电力宽带无线与自组织网融合接入网关的研究（可编辑）

电力宽带无线与自组织网融合接入网关的研究（可编辑） 国内图书分类号:. 学校代码: 密级:公开 国际图书分类号:. 专业硕士学位论文 电力宽带无线与自组织网融合接入网关研究 硕士研究生: 李璇 导 师: 郝建红教授 企业导师: 张 晶高工 申请学位: 工程硕士 专业领域: 电子与通信工程 培养方式: 堵乔万式: 全日制 所在学院: 电气与电子工程学院 答辩日期: 年月 授予学位单位: 华北电力大学删 删 删眦 眦 删 叫?? 四 . : ..:.: . : & : ,:: 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《电力宽带无线与自组织网融合接 入网关研究》,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 日期:枷年;月 作者签名:兹穆 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《电力宽带无线与自组织网融合接入网关研究》系本人在华北电力大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大 学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力 大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复 印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于请在以上相应方框内打“?”: 保密口,在 年解密后适用本授权书 不保密‖ 作者签名: 日期:伊三年;月 磊孑级 导师签名: 日期: 弓年岁月矽 锄瞄匆砂华北电力大学硕士学位论文 摘 要 电力系统通信是电力系统的重要组成部分之一,是电网调度自动化、电网运营 市场化和电网管理信息化的基础,是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。 高可靠性和实时性是实现可靠的电力运输、提供用户满意度和电力运营利润的关键 因素。设备故障、电击、电力系统故障、自然灾害等等经常会导致电力系统扰动甚 至长时间的电力中断。 随着通信技术的发展和智能电网建设的发展,用户对电力系统提出了越来越高 的要求。无线传感器网络的快速发展,使其在电力系统得到了广 泛的应用,其在电 力系统中可以用于实时监控周围的环境温度、湿度、电磁场强度等数据量,为这个 系统部署提供必要的参考。同时,无线传感器网络也应用于远程控制系统的性能, 监视系统的运行情况,有效的提高了系统的运行效率,减轻了人工维护的负担。无 线传感器网络与宽带无线网络的融合,使得无线传感器网络在电网监测中的作用显 得更加灵活、方便。 本文结合宽带无线技术和无线传感器技术,提出了一种两者融合的网 关终端设计。硬件设计是基于的嵌入式系统,根据所需的功能需求进行 外围电路设计。软件设计部分首先介绍了嵌入式平台的搭建,包括交叉编译环境、 引导程序、内核配置和根文件系统建立的具体步骤。之后着重设计了串口驱动程序 和驱动程序,设计了接入点的设计和模块的配置方法。 最后结合某省信通公司项目中的实际应用,测试了网关终端的性能。 关键词:智能电网;无线传感器网络;宽带无线网华北电力大学硕 士学位论文,?鲥 ,, ? . ,. , , , . , . , , , .,,. ,, 鲥 . ,. , ,. , ,,.,., . ; : ;华北电力大学硕士学位论文 录 目 要??。 摘?. 第章绪论??. .课题背景及研究意义??.. .课题国内外研究现状??.. .主要工作和内容安排??.. 第章相关技术概述.宽带无线网? .. 技术概述??.. .. 关键技术??.. .. 系统优势??.. .无线自组织网??一 ..无线自组织网的概念及特点? ..无线传感器网络的及特点??.. .. 通信技术概述. .宽带无线网与无线自组织网在电力系统中的需求分析. .宽带无线网与无线自组织网融合的总体设计?. .本章小结?. 第章电力宽带无线与自组织网融合接入网关的硬件平台设计?. .网关终端的总体设计??. .存储器电路设计?. .以太网接口电路设计??. . 接口电路设计 .串口电路设计??. . 收发模块设计??. . 收发模块设计.本章小结?. 第章电力宽带无线与自组织网融合接入网关的软件平台设计?. .嵌入式操作系统简介??. .交叉编译环境的建立??.华北电力大学硕士学位论文 .引导加载??.. . 系统建立??. .驱动程序设计及接入点配置..串口驱动程序设计?. .. 驱动程序设计 ..核心控制模块设计?. .. 接入点设计与实现?.. .. 接入实现?. .本章小结?. 第章网关终端在项目中的应用及测试??. .项目介绍?.. .网关终端在远程抄表中的应用及测试?. .本章小结?. 第章结论与展望??. .#工作总结#?. .研究展望?. 参考文献? 攻读硕士学位期间发表的论文? 致谢华北电力大学硕士学位论文 第章绪论 .课题背景及研究意义 近年来,随着电力系统信息化建设速度不断加快,智能电网的快速发展,我国 的电力专用通信网络已经具有一定的规模,有微波、卫星、载波、光纤、无线移动 通信等种类多、功能全的通信手段,是电网调度自动化系统、生产控制系统以及计 算机网络信息交换和传输的重要设施。迄今为止,电力通信网实现了国家电网公司、 省电力公司、地区供电公司及大型发电企业的宽带网络互联。 从传输性能分析上看,电力系统骨干网络普遍使用光纤通信,它具有传输容量 大、中继距离长、传输质量好,特别是具有不受大电流、高电压影响的优点优势, 当之无愧的成为首选的通信方式,但是,由于配电网的覆盖面积特别大、通信节点 特别分散而且数据不集中,铺设光纤网络的资金投入很大,从而降低了其性价比。 电力宽带无线网络与自组织网络的融合,可以有效的解决通信节点分散的问题,而 且可以很好的控制资金投入。 智能电网的迅速发展,也推动了电力信息化建设的进程。智能电网与传统的电 网一个显著区别在于智能电网基于复合通信平台,利用先进的通信技术来作为智能 电网的支撑体系,而通信系统是整个智能电网坚实的信息传输基础,也是电力系统 输电、变电、配电、用电这四个环节实现智能电网的有效支撑点。在智能电网的建 设过程中,用户对电能质量和供电可靠性要求不断提高,这就要求电力部门对现有 的配电网络进行改造,以提高其自动化水平。通信系统则是智能配用电自动化系统 的关键技术,通信系统的好坏从一定程度上决定了配用电系统的好坏,所以,建设 可靠稳定的配电通信系统,是现如今亟待解决的一个问题【.】。 无线自组织网络的快速发展,对智能电网的建设也起到了巨大的推动作用。无 线传感器网络 ,作为通信领域的新兴技术,具有分 布式处理系统的高监测精度、覆盖区域大、高容错性、可远程遥测、自组织、多跳 路由等诸多优点,在多目标、短距离通信方面得到了广泛有效的利用,在建设智能 电网的过程中也扮演着非常重要的角色。无线自组织网络与宽带无线网络的融合, 对实现复杂环境的配电系统自动化、电网控制信息和管理信息的同步起到了巨大的 作用【】 基于现如今对电网发展的需求和我国相对混杂的电力通信接入网络,还有多种 场景和多种环境因素的巨大挑战,仅仅依靠传统的通信技术是无法得到满足的。因 此,由多种接入技术共同使用,对智能电网的发展将会起到很大的推动作用。华北电力大学硕士学位论文 .课题国内外研究现状 在国外,发达国家的宽带无线技术发展非常的成熟,是覆盖范围最广的一种通 信方式,这样不但使用方便、结构灵活,而且可以节省大量的投资。因此,宽带无 线技术具有很明显的优势。目前世界上已经有许多国家采用了电力宽带无线多业务 接入技术,使用的终端也很多,俨然已经成为了国际上一项成熟的技术。德国电力 公司公司使用公司的产品提供电力宽带无线数据服务。日本的日立 公司研发的业务接入终端在工作生产的噪音环境的环境下成功的实现了电力业务 的接入。西班牙公司研制的电力多业务接入终端已经在德国、法国、西班牙、 意大利、新加坡和荷兰等地开展了规模化的实验,该公司又推出了高速率的电力无 线业务接入系统。发达国家使用这项技术的主要目的是实现远程抄表、安全性和实 时性。随着智能电网的飞速发展,国外正把目标转向了电力市场的技术支持与用户 用电的互动。 无线自组织网络的发展是开始于世纪初期。加州大学洛杉矶分校成立传感 器网络研究中心,联合了南加州大学、加州大学伯克利分校等, 展开了“嵌入式智 能传感器”的研究项目,以求利用传感器网络对我们的生活的物理世界实现全面的 监测与控制,同时进行相关的基础理论和关键技术的研究。国外的主流研究项目有 、 、 、 等。国内已经出现了许多的科研单位和学校进行的传感器网络方面的研究 工作,如清华大学计算机与科学系、解放军理工大学信息通信工程系、西南交通大 学计算机与通信工程学院、中国科学院自动化所、哈尔滨工业大学、中山大学电子 与通信工程系等。总体上讲,我国在无线自组织网络方面还处于刚刚起步的阶段, 大部分工作仍是正对网络协议的设计和试验阶段,仿真的规模最大能达到数千节 点,实验室规模也就几十个节点【圳。 在配电网方面,我国的配电自动化研究相对晚于发达国家,但随着二十世纪初 期城网改造的进展,我国的配电网快速的发展起来。我国在很多城市都在不同的程 度上对配电自动化进行试运行,陆续建起了配电自动化系统。未来的配网自动化技 术必然朝着多模式共存、更多的集成化和智能化的方向发展。我国的配电自动化也 大致可以分为三个阶段: 、基于自动化开关设备相互配合的配电自动化阶段。 这个阶段的主要功能是在故障的时候,可以通过自动化开关设备互相配合实现 故障隔离和健全区域恢复供电。这一阶段的配电自动化程度较低,仅在故障时起作 用,正常的时候是起不到监控作用的。还有调整运行方式后,需要现场修改定值,华北电力大学硕士学位论文 恢复全区域供电时,无法采取最佳的措施,在隔离故障时需要多次的重合,对设备 冲击大等缺陷。 、基于通信网络、馈线终端单元和后台计算机网络的配电自动化阶段。 这个阶段的配电自动化系统是建立在通信网络、轨线终端单元和后台计算机网 络的基础上的配电自动化系统,在正常运行时可以起到遥控改变运行方式的作用和 监视配电网运行的状态,可以及时的察觉系统故障,由调度部门 通过遥控隔离故障 区域和恢复全区域供电。 、具有自动控制功能的自动化阶段。 通信技术的快速发展,促进了第三阶段的配电自动化系统的产生。它在第二阶 段的基础上增加了自动控制,形成了集配电网系统、需方管理、 配电地理信息系统、调度员仿真调度、工作管理和故障呼叫服务等一体化的综合自 动化系统。 在国外,配电自动化系统已经完成了集变电所自动化、电容器组调节控制、馈 线分段开关测控、用户负荷控制和远程抄表于一体的配电管理系统。一些国外的电 力设备制造商也涉及了该领域,如法国的施耐德公司、德国的西门子公司、美国的 摩托罗拉公司、英国的公司等,都推出了自己的配电自动化产品。新加坡公 用电力局在世纪年代中期投运并在年代加以发展和完善的大型配电网的 系统,其规模最初覆盖其配电网的个配电所,目前已将网络管 理功能扩展到.配电网,进而覆盖约个配电所。 从国外的配电系统自动化所采用的通信方式来看,还没有一种通 信技术可以满 足配电系统自动化系统所有层次的需求。在一个配电自动化系统中,往往由许多通 信技术融合形成的综合通信系统,各个按实际的需求来采用合适的通信方式。目前 国外致力于配电自动化专家系统和配电网仿真培训系统等的研究,并且在研究通过 优化符合分配来减少损耗,来管理变压器符合,最大限度地利用变压器容量降低系 统损耗,并按即时电价对用户负荷进行管理【。。 .主要工作和内容安排 本文以研究电力宽带无线与无线自组织网接入网关为主要的研究内容,首先对 现如今的电力系统做一个简单的介绍,并分析了现如今电网的发展趋势。然后分别 对电力宽带无线网与无线自组织网分别做简要介绍。设计了一种基于芯片的 网络融合的网关终端,最后并设计了软件系统。 全文结构如下: 第章提出了本课题的研究背景、意义及研究对象,引出了智能电网的概念, 并分析了现如今的配电网发展状况。华北电力大学硕士学位论文 第章简单的介绍了该课题所设计的相关内容,包括电力宽带无线网和无线自 组织网,由于本文选用的设备为和无线传感器网络,所以对二者做了较为 系统的介绍。最后还对电力宽带无线与无线自组织网融合在电力系统中的需求做了 简要的分析。最后提出了二者融合的总体设计方案。 第章主要完成的是网关终端的硬件设计。设计了基于芯片的嵌 入式系统,并设计了各个功能模块的主要电路。 第章主要完成的是对软件系统的设计,首先简单的介绍了一下嵌入式 系统,然后详细的讨论了交叉编译环境、引导程序、内核配置和根文件系统建立的 具体步骤,接着接着介绍了串和的驱动程序设计,最后设计了接 入点和的详细配置方法。。 第章对网关介绍了网关终端在实际项目中的应用,并给出了该终端在实验室 的测试结果。 第章对该课题作出了总结和展望。 华北电力大学硕士学位论文 第章相关技术概述 .宽带无线网 宽带无线接入技术: 代表了接入技术的一种 新的不可忽视的发展趋势,不仅建网开通快、维护简单、用户较密时成本低,而且 改变了本地电信业务的传统观念,最适于新的无线通信业务需求。 现如今,比较成熟的宽带无线接入技术有和等。两者之间各有 自己的优势。对于技术来说,它的起点较高,采用了代表未来技术发展方 向的/、、等先进技术。则是由北京信威通信自 主的移动宽带无线接入系统,本文所采用的宽带无线接入设备选用的相关 技术。 .. 技术概述. ,多载波无线信息本地环 宽带无线接入系统是由北京信威通信技术有限公司自主研发的新一代宽带无线接 入技术,采用国际最先进的码扩正交频分多址.、智能天线、 联合检测、空间零陷等无线通信技术,使其无线性能较现有的宽带无线通信技术 技术,包括、微波及技术;基于分组交换网络 以及软交换核心网络架构,可以无缝的融入运营商的网络【】。 系统具有覆盖范围广、高保密性高带宽、支持高速移动、、非视距传 输、支持终端漫游切换等先进优势,使其广泛的用于公网、水利、油田、电力、煤 炭、制造业等行业用户,为用户提供可靠的无线数据语音传输平台。系统 应用于行业领域不但可以弥补行业现有有线网络的不足,扩大网络的覆盖范围, 借助其灵活的部署和移动性功能,使得行业中宽带应用更加丰富,比如应急通信、 移动视频监控等。在提高行业生产效率的同时,使不同行业的信息化、生 产自动化以及办公自动化水平相应提高【】。 宽带无线网络已经在电力、油田、煤矿等很多行业领域应用,实际解 决了这些行业的无线数据传输、视频监控、应急通信、移动通信等多方面的需求, 得到了相关行业用户的一致认可。正以其先进的技术优势和良好的产品性 能服务于众多行业用户,并将进一步为更多的企业行业服务【】。华北电力大学硕士学位论文 .. 关键技术 、.技术。 .码扩正交频分多址是系统的核心技术之一,它将 、和有机融合为一体,使系统获得了高频谱效率、抗衰落、 抗多径等综合性能优势。 .先把一个宽带纵向的分成若干窄带频点,接着符号化后, 用正交的码道横向调制到窄带频点。在进行调制前,首先要对数 据进行码扩处理,这样做可以将时域进行扩频处理,处理后可以使调制信号的能量 散布在一个较宽的频带里,当信道中出现窄带干扰时,可以利用扩频码的自相关性 与窄带噪声和本地扩频信号不相关的特性,有效的降低干扰电平。以此类推,频域 的码扩处理也可以对抗时间选择性衰落或者时域的瞬时干扰。扩频后的每个符号能 量分散到了整个信道的频带内,接收的时候可以实现频率分集接收。 这样的融合多址设计有效的避开了和的缺点,巧妙的结合了 两者的优点。具体来讲,使用技术能够克服传统系统在传输带宽 数据时由扩频而引起的严重的码间干扰,同时可以将性能较差的、复杂的多用户联 合检测方法分成多个性能较高、简单的单用户检测。由于每个码 被扩展后的频点都 有一定的间隔,这样可以有效的相邻小区干扰和频率选择性衰落,有利于同频组网 及宽带数据和窄带语音的可靠传送。 总之,.具有以下几点技术优势: 首先,.采用了调制方式,具备所有的技术优势,容 易实现、频率利用率高和信道分配灵活外,还有以下显著优点: 通过对调制符号的串并转换降低单载波上的符号速率可以增强多径干扰的抵 抗能力; 根据对各个信道的动态分配来选择符号的承载信道可以抗频率选择性衰落。 其次,?采用的码扩技术,可以将一个符号进行码扩以后再以一个 信道为单位进行多载波调制,这样可以将一个符号的的能量分散到整个信道中,在 接收时达到频率分集的效果; 最后,.采取的多址方式主要由与组成, 的使用范围仅在每一个信道中,而信道是给用户的最小单位,这样用户在发射接收 信号时,相互之间不会干扰,避开了传统接入方式的多址干扰问题。 、增强型技术天线。 智能天线是一种采用空间信号处理技术及阵列天线,并充分利用移动用户的空 间方位信息来增强移动通信系统容量和传输质量的信号处理技术。华北电力大学硕士学位论文 传统基站天线将功率辐射到目标用户以外的方向,这些其他方向的辐射不仅是 对功率的极大浪费,还对其他用户造成了干扰。智能天线的概念可以理解为天线阵 定多个波束指向具体的终端,也就是说辐射的模式不固定,而是针对现实辐射 条件和具体的用户定制的。这将有效的减小干扰,提高灵敏度并提高功率与频谱利 用率。 在基站射频方面,由于功率放大器的价格随着输出功率的增大而上升,信威公 司在基站中使用了八只低功率功率放大器取代昂贵的大功率放大器,且能得到相同 的功率输出,这样有效的降低了成本。 信威公司的智能天线技术已经达到世界先进水平,解决了大规模组网运行中的 稳定问题,并降低了这种复杂数字信号处理技术的成本问题,采用八阵智能天线的 晰基站已经在国内外部署了上万台。 在先进的智能天线技术基础上,采用了增强型零陷等优化技 术来提升系统的性能。零陷可以分为两种:发射零陷,如果向某方向发射的信号为 零则叫做发射零陷;接收零陷,将零陷对准干扰到达方向叫做接收零陷。 的智能天线可以控制无线电信号的导向,将其引导至期望的方向,如将天线的主波 束对准接收用户而将零陷对准其他小区用户,这样可以有效的降低外泄干扰强度; 智能天线还可以选择性的接收移动用户信号并抑制或删除干扰信号。如果在某个方 向探测到一个干扰源,系统就会在此方向产生一个零陷,使接收信号的质量达到最 佳。 的增强型零陷技术极大的提高了系统抗干扰能力,可以抑制比信号最 多强的干扰。智能天线在检测用户空间方位信息的准确性上比上一代系统有 了进一步的发展。结合对瞬时空间方位信息和电子地图的处理可以更准确的确定出 用户的空间方位信息。 、软件无线电。 随着芯片处理速度的不断提高和大规模集成电路技术的快速进步,使得在通用 芯片或芯片平台上,利用软件来完成多种数字信号处理功能。由于软件 具有廉价、灵活等优势,在软件无线电通信系统中实现多种通信协议的兼容且便于 通信技术升级,同时引入的多种先进的动态调整技术可以大大提高无线通信系统的 功能和服务质量,有利于各种通信新的兼容和实施,使得无线通信系统实现极 大的开放性和灵活性。 系统中用户终端、基站的射频收发机与基带电路的接口都是高速的 /或/转换器,全部基带信号的处理都是在数字信号处理器中通过软件完成的。 基于开发新系统只需要进行软件的修改,这样方便了设计和制造的时间, 是产品可以更快的上市,也可以使运营商能更廉价方便的扩展服务。可以有效的减华北电力大学硕士学位论文 少实现新的通信标准所需的时间,保护用户及运营商的投资。依赖软件无线电的优 势,信威公司已经快速开发了工作于各个频率的周边产品。 、快速联合检测。 协议优化设计了高速移动信道。快速联合检测算法是可以跟踪信道的 变化来快速计算相应符号的联合检测矩阵和承载信道,这样可以获得频率分集增益 的同时实现想干检测,系统就是采用了这种快速联合检测算法从移动 ?信号中提取信息。所以,该算法总能够在最有准则下恢复每个时间点 上的传输符号进而有效的提高了移动检测性能。 、自适应调整编码。 实际生活中的无线通信环境都是各式各样并且随时随机变化的。为了可以再这 种变化的环境下实现数据信号的准确传输,可以采用自适应调制方式。这种调制方 式可以自动检测信道质量,通过改变下行信道的调制方式来动态调整传输速率,以 达到适应不同的干扰波动和传输环境。 系统动态调制方式可以分为,,和。由于 信道帧结构引入特殊时隙,信道和噪声估计校准并不需要考虑用户间的干扰。根据 信道质量进行动态调制可以大大的优化系统的吞吐量。 、动态信道分配。 智能天线技术在多址方式和抗干扰方面的新突破使得系统对相邻小 区同频干扰的抵御能力很强。但在某种特别的情况下,两个用户的空间特征差别较 小,并且使用相同的频点,这种情况下,为了避免相邻小区间的同频干扰,我们需 要使用动态信道分配来重新分配其中某一个用户的频点。类似于动态调制技术,动 态信道分配技术也得益于系统的信道帧结构引入特殊时隙,可以更准确地 估计每个时隙各个频点相邻小区的干扰,大大增加同频组网的可靠性【.】。 .. 系统优势 、高带宽。 基站在带宽上单扇区容量可以达到,设置三扇区能够 提供的容量。系统的普通终端,数据速率可以高达,占用 的带宽;而系统的超级终端,数据速率可以达到更高的,占用的 带宽,完全可以满足不同行业的各种数据传输的需求。双工方式为, 有个时隙,上下行带宽分配的比例也可以灵活调整,如:、:、:、: 等。 这样对于家庭和行业办公的留言、文件下载、视频点播等时下主流应用可 以调高终端的下行带宽如:,而对于数据采集、视频监控以上传数据为主的 业务可以调高终端的上行带宽如:。华北电力大学硕士学位论文 、广域覆盖。 宽带无线系统的的智能天线技术为了保证较大范围覆盖,主要通过空 间波束赋形可有效的提高链路的预算。工作于频段的基站最大 覆盖半径能超过,这种大范围的覆盖相对于传统的无线接入技术更容易组成 城域网,而不是简单的局限于热点覆盖,可以使用户在更广域的范围内享受宽带服 务【引。 在无线技术领域,周围区域的环境和天线高度等因素都影响着基站的效果和覆 盖范围,所以不同的地区的基站覆盖情况要根据当地的具体情况来计算和分析。 、支持大量用户并发。 用户密集地区对无线通信系统的并发容量需要更高的要求,如城市管网监控系 统、油田、电力、水文、交通管理、气象监测和煤矿安全等行业的大量数据采集设 备也同样要求无线通信系统满足大量用户同时在线【】。 系统采用了的细颗粒度带宽分配机制,单扇区支持双向各 个并发信道,同时支持个用户的并发业务,对于数据业务,系统支持个左 右的数据终端,对于语音业务,按照:的收敛比可以提供个用户。 系统强大的多用户并发能力十分适合数据传输和大量窄带语音的系统容量 要求,如厂区通信和电力抄表等。 、宽带数据与窄带语音结合。 任何一个用户都不愿意将语音和数据分两个终端传输。同样,任何一个企业也 设置两个通信网分别用来传输语音网和数据网。数据和语音同时传输最关键的技术 是系统能同时高效的支持宽带和窄带业务。以其独到的无线处理技术和码 道设计很好的解决了宽带无线数据通信技术上的窄带语音通信,实现了二者的完美 结合。系统终端、等提供数据和语音两种接口,即实现数据上网业务又 可以实现语音业务,最大程度的满足了不同行业用户的语音调度 和数据传输服务。 .无线自组织网 ..无线自组织网的概念及特点无线自组织网络即 ,是一种与传统的无线通 信网络不同的通信技术。传统的无线通信网络需要固定的设备如基站支持来进 行用户服务控制和数据转发。相比于传统的无线通信技术,无线自组织网络不需要 固定的设备,各个节点自行组网。在进行相互通信时,由其他的节点进行数据的转 发。这种网络不再受到传统网络的地理局限性的限制,可以更加快速、高效、便捷 的部署到偏僻及特殊地区,譬如一些紧急场合、战场的单兵通信系统等。同样,无 华北电力大学硕士学位论文 线自组织网络也有其自身的局限性,如带宽受限、对实时业务的支持较差、安全性 较低等弊端。无线自组织网络是一个由数十个到数百个节点组成的、采用无线通信 技术的、动态组网的移动网络。其目的是通过移动管理技术和动态路由传输具有 要求的信息流。一般情况下,节点具有持续的能量供给【。 在现如今通信技术飞速发展的情况下,信息的交互绝对不能仅仅局限于有线网 络。无线互联技术是当前,也必然是未来的发展趋势,自组织网络正在向的无 线技术方向发展。与其他通信网络相比,无线白组织网络具有链路容易改变、带宽 有限、节点的移动性、网络拓扑的动态性、受设备限制和物理安全有限等特点。由 于这些优势与劣势,无线自组织网络的协议栈形成了比传统网络更高的要求,如基 于动态拓扑的稳健、高效的路由算法,适应移动分布节点随机收发的协议, 高效的功率控制,便利的异构网互联技术,多层协同设计,合理的跨层信息交互和 可靠的安全机制等等【】。 ..无线传感器网络的架构及特点 无线传感器网络 ,是一种典型的无线自组织网络, 它是由部署在检测区域内的大量传感器节点组成的,通过无线通信来形成一个 网络,其作用就是采集传感器覆盖区域的感知信息,并协作的将信息发送给观 察者【】。 、 传感器网络的结构图如图.所示,传感器网络系统包括汇聚节点 传感器节点 和管理节点。成百上千的传感器节点随机的部署在监测 区域,它们以无线自组织的方式构成网络。传感器节点检测到的数据通过或附近节 点协作、逐跳的方式进行传输,经过多跳路由到汇聚节点,最后通过互联网传送至 管理节点。用户可以通过管理节点对传感器网络进行管理、配置、发送命令和收集 数据等命令【引。 图传感器网络体系结构 华北电力大学硕士学位论文 传感器节点是一个嵌入式设备,它所具有的存储能力、通信能力和处理能力都 较弱,并且通过有限的电池进行供电【。在网络功能上,每个传感器节点都具有传 统网络节点和路由器的功能,每个传感器节点不仅要处理本地的信息,还要对其它 节点传送来的数据进行存储和处理,并且同时要与其它的节点共同完成某些任务。 相对于传感器节点,汇聚节点的处理能力、通信能力和存储能力 都相对较强, 它是连接传感器网络与外部网络的桥梁,实现两种协议栈之间的协议转换,同时收 集数据并转发到外部网络上并发布检测任务。在能量上,它具有持续的能量供给和 更多的计算资源。 传感器节点由处理器模块、传感器模块、能量供给模块和无线通信模块组成的, 如图.所示。其中,处理模块负责控制所有的命令操作,存储数据和处理本身数 据和其它节点发来的数据;传感器模块负责采集检测区域内的物理信息;能力供给 模块为传感器提供有限的能量;无线通信模块负责与其他的传感器节点相互通信。 图?传感器节点体系图 无线传感器网络的协议栈与传统网络也有所不同,它包括物理层、数据链路层、 网络层、传输层和应用层。无线传感器网络协议栈还包括能量管理平台、移动管理 平台和任务管理平台,它们可以传感器节点按照能源高效的方式协同工作,如图. 所示。各个协议层和平台的功能如下【】: 、物理层:主要负责数据的调制、发送与接收。 、数据链路层:负责数据成帧、差错控制、帧检测和无线信道的使用控 制。 、网络层:负责路由生成和路由选择,实现数据融合。 、传输层:负责数据流的传输控制,协作维护数据流,是保证的重 要部分。 、应用层:根据不同的监测任务而制作一系列应用层软件。 、管理能量平台:负责管理传感器节点如何使用能源。华北电力大学硕士学位论文 、移动管理平台:监测传感器节点的移动,维护汇聚节点的路由,使得 传感器节点能动态跟踪其邻居位置。 、任务管理平台:在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 图.无线传感器网络协议栈 .. 通信技术概述 是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线 传感器网络的新技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用 于近距离无线连接,面向无线传感和工业控制应用领域。它依据.. 标准,在 数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。其具备如下的技术特点【埘】: 低功耗。技术采用了多种节电的工作模式,在休眠状态下高电量仅 仅只有,通信距离短的情况下工作状态的耗电为,在低耗电待 机模式下,两节普通的号干电池可以使用个月以上。 可靠性高。采用了?的碰撞避免机制,同时为需要固定带 宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突;层 采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的 确认信息; 网络的自组织、自愈能力强。 低成本。设备的复杂程度很低,且协议是免专利费的,这些可以有 效地降低设备成本,的工作频段为免执照频段的.,是免使用 费的无线通信信道。 网络容量大。每个网络最多可以支持个节点,也就是说每个 节点可以与数万个节点相连接。由于的能力很大程度上取决 于节点的多少,也就是说可以容纳的传感器节点越多,的功能越强大。 所以的网络容量大的特点非常符合的需要。华北电力大学硕士学 位论文 有效范围大。虽然设备之间的通信范围在之间,但是通过加入多级 路由设备,网络覆盖范围可以拓展到数百米甚至上千米,具体依据 实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。 工作频段灵活。使用的频段分别为.、欧洲及 美国,均为免执照频段,具有个扩频通信信道。 数据安全。技术提供数据完整性检查和鉴权功能,加密算法支持 和.,同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 下面着重介绍一下文章后面要用到的网络结构【引。网络的网络 节点主要有三种类型的节点:协调器.,每个网络只有一个协调器, 其主要任务是为网络选择合适的频段,启动网络和接受其他节点加入该网络:路由 器,主要负责在网络转发数据;终端设备,主要负责消息的接收与发送。 网络的拓扑结构有三种组网方式:星型网、对等网和混合网。 星型网络中,第一步是建立协调器,所有设备只能够与协调器进行通信,因此 在星型网络的形成过程中,把协调器作为网络的中心。一个网络如何能确定自己的 协调器是由上层协议决定的,任何一个设备都有可能成为协调器。在星型网络中, 除协调器外所有的设备都是通过电池供电,而协调器需要使用持续的电力系统供 电。这种星型网络很适合小范围的室内供应,如个人计算机、家庭自动化以及个人 护理等等。 对等网络可以分为点对点和簇树两种结构。两个设备要进行通信,彼此只需要 都在对方无线信号的辐射范围内,相互都可以收到对方的无线信号就可以实现,不 需要其他设备的转发。在这种网络中,仍然需要一个由上层协议规定产生的协调器。 这种网络模式支持 网络,可以通过多跳路由的方式在网络中转发数据。对 等网络适用工业控制与检测、智能农业和货物管理等设备分布范围较广的应用,还 可以构造更为复杂的网络结构。 对等网络与星型网络组合起来就形成了混合网,各个子网内部以星型网络连 接,其关键节点通过对等的方式连接在一起。数据信息首先发送到同一个子网内的 主节点,通过网关节点达到更高的子网,这样逐层上传直至到达中心采集设备。混 合网可以覆盖如大型酒店这样范围较大的区域,房间内的所有节点以星型网络的方 式与主节点互联,主节点以对等网络的方式连接起来形成一个大的混合网。虽然混 合网络有诸多优点,但在控制和信息同步方面却捉襟见肘,由于所有信息都要通过 层层网络到达目的节点,实现控制和信息同步非常困难。另外,上层节点的较高配 置使得达到降低功耗和较低忙闲比的目的更加困难【‘】。华北电力大学硕士学位论文 .宽带无线网与无线自组织网在电力系统中的需求分析 在很多电力企业分支机构设置分散,不具备铺设光缆的条件,内部的语音和数 据通信困扰着这些机构,通过网络,可以方便的将这些区域的语音和数据 业务接入到企业内部的电话网及信息网,大大提高了工作效率。此外,很多电力企 业工作人员家庭居住地位设置分散,在家中没有办法是用内部电话和访问内部网 络,是用网络,可以在家中方便的通过电话和内部网络保持联 系。在电力行业的应用框图如图.所示。 翻结管理系统 翻路生务平台 各业务服务器 视频服务器 凝 翼涵器曼 ~农村电厨通信~ 一鎏图~ 置剧~ ~ ???‘??‘‘??’‘。?‘?‘,?’?~ 圆一 电力无线备用通信 ; 。? 圜圆圆 姻 錾鼍 姨娶戛 里到 ????一. 譬黑: ?儿。 囊黑一 ?赢丢釜杀 其啦用 ;电力移动醐 电力应急指挥通信 : 。静一移。 :高压车无 密可惹点; 昌固 等圆 啡乎困 ?一一昆一 圆圈刻删 溜谶凿 ..圉凰.圜 图 在电力行业的应用框图 在营销及配网自动化方面,线损分析管理、通过符合控制实现电网的需求侧管 理及远程抄表实现电力营销自动化,这些都是现代化电网的重要保障。实现中低配 电网自动化已经成为电网系统发展的方向,配电变压器的运行数据也是配电网基础 数据的重要环节。通过通信技术解决上述问题一直是个瓶颈,因为在配电网采用光 纤作为通信方案从经济上和技术上考虑都是不太现实的。网络的发展及应 用很好的解决了以上问题,几乎可以称作配电网通信的完美方案。 无线传感器网络的关键技术在电力系统中的应用涉及到管理、网络安全、组网、 分布式信息处理以及电力系统网络融合等许多方面的问题【?。 、组网方面。在电力系统中,无线传感器节点主要用来完成各种开关量、模 拟量、电气量的检测和监控,因此基于电力系统网络的组网和通信应当充分的考虑 电力系统自身的特点。调制技术、扩频技术和无线频段的选择等都是无线通信亟需 华北电力大学硕士学位论文 解决的主要问题。还需要考虑电力系统独有的情况下无线传感器网络的动态特性, 设计相应的网络拓扑结构等。 、管理和分布式信息处理。无线传感器网络具有网络拓扑结构动态变化、通 信带宽较低等局限性,所以传统无线通信的时间同步机制难以适用。需要针对电力 系统特定的需要的时间同步机制,且必须满足较低的通信开销。由于电力系统中的 数据量巨大,不同类型的数据要求的响应时间和传输质量都不同,需要处理的数据 也不尽相同。单元级、域级、厂站级和之间要建立起有效的分层 分布式处理机制来 满足彼此之间不同的数据交互和协作处理。电力系统中,无线传感器节点只有结合 位置信息获得的数据信息才有实际的意义。如,在变电站综合自动化系统中,开关 量、电气量等数据信息只有知道确切的位置信息才能有效的进行数据处理。所以, 有效的管理方式对于无线传感器网络显得尤为重要。在满足电力系统特定需求的前 提下,低成本、低开销的分布式算法也是设计的重要环节。 、电力系统通信的网络安全和网络接入。厂、站控制中心或者调度中心可能 需要获得从传感器节点获取到的开关量、电气量和模拟量等数据,以便进行实时的 监控和分析。所以,需要将现有的电力系统数据通信网络和无线传感器网络实现有 效的融合,以达到数据的互补和共享【】。 .宽带无线网与无线自组织网融合的总体设计 宽带无线网与无线自组织网融合的总体设计图如图.所示。 传感器节点将监测到的数据传输到节点,然后通过宽带无线网与无线自组 织网络融合的网关终端来实现两者之间的数据传送。然后通过无 线传输将数据及时 传送给电力系统工作人员,并可以将监测指令传送到传感器节 点。 网关终端 ? 器 ~ 。 一 懈×二 一 ~ 一】一一 黼列刍橐顺 一卜纛一 监测区域 图.总体设计图华北电力大学硕士学位论文 .本章小结 本章主要介绍了该文章中设计到的一些基础知识,包括宽带无线 网和无线传感 器网络的相关介绍,对两者融合网络在电力系统中的需求进行了 扼要的分析,最后 给出了总体的设计方案。华北电力大学硕士学位论文 第章电力宽带无线与自组织网融合接入网关的硬件 平台设计 一口又 .网关终端的总体设计 遵循电力企业的需求,在综合分析现有各种无线网络的优势劣势,本文选用 作为电力宽带无线技术,无线传感器网络作为自组织网技术,并实现两者 的融合。网关终端基于宽带无线技术、嵌入式技术和技术等, 提出该网关终端的设计方案,如图所示。 图网关终端总体设计方案 在终端接入口的端的设备是收发模块,该模块基于协议,并能实 现信号的接收与转发。该模块与间的通信时通过串口通信,所以要求选 用的收发模块支持串口通信,若支持接口,也同样可以完成设计。在这 里我们选用的收发模块是公司的芯片【】。 网关终端模块是最核心的部分,它需要完成各种协议之间的转换和数据包的转 发,同时需要协调系统中各个接口模块之间的工作,这需要性能强大的嵌入式微处 理器。这里选用的嵌入式微处理器是公司推出的处理器,它工 作于性能可以高达,内含.的指令缓存和.字节的数据缓 存,而且功耗很低’】。该处理器具有丰富系统与应用外设的标准 接口,从而该终 端设计提供了一个单片解决方案。该处理器主要有以下功能特 点: 》.指令、.数据、写缓冲; .的内部和的内部;华北电力大学硕士学位论文 虚拟内存管理单元; 包括周期性终端、看门狗和第二计数器的系统定时器; 支持、 的无缝 、、和 连接; 带有个优先级、个外部中断源、一个快速中断源、可单个屏蔽中 断源和 中断保护的先进中断控制器; 通道的外部数据控制器; 个位的通用/控制器可以达到个可编程引脚; /的以太网接口; 两个标准的接口; , 个异步/同步收发器 : 外网接口模块中,提供宽带无线网和以太网以备必要时有线网的 计 入两种接入方式,其中接口以串口通信方式连接模块,该模 块有如下功能特点: 上电自动开机; 提供丰富的接,可扩展性强,包括、音频、、、等接 口: 上/下行数据吞吐量可达; 提供硬件复位功能; .存储器电路设计 嵌入式系统有版和版两种不同的运行方式。使用版 嵌入式系统时,启动的时候先从里读取系统内核,然后解压到 里,系统在上运行,这种运行方式比要比版的运行速度要快。 是一种非易失性的存储器,它是以“块”为单位进行数据的擦写 的, 是用于存放启动代 且擦写速度要比要快。对于该设计中的 码、应用程序、用户存放的数据和嵌入式内核等,我们这里采用 位。 不仅要为版本运行时存放内核空间,还要作为应用程序和系统 的数据存储空间。一般来说,最简单的嵌入式系统的内核需要左 右的 空间,加上网络支持等,再考虑到用户程序和数据,所以给扩展的 。外围采用两片×位合并构成 位的配置。华北电力大学硕士学位论文 外围空间分配如图.所示,其中】【为内部存储 接片选 器空间,为外部存储空间,这里讲 和共同构成 ,两片公用片选。最终 的外部存储空剐。引。 ??蚱 ~ 瞻 ,【? 【 ‘?【柚卞 ? 酬啪 喇暑?一?暑哪阡 ??刀邗 嚏?蠕 图外围空间分配 .以太网接口电路设计 以太网接口在网关中主要有两个用途,首先是在开发调试时,需要把宿主机编 译得到的的内核的映像文件,通过以太网接口下载到核心板上的中, 然后烧写到里面,尽管可以通过串口实现,但用以太网接口传输远快于串 口,所以,以太网接口能提高开发速度。而且,以太网可以接入有线的,为 需要有线网接入时提供准备。 在本设计中,使用集成的/.型以太网接口,分别支持和 两种物理层接口形式,我们选用的以太网芯片是公司生产的 控制芯片,它是一款低功耗、高性能的芯片,支持/以太网 传输,完全兼容.标准,并支持和两种接口模式。 系统的硬件电路如图.,与芯片采用接口方式互联, 的目的是用缩减的引脚数来代替 .。它使用位进行发送和, 对应和。有一个发送使能对应,一个接受错误 对应,一个数据有效 对应 ,以及一个在/数据 传输速率下,需要的参考时钟 对应。华北电力大学硕士学位论文 ?? ? .. .帅附 . 一状 ? 图以太网接口硬件电路图 的与的引脚状态终端输出连接在一起, 外接.上拉电阻,如果状态发生变化传输速率、连接,由高电平变为低电 平。与的相连接,其中最大时钟速率为.的管理 数据时钟脚;是管理数据/引脚,可以通过与控制和管理 ,可以获得物理层芯片的错误信息和状态信息等。 . 接口电路设计 是一个外部总线标准,用于电脑与外部设备的连接和通讯。接口 支持设备的即插即用和热拔插功能。是在年底有、、和 等多家公司联合提出的,自从年提出以后,经过历代替换,已经从 .发展到了.的版本,由于.的接口尚未能全面普及,我们的电路设计中采 用的是.的接口电路。在这里设计的电路作为扩展接口使用,以便于 我们连接一些新型的外设。 ,在外围电路中只需要简单的 选用的芯片自带两个 连接电路即可,电路如图所示。 图电路原理图华北电力大学硕士学位论文 .串口电路设计 的 / 提供一个全双工同步异步串行连接。.是一种串行通信接口标准, 采用的接口是针或针的型插,其电路图如图.所示。.要实现串行 通信功能,只需要、和即可,由于.标准定义的高、低电平 信号与我们采用的的电路所定义的高、低电平信号完全不一样。 的 逻辑标准是,“”对应~.”对应叽.,而.的逻辑标准是,“”对应 .~.,“”对应。显然,要实现两者的通信必须进行电平转换。这 里我们 选用一块作为电平转换芯片。的用于软件开发时 嵌入式系统的标准口,用于与收发模块通信,用 于与模块通信。 图 接电路原理图 . 收发模块设计 收发模块选用的是公司的芯片,它在单个芯片上整合 了射频江前端、内存和微控制器。它使用个位的, 具有可编程闪存和的,还包括模拟数字转换器、几个 、 定时器、协同处理器、看门狗定时器 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路 ,以及个可编程/引脚。它的主要特点如下: 高性能和低功耗的微控制器核。 集成符合..标准的.的无线电收发机。 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 在休眠模式时仅.的流耗,外部的中断或能唤醒系统;在待机 模式时少于.衅的流耗,外部的中断能唤醒系统。 硬件支持/功能。 较宽的电压范围..。华北电力大学硕士学位论文 具有电池检测和温度感测功能。 集成了位模数转换的。 集成安全协处理器。 带有个强大的支持机组协议的,以及个符合..规 范的计时器,个常规的位计时器和个位计时器。 由于该芯片支持标准的接口,可以很方便的实现与间的通信。 该模块的系统结构如图所示。 口 存储管理微内部存储器 时钟管理模块 电源管理模块 模块 /模块 频率同步模块 模块 模块??, 无 无 线 接 发 ??~? 收 送 哟模块 , 模 模 块 块 定时器模块卜. . 收发模块设计 收发模块选用信威公司开发的无线宽带数据接入模块,它 支持高品质的 语音和上下行最大吞吐量.的无线数据业务, 提供无线话音和数据统一使用解决方案,方便集成,减少用户端 设备,便于实现各 种行业的统一通信,方便生产管理和调度、办公自动化、企业信 息化管理。其产品 特点如下所述: 提供对外接口,便于第三方开发。 支持语音、、键盘等接口。 支持多种接口,包括音频、、、等。 提供键盘扫描接口、硬件显示接口和卡接口。 内置/协议,可自动获取地址。 提供唤醒和被唤醒的控制接口。华北电力大学硕士学位论文 上下行最大吞吐量为.。 对于模块,它同时支持和接口,由于其是.版本 的,在这我们选用的接口与进行通信。 .本章小结 本章主要介绍了基于芯片的嵌入式系统,并设计了其外围电路, 包括存储器电路、接口电路、以太网口电路、串口电路、收发模块电路 和收发模块电路。华北电力大学硕士学位论文 第章电力宽带无线与自组织网融合接入网关的软件 平台设计 ?广口.又, 嵌入系统的软件平台需要实现数据包的收发,数据包的转发,收发装置的配置 与实现,维护管理等功能,还需要保证系统的稳定运行,这些复杂的功能,在没有 操作系统的平