基于自適應(yīng)跳頻的電力應(yīng)急通信原型系統(tǒng)

張穎杰，李江波，詹詠琳

（廣東技術(shù)師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣州510665）

面對電力應(yīng)急通信的應(yīng)用需求，通過研究基于自適應(yīng)跳頻的電力應(yīng)急通信機(jī)制，針對適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的通信條件所必須的特定要求，實(shí)現(xiàn)距離遠(yuǎn)、抗干擾、易部署的電力應(yīng)急通信原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：作為核心算法的JS自適應(yīng)跳頻算法，作為硬件平臺的LoRa數(shù)字電臺，以及作為用戶操作平臺的串口上位機(jī)軟件。通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠提高電力應(yīng)急通信過程中的網(wǎng)絡(luò)組建效率、通信成功概率，對提升電力應(yīng)急現(xiàn)場的通信效率具有一定的實(shí)用價(jià)值。

數(shù)字電臺；應(yīng)急通信；自適應(yīng)跳頻

0 引言

（1）項(xiàng)目背景

2020年4月26日，中國工程院發(fā)布“中國電子信息工程科技發(fā)展十六大技術(shù)挑戰(zhàn)（2020）”，分析了我國在該方面十六個(gè)領(lǐng)域所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中的第十五點(diǎn)指出，建立重大突發(fā)事件應(yīng)急平臺是應(yīng)對重大突發(fā)事件、提升國家治理能力的重要挑戰(zhàn)[1]。

國家能源局在《電力行業(yè)應(yīng)急能力建設(shè)行動計(jì)劃（2018-2020年）》中明確了當(dāng)前電力應(yīng)急能力建設(shè)的目標(biāo)和任務(wù)。該行動計(jì)劃從制度保障能力建設(shè)、應(yīng)急準(zhǔn)備能力建設(shè)、預(yù)防預(yù)警能力建設(shè)、救援處置能力建設(shè)、恢復(fù)重建能力建設(shè)、促進(jìn)電力應(yīng)急產(chǎn)業(yè)發(fā)展共六方面設(shè)定了主要建設(shè)任務(wù)?？煽康膽?yīng)急通信系統(tǒng)是確保實(shí)現(xiàn)這些建設(shè)任務(wù)的重要基礎(chǔ)[2]。

（2）研究意義

電力應(yīng)急通信系統(tǒng)為應(yīng)急現(xiàn)場管理提供了在線信息平臺，在事故治理中發(fā)揮出基礎(chǔ)而關(guān)鍵的作用。為在現(xiàn)場惡劣環(huán)境中保持可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，至少需要滿足以下幾點(diǎn)：

①距離遠(yuǎn)，以跨越可能涉及甚廣的事故范圍。

②抗干擾，以適應(yīng)事故現(xiàn)場復(fù)雜苛刻的通信狀況。

③易部署，以在原有設(shè)施無法使用時(shí)快速組網(wǎng)建立通信鏈路。

目前電力應(yīng)急通信方式主要采用衛(wèi)星通信和公網(wǎng)蜂窩移動通信，但各自都有其局限性。衛(wèi)星通信欠缺廣域的通信接入能力，信號易受各種因素的干擾，數(shù)據(jù)采集能力較弱。公網(wǎng)蜂窩移動通信的覆蓋范圍有限，且基站很可能已在突發(fā)事件中遭受到破壞。因此，有必要研究采用新型的應(yīng)急通信技術(shù)以克服傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)。

LoRa技術(shù)（Long Range Radio）最大的特點(diǎn)就是在同樣的功耗下，能得到相比傳統(tǒng)無線方式更遠(yuǎn)的通信距離，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。在城鎮(zhèn)條件下傳輸距離可達(dá)2-5km，郊區(qū)可達(dá)15km。

跳頻技術(shù)（Frequency-Hopping Spread Spectrum），即傳輸數(shù)據(jù)使用的載波依照某種規(guī)則，隨著時(shí)間幀的改變在一組預(yù)設(shè)好的頻點(diǎn)中跳變。跳頻可以起到頻率分集和干擾分集的作用，有效地改善無線鏈路的傳輸質(zhì)量并降低干擾。結(jié)合自適應(yīng)算法，自動調(diào)整跳頻序列，可大幅提升節(jié)點(diǎn)雙方同時(shí)在同一信道上通信，即會合的頻率。開展基于LoRa技術(shù)和跳頻技術(shù)的電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的研究，能為現(xiàn)場工作人員提供一種高效可靠的通信方式，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣顒拥幕謴?fù)，為保障我國電力供給、穩(wěn)定社會發(fā)展發(fā)揮支撐作用。

（3）本文貢獻(xiàn)

①實(shí)現(xiàn)基于自適應(yīng)跳頻的電力應(yīng)急通信上位機(jī)?，F(xiàn)有研究大多缺乏在真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，無法直接適應(yīng)應(yīng)急通信需求。本系統(tǒng)通過在無線通信設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，更好地結(jié)合理論和實(shí)踐。

②實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跳頻算法與LoRa技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中以自適應(yīng)跳頻算法為核心，結(jié)合使用LoRa無線電臺硬件平臺，在更低的功耗下獲得更遠(yuǎn)的通信距離，提高了現(xiàn)場適應(yīng)性。

③通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際使用過程中和仿真實(shí)驗(yàn)中證明，JS算法[3]保證了可用信道集上的所有信道均有會合成功的機(jī)會，大大提高了會合幾率。

圖1 技術(shù)-需求架構(gòu)示意圖

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 代表性的技術(shù)和系統(tǒng)

20世紀(jì)七十年代，美國首次建設(shè)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)[4]。美國聯(lián)邦通信委員會FCC從1998年開始為國家安全和應(yīng)急準(zhǔn)備人員提供優(yōu)先服務(wù)和業(yè)務(wù)恢復(fù)[5]?！?11事件”之后，更是使用了大量新技術(shù)來提高應(yīng)急通信保障能力[1]。在美國面對2005年的卡特里娜颶風(fēng)時(shí)，這些建設(shè)成果就為政府救災(zāi)和災(zāi)后恢復(fù)工作提供了巨大幫助[5]。

我國的應(yīng)急通信技術(shù)起步較晚，與發(fā)達(dá)國家差距較大。同時(shí)，我國的應(yīng)急通信領(lǐng)域也在快速發(fā)展中，應(yīng)急體系已經(jīng)形成。目前我國針對應(yīng)急通信的主要研究方向在公眾電信支撐的應(yīng)急通信[4]。

1.2 自適應(yīng)跳頻技術(shù)

跳頻通信技術(shù)由于其抗干擾能力優(yōu)秀，國外從70年代中期就開始應(yīng)用到軍隊(duì)上。將跳頻技術(shù)與自適應(yīng)時(shí)變技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)跳頻技術(shù)是跳頻通信的一個(gè)發(fā)展方向，法國的PR4G戰(zhàn)斗網(wǎng)跳頻電臺就有自適應(yīng)跳頻的功能[6]。

國外有許多關(guān)于自適應(yīng)跳頻算法的研究成果。文獻(xiàn)[7]是一種在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中集合具有多個(gè)收發(fā)器的非許可用戶的方法。文獻(xiàn)[8]是一種用于在具有兩個(gè)或更多個(gè)接入信道的多址網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)會合的方法，在每一輪信道序列生成中包括至少一個(gè)跳轉(zhuǎn)模式和至少一個(gè)停留模式。

當(dāng)前會合算法仍有很大改進(jìn)空間，許多問題需要研究解決，這也使得本系統(tǒng)的創(chuàng)作更具有研究性[9]。

在國內(nèi)的自適應(yīng)跳頻算法研究中，文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]都是一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的信道交匯方法，文獻(xiàn)[10]中使用同一CH算法生成所有用戶的信道序列，文獻(xiàn)[11]則區(qū)分了發(fā)送方和接收方。文獻(xiàn)[12]是一種認(rèn)知移動自組織網(wǎng)絡(luò)控制信道選擇方法，采用特定的映射準(zhǔn)則構(gòu)造跳頻序列集合，進(jìn)而生成跳頻圖樣。這些研究在提高跳頻公平性，減少交會時(shí)間，提高通信效率等方面做出了很大的貢獻(xiàn)。

1.3 LoRa技術(shù)

大約2009年，LoRa技術(shù)在法國和瑞士得到開發(fā)，而其芯片的晶圓生產(chǎn)、封裝和測試等工作主要在亞洲實(shí)現(xiàn)。目前，中國已成為了一個(gè)基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新中心，取得了很多成就，產(chǎn)業(yè)鏈的玩家也愈發(fā)豐富。

文獻(xiàn)[13]主要是實(shí)現(xiàn)異頻無線電臺間的互聯(lián)互通，提高無線網(wǎng)的靈活性和抗毀性，實(shí)現(xiàn)超短波信號的遠(yuǎn)距離傳輸。文獻(xiàn)[14]是一種基于LoRa的定位及通信系統(tǒng)，充分利用了LoRa技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力較強(qiáng)。但其沒有考慮緊急情況下的通信限制因素，不適于應(yīng)急通信。

1.4 發(fā)展趨勢

近幾年的緊急突發(fā)事件使應(yīng)急通信需求日益增加（例如新冠疫情），對于數(shù)據(jù)傳遞方法的發(fā)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。認(rèn)知無線電（Cognitive Radio Networks，CRN）設(shè)備具有優(yōu)秀的信道跳轉(zhuǎn)性能，而信道跳轉(zhuǎn)方式對于CRN中信道動態(tài)變化等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有良好的適應(yīng)性[9]。一方面跳頻通信可有效地改善無線鏈路的傳輸質(zhì)量并降低干擾；同時(shí)LoRa技術(shù)允許其以低成本和低功耗進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。因其在應(yīng)用環(huán)境特殊的電力應(yīng)急通信中具有良好的實(shí)用性與適應(yīng)性，LoRa技術(shù)與自適應(yīng)跳頻技術(shù)在電力應(yīng)急通信中的結(jié)合應(yīng)用顯得越發(fā)突出。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于自適應(yīng)跳頻的電力應(yīng)急通信原型系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)由物理層、傳輸層和應(yīng)用層組成，其架構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）物理層，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

（2）傳輸層，完成上下層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）應(yīng)用層，完成通信模式與交互功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2 硬件平臺

本系統(tǒng)要求其應(yīng)用的硬件平臺支持信道快速跳變，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跳頻算法。該項(xiàng)目的開發(fā)硬件平臺主要采用JZX877無線電臺，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于串口通信的上位機(jī)后將其應(yīng)用于E90-DTU（400SL30）電臺，進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)、測試和實(shí)驗(yàn)。

圖3 相關(guān)硬件設(shè)備

（1）JZX877

JZX877無線數(shù)傳模塊，采用ISM頻段工作頻率，可用信道數(shù)16；發(fā)射功率為500mW（27dB），高接收靈敏度-123dbm，體積為63mm×43mm×15mm（不含天線座）。

（2）E90-DTU（400SL30）

E90-DTU（400SL30）是采用軍工級LoRa調(diào)制技術(shù)的無線數(shù)傳電臺；工作在410.125～493.125MHz頻段（默認(rèn)433.125MHz）；超低功耗，守候電流僅為15mA。LoRa直序擴(kuò)頻技術(shù)將帶來更遠(yuǎn)的通訊距離，且具有功率密度集中，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢。支持LBT功能，電臺自動根據(jù)當(dāng)前環(huán)境噪音強(qiáng)度等待發(fā)送，極大地提高模塊在惡劣環(huán)境下的通信成功率。

2.3 軟件平臺

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)通過串口通信在物理層的數(shù)字電臺與應(yīng)用層的上位機(jī)之間傳遞數(shù)據(jù)，用戶可在上位機(jī)中完成操作，并由其自動完成跳頻過程。軟件設(shè)計(jì)模塊為：設(shè)置收發(fā)設(shè)備參數(shù)模塊、統(tǒng)計(jì)收發(fā)數(shù)據(jù)信息模塊通信數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)模塊，及其子模塊，如圖4所示。

圖4 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

2.4 功能模塊

如圖5圖6所示，上位機(jī)可由紅框所示區(qū)域分割為若干個(gè)功能模塊，包括：

（1）參數(shù)設(shè)置模塊。用戶在此選擇工作串口，設(shè)置工作信道、波特率、校驗(yàn)位。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊。用戶在此發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

（3）收發(fā)統(tǒng)計(jì)模塊。完成對設(shè)備接收、發(fā)送、回復(fù)、確認(rèn)數(shù)據(jù)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算其確認(rèn)率與回復(fù)率。

（4）跳頻控制模塊。該模塊負(fù)責(zé)控制跳頻模式和統(tǒng)計(jì)交匯時(shí)間，及記錄跳頻過程中經(jīng)歷的信道序列。

（5）信息可視化模塊。該系統(tǒng)上位機(jī)軟件將一些常用的信息可視化展示，以方便操作人員的觀察。

圖5 軟件界面

圖6 軟件功能子模塊劃分

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 核心算法

跳頻通信主要有共同信道跳頻和多交匯多信道跳頻兩大工作模式。其中，多交匯多信道跳頻的每個(gè)節(jié)點(diǎn)基于交匯算法生成自己的跳頻序列，多對無線設(shè)備可以同時(shí)在多個(gè)信道上實(shí)現(xiàn)通信。這使其通常帶有隨機(jī)性，不易跟蹤和偵聽干擾，頻譜利用率高且抗干擾能力強(qiáng)。

本系統(tǒng)的核心算法JumpStay（簡稱JS），其基本思想為每輪生成一段跳頻序列，由不斷進(jìn)行信道跳轉(zhuǎn)的“跳模式”（jump-pattern）和停留在特定信道的“停模式”（stay-pattern）組成。將二者有機(jī)結(jié)合，以保證節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)交會通信[3]。

對于本項(xiàng)目的自適應(yīng)跳頻算法JS，有幾個(gè)重要的初始參數(shù)：

（1）可用信道數(shù)M

（2）活動用戶數(shù)K

（3）模型類型Model

要在一輪中生成兩個(gè)模式，需要預(yù)先確定三個(gè)參數(shù)：

（1）大于M的最小素?cái)?shù)P

（2）[1，M]中的步長r（3）[1，P]中的索引i

在每一輪中，Jump模式持續(xù)2P時(shí)隙，隨后的Stay模式持續(xù)P時(shí)隙（即每一輪總共需要3P時(shí)隙）。在Jump模式中，用戶從索引i開始，通過對P的模運(yùn)算，以步長r在[1，P]中持續(xù)跳轉(zhuǎn)；在隨后的Stay模式中，用戶只停留在r信道上。

該算法解決會合問題的關(guān)鍵思路是，如果兩個(gè)用戶的步長不同，那么根據(jù)中國剩余定理，它們一定可以在跳變中的某個(gè)信道節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)會合；如果步長相同，那么可以在Stay模式中實(shí)現(xiàn)會合。

JS算法保證了可用信道集上的所有信道均有會合成功的機(jī)會，與現(xiàn)有的跳頻算法相比，該算法在各種場景下都具有最好的性能，適用于多用戶和多跳場景的融合[3]。

圖7 JS算法生成跳頻序列示意圖

3.2 關(guān)鍵函數(shù)

按照本系統(tǒng)的核心算法設(shè)計(jì)的接口函數(shù)，將在用戶確定可用信道后自動預(yù)設(shè)好需要的全局參數(shù)，在每次信道跳變之前計(jì)算出下一個(gè)目標(biāo)信道。在此思路下，將JS算法拆分為兩個(gè)部分，分別對應(yīng)序列生成的兩個(gè)階段：

（1）跳頻啟動函數(shù)

由于在用戶確定可用信道序列之后，每一個(gè)回合內(nèi)的素?cái)?shù)P、步長r、索引i這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)并不需要用戶手動改變，因此在此基礎(chǔ)上完善功能，將其封裝為跳頻啟動函數(shù)JumpStay（）。

（2）序列生成函數(shù)

決定跳頻模式的關(guān)鍵參數(shù)是當(dāng)前時(shí)隙，其存放在時(shí)隙計(jì)數(shù)器中。通過時(shí)隙判斷出當(dāng)前模式后，JSHop?ping（）便按照既定的算法生成序列。這一過程會在每一次信道跳變之前進(jìn)行。

圖8 JumpStay（左）與JSHopping（右）的流程圖

3.3 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件上位機(jī)采用的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)基于技卓芯無線模塊的通信協(xié)議格式，包括：

（1）幀頭。內(nèi)容為5A 5A 00 00 5A。

（2）方向碼。內(nèi)容為80表示下發(fā)，00表示上傳。

（3）功能碼。1字節(jié)長，內(nèi)容為該指令的功能。

（4）數(shù)據(jù)長度。1字節(jié)長，內(nèi)容為數(shù)據(jù)域的字節(jié)長度。

（5）數(shù)據(jù)域。長度可變，內(nèi)容為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

（6）校驗(yàn)。1字節(jié)長，內(nèi)容為整條協(xié)議的字節(jié)和。

（7）結(jié)束符。內(nèi)容為0D 0A。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試環(huán)境

假設(shè)一個(gè)只有兩名用戶的簡單網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可用信道共有16個(gè)，記為C={1，2，3，…，15，16}。將此信道集分為兩個(gè)子信道集C1={1，2，3，4，5，6，7，8}，C2={9，10，11，12，13，14，15，16}，將其分配給兩名用戶。調(diào)整一名用戶的信道集，使其與另一名用戶的信道集部分重合，以實(shí)現(xiàn)兩名認(rèn)知用戶間不同的信道交集數(shù)。以信道交集數(shù)為自變量，采用蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)測試，在每個(gè)不對稱信道集上分別進(jìn)行100次測試。

4.2 結(jié)果分析

在上述條件下，兩名認(rèn)知用戶各自開始跳頻，一方周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行回復(fù)。設(shè)置實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)期望交匯時(shí)間ETTR和最大交匯時(shí)間MTTR（100次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)的平均值）。TTR是從用戶雙方都開始跳頻時(shí)計(jì)算，到雙方下一次交匯所用的時(shí)隙數(shù)。在整個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，ETTR是TTR的均值，MTTR是TTR的最大值。硬件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出，當(dāng)信道交集數(shù)大于4時(shí)，ETTR基本處于一個(gè)較低的水平；MTTR雖然還有波動，但下降趨勢較為明顯。

圖9 不同信道交集數(shù)下的ETTR和MTTR

5 結(jié)語

現(xiàn)有的應(yīng)急通信系統(tǒng)一方面很少將自適應(yīng)跳頻技術(shù)與LoRa技術(shù)相結(jié)合，另一方面往往缺乏真實(shí)環(huán)境下的實(shí)踐檢驗(yàn)。為更好地結(jié)合與發(fā)揮自適應(yīng)跳頻技術(shù)與LoRa技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，將其用于我國亟待發(fā)展的應(yīng)急通信體系，我們實(shí)現(xiàn)了一種距離遠(yuǎn)、抗干擾、易部署的電力應(yīng)急通信系統(tǒng)。通過硬件實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中通信用戶之間重合的可用信道較少時(shí)仍能保持較低的期望交匯時(shí)間，具有較高的網(wǎng)絡(luò)組建效率和通信成功概率。