宋新德，田永明，劉沙，查戀池，陳順飛，葉鵬

(1.國網烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830000； 2.武漢盛帆電子股份有限公司，武漢 430200)

0 引 言

近年來，我國有關部門相繼出臺了《關于推進“互聯(lián)網+”智慧能源發(fā)展的指導意見》、《關于促進智能電網發(fā)展的指導意見》支持、鼓勵、推動能源互聯(lián)網建設[1-2]。能源互聯(lián)網是電、熱、氣、水等多種能源網絡協(xié)調互補的未來能源系統(tǒng)，能源互聯(lián)網具有萬物互聯(lián)、全面感知、信息高效傳輸和智能處理等特點，在體系建設、運作模式上和底層技術上采用互聯(lián)網思維，并同時具有“大云物移智”信息通信新技術[3-6]。無線通信技術最大的特點是實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，借助無線通信技術可以很好地實現(xiàn)能源互聯(lián)網的建設，以解決傳統(tǒng)的能源計量器具感知方式存在的設備功耗高、感知盲區(qū)多、網絡性能差、數據利用率低等諸多問題，以滿足日益增長的雙向互動業(yè)務需求[7-8]。

然而，現(xiàn)有的能源互聯(lián)網無線網絡中，主要由主節(jié)點、中繼節(jié)點和子節(jié)點組成。其中，中繼節(jié)點的組網采集順序一般由所屬中繼級別及信號強度決定，中繼級數少且信號強度越高的中繼節(jié)點會優(yōu)先組網采集[9]。在現(xiàn)場應用環(huán)境中，優(yōu)先組網采集的中繼節(jié)點或主節(jié)點會發(fā)現(xiàn)更多的表計子節(jié)點，所以優(yōu)先組網采集的中繼節(jié)點或主節(jié)點形成的群網絡會比后續(xù)中繼節(jié)點或主節(jié)點形成的群網絡更大[10]。而中繼節(jié)點既可采用市電供電也可采用電池供電，為便于現(xiàn)場安裝維護一般采用電池供電，所管理的群內表計子節(jié)點越多，功耗就越大，電池使用壽命也就越短[11-13]?，F(xiàn)場應用中中繼節(jié)點電池使用壽命不統(tǒng)一，大大增加了現(xiàn)場維護成本。

為解決現(xiàn)有的無線網絡組網存在負載網絡不均衡、穩(wěn)定性差、維護難等難題，文中結合實際應用，給出一種集群型無線自優(yōu)化動態(tài)組網方法，以提高微功率無線網絡的穩(wěn)健性和通信成功率，并通過建立現(xiàn)場無線網絡系統(tǒng)，進行典型現(xiàn)場環(huán)境下無線組網效果應用驗證。

1 無線集群型網絡組網介紹

集群型無線組網主要由主節(jié)點、集群路由中繼節(jié)點以及表計子節(jié)點組成，集群路由中繼節(jié)點不同于傳統(tǒng)的中繼節(jié)點，它既可以當作中繼節(jié)點使用，也可以作為集群主節(jié)點，作為集群主節(jié)點時可以管理群網內所有子節(jié)點。其中，主節(jié)點一般以模塊方式安裝在采集終端上，具有自動路由、檔案管理以及子節(jié)點數據感知與控制功能。集群路由中繼節(jié)點即可和對應主節(jié)點進行通信，也可以與相鄰中繼節(jié)點進行數據通信。集群路由中繼節(jié)點由于采用低功耗設計，故可使用大容量電池進行供電，方便現(xiàn)場安裝與維護。表計子節(jié)點只能與群主節(jié)點進行一對一數據通信，表計子節(jié)點為星型網絡節(jié)點，故子節(jié)點與相鄰節(jié)點不能進行數據通信。典型組網結構圖如圖1所示。

該典型組網結構圖包括一個主節(jié)點M1，4個集群路由中繼節(jié)點(R1、R2、R3、R4)及11個表計子節(jié)點(N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10、N11)。主節(jié)點M1和集群路由中繼節(jié)點(R1、R2、R3、R4)統(tǒng)稱為群主節(jié)點，圖1中的虛線表示子節(jié)點通信鏈路，實線表示群主節(jié)點通信鏈路。集群路由中繼節(jié)點R3既屬于主節(jié)點M1又屬于集群路由中繼節(jié)點R1，會通過自優(yōu)化動態(tài)組網方法選擇合適的通信路徑，其他的表計子節(jié)點如N1、N6、N9同樣類似處理，得出最優(yōu)網絡。最終該典型結構共包括有5個集群：由M1、N2組成的MQ1集群，由R1、N1、N3組成的JQ1集群，由R2、N4、N5組成的JQ2集群，由R3、N6、N7、N8組成的JQ3集群，由R4、N9、N10、N11組成的JQ4集群；集群網絡擁有唯一群主節(jié)點，主節(jié)點M1管理所有集群路由中繼節(jié)點。當主節(jié)點接收到采集終端設備下發(fā)的表計檔案之后，主節(jié)點首先開始對集群路由中繼節(jié)點進行組網，主節(jié)點通過廣播方式發(fā)送帶有網絡信號的命令來搜索鄰居集群路由中繼節(jié)點R1、R2、R3、R4，并將其配置入網，主節(jié)點完成搜索自身鄰居之后，開始搜集主節(jié)點鄰居集群路由中繼節(jié)點的鄰居場強信息，主節(jié)點M1獲取下屬集群路由中繼節(jié)點R1相鄰節(jié)點的場強信息，集群路由中繼節(jié)點R1利用廣播組網信標幀方式，收集相鄰集群路由中繼節(jié)點R2、R3的場強信息。主節(jié)點通過循環(huán)遍歷的方式逐級搜索集群路由中繼節(jié)點，如搜索成功，就將其配置入網，遍歷結束后完成整個無線組網。

圖1 典型組網結構圖

2 自優(yōu)化動態(tài)組網方法

自優(yōu)化動態(tài)組網方法基于集群廣播采集方式，可適應多種能源互聯(lián)網無線通信網絡。群主節(jié)點在廣播采集時，通過廣播采集命令下發(fā)鏈路動態(tài)因子，智能表計子節(jié)點響應群主節(jié)點感知指令時，根據表計子節(jié)點入網情況和群主節(jié)點的鏈路動態(tài)因子值，自動優(yōu)選加入最佳集群網絡。其中鏈路動態(tài)因子依據群主節(jié)點收集的場強信息、網絡狀態(tài)信息等影響因素自動生成，若是市電供電的智能電表采集系統(tǒng)，則影響因素主要包括：網絡質量、中繼級別、剩余網絡容量；若是電池供電的表計采集系統(tǒng)，則考慮低功耗設計，影響因素分別是：電池電量、網絡質量、中繼級別、網絡容量。下面主要介紹電池供電的表計采集系統(tǒng)，利用網絡鏈路動態(tài)因子，使組網網絡結構實現(xiàn)最優(yōu)狀態(tài)。

網絡鏈路動態(tài)因子影響參數主要包括：集群路由中繼節(jié)點電池電量B、網絡質量P、剩余網絡容量S、中繼級別L，其中網絡質量P，可用群主節(jié)點與主節(jié)點之間的信號強度即場強大小的數值表示[14-15]，群主節(jié)點剩余網絡容量，即群主節(jié)點設定的總可容納子節(jié)點數目大小減去已加入該群主節(jié)點的子節(jié)點數目。在計算鏈路動態(tài)因子時，網絡質量P和群主節(jié)點剩余網絡容量S，需進行線性函數歸一化處理后，再乘以系數10，使得數值落入[0-10]之間，如式(1)所示：

(1)

式中Zcur為群主節(jié)點與主節(jié)點之間的網絡質量的當前值或者群主節(jié)點剩余網絡容量的當前值；Zmin為群主節(jié)點與主節(jié)點之間的網絡質量的最低值或者群主節(jié)點剩余網絡容量的最小值；Zmax為群主節(jié)點與主節(jié)點之間的網絡質量的最高值或者群主節(jié)點最大可支持的網絡容量。

另外集群路由中繼節(jié)點可讀取自身當前電池電量，根據電池電量值獲取B的取值，將集群路由中繼節(jié)點電池電量B細分為1檔～4檔，如下表1所示。

表1 電池電量B取值

所有群主節(jié)點均需根據當前不同的狀態(tài)，計算出該群主節(jié)點的鏈路動態(tài)因子值，如式(2)所示。

(2)

式中W為所計算出的鏈路動態(tài)因子值；ix、jx、kx分別是P、S、L受影響的系數。由于電池電量影響為非線性，故不同電池電量區(qū)間，ix、jx、kx系數值應選用不同。其中ix、jx系數值取值[0-1]之間，經過多次測試確定出最優(yōu)值；比如：B=1時，i1=0.8，j1=0.2，即電池電量低時，以網絡質量占比為重，優(yōu)先選擇網絡質量好的群組；B=4時，i4=0.5，j4=0.5，即電池電量高時，網絡質量和網絡容量同樣重要，兼顧選擇。kx系數值為當前中繼級別除以最大可支持的中繼級別，整個網絡最大支持中繼級別可設定為(0～64)之間的數值。

另外，為便于根據現(xiàn)場應用環(huán)境調整網絡結構，加入λ、β系數，兩者取值[0-1]之間。加入λ、β系數后，若λ=1，β=0，則在不改變ix、jx、kx取值的前提下直接去掉網絡容量的影響；同樣，若λ=0，β=1，則在不改變ix、jx、kx取值的前提下直接去掉網絡質量的影響。這些系數值可采用遠程指令進行設置，ix、jx、kx系數值一般采用默認設置，λ、β系數用于現(xiàn)場網絡調整。

若群主節(jié)點當前電池電量為3.63 V，則判定為電池電量高，用B取4時的系數值進行計算，查看各系數值，此時i4=0.5，j4=0.5；若群主節(jié)點設定總網絡容量為200，現(xiàn)已有150個子節(jié)點加入該群主節(jié)點，則剩余網絡容量S為50，按照式(2)歸一化后處理得出剩余網絡容量S為2.5；若群主節(jié)點與主節(jié)點之間當前場強為-98 dBm，而一般場強范圍為(-30 dBm～-150 dBm)，按照式(2)歸一化后處理得出網絡質量P為4.3；該群主節(jié)點當前中繼級別為2，最大可支持中繼級別設定為4，則k4=0.5，L=2；根據現(xiàn)場環(huán)境調整時，λ=1，β=1，最終根據式(2)可計算出該群主節(jié)點當前的鏈路動態(tài)因子W=2.4。

其中，主節(jié)點進行鏈路動態(tài)因子值計算時，由于采用市電供電電池電量B始終取最高值，即電池電量B取4，網絡質量P始終取最高值，即網絡質量P取10，中繼級別L取0。

各群主節(jié)點利用式(2)實時計算鏈路動態(tài)因子，采用廣播采集命令下發(fā)給表計子節(jié)點。子節(jié)點保存多套群主節(jié)點動態(tài)因子，子節(jié)點根據入網情況自動優(yōu)選最佳集群，并上報數據。

3 組網測試與驗證

為充分驗證上述自優(yōu)化動態(tài)組網方法的組網通信效果，特此選取基于LoRa無線通信技術的電池供電表計采集系統(tǒng)，進行現(xiàn)場典型環(huán)境應用驗證。

3.1 試驗環(huán)境

(1)按照1個主節(jié)點、4個集群路由中繼節(jié)點和300只LoRa水表子節(jié)點，構建無線網絡系統(tǒng)。

(2)網絡布局。具體分布位置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場應用網絡

其中主節(jié)點M1附近分布50只表計，使其組成集群MQ1；集群路由中繼節(jié)點R1附近分布50只表計，使其組成集群JQ1；集群路由中繼節(jié)點R2附近分布50只表計，使其組成集群JQ2；集群路由中繼節(jié)點R3附近分布50只表計，使其組成集群JQ3；剩下100只表計，組成自由群F1，分布于集群路由中繼節(jié)點R1、集群路由中繼節(jié)點R2和集群路由中繼節(jié)點R3的中間位置，用于試驗中自由選擇集群。

3.2 測試數據

為測試自優(yōu)化動態(tài)組網方法中電池電量、網絡質量、中繼級別、網絡容量四個鏈路動態(tài)因子對于通信成功率的影響，以及驗證自優(yōu)化鏈路動態(tài)因子的使用效果，如下分別對現(xiàn)場典型網絡進行電池電量影響試驗、網絡質量影響試驗、中繼級別通信成功率測試、網絡容量影響試驗、自優(yōu)化鏈路動態(tài)因子驗證試驗以及功耗測試。

為便于快速驗證網絡情況，將采集頻率設置為一小時，一天組網24次，第一次組網選擇在采集終端檔案變化或者改變網絡號后。

3.2.1 電池電量影響試驗

為驗證電池電量影響，將自由群F1中所有子節(jié)點加入主節(jié)點集群MQ1，分別測試所有子節(jié)點F11～F1n電池電量低和電池電量高時的組網通信情況，已知子節(jié)點所用電池為3.6 V鋰電池，當電池為3.2 V以下判定為電池電量低，當電池為3.6 V以上判定為電池電量高，其測試結果如圖3所示。

圖3 電池電量影響試驗

由圖3可知：在其他條件相同的情況下，當電池電量低于3.2 V時，會影響子節(jié)點無法組網，無法通信成功。

3.2.2 網絡質量影響試驗

為驗證網絡質量影響，將自由群F1中所有子節(jié)點加入主節(jié)點集群MQ1，且分別將自由群F1所有子節(jié)點F11～F1n放置于靠近集群MQ1的位置和遠離集群MQ1且有遮擋的位置，以模擬網絡質量好和網絡質量差的情況，其測試結果如圖4所示。

圖4 網絡質量影響試驗

由圖4可知：當遠離主節(jié)點且有遮擋的位置，存在網絡質量差，會很明顯地引起通信成功率低，且曲線會出現(xiàn)上下波動情況，即存在子節(jié)點通信情況不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

3.2.3 中繼級別通信測試

為驗證網絡鏈路的穩(wěn)定性和可靠性，分別測試無中繼、1級中繼和多級中繼情況下組網的通信成功率。保持所有節(jié)點中電池電量為高，分別測試無中繼、1級中繼、2級中繼和3級中繼情況下組網的通信成功率。其中無中繼路徑情況為將自由群F1中子節(jié)點加入主節(jié)點集群MQ1，主節(jié)點M1直接采集自由群F1中子節(jié)點數據；1級中繼路徑情況為將自由群F1中節(jié)點加入集群JQ1，即自由群F1中子節(jié)點經過集群路由中繼節(jié)點R1再到主節(jié)點M1；2級中繼路徑情況為將自由群F1中子節(jié)點加入集群JQ2，即自由群F1中子節(jié)點經過集群路由中繼節(jié)點R2到集群路由中繼節(jié)點R1再到主節(jié)點M1；3級中繼路徑情況為將自由群F1中子節(jié)點加入集群JQ3，即自由群F1中子節(jié)點經過集群路由中繼節(jié)點R3到集群路由中繼節(jié)點R2再到集群路由中繼節(jié)點R1最后到主節(jié)點M1，測試結果如圖5所示。

圖5 中繼級別通信測試

由圖5可知：

(a)在同等條件下，中繼級別越高，通信成功率越低；

(b)無中繼情況下，從組網開始到網絡穩(wěn)定，經歷3次組網過程；

(c)1級中繼情況下，從組網開始到網絡穩(wěn)定，需經歷6次組網過程；

(d)2級中繼情況下，從組網開始到網絡穩(wěn)定，需經歷8次組網過程。

(e)3級中繼情況下，網絡通信會很不穩(wěn)定。

(1)網絡容量影響試驗。

第一種，主節(jié)點集群MQ1中放置50只表計，讓自由群F1子節(jié)點加入集群MQ1，測試其通信成功率；第二種，主節(jié)點集群MQ1中放置100只表計，讓自由群F1子節(jié)點加入集群MQ1，測試其通信成功率。同時，觀察兩種情況下的3日內的通信穩(wěn)定性。測試結果如圖6所示。

由圖6可知，當剩余網絡容量小時，其通信成功率會下降，且采集曲線會容易出現(xiàn)上下波動，通信穩(wěn)定性會降低。

圖6 網絡容量影響試驗

(2)自組網鏈路動態(tài)因子驗證試驗。

按照圖2所示表計分布，讓自由群F1內子節(jié)點自主尋找網絡集群構建網絡路徑，先后測試無鏈路動態(tài)因子時網絡通信情況和有鏈路動態(tài)因子后網絡通信情況，測試結果如圖7所示。

圖7 鏈路動態(tài)因子驗證試驗

由圖7可知：加入鏈路動態(tài)因子后可提高網絡通信成功率。且查看網絡拓撲圖，可發(fā)現(xiàn)，在無鏈路動態(tài)因子的情況下，自由群F1內100只表計，有65只選擇加入了主節(jié)點集群MQ1，有12只選擇加入了集群路由中繼節(jié)點集群JQ1，13只選擇加入了集群路由中繼節(jié)點集群JQ2和10只選擇加入了集群路由中繼節(jié)點集群JQ3；在有鏈路動態(tài)因子的情況下，自由群F1內100只表計，有28只選擇加入了主節(jié)點集群MQ1，有25只選擇加入了集群路由中繼節(jié)點集群JQ1，23只選擇加入了集群路由中繼節(jié)點集群JQ2和24只選擇加入了集群路由中繼節(jié)點集群JQ3?？梢钥闯觯簾o鏈路動態(tài)因子時若表計足夠多，則會導致主節(jié)點集群MQ1容量過大，會出現(xiàn)上述測試中通信不穩(wěn)定的情況。加入鏈路動態(tài)因子后，在網絡穩(wěn)定狀態(tài)下，各集群可基本達到負載均衡狀態(tài)，提高了無線組網穩(wěn)定性和網絡通信成功率。

(3)功耗測試。

本次測試采用LoRa方式的水表進行驗證，首先對表計子節(jié)點進行功耗測試，1號表和2號表采用自優(yōu)化動態(tài)組網方法加入鏈路動態(tài)因子進行功耗測試，3號表則不采用自優(yōu)化動態(tài)組網方法無鏈路動態(tài)因子進行功耗測試。根據表2所示功耗測試數據可計算出采用鏈路動態(tài)因子，一般設定水表每月定時活閥2次，每月遠程控制動閥2次，表端每天返回數據6次，可計算出水表一年總耗電量為247.3 mAh，選用ER18505電池容量為4 000 mAh，有效容量按50%計算，可得出使用年限大于8年。同時，從測試數據可知，本項目采用的自優(yōu)化動態(tài)組網方法及數據采集流程，可極大減少表計喚醒次數，將靜態(tài)電流降至18 μA以內，相比未采用自優(yōu)化動態(tài)組網方法表計靜態(tài)功耗為28 μA左右，降低表計功耗30%以上。

其次，使用Keysight N6705C直流電源分析儀周期監(jiān)聽集群路由中繼靜態(tài)功耗和組網功耗，其中組網功耗為集群路由中繼組網時的功耗，該集群路由中繼下掛150只表計和4臺2級集群路由中繼，且每臺二級集群路由中繼分別下掛100只表計，整個集群的表計數量是550只。如表3所示為集群路由中繼功耗測試，其中，年靜態(tài)功耗預算=靜態(tài)電流×24 h×365；年數據采集功耗=廣播數據采集平均功耗×(單次耗時/3 600)h×每天采集次數×365；年數據轉發(fā)功耗=數據轉發(fā)平均功耗×(持續(xù)時間/3 600)h×每天數據轉發(fā)次數×365；年點抄功耗=(發(fā)送電流×耗時+接收電流×耗時)/3 600×每天點抄次數×365。

根據上述測試數據，年靜態(tài)功耗預算：0.078 093 mA×24 h×365=684.09 mAh；按照每天廣播采集數據1次計算，年數據采集功耗預算：34.37 mA×(270/3 600)h×1×365=94.09 mAh；集群路由中繼之間的數據轉發(fā)按照每天4次計算，年數據轉發(fā)功耗預算為：130.48 mA×(1.38/3 600)h×4×4×365=292.1 mAh；按照每天點對點補抄50次(實際網絡通信穩(wěn)定后會遠低于50次)，年點抄功耗預算為：2 462.18 mAh；總年功耗預算為：3 532.46 mAh，電池標稱容量：76 000 mAh，有效容量按照50%計算，預計使用年限為11年左右，可很好地滿足低功耗設計要求。

4 結束語

為提高能源互聯(lián)網無線網絡的穩(wěn)健性和通信成功率，文中提出了一種集群型無線自優(yōu)化動態(tài)組網方法，設計了電池電量、網絡質量、中繼級別、網絡容量等鏈路動態(tài)因子。通過在現(xiàn)場建立組網系統(tǒng)，進行現(xiàn)場典型環(huán)境應用驗證，可以得出：

(1)表計子節(jié)點會根據鏈路動態(tài)因子值自動選擇最佳的集群，解決了靈活組網、自動優(yōu)化數據通信路徑形成最佳集群等關鍵技術；

(2)這些鏈路動態(tài)因子對無線網絡通信成功率和穩(wěn)定性方面的影響較大，使用自優(yōu)化鏈路動態(tài)因子后可自動獲取最優(yōu)網絡路徑，獲得負載均衡的效果，有助于提高無線網絡通信的成功率和穩(wěn)定性。