对于许可频段而言，不仅拥挤而且费用昂贵。在共享频段的状态下，不仅能够有效地降低传统的移动通信的成本，还能够增加其性能，最大程度地满足电力物联网系统的容量。例如5.8GLTE-U技术，这项技术就是通过频谱共享来改善了频段资源短缺问题。但是，传统通信技术和工作在免许可频段通信技术的信道接入上有所不同，即传统的移动通信使用的是中心信道分配，工作则是用退避竞争信道接入，接入上的差异性会导致免许可频段有可能会降低性能。针对这种情况，在频谱共享技术中，需要考虑到2个网络的公平性，在提升传统性能的同时保障原有通信技术的性能。因此，这种情况下电力物联网可以使用占空比机制（降低传统移动通信接入带来的影响）和先听后说机制（将2个通信在时间上区分开来），使这2种通信技术在不降低原有性能的情况下达到共存。此外，也可以通过修改传统移动通信的接入机制，使用退避竞争协议达到与原有通信技术的共存。

3.6 网络切片技术

网络切片即为按需组网，是对资源充足的1项技术，通常是由无线子切片、承载网子切片和核心网子切片3部分组成的。其技术核心是网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV），由通信服务的类型来进行选择。随着5G网络技术的普及，其在现今呈现出用户与数据面分离、边缘计算机等趋势，为了更好地发挥其这些功能的性能，网络切片技术是其重点。网络切片技术能够虚化网络功能，通过按需组网的方式，将网络分割成多个虚拟子网，不仅增加了网络的容量和性能，也能够满足不同应用的需求。

随着社会的发展和科学技术的不断进步，电力物联网技术也在不断发展优化，其重要性在新阶段的发展进程中不言而喻。随着国网电力物联网建设步伐的加快，异构网络随着大量的物联网终端不同制式的无线通信技术的接入而日渐壮大，从而形成1个大型的异构网络。为了满足其发展趋势，提高电力物联网的性能和服务质量，满足日渐增加的业务需求，高度融合的通信架构是其主要基础。这种情况下，电信通信中异构网络技术的研究就尤为重要，是提高通信覆盖面积、满足复杂的新型智能电网业务的重要途径，也是推动社会发展的技术支撑。