智能電網(wǎng)中異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的共存問(wèn)題研究.pdf

1、智能電網(wǎng)是融合了先進(jìn)電力、通信與控制技術(shù)的智慧能源網(wǎng)絡(luò)，其主要特點(diǎn)是能在電網(wǎng)各組成部分之間同時(shí)傳輸雙向的電能和數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化全網(wǎng)的電力產(chǎn)生和使用。傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)演進(jìn)是電力工業(yè)發(fā)展的必然方向，并且隨著通信技術(shù)的發(fā)展這一演進(jìn)過(guò)程正在逐漸加快。
　　雙向?qū)崟r(shí)的數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的關(guān)鍵，因而無(wú)處不在的通信網(wǎng)絡(luò)是智能電網(wǎng)的基本組成架構(gòu)之一?？紤]到電網(wǎng)各組成部分的分布特點(diǎn)，沒(méi)有任何一種通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這種“無(wú)處不在”，所以其基本通信

2、架構(gòu)一定是異構(gòu)的分層通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不同的層次對(duì)應(yīng)不同的通信技術(shù)。特別是在節(jié)點(diǎn)分布相對(duì)復(fù)雜的鄰域和家域，低成本的異構(gòu)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是必然的選擇。為此，IEEE專門(mén)制定了面向智能電網(wǎng)鄰域數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)SUN(Smart Utility Network)，但SUN工作在免許可頻段，其工作信道與鄰域和家域的許多其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作信道是相互交疊的，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間因爭(zhēng)用信道而引起的共存問(wèn)題顯得尤為突出。因此，如何更精確地評(píng)估異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的共

3、存性能以及建立更有效的共存機(jī)制是智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要解決的問(wèn)題，本文以此為出發(fā)點(diǎn)，選擇WLAN作為SUN的典型共存系統(tǒng)，對(duì)二者的共存問(wèn)題進(jìn)行研究。
　　本文首先通過(guò)理論分析模型確定共存系統(tǒng)的信道中心頻率間隔和節(jié)點(diǎn)距離是影響共存性能的關(guān)鍵因素，為后續(xù)共存機(jī)制的提出奠定理論基礎(chǔ)。選擇誤碼率(BER)和誤包率(PER)作為多系統(tǒng)共存性能的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)，先建立用于共存干擾分析的BER計(jì)算模型，由路徑衰減模型反映節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離關(guān)

4、系，功率因子反映干擾信號(hào)和期望信號(hào)中心頻率及功率譜密度相對(duì)關(guān)系，證明增大共存系統(tǒng)的中心頻率間隔可以有效減少彼此之間的相互干擾；然后基于傳統(tǒng)的PER計(jì)算模型歸納出不同共存場(chǎng)景中SUN與WLAN/ZigBee的安全距離。
　　考慮到傳統(tǒng)PER計(jì)算模型不能反映共存系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的傳輸特性，得到的PER值并不精確，本文引入數(shù)據(jù)包碰撞思想計(jì)算PER理論值。先根據(jù)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)亩〞r(shí)關(guān)系，建立SUN與WLAN的基本包碰撞模型，由于將期望數(shù)據(jù)包分

5、為碰撞和非碰撞兩部分，更符合實(shí)際數(shù)據(jù)包傳輸中的相互干擾情形，因而其PER計(jì)算的精確性優(yōu)于傳統(tǒng)方法；然后，證明基本包碰撞模型不適用于多干擾源情形，并由此提出一種基于干擾數(shù)量的期望數(shù)據(jù)包分段方法，不同的分段對(duì)應(yīng)不同的BER值，從概率論角度推導(dǎo)出各分段的平均長(zhǎng)度；接著，基于該分段理論，建立多干擾源包碰撞模型，通過(guò)分段處理得到期望數(shù)據(jù)包各段的BER性能，進(jìn)而獲得整個(gè)數(shù)據(jù)包更精確的PER理論值，仿真證明了其在多干擾源條件下的優(yōu)越性。
　　考

6、慮到實(shí)際共存場(chǎng)景中的干擾節(jié)點(diǎn)分布的隨機(jī)性，本文給出一種干擾節(jié)點(diǎn)在二維平面服從泊松點(diǎn)分布時(shí)期望節(jié)點(diǎn)理論P(yáng)ER值的計(jì)算方法，通過(guò)推導(dǎo)期望節(jié)點(diǎn)處干擾總功率的統(tǒng)計(jì)平均值，得到期望節(jié)點(diǎn)PER值的理論上界，并給出這種場(chǎng)景中包碰撞模型的應(yīng)用方法。
　　針對(duì)共存機(jī)制，本文先對(duì)按需干擾避免方案進(jìn)行研究。首先，結(jié)合SUN與WLAN的信道配置特點(diǎn)，為單網(wǎng)關(guān)SUN建立一種按需信道選擇機(jī)制，使得SUN可以周期性檢測(cè)信道中的WLAN干擾，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定信

7、道的切換與否，檢測(cè)到干擾則進(jìn)行信道切換，仿真結(jié)果顯示采用該機(jī)制可以保證SUN在共存環(huán)境中的工作性能，但由于PER檢測(cè)周期的存在該機(jī)制并不能對(duì)信道中的WLAN干擾做出及時(shí)的反應(yīng)；考慮到這一不足，本文提出一種改進(jìn)方案，通過(guò)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行LQI檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)信道中WLAN干擾的及時(shí)反應(yīng)，仿真結(jié)果證明了其有效性；最后，本文針對(duì)多網(wǎng)關(guān)SUN提出一種按需信道選擇方案，該方案為不同的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分配不同的工作信道并充分利用節(jié)點(diǎn)的路由信息，使得子節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)

8、切換根網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)工作信道的切換，但該機(jī)制的具體性能如何還有待于更深入的研究。
　　按需信道選擇機(jī)制是被動(dòng)共存機(jī)制，并不能從本質(zhì)上避免SUN與WLAN之間的相互干擾。針對(duì)這一問(wèn)題，本文從認(rèn)知無(wú)線電角度提出一種基于動(dòng)態(tài)頻譜共享的共存方案，在鄰域和家域網(wǎng)絡(luò)中增加網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)的頻譜數(shù)據(jù)交互，由具有頻譜管理功能的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)按需為SUN與WLAN業(yè)務(wù)分配信道，因此這是一種主動(dòng)共存機(jī)制，可以從根本上避免SUN與WLAN同一時(shí)刻對(duì)同一信道的競(jìng)爭(zhēng)。另外，