LPWAN上行多跳通信在输电线路监测应用研究*

李敬兆，万露，杨大禹，高之翔

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

输电铁塔线路基本都广泛分布在野外，有些输电铁塔甚至建立在偏远的山区中，运行环境比较恶劣[1]。未来智能自动化电网，需要构建高性能的输电线路实时监测网络。传统监测网络以有线为主，统监测网络以有线为，存在接线复杂、统监测网络以有线为主，存在接线复杂、可靠性低、安全性低、成本高、扩展及维护困难等问题[2]。近年来也有很多研究利用无线传感网络进行监测，文献[2]设计了一种基于ZigBee技术的无线输电线在线监测系统。无线传感网络的数据的传输主要由节点多跳传输至变电站再上传至控制中心，该模型在传输过程中节点发射功率大，能量损耗严重，节点数据拥塞以及节点间干扰严重[3]。

低功耗广域网技术(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)是一种具备低成本、低功耗、广覆盖、大连接的新型的物联网网络接入技术，与输电线路监测的需求相匹配。但大多数LPWAN拓扑结构是星型的，终端设备或站(STA,station)直接连接到基站(BS,bustion)或网关(GW,gateway)[4]，而在输电线路上的终端设备沿线部署，呈线性分布，这种方式会导致远离基站的终端设备需要以高功率水平传输，导致能源消耗加快从而缩短寿命[5]。文献[4]提出在上行链路上启用逐级多跳连接，文献[5]提出分析了在LPWAN单跳、逐级跳和最优跳三种路由模型，证明了最优跳是延长LPWAN的寿命的有希望的路由选择。但文献[5]中假设节点是均匀分布的，而且计算瓶颈能量时没有考虑到可靠性的需求，文中根据输电线路特点和可靠性要求采用LPWAN上行多跳通信。

1 输电线路线路监测模型

输电线路监测系统由现场测量感知终端设备、低功耗广域网络和远程数据管理控制中心三部分组成。终端设备部署在架空输电线路杆塔上、被监测输电设备附近或之上，负责远程实时采集电力铁塔倾角、电缆拉力、铁塔振动、环境温度、湿度、弧垂、张力、电磁场数据[6]，形成长链状拓扑网络。低功耗广域网络是由这些大量的终端设备组成，终端设备利用他们的邻居建立多跳路径，以较低的传输功率将数据发送其他STA然后到基站最后到达控制中心。文章主要研究终端设备与基站之间网络研究，具体模型如图1所示。

图1 输电线路检测模型

2 输电线路LPWAN多跳通讯拓扑

现有的LPWAN技术可以分为两种类型[4]：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4 G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。在大多数LPWAN拓扑方案(如LoRaWAN(见图2)或SIGFOX)中，主要是星形拓扑，STA以单跳方式与GW直接通信，这样的拓扑结构虽然简化了协议栈，便于集中控制。工作在授权频谱下的LPWAN有可以利用传统蜂窝网络的基础设施的优势。但大多数情况下STA是电池供电，则有远离GW的STA必须以高功率电平进行传输，能耗增加导致电池快速耗尽。

在输电线路上LPWAN最优多跳中，根据STA与GW之间的距离可构成多个距离环，STA把数据发送到靠近GW环上的STA，最终到达GW。一个铁塔上的多个STA距离较近研究时可简化成一个，如图3所示。

图2 LoRaWAN网络拓扑

图3 输电线路多跳网络拓扑

有以下参数：

(1)最大距离(D)：在最远环(即最后一个环)的STA被放置在距离D，该距离由LPWAN技术的覆盖范围给定;

(2)环数(R)和距离扩展(d)：网络结构中的环数定义为R，距离扩展取决于所选择的距离扩展模型，扩展模型有：等距离、斐波纳契(Fibonacci)或反向斐波纳契(R-Fibonacci)。等距扩展设置环之间的距离相同，斐波那契扩散设置在距离GW更近的环之间距离小以及远环之间的距离大，反向斐波那契设置距离GW近的距离大而远的距离小。输电线路上STA分布均匀，文中选用等距扩展模型，有R=D/d。

3 多跳路由和传输配置算法

路由模型负责确定数据包遵循的路径，对STA的接收和发送状态期间的能量消耗有很大的影响。多跳路由和传输配置算法确定最佳路由连接，以及每个建立的路由连接的最佳传输配置。由于环跳长度不是在最优跳数中预定的，相应的传输配置有所不同，所以跳数的最优组合可能会根据情况而有所不同。计算瓶颈能量还要考虑到节点故障率与重发次数之间的关系，算法可以概括在以下三个主要阶段。

3.1 计算可能的环形跳组合

算法1Data: Number of rings R

Result: Set of possible ring hopsΔs←1

for 1≤r≤R! do

for 1≤j≤R! do

p←R!/r!;

v←mod(j,r);

Ifv=0 then

v←r;

End

δr[s:p·j,r]←v;

s←p·j+1;

End

s=1

end

3.2 瓶颈能量计算

STA的能耗跟其所处的状态不同而不同，通常由两个能量消耗来源决定：微处理器(ep)和收发器(et)等。微处理器有的状态是低功率模式(LPM)和处理模式(CPU)，而收发器有的状态有睡眠(SL)，空闲(ID)，接收(RX)和发送(TX)。对于TX状态，由于其对电流消耗(I)的不同影响，需要区分每个可能的发射功率(Ptx)[7]。STA消耗的总能量e=ep+et。

ep=(tlpmIlpm+tcpuIcpu)VDD

(1)

et=(tslIsl+tidIid+trxIrx+ttxItx)VDD

(2)

式中tlpm，tcpu，tsl，tid和trx分别是STA处于LPM，CPU，SL，ID和RX状态的时间段，Ilpm，Icpu,Isl，Iid和Irx是相应的电流消耗。TX状态下功率电平p的时间和电流消耗分别定义为ttx(p)和Itx(p)，VDD是额定电压。由文献[5]知最消耗能量的是在TX和RX状态，故计算能耗时只需考虑TX和RX状态。发送所需的时间取决于数据包长度，要发送的数据包数量和数据速率。

在传输信号过程中因受噪声、干扰、衰落和路径损耗等因素的影响，产生差错(包括误码和数据包丢失)是难以避免的。提高数据传输的可靠性常用自动重发请求(ARQ)技术，即当发往目的节点的某个数据侦中途丢失或者出错时，目的节点会自动发出重传请求，源节点收到重传请求后，将重传该数据包[8]，计算能耗时也应考虑。

(3)

式中Λr,i表示矩阵Λ位于r行和i列中的元素；ci-1表示第i行上所有的STA数，因此考虑到np由其子节点发送的有效载荷加上由STA本身产生的数量大于npmax，考虑到填充效应。

(4)

(5)

(6)

然后，在环r中由STA消耗的RX能量可以类似于TX能量计算，但是考虑到RX电流消耗(Irx)，预计每个数据包接收都是恒定的。然而根据直接节点的传输配置，可能会使用不同的数据速率。从而有得出：

(7)

其中：

(8)

Stx,R-x是环R-x上的直接节点STA的数据速率;环r一个STA消耗的总能量e(r)是TX和RX消耗的总和。

e(r)=etx(r)+erx(r)

(9)

3.3 最优跳和传输配置

(10)

4 实验仿真分析

为了评估最佳跳跃路由在节能方面的性能，用仿真软件MATLAB作为仿真平台，仿真实验时分别采用单跳方式和如图3所示的方式进行试验，根据能耗计算公式计算得出每个环上的STA的总能耗，能耗比较如图4所示。

图4 每环上单跳与最优跳的能耗

由图4可以不难看出单跳的第5环上的能耗最大，即单跳的能耗瓶颈是第5环，多跳的瓶颈是第1环。多跳的能耗瓶颈远比单跳的能耗瓶颈小得多，在同等条件下多跳方式下的网络寿命比单跳的长。本实验仅采用图3所示的多跳方式，不一定是最优跳的方式，会根据具体情况的变化而变化，但可以肯定的是这种方式一定优于单跳方式。

5 结束语

未来智能自动化电网需要构建高性能的输电线路实时监测网络，文中提出采用LPWAN技术进行传输数据。并且根据输电线路上节点布置特性，提出采用多跳跃拓扑结构，仿真实验表明其显着降低了LPWAN中的STA的消耗，网络寿命比单跳长。上行链路中的多跳通信是延长LPWAN的寿命的有希望的路由选择，但目前仅考虑能耗方面的要求，还要考虑时延方面的要求。影响寿命的也不仅仅是拓扑和路由选择，下一步需要综合能耗和时延方面的研究。