信标模式在230M无线电力负荷管理系统数传中的应用

摘要：文章在分析了国内230M无线电力负荷管理系统数传速率提升后出现的“高速未高效”问题的基础上，提出了一种基于信标模式的无线系统数传方案，并给出了具体的MAC层帧结构。本方案使系统巡测效率提高了一倍。
关键词：230M无线数传；系统巡测；信道；信标；超帧

0 引言
2010年11月，国家发改委、工信部等六部门联合发布了《电力需求侧管理办法》(以下简称《办法》)，为提高电能利用效率，促进电力资源优化配置，保障用电秩序，要求有关部门和各地从2011年1月1日起全面实施电力需求侧管理。《办法》规定，电网企业应加强对电力用户用电信息的采集、分析，为电力用户实施电力需求侧管理提供技术支撑和信息服务。230M无线电力负荷管理系统(以下简称“系统”)是其中主要的技术支撑之一，承担着对用电现场各种用电信息的实时采集与用电管理的任务，不仅具有全面的采集功能，而且还具备远程控制功能。系统通过230M无线电台实现系统主站与用电侧终端之间大量数据和命令的传递，系统的数传效率直接影响到系统的性能及其功能的发挥，以及系统所能容纳的终端数量。随着窄带无线通信技术的发展，系统数传速率也在不断地提高，已从以往普遍使用的1．2kbps逐步提高到目前最高的19．2kbps，速率虽提高到原来的16倍了，但系统实际的巡测效率仅提高到原来的2倍左右，出现了所谓的“高速未高效”的情况。

1 高速未高效的原因及对策
目前的无线电力负荷管理系统对终端数据的巡测过程可由图1表示，其中粗实线部分都为占用无线信道的时间，粗虚线部分为不占用的时间。一般地，系统主站巡测时发送的数据召测命令报文的长度为几十个字节左右，终端应答报文的长度有长有短，不超过255个字节。

考虑到电台的性价比，目前国内系统都选用了模拟通话台配调制解调器的方案实现系统数传，电台发送前的信道建立时间一般至少需要100ms；另据系统终端实际运行情况测得，终端处理命令组织应答报文及发送准备时间一般需要250 ms，其中包括终端电台建立信道时间100 ms；并根据实际情况假设：召测命令报文长20字节，应答报文长128字节，据此，我们可以列出采用不同数传速率巡测时平均一台一次召测过程所需的时间及其空中传输时间占比，如表1所示。

从表1我们可以发现：随着传输速率成倍地提高，一次数据召测的总时间T的下降幅度脚没有折半降低，当速率达到19．2kbps时，相对9．6kbps，T的下降幅度r只有16％，远没到50％，也就印证出现了“高速未高效”的情况。
再看，随着传输速率成倍地提高，数据在空中传输的时间占比R在不断的下降，当速率达到19．2kbps时，R已降到了20％以下，这说明随着传输速率成倍地提高，由提速而减少的数据空中传输时间在召测过程总时间中的占比在不断地下降，正是由于占比的大幅下降，使提速的贡献率也随之大幅下降，造成了“高速未高效”，因此，要使提速的效果能真正体现在实际的巡测效率上，就应该提高空中耗时的占比，也就要设法减小T1和T3。
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2 信标模式及其超帧周期
IEEE 802．15．4b是低速无线个域网(LR-WPAN)物理层和媒体访问控制层规范，在LR-WPAN网络中，有两种通信模式可供选择：信标使能通信和信标不使能通信。在信标使能的网络中，网络协调器定时广播信标帧，网络中设备(即：节点)都通过协调器发送的信标帧进行同步工作。一旦节点收到信标帧后就按协调器规定的时间间隔发送接收数据。

信标模式当中规定了一种叫“超帧(superframe)”的格式，如图2，其中，GTS(guaranteed time slot)表示确保服务的同步时隙。在超帧周期的开始，由协调器发送信标帧，信标帧含有一些时序以及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，各节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始。非竞争期内被允许收发数据的设备是协调器根据上一个超帧期间网络中设备申请通信的情况而指定的某些设备。

3 采用信标模式的系统数传方案
根据上述分析结果，我们知道解决问题的主要途径是减少系统数传时在T1和T3上的时间开销。我们来看：第一，T1是主站发送报文信道的建立时间，这个时间的最小值是由电台硬件电路特性决定的，不能任意改小，但当信道建立起来后，主站能连续发送任意个报文给任何终端；第二，T3是终端处理命令组织应答报文及发送准备的时间，其中包含的发送准备时间就是终端发送报文的信道建立时间，与主站的情况一样，是由终端电台硬件决定的，也不能任意改小，且包含在乃中的这段时间是占用系统信道的(即图1中粗实线部分)，而T3的其余部分时间是不占用系统信道的(即图1中粗虚线部分)，我们可以并应该充分利用不占用信道的这部分时间，通过改变系统主站与终端的交互模式来提高传输效率，变“一发一收”为“多发多收”。具体的方案就是：采用信标模式，主站用信标帧组织起超帧周期，并由信标帧分配通信同步时隙给各终端，让它们在超帧周期内有序发送数据到主站。过程时序见图3所示。

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采取了多发多收的方式后，就出现了要同步这些终端的发送时间，否则就会相互干扰。上述信标模式在非竞争访问期内，各节点在协调器的统一安排下，根据信标帧中分配的GTS，采用时分复用的方式接入信道，这种模式完全可以借鉴应用于我们解决多发多收中的时间同步问题。我们将系统主站看作是协调器，终端设备即为网络的各节点，由主站统一安排，通过信标帧分配同步各终端应答报文的发送。
信标帧的结构如图4所示，信标帧的MAC层数据服务单元由三部分组成：超帧描述字段、GTS分配字段和信标帧负载数据。其中超帧描述字段规定了该超帧的持续时间，活动周期持续时间等信息；GTS分配字段将非竞争期划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给各个终端；信标帧负载数据为上层协议提供数据传输接口，例如在使用安全机制时，该负载域将根据系统设定的安全通信协议填入相应的信息，通常情况下，该字段可以忽略。

数据帧的结构如图5所示，数据帧用来传输上层发到MAC子层的数据，它的负载字段包含了上层所要传送的数据，数据负载传送至MAC子层时，被称为MAC服务数据单元(MSDU)，它的首尾被分别附加MAC帧头和MAC帧尾信息后，就构成了MAC层协议数据单元(MPDU)。在无线电力负荷管理系统中，MSDU的内容就是符合《OGDW 376．1—2009电力用户用电信息采集系统通信协议》、的完整报文。

系统采用原来的如图1所示的一发一收的方式对一台终端召测一次需要的时间，从表1可知：19．2kbps速率时，为434．8ms／台次：而采用了图3所示的信标模式的多发多收传输方案，当速率为19．2kbps时，对7台终端各召测一次数据所需的时间，我们可以计算得到为：100+ 150+(100+73．3)×7=1463．1ms，平均为209．0ms／台次，仅为原方案时间的48％，即：平均每台次的召测时间减少了一半，相应效率也就提高了一倍。

4 总结
基于信标模式的230M无线电力负荷管理系统高速数传方案成功地将低速率无线个域网相关规范中的“信标模式”及其“超帧周期”等软件协议技术应用于目前系统，在不改变硬件设备的前提下较好地解决了系统提速后出现的“高速未高效”情况，在19．2kbps的高速下，平均每台召测时间缩短为原来的一半，效率提高了一倍；同时，由于本方案仅在软件上进行了技术方案的改进，完全可以通过软件升级，具备条件的甚至可以采用低成本的远程升级来实现，因此在工程实施上具有较大的推广优势和现实意义。