基于无线自组网的可穿戴电力检修设备通信算法

程鹏

摘要 针对可穿戴电力检修设备普遍使用3G等公共移动通信网络与地面指挥设备进行通信所导致的带宽受限、通信质量差、时延高、通信信号盲区等问题，本文设计了一种基于无线自组网的可穿戴电力检修设备通信算法。算法首先在可穿戴电力检修设备和地面指挥设备间通过Wi-Fi无线连接构建无线自组织网络。其次，对所生成的无线自组织网络根据网络拓扑的不同分别进行初始化，在网络中应用最小生成树算法建立数据路由路径。再次，根据建立的路由路径设计对应的通信支持及调度方法。最后，丈中对比现存的基于公共移动网络的可穿戴电力检修设备通信算法，证明了本算法的有效性和实用性。

【关键词】Wi-Fi 无线自组网 可穿戴电力检修设备 最小生成树

1 引言

随着我国社会生产力的跨越式发展，整个社会的正常运转都愈加依赖于电力供给，一旦电力设施发生故障将会造成极其严重的损失。所以电力部门对电力设施的日常维护、检修以及抢修就变得极其重要。但如今在对电力设施进行检修工作时，其工作地点一般在电力高塔上，存在着高空工作人员和地面指挥人员间的通信问题。维修人员在电力塔上抢修时，不能将塔上的具体故障情况需反馈给塔下的指挥人员以供决策和指导。这时需要抢修人员下到地面再与指挥人员沟通，这明显效率低且安全性不高。因此，需要一套设备，能够在不影响高空工作人员正常工作的前提下，将故障现场情况以高清视频的方式传回，并且实现高空工作人员与地面指挥人员间的双向语音通信。

对于该需求，最好的解决方法是使用可穿戴电力检修装备。但是，现存的多种可穿戴电力检修装备方案，在数据传输方案方面，基本都选择3G等公共移动通信网络进行数据传输。这些使用公共移动通信网络的数据传输方案存在明显的缺陷和不足：

（1）通信带宽不够，延迟大，在视频监测的同时，用于双向语音通信，语音质量很差，画面跳帧现象严重，且画面和语音偏离严重，同步性差;

（2）可穿戴电力检修装备和地面指挥设备间的通信采用客户/服务器模型，数据需通过远端服务器中转，实时性差;

（3）公网数据通信不符合国家电网有关数据安全保密的要求;

（4）公共移动网络存在覆盖盲区的问题，在无信号覆盖的野外将无法使用。所以基于公共移动通信网络的数据传输方案在实际中不能正常的工作。

鉴于此，本文设计了一种基于无线自组网的可穿戴电力检修设备间的通信方法。该算法使用Wi-Fi技术在可穿戴电力检修设备和地面指挥设备间进行无线互联，构建区域无线自组织网络。并根据所构成的无线自组织网络的不同网络拓扑，将网络分为点对点、点对多点、多点对点和多点对多点网络，对不同的网络分别完成网络初始化，设计对应的数据通信控制方法。相比于使用公共移动通信网络的数据传输方案，本方案能够在任意地点自动的构建区域无线网络，并提供更大带宽的通信服务，从而使得可穿戴电力检修装备与地面指挥设备在任意地点都能实现高质量、低延时、高安全性的通信。

2 无线自组网络与Wi-Fi技术

2.1 无线自组织网络

无线自组织网络是一种特殊的无线移动通信网络。无线移动通信网络可以按照有无基础设施分为两类：第一种是如蜂窝移动通信系统、无线局域网等具有通信基站或接入点等基础设施的网络。在该网络中，移动节点只有收发数据的功能，并不具有路由的功能，移动节点间的通信必须借助基站或接入点来实现。第二种就是无线自组织网络，无线自组织网络最大的特点就在于不需要预设的基础设施，网络中的所有节点地位相等，都具有数据路由和数据收发两种功能。在无线自组网中，节点间的通信基于多跳的形式，互相不在通信范围内的节点对之间的通信，需要中间节点进行中转。

本文所提出的算法在待通信的设备间构建无线自组网以完成设备间的相互通信，但由于将使用场景限定于可穿戴电力检修设备和地面指挥设备间，而且在此应用场景中，可穿戴电力检修设备只需要发送数据给地面指挥设备，而地面指挥设备需要收发数据和进行数据转发，所以在本文所构建的无线自组网中，设备间的地位是不平等的。此时，地面指挥设备间所构成的网络可以看作是无线自组网，网内设备地位相等，都具有数据路由和数据收发两种功能，且通过多跳的方式相互通信。而可穿戴电力检修设备与地面指挥设备间可以看作是一个无线局域网，地面指挥设备作为移动接入点，可穿戴电力检修设备作为移动终端。所以本文所提出的无线自组网总体上来说是一个混合结构网络，核心是地面指挥设备间所构成的无线自组织网络，可穿戴电力检修设备则作为该网络的从属设备。

本文所提出的无线自组织网络具有以下主要特征：

（1）独立组网：地面指挥设备间不需要预设的基础设施，能够在任意地点，方便的构成一个独立的区域无线自组网。并且地面指挥设备构成无线自组网后，作为接入点与可穿戴电力检修设备构成无线局域网;

（2）半動态网络拓扑：由于使用场景的限制，本文所构建的无线自组网中的节点移动范围小，所以网络拓扑在工作过程中较为固定，基本不会发生剧烈的变化，所以网络中能够使用静态数据路由;

（3）有中心节点：在本文所构建的网络中，可穿戴电力检修设备和地面指挥设备的地位不平等，地面指挥设备间所构成的网络中是没有中心的，而在可穿戴电力检修设备和地面指挥设备间构成的无线局域网中，地面指挥设备作为中心节点。

1.2 Wi-Fi技术

Wi-Fi技术是一种重要的无线网络技术，其是基于802.11协议族的无线局域网接入技术的总称。Wi-Fi技术的主要特点在于无线接入和高速传输。在数据传输速度方面.根据使用的协议不同，Wi-Fi的数据传输速率可以达到llMbps （802.llb）或54Mbps （802.lla），适合应用于大量数据的高速传输。而且其使用无线信道进行连接，覆盖范围可达数百米，如果使用信号中继技术，则可将通信范围扩大至数公里，所以适用于大范围内的无线组网。Wi-Fi在实际使用中一般由Wi-Fi AP和无线网卡构成无线网络。Wi-FiAP作为接入热点让作为客户端的无线网卡接入，并且承担着接收无线网卡数据和将数据转发给无线网卡的任务，所以Wi-Fi AP能通信范围就是Wi-Fi无线网络的最大覆盖范围。

本文所提出的算法利用Wi-Fi技术在设备间建立无线连接，构成无线自组网络，从而完成设备间数据交互。然而，要保证设备间能够相互连接从而构成无线自组网络，则设备的无线传输距离要满足公式：

r_t 2 >S*1n（N）/（πN） （1）

其中，r_t为无线传输距离，S为设备分布的区域面积，N为无线自组织网络中设备数目。对于Wi-Fi技术而言，其无线传输距离可计算为

Lp=32.45+201gf+201gd （2）

其中，Lp为路径传输损耗，f为工作频率，对于Wi-Fi而言为2.4，d为无线传输距离。必须要满足d>r_t，才能保证在设备间使用Wi-Fi技术能够构成连通的网络。由于本文所提出的算法用于可穿戴电力检修设备与地面指挥设备互联通信这一使用场景中，此时，设备分布的区域多为相邻的电力高塔间，区域面积较小，而如前所述，Wi-Fi AP的覆盖范围较大，所以能够保证实际的无线传输距离d远大于所要求的距离r_t，从而保证需要通信的设备间成功的构建无线自组网络。

本文所提出的算法利用Wi-Fi进行数据传输，相比与利用3G等公共移动通信网进行数据传输的可穿戴电力检修装备通信算法而言，其优点在于：

（1）具有更快的数据传输速率。3G公共移动网络的数据传输数率一般在2Mbps左右，而Wi-Fi的数据传输速率最高可达54Mbps，远高于3G公共移动网络;

（2）使用免费频段，不需要任何费用。Wi-Fi -般使用2.4Ghz或5Ghz的频段进行通信，这两个频段属于公共频段，可以免费使用，而3G公共移动网络使用2Ghz的频段进行通信，用户使用需要认证，会产生流量费用;

（3）具有更广阔的使用场景。3G公共移动网络的基础设施建设费用高昂，所以信号覆盖面积有限，很多偏远地区没有3G等公共网络的覆盖。而Wi-Fi能在任何地点很简单的进行网络的建立，所以Wi-Fi的应用场景更广阔。

3 基于无线自组网的可穿戴电力检修设备通信算法

本文所提出的基于无线自组网的可穿戴电力检修设备通信算法的算法流程框图如图l所示。整个算法可分为3个部分：

3.1 设备间连接的建立

算法于地面指挥设备和可穿戴电力检修设备间通过Wi-Fi建立无线连接，构成无线自组网。

3.2 无线自组织网络的初始化

算法对所生成网络中的每台可穿戴电力检修设备和地面指挥设备进行标识，并生成数据传输路径。

3.3 数据传输过程

算法控制可穿戴电力检修设备和地面指挥设备间双向数据传输过程。

3.1 连接建立过程

算法在可穿戴电力检修设备与地面指挥设备间、地面指挥设备与地面指挥设备间利用Wi-Fi技术建立无线连接，从而构成无线自组网络。由于算法被用于可穿戴电力检修设备与地面指挥设备互联通信这一使用场景中，此时，可穿戴电力检修设备只需与地面指挥设备进行通信，且只需收发数据，而且不需要为其它节点路由数据，而地面指挥设备即需要收发数据，也要具有路由功能。所以可以将可穿戴电力检修设备作为Wi-Fi终端设备，而地面指挥设备就可以合理的作为Wi-Fi AP。而且，如前所述，在设备间使用Wi-Fi技术能够保证成功无线互联，建立起无线自组网络。

在连接建立过程中，首先，算法控制每個可穿戴电力检修装备独立的搜索作为Wi-FiAP接入点的各个地面指挥设备，使它们相互建立无线连接。然后，算法也需要控制所有的地面指挥设备间搜索各自通信范围内的其它地面指挥设备，相互间建立起无线连接。设备间的连接建立后，无线网络的拓扑形式就确定了。根据不同的可穿戴电力检修设备与地面指挥设备的数目，其网络拓扑可以是点对点、点对多点、多点对点和多点对多点网络，其中最具有代表性的多点对多点网络拓扑的示例如图2所示。

3.2 网络初始化过程

在可穿戴电力检修设备与地面指挥设备间、地面指挥设备与地面指挥设备间的无线连接建立后，即无线自组织网络的网络拓扑确定后，算法就对网络进行初始化过程。对于所有的网络拓扑，即点对点、点对多点、多点对点和多点对多点网络都需要为网络中的可穿戴电力检修设备和地面指挥设备分配唯一的标识号，用以区分每一台不同的设备。然后，对于点对点网络和多点对点网络就不需要额外的网络初始化操作。而对于点对多点和多点对多点网络，则需要生成对应的数据转发路径，即路由路径。

这里以点对多点网络为例，由于存在着多台地面指挥设备，所以在算法的连接建立阶段，存在着不能将可穿戴电力检修设备与所有地面指挥设备同时直接连接的情况。此时，根据无线传感网的性质，不能与可穿戴电力检修设备直接连接的地面指挥设备将通过多跳的形式相互通信。由于算法被用于可穿戴电力检修设备与地面指挥设备互联通信这一使用场景中，可穿戴电力检修设备与地面指挥设备所构成的网络拓扑比较固定，则算法将以能够与可穿戴电力检修设备直接连接的可穿戴电力检修设备为根，建立最小生成森林，作为网络中可穿戴电力检修设备向地面指挥设备发送数据的固定路由，其如图3所示。可穿戴电力检修设备只能与1号和3号地面指挥设备直接连接，则以1号和3号设备为根，建立最小生成森林，用以将可穿戴电力检修设备的数据转发给位于其通信范围外的地面指挥设备。

而在存在多台地面指挥设备的情况下，在地面指挥设备间也需要构建数据路由路径。算法将在互相连接的地面指挥设备间建立一颗最小生成树，作为地面指挥设备间数据传输的路径。其如图4所示。

3.3 数据传输过程

算法只需对点对多点与多点对多点网络中的数据传输的过程中进行特别的控制。至于点对点网络与多点对点网络，算法直接将数据传输给目标设备。算法对点对多点网络与多点对多点网络中的设备间双向数据传输过程采取相同的控制方法。

以点对多点网络为例，算法将可穿戴电力检修设备的数据广播给能与其直接连接的地面指挥设备，接收到数据的地面指挥设备将检查其自身保存的如图3所示数据路由路径，将数据转发给下一跳节点。在图3中，只有1号和3号地面指挥设备能够直接接收到可穿戴电力检修设备的数据，然后，1号地面指挥设备要将数据转发给2号地面指挥设备，3号地面指挥设备则要将将数据发送给4号和5号地面指挥设备，这就完成了可穿戴电力检修设备的数据在所有地面指挥设备间的扩散。

至于地面指挥设备向可穿戴设备发送数据的过程，算法会将源地面指挥设备的数据按照如图4中所生成的路由路径转发给其它的地面指挥设备。如图4所示，如果5号设备要发送数据，则算法将5号设备的数据发送给3号设备，而3号设备将数据转发给2号和4号设备，然后再由2号设备转发给1号设备。而且，算法将在接收到源设备数据的地面指挥设备中检查该源设备是否在所生成的最小生成森林中以自身为根最小生成树中，如果在，则将该数据转发给可穿戴电力檢修设备。即对于图4中的3号设备，其会发现5号设备存在与以其为根的对可穿戴电力检修设备的数据进行转发的路由树中，则3号节点会将该数据递交给可穿戴电力检修设备。

4 测试结果

为了验证本文算法，使用NS3网络模拟器，对本文中所提出基于无线自组网的可穿戴电力检修设备通信算法和使用3G公共移动通信网络的可穿戴电力检修装备通信算法进行了仿真对比。如表1所示，分别在点对点（1台可穿戴设备和1台地面指挥设备）、多点对点（2台可穿戴设备和1台地面指挥设备）、点对多点（1台可穿戴设备和3台地面指挥设备）和多点对多点（2台可穿戴设备和3台地面指挥设备）网络情况下，多次测量所有可穿戴电力检修设备将一轮数据发送给所有地面指挥设备的时延，取平均值。

由表1可以看出，本文所提出的基于无线自组网的可穿戴电力检修设备通信算法由于使用Wi-Fi技术进行无线数据传输，并且在设备间直接进行数据传输而不用访问远端服务器，所以在数据时延上要远优于基于3G公共移动网络的同类算法。

图5所示为本算法与使用3G公共移动通信网络的算法于多点对多点网络中端到端传输视频质量对比。从图中可以看出使用本文所提出的算法在接收端接收到的视频质量明显要优于使用3G公共移动通信网络的算法。本文所提出的算法使用Wi-Fi进行无线数据传输，其带宽要远远大于3G公共移动通信所提供的数据带宽，所以所传输的视频数据能有更高的分辨率和帧率。

5 结论

本文设计了一种基于无线自组网的可穿戴电力检修设备间的通信算法。文章首先阐述了研究背景及意义。并对算法中所使用的基础技术，Wi-Fi技术和无线自组织网络技术，进行简要说明。然后，文章对所提出的算法分为三部分进行说明，分别为设备间无线连接的建立、网络初始化和数据传输控制。最后，通过仿真，与基于3G公共移动网络的同类通信算法进行了比较，证明了所提出算法的有效性。本文所提出的基于无线自组网的可穿戴电力检修设备间的通信算法简单有效，能够在任何地点为需要通信的可穿戴电力检修设备和地面指挥设备构建无线自组网络，并提供高质量、低延时、高安全性的通信服务，具有很强的实用性。

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