（通信与信息系统专业论文）负控通信电台数控模块的设计与实现.pdf

h1；：，。毫铀期 华北电力大学硕士学位论文 l i i ii iii i iii ii ii i i iiil 17 9 6 5 0 6 摘要 无线数传电台是一种技术比较成熟的无线通信方式，在电力负荷管理系统与用 电信息采集系统中有着广泛的应用，因此电力行业一般称其为负控通信电台。 本文采用标记交换的思想，兼顾随机接入的实际需求，提出了新的轮询接入与 随机接入并存的信道接入方法，并采用软件无线电技术，设计和实现了负控通信电 台主站和从站数控模块。本文提出的主站电台数控模块在调制方式上与现有的电台 设备全面兼容，覆盖整个电力系统2 3 0 m h z 全双工频段，可以同时在多个频点运行， 以不同的速率、调制方式进行全双工通信；从站电台数控模块用于取代模拟电台的 调制解调模块，继续使用原有电台的射频收发部分，充分的利用了现有的设备。本 文提出的方案可以充分利用2 3 0 m h z 的无线频率资源，提升系统容量，增加系统终 端的接入数量，提高通信系统组网的灵活性和可靠性，同时有效的降低了升级成本。 关键词：软件无线电，电力负荷管理，轮询接入，随机接入 a b s t r a c t r a d i os t a t i o ni sam a t u r et e c h n o l o g yf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi sw i d e l y u s e di np o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e ma n di n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m s or a d i o s t a t i o nu s u a l l yc a l l e dp o w e rl o a dm a n a g e m e n tr a d i oi nt h ee l e c t r i c a li n d u s t r y a d o p t i n gt h ei d e ao fl a b e ls w i t c h i n g ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea c t u a ln e e d sr a n d o m a c c e s s ，an e wc h a n n e la c c e s sm e t h o dw a sp r o p o s e d n u m e r i c a lc o n t r o lm o d u l e so f m a s t e rs t a t i o na n dt e r m i n a ls t a t i o na r ed e s i g n e da n dr e a l i z e dw i t hs o f t w a r ed e f i n e dr a d i o t e c h n o l o g y t h em a s t e rr a d i os t a t i o nn u m e r i c a lc o n t r o lm o d u l ei sa l l - a r o u n dc o m p a t i b l e w i t h e x i s t i n g r a d i os t a t i o n s ，c o v e r i n g2 3 0 m h zf u l l - d u p l e xf r e q u e n c i e s ，r u n n i n ga t m u l t i - f r e q u e n c i e ss i m u l t a n e o u s l y a n dc a r r y i n go n f u l l d u p l e x c o m m u n i c a t i o n si n d i f f e r e n tr a t e sa n dm o d u l a t i o nm o d e s t h en u m e r i c a lc o n t r o lm o d u l eo ft e r m i n a ls t a t i o n i su s e dt or e p l a c em o d e mm o d u l eo ft h ef o r m e rr a d i os t a t i o nt oc o n t i n u eu s i n gt h e t r a n s c e i v e ro ft h ef o r m e rr a d i o ，w h i c hm a k e sf u l lu s eo ft h ee x i s t i n ge q u i p m e n t s t h e s o l u t i o n i nt h i sp a p e rc a nt a k ef u l lu s eo ft h e2 30 m h zw i r e l e s sf r e q u e n c yr e s o u r c e ， u p g r a d et h ec a p a c i t yo fs y s t e m ，i n c r e a s e t h et e r m i n a la c c e s sn u m b e r , i m p r o v et h e r e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o nm e s h ，a n de f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h e u p g r a d ec o s ta tt h es a m et i m e y a nl o n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f q ib i n g k e yw o r d s ：s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，p o w e rl o a dm a n a g e m e n t ，p o l l i n ga c c e s s ，r a n d o m a c c e s s 1 an虢-掺w啃： 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义l 1 2 课题研究的必要性2 1 3 本文主要工作及内容安排3 第二章负控通信电台系统分析与优化4 2 1 负控通信电台在电力负荷管理系统中的应用现状4 2 1 1 电力负荷管理系统的概念4 2 1 2 负控通信电台系统与其他通信方式的比较4 2 1 3 负控通信电台系统的应用现状6 2 2 负控通信电台组网结构改进7 2 3 负控通信电台信道接入方式改进8 2 3 1 信道轮询接入方式的改进8 2 3 2 信道随机接入机制的设计1 2 2 3 3 逻辑链路层帧结构扩充1 3 2 4 本章小结1 5 第三章负控通信电台总体设计1 7 3 1 负控通信电台基本结构1 7 3 2 主站电台数控模块总体设计1 8 3 2 1 负控通信电台主站总体结构1 8 3 2 2 多通道并行信号发送1 9 3 2 3 多通道并行信号接收2 2 3 3 负控通信电台从站总体设计2 4 3 4 本章小结2 5 第四章负控通信电台数控模块的硬件设计2 6 4 1 多通道主站数控模块硬件设计2 6 4 1 1 主站数控模块整体实现2 6 4 1 2 主站数控模块外围电路设计2 7 4 2 从站数控模块硬件设计3 0 4 2 1 从站数控模块整体实现3 0 4 2 2 从站数控模块外围电路设计3 1 4 3 本章小结3 3 第五章负控通信电台数控模块软件实现3 4 第 参 致 在 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着国家智能电网规划的全面启动，对新的电网提出了数字化、信息化、自动 化、互动化的要求，这都给电网终端设备提出了更高的要求和挑战。而目前广泛用 于用户配电网中的负控通信电台设备由于数据传输速率低、通信效率差、监测结果 具有一定的偏差，已经不能满足现代电网的应用需求。因此，为了准确、及时地测 量线路及其他设备的电压、电流、频率等电力参数，以便于及时了解负荷变化情况、 正确评估用电状况，从而控制和改善用电状态，必须大幅度提高电力通信系统的信 道容量和可靠性。 目前广泛应用于用户配电网的负控通信电台系统由主站电台和从站电台组成， 主站采用全双工电台，从站采用半双工电台。无线电管理委员会将2 3 0 m h z 频段的 1 5 对双频频点分配给电力系统专用，每个频点带宽为2 5 k h z ，相邻频点频率间隔为 5 0 1 5 0 k h z ，1 5 个双工频点的总带宽约为2 m h z ，上下行频率间隔为7 m h z ，理论 上该频率完全能够满足电力通信的业务需求【l 】。 但负控通信电台的应用现状却并不理想。一方面，不同时期投入应用的负控通 信电台虽然基本结构类似，但调制方式、波形结构、调制速率有较大差别，十分不 利于设备的维护【2 】；另一方面，不同的设备占用不同频点单独组p b 9 ，独立运行，采 集到的监控信息没有得到统一的管理，不能适应智能电网对电网终端设备进行统一 管理的需求；此外，由于电台通信系统采用透明传输模式，并且采用大区轮询的方 式进行数据交换【3 1 ，这些特点使得该系统的网络容量非常有限，传输效率很低，缺 乏处理突发事件的灵活性。因此，现有负控通信电台已经不能满足电力系统中不断 增长的通信容量需求，如何合理利用电力系统专有的无线频率资源，同时结合先进 的无线通信技术提高电力通信数据传输的高效性和安全性就成为了当前电力通信 行业技术改造和创新的重要课题。 在既充分利用现有电台设备和频率资源，又全面提高电台通信系统的频谱利用 率，提高电台通信系统的信道容量的要求下，本文设计了新型的负控通信电台数控 模块以及新的系统架构及通信协议，大幅提高了电台通信系统的传输速率和信道容 量，对频率资源进行了科学的管理，同时保证了新系统对现有负控通信电台的全面 兼容，使得2 3 0 m h z 负控通信电台系统能够更好的为中国电网服务。 华北电力大学硕士学位 沦文 1 2 课题研究的必要性 负控通信电台系统是上世纪8 0 年代末在用户配电网开始广泛应用的，它是占 据电力系统专有频率独立运行的无线专网，与其他行业的无线系统互不干扰，且电 台通信技术成熟，性能稳定，总体来说负控通信电台系统有着很高可靠性和安拿性 【4 1 。 但目前应用在电力系统中的负控通信电台，绝大部分都是在基带部分使用调制 解调芯片的模拟数传电台，这种模拟数传电台的实质是基带音频信号处理与模拟电 台的结合。早期的6 0 0 1 2 0 0 b p s 调制解调器采用的f s k 调制方式，随后出现的 2 4 0 0 b p s 调制解调器采用m s k 调制方式，9 6 0 0 b p s 高速调制解调器采用的是g m s k 调制方式【5 1 ，调制完成的基带信号占据了模拟电台所能提供的9 k h z 带宽，再通过模 拟电台以f m 的方式进行发射。通过主控芯片对数据流和模拟电台通路的控制实现 无线数据传输。 由于上述模拟电台为了保证无线传输的质量对基带信号采用了f m 调制，无法 充分的利用2 3 0 m h z 无线电台所提供的2 5 k h z 信道带宽，因此上述的模拟电台中最 高传输速率只能达到9 6 k b p s 。而新型的基于d s p 技术高速全数字电台去掉了第二 次f m 的调制信号的环节，直接将d s p 输出的c p f s k 调制信号在2 5 k h z 的带宽上 发送，速率可以达到了1 9 2 k b p s ，既避免了f m 调制对信道带宽的浪费，也可以有 效避免模拟电台中丢字头和出现尾噪声乱码的问题。但目前，这种数字电台应用较 少，价格居高不下。 负控通信电台系统中亟待解决的问题主要集中在了以下几个方面：一台主站设 备( 一套通信系统) 只能工作在一对频点，无线频率资源未能充分使用；存在多种制 式的通信电台，彼此不能兼容；主站系统仅为数据传输设备，控制是通过与其用 r s 2 3 2 连接的外围设备实现的；负控通信电台无法主动上传数据，而是采用主站轮 询的访问方式，使系统的传输效率和访问能力都受到了限制；现有设备无法满足新 的业务需求，但如果对设备进行全面更新投资过大【6 1 。 对于上述问题，学术界和企业界都做了大量的分析和研究，提出了多种针对不 同层次的解决方案。但是，这些解决方案并没能很好的解决负控通信电台系统的实 际问题，例如：对调制解调方式的改进受限于模拟电台的二次调制输入带宽和系统 信噪比；通信协议设计过于复杂，严重占用了本已非常有限的信道资源；没有考虑 到原有设备的充分利用，需对设备进行全面更新，设备升级投资过大等等。 所以，在充分有效利用电力行业现有的频率资源，保护电力行业现有的投资， 适应电力系统无线通信业务具体应用的基础上，对负控通信电台系统进行有效且经 济的改进，具有很好的市场前景和经济效益。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本文主要工作及内容安排 本文通过分析负控通信电台的特点及应用现状，结合电力系统无线通信的应用 需求，对负控通信电台系统的网络结构和接入方式进行了改进，同时针对这些改进 设计和实现了负控通信电台的主站和从站数控模块，大幅度的改善与提高电力负荷 管理系统的通信效率。 基于以上工作，本文内容安排如下： 第一章阐明了课题的选题背景、研究意义，介绍了负控通信电台在电力系统中 的应用中存在的一些问题，提出改进其网络的必要性。 第二章分析了负荷管理系统通信的特点和要求，对应用于电力系统的几种无线 通信方式进行了重点论述，提出了以多信道、多传输速率、多调制方式主站电台为 核心的组网结构和新的轮询控制与随机接入并存的信道接入方法，充分的利用了无 线频率资源，大幅提高了现有网络的通信效率。 第三章给出了负控通信电台的总体设计方案。对现有负控通信电台的基本网络 结构进行了说明，给出了新的组网结构和信道接入方式下的主站电台、从站电台的 总体结构设计方案，还对多信道组网中的主站电台信号处理方式进行了详细说明。 第四章提出了负控通信电台数控模块的硬件设计方案，包括主站数控模块和从 站数控模块的总体设计方案及各个功能模块的器件选型与设计。 第五章给出了负控通信电台数控模块软件实现的总体架构和功能模块。根据电 力系统配电网通信的业务需求，采用了三层的程序结构，并分别详细给出了应用层 系统软件平台、信道纠错编码和信号软件调制解调的具体实现。 第六章对论文做出了总结，对课题下一步工作提出了展望。 华北电力大学硕士学位沦文 第二章负控通信电台系统分析与优化 2 1 负控通信电台在电力负荷管理系统中的应用现状 2 1 1 电力负荷管理系统的概念 电力负荷管理系统是一种集通信技术、数据库技术及网络技术为一体的现代化 电力营业与配电信息采集分析系统，是电力行、他提高管理水平的重要手段。电力负 荷管理系统的前身称为电力负荷控制系统，是2 0 世纪9 0 年代初在我国发展起来的 一种“限电到户”的技术手段。当时用电供需矛盾非常突出，为了保证用电高峰期 电网的安全运行，电力负荷控制系统可以对企事业单位的用电情况进行实时监控， 并编制不同的限电措施，通过对用户的某一路或某几路供电开关进行跳闸，实现降 低电网负荷，保证电网安全的目的。但随着近些年来城网改造的进行以及发电企业 的大规模投产，用电供需矛盾相对缓和，电力负荷控制系统逐步淡化了限电功能， 丽着重开发了如电表远程数据采集、配电网自动化、线损的自动生成与考核、负荷 预测等实用化功能，从原来的“以控为主”转化为“以管为主”，系统名称也由原 来的“电力负荷控制系统”改为“电力负荷管理系统 【7 1 们，但电力行业中一般仍 称应用于电力负荷管理系统的无线数传电台为负控通信电台。 电力负荷管理系统需要对电网内的大量用户进行实时监控，同时还有定期的数 据采集、线损分析等任务，电力负荷管理系统对通信系统提出了以下的要求： ( 1 ) 通信可靠性要求较高，由于配电线路分布在广大地域的配电线路，一次设 备以及配电终端，他们大多运行在温度变化剧烈，环境污染，电磁干扰，存在外力 破坏可能性的恶劣环境中，因此通信系统必须保证业务数据在其中进行稳定可靠的 传输，不会因为外界的干扰而产生数据包的丢失。 ( 2 ) 被监控终端数量众多，分布面广，需覆盖本区的全部用户，而且城区内 部的电磁环境、建筑遮挡等因素非常复杂，对通信造成了很大的影响。 ( 3 ) 监控终端的功能和实时性要求差异较大，有些终端可能一天只通信一次 或者几次，有的每几分钟就需要通信一次，或者存在需主动上报的业务。 ( 4 ) 电力负荷管理系统在原有的功能上不断添加各种业务，要求实时精确的 获得用户的用电信息，原有的通信速率已经无法完成现有的监测、控制和数据处理 功能【1 1 1 。 一 2 1 2 负控通信电台系统与其他通信方式的比较 目前应用在电力负荷管理系统中常用的通信方式包括电力线载波通信、光纤通 4 华北电力大学硕士学位论文 信以及无线通信如g p r s c d m a 公网通信，2 3 0 m h z 无线电台专网等。因此，当前 电力系统中的负荷管理系统通信网络是一种多种通信方式的混合接入系统。下面简 要的比较一下上述各种通信方式在电力负荷管理系统中应用的优缺点。 电力线载波通信( p o w e r - l i n ec a r r i e r ，简称p l c ) 是电力系统中极具特色的通信 方式，配电网通信中主要采用以3 8 0 2 2 0 v 用户线为传输媒介的低压电力线载波通 信。采用低压p l c 进行居民抄表已经进入了实用化阶段，但从原理上讲，低压p l c 只起到了现场总线的作用，它的主要应用是代替工业用4 8 5 总线将居民电表数据采 集到集中器，之后还需要其他通信方式将数据传回营配中心。此外，由于用户配电 网的线路走线情况复杂，线路时变特性和突发噪声对通信性能影响很大，因此还存 在着性能不稳定，误码率高的问题，这些问题一直阻碍着p l c 技术在电力负荷管理 系统中的应用。 光纤通信在电力系统中有着非常广泛的应用，具有优良的性能和很高的通信可 靠性与安全性，目前光纤网络主要铺设在1 1 0 k v 及以上线路以及部分3 5 k v 线路上。 在配电网中，由于光缆本身的造价比较高，且光缆的铺设和维护成本巨大，在1 0 k v 及以下的配电网线路上很少铺设光纤，因此，光纤通信在电力负荷管理系统中一般 是应用于负控通信的主站前置机与负控工作站的通信当中。 从目前的应用现状来看，无线通信是最适合电力负荷管理系统的通信方式，也 是当前应用最多的通信方式，其主要包括2 3 0 m h z 负控通信电台、公网g p r s c d m a 和z i g b e e 网络等等。其中，2 3 0 m 负控通信电台主要用于电力负荷管理系统；公网 g p r s c d m a 在电力负荷管理系统和远程电表数据采集系统中都有应用：z i g b e e 主 要取代p l c 作为数据采集的集中器使用。下面就几种无线通信方式分别进行介绍。 租用公网g p r s c d m a 通道进行远程电表数据采集具有很多优势，如无需网络 建设，系统容量大，可以并发通信，具有更好的通信性能。但由于租用公网的网络 资源，系统的安全性以及如何在大话务量时保证电力行业数据的正常传输，成为了 限制其自身发展的瓶颈，此外，随着智能电网应用中无线通信数据量的增加，必将 带来大量占用公用信道资源，租用费用过高等问题【1 2 1 。 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本的无线网络技术，它通 过数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以 接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，非常适合在电力 需求侧通信中代替现场总线进行居民抄表。z i g b e e 立足于m 2 m 通信的理念，具有 灵活的自组网拓扑结构、低廉的硬件成本等等特点，有着广阔的应用空间，但由于 z i g b e e 不适合长距离通信，需要通过其他方式将z i g b e e 集中采集的数据统一上传。 负控通信电台系统是电力系统中广泛采用的通信方式。由于无线电管理委员会 将2 3 0 m h z 频段的1 5 对双工频点分配给电力系统专用，因此，习惯上将运行在 2 3 0 m h z 频率的无线通信系统称为电力专网。负控通信电台不受网络限制，不用缴 s 华北电力大学硕士学位论文 付话费，提供一对一、一对多的通信方式，具有成本低、安装维护方便、绕射能力 强、覆盖面广等特点，非常适合电力系统负荷管理系统这样点多而分散、地理环境 复杂的应用场合。专用的通信信道保证了负荷管理系统的数据收发延迟，并且可以 避免数据拥堵，而且经过近2 0 年的应用，已经有了一套成熟的测试手段和运行经 验。 一个典型的负控通信系统的网络结构如图2 1 所示。 图2 一l 典型的电力负荷管理系统无线网络结构图 2 1 3 负控通信电台系统的应用现状 电力负荷管理系统主要由计算机设备、通信设备和终端设备三部分组成。其中 计算机设备主要包括服务器、前置机、工作站以及网络设备；通信设备是指与终端 进行数据交换所需的设备，主要由电台、馈线、高增益全向天线等设备组成；而终 端设备就是指安装在大用户变电设备或者变电所的用于数据采集和命令执行机构。 计算机设备和通信设备合在一起称为中心控制站，简称主站。电力负荷管理系统的 通信主站分为a 、b 两套，在切换监测控制单元的控制下以主备方式进行工作， 也可根据需要进行手动切换。 目前应用的负控通信电台大部分是基带部分加入了调制解调模块的模拟数传 电台，其实质是基带的音频信号处理与模拟电台的结合，在基带上的调制波形占据 了模拟电台所能提供的9 k h z 带宽，基带信号通过模拟电台以f m 的方式进行发射。 随着电子技术的不断发展，负控通信电台中用于数据传输的调制解调芯片也在不断 进步，通信速率从6 0 0 1 2 0 0 b p s 发展到2 4 0 0 b p s ，直至9 6 0 0 b p s 高速调制解调器。上 6 华北电力大学硕士学位论文 述模拟电台为了保证无线传输的质量对基带信号采用了f m 的调制方式，因此无法 充分的利用2 3 0 m h z 无线电台所提供的2 5 k h z 信道带宽，模拟电台中的信号传输速 率在9 6 k b p s 已达极限。 正是基于这样的背景，近些年来，随着电力系统对电力负荷管理系统的各种应 用需求的不断涌现，电力行业对负控通信电台系统不断进行升级，多种速率、多种 调制方式的电台同时运行，使得网络状况更为复杂。目前负控通信电台应用中存在 的问题集中在以下几个方面：一台主站设备只能工作在一对频点，无线频率资源未 能充分使用：存在多种制式的通信电台，彼此不能兼容；主站系统仅为数据传输设 备，控制是通过与其用r s 2 3 2 连接的外围设备实现的：负控通信电台无法主动上传 数据，而是采用主站轮询的访问方式，使系统的传输效率和访问能力都受到了限制； 现在设备无法满足新的业务需求，只能对设备进行全面升级，投资过大。 2 2 负控通信电台组网结构改进 无线电管理委员会将2 3 0 m h z 频段的1 5 对双频频点分配给电力系统专用，频点 分配如表2 1 所示。每个频点带宽为2 5 k h z ，相邻频点间隔为5 0 1 5 0 k h z ，1 5 个接 收发送频点总带宽约为2 m h z ，上下行频率间隔为7 m h z 。 表2 - 12 3 0 m h z 频点分配表 编号主站发射频点主站接收频点编号主站发射频点主站接收频点 l2 3 0 5 2 52 2 3 5 2 5 9 2 3 1 2 2 52 2 4 2 2 5 22 3 0 6 7 52 2 3 6 7 5 1 0 2 3 1 3 2 5 2 2 4 3 2 5 32 3 0 7 2 52 2 3 7 2 5 1l 2 3 1 4 2 5 2 2 4 4 2 5 42 3 0 8 5 02 2 3 8 5 01 22 3 1 4 7 52 2 4 4 7 5 52 3 0 9 5 02 2 3 9 5 01 32 3 1 5 2 52 2 4 5 2 5 62 3 1 0 2 52 2 4 0 2 51 42 3 1 5 7 52 2 4 5 7 5 72 3 1 1 2 52 2 4 1 2 51 52 3 1 6 5 02 2 4 6 5 0 82 3 1 1 7 52 2 4 1 7 5 一个主站电台可内置多组频点，高发低收，频点间隔为7 m h z ，传输速度从 6 0 0 b p s 到9 6 0 0 b p s 都有应用，发射功率一般小于或等于2 5 w ，个别地区也有加大到 5 0 w ，由于功率较大，覆盖范围远远超过公网通信。由于主站足高发低收，所以当 各终端与主站进行通信时，采用低发高收的方式，与主站电台相对应。 电力负荷管理系统中典型的组网方式一般采用主站对远端多点的方式，采用轮 询方式查询数据。监控中心站的主站电台通过r s 一2 3 2 串口与上位机相连，当上位 机出现通信需求时，将要发送的数据直接发送到主站电台。从站电台接收主站的命 令，对命令进行解析，然后对终端进行控制操作并将数据上报。一套电力负荷管理 系统组成的数据传输网络独占一个频率资源，在同一频点上同时只能有一个设备发 送或接收数据。 7 华北电力大学硕士学位论文 显然，这种组网方式已经不再适应当前电力负荷管理系统的应用场合。首先， 主站电台只能固定在单一频段进行信号发送接收，在当前大区制的背景下单一频段 所承载的业务量是有限的；其次，在支持新型电台方面捉襟见肘，支持新型电台只 能通过增加新的主站设备来实现，这就形成了多种不同制式的设备单独组网，独立 运行的局面，缺乏统一的管理，设备成本和维护工作量都很大。因此，如何更好的 一 利用原有终端设备资源，同时为今后的信道扩容和升级提供保证，就成了当前电力 负荷管理系统亟待解决的问题。 本文提出的是一种以软件无线电的多信道、多传输速率、多调制方式的主站电 台为核心的新型组网结构。在这种组网方式下，采用软件无线电技术的多通道主站 电台同时处理2 3 0 m h z 频段中全部信道的数据，大大提高了频率资源的利用率；在 调制方式上实现了与现有的负控电台设备全面兼容，在不同的频点以不同的速率、 调制方式与多种制式的从站电台进行通信。 由于对原有负控电台进行了全面的兼容，可以很好的保证了现有业务的正常运 营，省去了更换设备的成本。而且，当一个信道容量无法满足要求时，可以开通其 他的信道而无需进行主站设备的硬件更改。此外，基于软件无线电的系统具有极强 的可配置性，为将来的业务拓展和设备升级提供了可靠保障，降低了未来系统的升 级成本。 2 3 负控通信电台信道接入方式改进 传统的负控通信电台采用的是轮询接入方式，通信时数据占用整条无线信道， 一个信道上同时只能有一台设备工作。尽管主站使用的是全双工通信电台，但对信 道接入的控制是由上位机通过r s 2 3 2 接口实现的，这种情况下根本无法实现精确 的收发切换，因此，目前在具有上行频率和下行频率的信道中实现的仅仅是半双工 通信，极大的浪费了无线信道资源，降低了通信效率。此外，从站终端不能主动发 起通信是另一个亟待解决的问题，终端有数据上传任务需要通信时，只能等待主站 的轮询操作，大大降低了系统的实时性。 本文针对这些问题的提出了新的信道接入方式。改进分为了两个部分：一、信 道接入方式的改进，通过使用基于s o c 芯片的软件无线电系统，实现精确的接入时 序控制，支持真正的全双工通信方式，充分利用信道资源，同时兼容现有电台；二、 提供了主动上传功能。为了适应提出的接入算法，对电力负荷管理系统数据传输规 约的链路层帧格式也进行了相应的扩充。 2 3 1 信道轮询接入方式的改进 负控通信电台系统从根本上来讲是面向电力业务的无线通信系统，因此，接入 8 ， 华北电力大学硕士学位论文 方式的改进需要充分考虑对电力通信业务进行适配。电力通信中的无线应用主要可 分为以下三种：主站对终端的控制；终端数据请求主动上传；主站向终端定时抄表。 现有的负控通信电台系统，并没有针对具体的应用实现不同的接入方式，而是 统一采用轮询接入控制方法实现无线信道的介质访问控制。在这种通信方式下，上 位机通过主站电台依次发送通信请求，从站电台接收到信号进行处理，确认当前帧 为有效帧之后，对终端进行操作，操作完成后对主站进行应答。具体过程是：主站 向从站1 发送请求帧；从站接收到来自主站的请求帧，向主站发送响应帧进行回复； 主站收到从站的回复，继续向下一个从站电台发送请求帧，依次循环，就实现了轮 询接入访问控制，具体流程如图2 2 所示。其中可以看出，通信过程中的收发状态 转换i 从站数据处理采集、上位机控制以及调制解调模块都可能产生的一定时延， 严重影响了传输效率。总体来说，这种轮询的介质访问控制方式简单可靠，但效率 很低，且无法实现数据的主动上传，不利于对突发事件进行处理【l 3 1 。 上位机主站电台 从站电台终端 n 图2 - 22 3 0m 负控通信电台系统通信流程 下面的图2 3 详细说明了轮询协议控制下通信过程中上下行信道占用情况。在 传统的负控通信电台系统中，主站首先通过下行信道向从站l 发送请求帧，此时主 站电台处于发送状态，从站电台都处于接收状态；当从站1 正确接收到来自主站请 求帧后，从站l 通过r s 2 3 2 接口把指令输出到终端，并从终端获得返回数据，然后 将电台从接收状态转换为发送状态，这一系列过程总的延时时间为正；从站通过上 行信道向主站发送响应帧，此时主站处于接收状态，并对信号进行处理，但由于主 站是全双工电台，接收并确认后无需状态转换，直接开始下一个从站的数据请求操 作，此过程总的延时为兀 1 4 1 。 9 华北电力大学硕士学位论文 霉耳i i 二二立孓i - ! 一i ， z 兰五三芷一： 眦z 量上正玉= l 二l j ， 从站”t 图2 3 轮询协议上下行信道占用方式 根据图2 3 ，设数据请求帧、数据响应帧的字节长度分别为乞和瓦埘，从站电 台的数据处理与收发转换时间为正m s ，主站电台数据处理时间为乃m s ，负控通信电 台的数据传输速率为b k b p s ，则某一从站完成一次数据上报的通信时间t ( m s ) 和上 行信道利用率r ( ) 分别如式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 所示。 t = + 五- 4 - 咒加+ 互 r ( 2 1 ) = 专( 二嘲+ 上锄衄) + 五+ 互 d 甲， r = 丛丝= 上幽 一 ( 2 2 ) 1 二喇+ 二加+ 詈( 互+ 互) o 如在通信过程中由于无线信道环境等因素导致数据错误，则对从站进行数据重 传。若错误发生在数据请求帧，则从站没有收到数据帧，不可能回传数据，主站在 等待一定时间间隔之后再次发送数据请求帧；如果错误发生在数据响应帧，主站则 再次发送数据请求帧，要求从站进行数据重传。若数据传输连续失败三次，则放弃， 并将信息输出到上位机。 由图2 3 可以看出，上下行信道的占用率是很低的。主站在轮询机制下对从站 的控制相当薄弱，发送和接收都需要通过r s 2 3 2 接口，即使主站电台采用了全双 工电台，但全双工的作用仅仅在于免去了主站的收发切换时间，并没有实现下行信 道和上行信道的复用，严重浪费通信带宽。 l o 华北电力大学硕士学位论文 从站”t 图2 - 4改进协议上下行信道占用方式 为了解决这些问题，本文改进了电台的信道接入方式。由于本套系统需要对现 有的从站电台提供全面的支持，改进主要是针对主站电台而言。改进之后的信道接 入方式如图2 - 4 所示，可以看出，这种方式下，从站电台不需任何改变，只是充分 的利用了主站电台的全双工性能。 具体的通信流程如下：主站首先通过下行信道向从站1 发送数据请求帧，此时 主站电台处于发送状态，从站电台处于接收状态；当从站1 正确接收到来自主站请 求帧后，从站l 通过r s 2 3 2 接口把指令输出到终端，并从终端获得返回数据，然后 将电台从接收状态转换为发送状态，发送响应帧到主站；当响应帧到达主站后，由 于主站工作于全双工通信模式，将直接接收处理响应帧，在处理的同时在下行信道 向从站2 发送请求帧，即开始下一个从站的数据查询通信过程。在接收完成从站1 的数据上报后，过一个很小的时间问隔，将会接收从站2 的数据上报，依此类推。 在这种信道接入方式下，可以充分的利用主站电台的全双工特性和信道上下行资 源。从原理上讲，共同占用上行信道的相邻从站之间的数据响应帧间隔正的可以任 意缩短，只需保证相邻从站之间不发生冲突即可。 改进的信道接入方式下，某一从站完成一次数据上报的近似通信时间t ( m s ) 和 上行信道利用率r ( ) 分别如式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 所示。可见，通信效率有了很大 的提高。 t = 乃+ 气缸= 告比旭+ 乃 ( 2 3 ) r = 纽丝= - 二丛一 ( 2 4 ) 丁k + 詈互 但是，采用这种接入方式是需要确切的了解传输的业务类型和精确的计算出从 站1 发送结束时间。这在传统的主站负控通信电台中是不可能实现的，这是由于传 华北电力大学硕士学位论文 统的负控通信电台使用调制解调芯片进行信号处理，需要等待芯片解调完毕才能处 理数据，无法得到精确的定时数据，且由于上位机是通过r s 2 3 2 接口与电台连接的， 上位机的任何操作都需要经过串口芯片以及电台内部单片机的处理，使得主站电台 对从站电台的连续控制无法实现。因此，这种接入方式需要对主站电台进行全新的 设计，本文提出的基于软件无线电的主站电台数控模块采用s o e 芯片，a r m 负责管 理从站电台的管理与数据的缓存发送，d s p 负责信号的调制解调，可以很好的解决 这个问题。 2 3 2 信道随机接入机制的设计 在信道轮询接入机制下，为了检测从站是否有需要上报的数据，需要对所有从 站依次发送数据请求帧，这大大降低了通信效率。如果某从站在主站对其轮询过后 不久就产生了需要上报的数据，则需要等到主站下一次轮询时才能进行数据的发 送，无法保证通信的实时性。 本文在原有负控通信电台系统轮询协议的基础上，加入了随机接入的访问控制 方式，形成了一种新的混合接入访问控制方法。新的访问控制方法的加入使得原有 电台并不能直接支持随机接入的访问控制方式，但可以通过更换从站电台的数控模 块来实现随机接入访问控制。 这种随机接入的访问控制方式参考了s - a l o h a 协议，算法通过对信道通信周 期的划分，可以有效的提升负控通信电台系统性能。 在信道随机接入方式中，数据上传过程是从标记帧开始的。从站接收到主站发 送的标记帧之后，根据需要进行收发转换，然后将上传信道分为若干个时隙，不同 从站任意选择对应的时隙，并占用上传信道进行数据传输。时隙的个数由标记帧中 给定，这个参数可以很好的避免了大量从站存在数据上传请求时发生冲突的概率。 当主站在某个时隙无冲突的收到正确的请求帧，就会在下行信道上给从站下发确认 信号，从站收到确认信号后，则进行数据发送。 锚 从站1 舍 兮上j 丑_ l - 上丘 l i l i l u ， iiii iii l | liiil ill ； 合上j 丑j 丑0 ， 图2 - 5随机竞争子周期通信流程 华北电力大学硕士学位论文 随机访问控制协议下的通信电台主站与从站详细通信流程如图2 5 所示。主站 在完成轮询上传业务或者在一定时间间隔内没有进行数据主动上传时，自动转入随 机竞争访问方式，即主站向所有从站发送标记帧广播，标记帧默认时隙数为最小值 3 ，从站接收到标识帧后，有发送请求的从站电台立即从接收状态转换为发送状态， 在延迟转换时间r 之后，有发送请求的从站，如从站l 、从站2 、从站m 将通过类 似s a l o h a 方式在3 个时隙中的任意一个进行数据请求帧发送操作，如图所示， 此时可能出现三种情况： 如果某一个时隙中只有一个从站发送了请求帧，如时隙2 只有从站2 选择，那 么主站就能正确的识别来自从站的请求信号。主站依次向三个时隙中正确发送请求 帧的从站发送确认帧，并接收来自主站的数据帧。 如果两个或两个以上的从站选择同一时隙，如从站1 和从站m 均选择在时隙l 发送请求帧，则会由于上行信道的数据碰撞而导致发送失败，则主站检测到冲突后 会先完成正常发送的请求帧，之后继续发送标记帧让发生冲突的从站完成上传。 如果主站发送标记帧之后，检测到厅个时隙都有冲突发生，无法读取请求帧， 则至少每个时隙有两个请求帧要求发送，也就是至少有2 ，1 个从站同时有发送请求， 此时继续发送玎个标记帧仍然可能造成冲突，因此将标记帧的时隙数增加一倍，再 次发送有2 刀个时隙的请求帧，如果仍全部发生冲突，则增加到4 刀个。此种方式可 以显著的降低发送请求帧是发生冲突的次数。 2 3 3 逻辑链路层帧结构扩充 电力负荷管理系统中的数据传输是按照电力负荷管理系统数据传输规约的规 定进行的。该规约详细规定了电力系统负荷管理系统中主站与终端之间数据传输的 帧格式、链路层传输规则、应用数据结构、应用数据编码、应用功能和报文格式。 这意味着，任何接入到电力负荷管理系统的通信设备，必须遵循上述规约。因此， 对于信道接入方式的改进必须以数据传输规约提出的帧结构为基础，改进的帧结构 应该在兼容现有规约的基础上，通过扩展规约应用层数据区域实现功能的扩展。 电力负荷管理系统数据传输规约的链路层帧格式采用g b t 1 8 6 5 7 1 的 6 2 4 f t l 2 异步式传输帧格式，定义如图2 - 6 所示【1 5 1 。在链路层的帧结构中，第一 部分是固定长度的报文头。报文头的开始和结束字符都是6 8 h 。开始和结束字符中 间是长度l ，它由两个字节组成，其中d o 、d 1 两位作为规约标示码区分规约版本， d 2 d 1 5 代表了控制域、地址域、链路用户数据的字节数总和。长度l 需要重复发 送两次，两次完全一致，否则此帧为无效帧。 报文头后面是用户数据区，包括了 控制域c 、地址域a 和链路用户数据。控制域c 为链路层控制码，表示报文传输方 向和所提供的传输服务类型的信息，由一个字节组成。地址域由5 个字节组成，包 华北电力大学硕士学位沦文 括行政区划码a 1 、终端地址a 2 、主站地址和组地址标志a 3 。链路用户数据即为传 递给应用层的用户数据。最后是校验和c s 和结束符1 6 h 。 起始字符( 6 8 h ) 长度l 长度l 起始字符( 6 8 h ) 控制域c 地址域a 链路用户数据 校验和c s 结束字符( 1 6 h ) l 固定长度 的报文头 l 控制域 地址域 链路用户数据 ( 应用层) 帧校验和 结束符 用 户 数 据 区 图2 - 6 电力负控规约数据帧结构 应用层数据帧如图2 7 所示，其中包括了应用层功能码a f n 、帧序列域s e q 、 若干个数据单元和附加信息域a u x 等。 应用层功能码a f n 帧序列域s e q 数据单元标识1 数据单元l 数据单元标识n 数据单元1 1 附加信息域a u x 图2 - 7 电力负控规约链路用户数据结构 应用层功能码a f n 由一个字节组成，是在0 4 版规约中新加入的内容，采用二 进制编码表示，现有的定义如图2 8 所示。 应用功能码 应用功能定义 a f n 0 0 h确认否认 0 1 h 复位 0 2 h 链路接口检测 0 3 h 中继站命令 0 4 h 设置参数 0 5 h控制命令 1 4 华北电力大学硕士学位论文 0 6 h 0 9 h备用 0 a h 查询参数 o b h任务数据查询 0 c h请求1 类数据( 实时数据) 0 d h请求2 类数据( 历史数据) o e h请求3 类数据( 事件数据) o f h 文件传输 1 0 h 数据转发 1 1 h | f f h 备用 图2 8 电力负控规约应用层功能码a f n 根据本系统提出的信道接入方式，轮询方式的改进对帧结构没有任何影响，但 随机访问控制协议下，需要对规约中应用功能码a f n 的进行扩展。新增加的功能码 有两个，分别为主站发送给从站的标记帧和从站向主站申请发送数据的请求帧，把 它们的功能码分别定义为7 0 h 和7 1 h 。为了提高信道随机接入的效率，标记帧仅仅 携带时隙的个数信息，而请求帧不携带任何数据单元。一个标准的标记帧的帧结构 如图2 - 9 所示。 6 8 h l l 6 8 h c a a f n = 7 0 h s e q s l o tn u m = 0 3 h a u x c s 1 6 h 图2 - 9 标记帧帧结构 先介绍了电力负荷管理系统并分析了目前应用在电力负荷管理系统中 系统及其存在的问题，重点讨论了负控通信电台系统的应用现状和不 针对目前负控通信电台系统中信道容量小、系统结构复杂的问题，提出 、多传输速率、多调制方式的主站电台为核心的组网结构，