張合強　陳瑜　姜瑩　王雷　陳瑩　趙俊紅

摘? ?要：針對我國偏遠地區(qū)、地下室等GPRS信號未能覆蓋或者信號較弱的環(huán)境，計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端無法正常使用GPRS進行及時通信，在不改動GPRS通信設備和現(xiàn)場終端的前提下，利用230 MHz技術來解決計量自動化系統(tǒng)GPRS通信盲點的技術難題。在230 MHz頻段開發(fā)提供現(xiàn)場終端上行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務的設備，一端與數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場終端交互數(shù)據(jù)，現(xiàn)場終端上行數(shù)據(jù)通過230 MHz信道轉(zhuǎn)發(fā)后，另一端將通過230 MHz信道收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至GPRS網(wǎng)絡，從而傳輸至主站系統(tǒng)，進而建立良好的通信環(huán)境。

關鍵詞：計量自動化系統(tǒng);230MHz技術;GPRS通信盲點

中圖分類號：TP29? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：For the remote areas，basement and other GPRS signals can not be covered or weak signal environment，the GPRS communication can't normal used in the terminal equipment of metering automation system in time，without changing the GPRS communication equipment and field terminals，230MHz technology To solve the GPRS communication blind spot technical difficulty of metering automation system is used in this paper. In the 230MHz band to development equipment provide uplink data transfer service for the terminal equipment，one end interacts with the terminal equipment of the data acquisition，the uplink data of terminal equipment forwarded by 230MHz channel，and the other end forwards the data received by 230MHz channel forwards to the GPRS network，transmit to the master station system，and establish a good communication environment.

Key words：metering automation system;230 MHz technology;GPRS communication blind spots

我國電力通信隨著智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，從小到大、從點到面發(fā)展并形成覆蓋全國的電力通信網(wǎng)，因此，計量自動化系統(tǒng)開始被廣泛使用。該系統(tǒng)以當前各行業(yè)先進的技術為基礎，對其進行科學合理的整合最終成型，從而實現(xiàn)實時遠程抄表、分析供電線路損耗、有效控制管理電網(wǎng)負荷以及電網(wǎng)故障預警等先進功能，帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。計量自動化系統(tǒng)的使用極大的減少了工作人員的數(shù)量，節(jié)約了管理成本的同時還提高了管理效率。然而，計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端安裝在各種復雜的環(huán)境中，部分地域存在GPRS信號未覆蓋或信號不穩(wěn)定的情況，造成現(xiàn)場終端與主站系統(tǒng)間不能建立通信連接或連接不穩(wěn)定，無法正常采集到現(xiàn)場終端的各項數(shù)據(jù)等問題[1-3]。為此，基于計量自動化系統(tǒng)的通信規(guī)約要求，研究利用230 MHz來解決計量自動化系統(tǒng)GPRS通信盲點，以便現(xiàn)場終端能與主站系統(tǒng)建立穩(wěn)定可靠的通信連接。

1? ?計量自動化系統(tǒng)GPRS通信盲點分析

1.1? ?計量自動化系統(tǒng)概述

計量自動化系統(tǒng)是一套涵蓋全網(wǎng)絡各種計量點及現(xiàn)場終端，集信息采集、監(jiān)控、分析和計量管理于一體的應用平臺。系統(tǒng)從單一到完整，功能從簡單到豐富，業(yè)務應用從原來主要以自動抄表為主，拓展到用電檢查、計量管理、線損統(tǒng)計及分析、需求側(cè)管理、市場分析等多方面，覆蓋廠站、專變、公變及低壓用戶，完成了從點到面的自動化信息管理。計量自動化系統(tǒng)的投入應用，為有序用電、遠程抄表、智能負荷控制、電費結(jié)算、市場管理、線損管理、營銷系統(tǒng)的電費結(jié)算等業(yè)務提供了實時數(shù)據(jù)支撐，使得電力營銷管理水平和客戶服務水平得到了實質(zhì)性的提升，取得了供用雙方的效益雙贏。

計量自動化系統(tǒng)是電力企業(yè)營銷自動化的重要組成部分，其結(jié)構如圖1所示，包括主站系統(tǒng)、通信通道、現(xiàn)場終端、本地通信和電能表。計量自動化系統(tǒng)的主站系統(tǒng)是指把各類計算機接入到計量自動化系統(tǒng)，它控制著整個計量自動化系統(tǒng)進行信息采集，并遠程連接通信信道，通過通信信道對現(xiàn)場終端的信息進而二次控制和實時采集，并把得到的結(jié)果進行分析與數(shù)據(jù)處理。通信信道是用來溝通主站系統(tǒng)和現(xiàn)場終端的通信介質(zhì)，可以是通用分組無線業(yè)務GPRS（Genegral Packet Radio Service）、碼分多址CDMA（Code-Division Multiple Access）、公用電話交換網(wǎng)PSTN（Public Switched Telephone Net-work）和/或數(shù)據(jù)專線等，目前主要應用的是GPRS?，F(xiàn)場終端包含一定的客戶端和總站下轄的二級單位，用于通過本地通信具體采集各個計量點（電能表）的電能信息，對數(shù)據(jù)進行管理，并通過通信信道將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)，還執(zhí)行并轉(zhuǎn)發(fā)主站系統(tǒng)下達的各項控制與操作命令[1-3][5]。

1.2? ?GPRS技術概述

GPRS技術是一個疊加在GSM（Global System for Mobile）上專為高速數(shù)據(jù)通信而設計的新網(wǎng)絡，屬于一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式，是介于第二代和第三代之間的一種技術，稱為2.5G數(shù)字移動通信技術，是GSM向3G移動通信發(fā)展的必經(jīng)階段。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構、無線調(diào)制標準、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構。它充分利用現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡設備，通過在GSM網(wǎng)絡上增加一些硬件設備和軟件升級形成一個新的網(wǎng)絡邏輯實體，手機通話繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)傳輸則使用GPRS。它采用分組交換方式傳輸數(shù)據(jù)，理論上最高數(shù)據(jù)速率可達171.2 Kbps，客戶可以在移動狀態(tài)下通話的同時使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務，包括高速電子郵件傳遞（可帶圖形等大型文件附件）、網(wǎng)上沖浪、訪問企業(yè)廣域網(wǎng)等。此外，GPRS是以運營商傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時間為基準來計費，從而令每個用戶的服務成本更低[4]。

GPRS是在原有基于電路交換（CSD）方式的GSM網(wǎng)絡上引入兩個新的網(wǎng)絡節(jié)點：GPRS服務支持節(jié)點（SGSN）和網(wǎng)關支持節(jié)點（GGSN）。SGSN和MSC在同一等級水平，并跟蹤單個MS的存儲單元實現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和SGSN連通。GPRS與Internet連接原理如圖2所示，GPRS模塊通過接口從客戶系統(tǒng)取得數(shù)據(jù)，處理后的GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站（BSS）。分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，SGSN通過GPRS骨干網(wǎng)與網(wǎng)關支持接點GGSN進行通信。GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡，如Internet或X.25網(wǎng)絡等。若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一個GPRS終端，則數(shù)據(jù)由GPRS骨干網(wǎng)發(fā)送到SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到GPRS終端。

GPRS采用無線分組技術，將無線通信與因特網(wǎng)緊密結(jié)合，作為一種先進的全新的無線網(wǎng)絡承載手段，全面提升了無線數(shù)據(jù)通信服務，其主要特點表現(xiàn)在：1）永遠在線：只要激活GPRS應用就永遠保持在線，不存在掉線問題，相當于一種高速無線專線網(wǎng)絡;2）按量計費：雖然永遠在線，但只有產(chǎn)生通信流量時才計費，它是一種面向使用的計費方式，更加科學合理;3）快速登錄：全新的分組服務，無需長時間的撥號建立連接過程;4）自如切換：話音和數(shù)據(jù)業(yè)務可以自如切換使用，電話上網(wǎng)兩不誤;5）高速傳輸：GPRS理論傳輸峰值遠高于撥號上網(wǎng)及一般無線數(shù)傳電臺[6]。

1.3? ?存在的問題及原因分析

計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端主要采用GPRS的通信信道進行數(shù)據(jù)采集，如某些用戶計量點安裝在偏遠山區(qū)或地下室，中國移動、電信或聯(lián)通等無線通信運營商的網(wǎng)絡信號覆蓋不到或強度較弱、信號不穩(wěn)定。信號盲點問題突出，導致現(xiàn)場終端無法遠程接入主站系統(tǒng)，進而無法穩(wěn)定上線、向主站傳輸數(shù)據(jù)。而且，通信信道的效果在相當程度上依賴中國移動、電信或聯(lián)通運營商的對相關業(yè)務的重視程度和維護水平，故障處理時間得不到保障[7]。從計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況分析，按地理環(huán)境特點分類，存在以下的問題。

1）偏遠山區(qū)

根據(jù)對現(xiàn)有情況的總結(jié)分析，偏遠山區(qū)常見的地理環(huán)境特點及其影響有幾個類型：1）處于山峰峽谷地段，一般是現(xiàn)場終端附近沒有網(wǎng)絡信號或者信號較弱，結(jié)果會導致終端無法上線，無法進行遠程通信;2）離變電站超10千米的偏遠地區(qū)，無信號覆蓋同時也沒有安裝有線電話，導致無法使用有線通信接入;3）位于省際交界區(qū)域，其通信網(wǎng)為外省信號，終端SIM卡未開通漫游功能，導致無法進行遠程通信等。為此，改善偏遠山區(qū)計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端接入主要技術瓶頸在于如何在信號不穩(wěn)定或沒有信號環(huán)境下保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。

2）地下室

城市建筑的地下室的地理環(huán)境特點是，受墻體、地面等的屏蔽影響，地下室的室內(nèi)信號弱或者無信號，但室外的GPRS通信良好，形成局部性區(qū)域信號不穩(wěn)定。導致位于地下室的計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端無法穩(wěn)定與主站系統(tǒng)進行通信[8、11]。

2? ?基于230 MHz技術的計量自動化系統(tǒng)分析

2.1? ?230 MHz技術概述

230 MHz技術屬于超短波無線通信技術，是利用223～231MHz超短波頻段電磁波進行的無線電通信。超短波通信由于地面吸收較大且電離層不能反射，只能靠直線方式傳輸，又被稱為視距通信，傳輸距離約50 Km，遠距離傳輸時需經(jīng)中繼站分段傳輸，即中繼接力通信。為了滿足電力系統(tǒng)建設負荷管理系統(tǒng)的需要，1991年國家曾明確將223～231 MHz頻段共15個雙頻頻點和10個單頻頻點分配給電力專用。

230 MHz技術用于負荷管理系統(tǒng)至今己十多年。隨著技術的不斷發(fā)展，230MHz電臺和數(shù)據(jù)傳輸Modem也在不斷進步，數(shù)據(jù)傳輸速率從最早的600bps己發(fā)展到目前成熟的9600bps，電臺的穩(wěn)定性和可靠性大大改善，整個230MHz通信信道也日益完善。從目前通信技術發(fā)展的趨勢，19.2Kbps或者更高的高速傳輸系統(tǒng)為今后大信息量的傳輸，尤其是圖文的傳輸創(chuàng)造了條件。230MHz技術具有建設方便、覆蓋面大等優(yōu)點。

2.2? ?基于230 MHz技術的計量自動化系統(tǒng)設計

為加快營銷計量、抄表、收費標準化建設，電網(wǎng)公司提出全面建設計量自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶用電信息“全覆蓋、全采集、全費控”，有效改變長期以來無法及時、完整、準確地掌控用戶用電信息的局面。目前，計量自動化系統(tǒng)主要采用GPRS的通信信道。隨著計量自動化系統(tǒng)的陸續(xù)建設，對通信信道也提出了更高的要求。

隨著通信技術的發(fā)展，利用公網(wǎng)運營商無線專網(wǎng)進行用電信息采集的方式得到了廣泛的推廣應用，但用電信息采集用戶不斷增加，網(wǎng)絡帶寬費用和千萬級用戶采集數(shù)據(jù)傳輸給我們帶來新的挑戰(zhàn)，因此重新審視230 MHz無線組網(wǎng)方式，考慮將GPRS與230 MHz進行結(jié)合使用[9-10]。

針對偏遠地區(qū)、地下室等GPRS信號未能覆蓋或者信號較弱環(huán)境里的計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端無法正常使用GPRS進行通信的問題，本文研究利用230 MHz來解決計量自動化系統(tǒng)GPRS通信盲點。在230 MHz頻段開發(fā)提供現(xiàn)場終端上行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務的設備，一端與數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場終端交互數(shù)據(jù)，現(xiàn)場終端上行數(shù)據(jù)通過230 MHz無線信道轉(zhuǎn)發(fā)后，另一端將通過230 MHz無線信道收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS網(wǎng)絡，從而傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)。

如圖3所示，計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端位于用戶電能表位置，GPRS覆蓋不良，遠端GPRS延長器位于GPRS信號覆蓋良好區(qū)域，距離現(xiàn)場終端0.5公里以內(nèi)，近端GPRS延長器和UART /IP轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場終端近距離連接。為此，通過230MHz數(shù)傳電臺進行GPRS信號延長，以便實現(xiàn)現(xiàn)場終端與主站系統(tǒng)的通信連接。具體地，現(xiàn)場終端通過UART/IP轉(zhuǎn)換器與近端GPRS延長器進行通信，近端GPRS延長器通過230MHz無線信道與遠端GPRRS延長器進行通信，遠端GPRRS延長器通過GPRS網(wǎng)絡與主站系統(tǒng)進行通信，進而確保現(xiàn)場終端與主站系統(tǒng)實現(xiàn)通信連接，使得用戶用電信息通過230MHz、GPRS實時傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)。

計量自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場終端是匯集各個計量電表或采集表數(shù)據(jù)的設備，具有國網(wǎng)或南網(wǎng)的數(shù)據(jù)標準，并具有RS232串口來發(fā)送數(shù)據(jù)。UART/IP轉(zhuǎn)換器用于將現(xiàn)場終端的數(shù)據(jù)解析，并使用TCP/IP協(xié)議重新封裝發(fā)送至近端GPRS延長器。RJ45接口是現(xiàn)在設備普遍具有的數(shù)據(jù)端口，GPRS延長器也采用了這一通用做法。但是現(xiàn)場終端本身不支持以太網(wǎng)協(xié)議，因此，通過一個協(xié)議轉(zhuǎn)換設備來建立現(xiàn)場終端和近端GPRS延長器的邏輯連接。具體設計是，UART/IP轉(zhuǎn)換器將接收到的數(shù)據(jù)按照國網(wǎng)協(xié)議解析來獲得有用數(shù)據(jù)，然后將有用數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議封裝（其中封裝了該設備的源IP地址，以及目的地址）。近端GPRS延長器將UART/IP轉(zhuǎn)換器發(fā)過來的數(shù)據(jù)解析，并使用230MHz專網(wǎng)發(fā)送至遠端GPRRS延長器，近端GPRS延長器接收來自UART/IP轉(zhuǎn)換器的以太網(wǎng)幀，并進行解析，那么解析完成提取到有用數(shù)據(jù)后再進行230M專網(wǎng)數(shù)據(jù)格式的封裝。并通過230M電臺發(fā)送出去。遠端GPRS延長器解析來自近端GPRS延長器的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送至主站系統(tǒng)。

遠端GPRS延長器主要作用包括：一接收來自230MHz的數(shù)據(jù)并解析數(shù)據(jù)提取有用數(shù)據(jù);二識別SIM卡，將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳輸給主站系統(tǒng);遠端GPRS延長器屬性是作為以太網(wǎng)服務器，能夠自動識別客戶端并建立連接，而不需要設置自己的參數(shù)來適應客戶端。具體原理在于：一般情況下，在通用客戶端設備主動發(fā)起TCP連接前會先發(fā)送ARP報文（里面包含自己的IP地址和目的IP地址，目的IP地址是自己的默認網(wǎng)關），而服務器的IP地址必須要和目的IP地址一致才能正確接收對方的報文。那么就導致服務器必須手動設置自己，來使自己與客戶端保持一致。但本設計中卻不需要設置，原因在于在客戶端發(fā)送ARP報文給GPRS近端設備時，近端設備就把報文中的目的IP（也就是客戶端的默認網(wǎng)關）提取出來作為自己的IP地址。這樣就實現(xiàn)了免除設置的特點[12-15]。

本文的計量自動化系統(tǒng)的GPRS延長器采用的是分離式系統(tǒng)拓撲結(jié)構（如圖4所示），具體包括一臺含有完整GPRS通信模塊的遠端GPRS延長器和一臺不含GPRS模塊的近端GPRS延長器，但近端GPRS延長器具備RJ45接口，且通常被安裝在靠近現(xiàn)場終端的位置，通過較短的以太網(wǎng)雙絞線相連。遠端GPRS延長器通常安裝在符合以下條件的位置：有優(yōu)質(zhì)GPRS信號覆蓋的區(qū)域、能與近端GPRS延長器通過230MHz無線信號良好地連通的區(qū)域、有電能表、采集終端等便于供電的位置。

2.3? ?數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩治?/p>

針對攻擊者可用竊聽無線鏈路，截獲和串改通信數(shù)據(jù)，進行重放攻擊等，使得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信不能保證機密性、完整性、一致性和不可否認性。主要采取以下設計，確保計量自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

鑒于GPRS通信可能存在的安全問題，為了保證通信的實時性，我們采用對稱的加密算法來解決系統(tǒng)潛在的安全問題。

1）采用對稱加密算法

對稱加密算法是應用較早的加密算法，技術成熟。在對稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)信方將明文（原始數(shù)據(jù)）和加密密鑰一起經(jīng)過特殊加密算法處理后，使其變成復雜的加密密文發(fā)送出去。收信方收到密文后，若想解讀原文，則需要使用加密用過的密鑰及相同算法的逆算法對密文進行解密，才能使其恢復成可讀明文。在對稱加密算法中，使用的密鑰只有一個，發(fā)收信雙方都使用這個密鑰對數(shù)據(jù)進行加密和解密，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。

在嵌入式平臺常用的小型加密算法有AES、DESL、HIGHT、XXTEA等。相比之下AES加密算法具有更好的吞吐量。

AES（The Advanced Encryption Standard）是美國國家標準與技術研究所用于加密電子數(shù)據(jù)的規(guī)范。它被預期能成為人們公認的加密包括金融、電信和政府數(shù)字信息的方法。

在4G LTE系統(tǒng)中，主要采用AES算法對通信過程中的數(shù)據(jù)進行加解密，AES算法是一種高效率的對稱加密算法，具備很強的擴散性能，最后形成具有很高隨機性的密碼，從而使信息得到有效的保護。ZigBee網(wǎng)絡中采用的數(shù)據(jù)加密模式為128bit的AES算法，本設計中也選用AES算法作為其加密算法。

2）AES算法流程

AES加密算法涉及4種操作：字節(jié)替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和輪密鑰加（AddRoundKey）。圖4給出了AES加解密的流程，從圖中可以看出：①解密算法的每一步分別對應加密算法的逆操作，②加解密所有操作的順序正好是相反的。正是由于這幾點（再加上加密算法與解密算法每步的操作互逆）保證了算法的正確性。加解密中每輪的密鑰分別由種子密鑰經(jīng)過密鑰擴展算法得到。算法中16字節(jié)的明文、密文和輪子密鑰都以一個4x4的矩陣表示。