0 引言
    2010年11月，國(guó)家發(fā)改委、工信部等六部門聯(lián)合發(fā)布了《電力需求側(cè)管理辦法》(以下簡(jiǎn)稱《辦法》)，為提高電能利用效率，促進(jìn)電力資源優(yōu)化配置，保障用電秩序，要求有關(guān)部門和各地從2011年1月1日起全面實(shí)施電力需求側(cè)管理?！掇k法》規(guī)定，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電力用戶用電信息的采集、分析，為電力用戶實(shí)施電力需求側(cè)管理提供技術(shù)支撐和信息服務(wù)。230M無(wú)線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”)是其中主要的技術(shù)支撐之一，承擔(dān)著對(duì)用電現(xiàn)場(chǎng)各種用電信息的實(shí)時(shí)采集與用電管理的任務(wù)，不僅具有全面的采集功能，而且還具備遠(yuǎn)程控制功能。系統(tǒng)通過(guò)230M無(wú)線電臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主站與用電側(cè)終端之間大量數(shù)據(jù)和命令的傳遞，系統(tǒng)的數(shù)傳效率直接影響到系統(tǒng)的性能及其功能的發(fā)揮，以及系統(tǒng)所能容納的終端數(shù)量。隨著窄帶無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)數(shù)傳速率也在不斷地提高，已從以往普遍使用的1．2kbps逐步提高到目前最高的19．2kbps，速率雖提高到原來(lái)的16倍了，但系統(tǒng)實(shí)際的巡測(cè)效率僅提高到原來(lái)的2倍左右，出現(xiàn)了所謂的“高速未高效”的情況。

1 高速未高效的原因及對(duì)策
    目前的無(wú)線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)對(duì)終端數(shù)據(jù)的巡測(cè)過(guò)程可由圖1表示，其中粗實(shí)線部分都為占用無(wú)線信道的時(shí)間，粗虛線部分為不占用的時(shí)間。一般地，系統(tǒng)主站巡測(cè)時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)召測(cè)命令報(bào)文的長(zhǎng)度為幾十個(gè)字節(jié)左右，終端應(yīng)答報(bào)文的長(zhǎng)度有長(zhǎng)有短，不超過(guò)255個(gè)字節(jié)。

    考慮到電臺(tái)的性價(jià)比，目前國(guó)內(nèi)系統(tǒng)都選用了模擬通話臺(tái)配調(diào)制解調(diào)器的方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)傳，電臺(tái)發(fā)送前的信道建立時(shí)間一般至少需要100ms；另?yè)?jù)系統(tǒng)終端實(shí)際運(yùn)行情況測(cè)得，終端處理命令組織應(yīng)答報(bào)文及發(fā)送準(zhǔn)備時(shí)間一般需要250 ms，其中包括終端電臺(tái)建立信道時(shí)間100 ms；并根據(jù)實(shí)際情況假設(shè)：召測(cè)命令報(bào)文長(zhǎng)20字節(jié)，應(yīng)答報(bào)文長(zhǎng)128字節(jié)，據(jù)此，我們可以列出采用不同數(shù)傳速率巡測(cè)時(shí)平均一臺(tái)一次召測(cè)過(guò)程所需的時(shí)間及其空中傳輸時(shí)間占比，如表1所示。

    從表1我們可以發(fā)現(xiàn)：隨著傳輸速率成倍地提高，一次數(shù)據(jù)召測(cè)的總時(shí)間T的下降幅度腳沒(méi)有折半降低，當(dāng)速率達(dá)到19．2kbps時(shí)，相對(duì)9．6kbps，T的下降幅度r只有16％，遠(yuǎn)沒(méi)到50％，也就印證出現(xiàn)了“高速未高效”的情況。
    再看，隨著傳輸速率成倍地提高，數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)臅r(shí)間占比R在不斷的下降，當(dāng)速率達(dá)到19．2kbps時(shí)，R已降到了20％以下，這說(shuō)明隨著傳輸速率成倍地提高，由提速而減少的數(shù)據(jù)空中傳輸時(shí)間在召測(cè)過(guò)程總時(shí)間中的占比在不斷地下降，正是由于占比的大幅下降，使提速的貢獻(xiàn)率也隨之大幅下降，造成了“高速未高效”，因此，要使提速的效果能真正體現(xiàn)在實(shí)際的巡測(cè)效率上，就應(yīng)該提高空中耗時(shí)的占比，也就要設(shè)法減小T1和T3。

2 信標(biāo)模式及其超幀周期
    IEEE 802．15．4b是低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)物理層和媒體訪問(wèn)控制層規(guī)范，在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中，有兩種通信模式可供選擇：信標(biāo)使能通信和信標(biāo)不使能通信。在信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器定時(shí)廣播信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備(即：節(jié)點(diǎn))都通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)幀進(jìn)行同步工作。一旦節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)幀后就按協(xié)調(diào)器規(guī)定的時(shí)間間隔發(fā)送接收數(shù)據(jù)。

    信標(biāo)模式當(dāng)中規(guī)定了一種叫“超幀(superframe)”的格式，如圖2，其中，GTS(guaranteed time slot)表示確保服務(wù)的同步時(shí)隙。在超幀周期的開(kāi)始，由協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)幀，信標(biāo)幀含有一些時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò)的信息，緊接著是競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期，在這段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)以競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道，再后面是非競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期，各節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分復(fù)用的方式接入信道，然后是非活躍時(shí)期，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)超幀周期的開(kāi)始。非競(jìng)爭(zhēng)期內(nèi)被允許收發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備是協(xié)調(diào)器根據(jù)上一個(gè)超幀期間網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備申請(qǐng)通信的情況而指定的某些設(shè)備。

3 采用信標(biāo)模式的系統(tǒng)數(shù)傳方案
    根據(jù)上述分析結(jié)果，我們知道解決問(wèn)題的主要途徑是減少系統(tǒng)數(shù)傳時(shí)在T1和T3上的時(shí)間開(kāi)銷。我們來(lái)看：第一，T1是主站發(fā)送報(bào)文信道的建立時(shí)間，這個(gè)時(shí)間的最小值是由電臺(tái)硬件電路特性決定的，不能任意改小，但當(dāng)信道建立起來(lái)后，主站能連續(xù)發(fā)送任意個(gè)報(bào)文給任何終端；第二，T3是終端處理命令組織應(yīng)答報(bào)文及發(fā)送準(zhǔn)備的時(shí)間，其中包含的發(fā)送準(zhǔn)備時(shí)間就是終端發(fā)送報(bào)文的信道建立時(shí)間，與主站的情況一樣，是由終端電臺(tái)硬件決定的，也不能任意改小，且包含在乃中的這段時(shí)間是占用系統(tǒng)信道的(即圖1中粗實(shí)線部分)，而T3的其余部分時(shí)間是不占用系統(tǒng)信道的(即圖1中粗虛線部分)，我們可以并應(yīng)該充分利用不占用信道的這部分時(shí)間，通過(guò)改變系統(tǒng)主站與終端的交互模式來(lái)提高傳輸效率，變“一發(fā)一收”為“多發(fā)多收”。具體的方案就是：采用信標(biāo)模式，主站用信標(biāo)幀組織起超幀周期，并由信標(biāo)幀分配通信同步時(shí)隙給各終端，讓它們?cè)诔瑤芷趦?nèi)有序發(fā)送數(shù)據(jù)到主站。過(guò)程時(shí)序見(jiàn)圖3所示。

    采取了多發(fā)多收的方式后，就出現(xiàn)了要同步這些終端的發(fā)送時(shí)間，否則就會(huì)相互干擾。上述信標(biāo)模式在非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)在協(xié)調(diào)器的統(tǒng)一安排下，根據(jù)信標(biāo)幀中分配的GTS，采用時(shí)分復(fù)用的方式接入信道，這種模式完全可以借鑒應(yīng)用于我們解決多發(fā)多收中的時(shí)間同步問(wèn)題。我們將系統(tǒng)主站看作是協(xié)調(diào)器，終端設(shè)備即為網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)，由主站統(tǒng)一安排，通過(guò)信標(biāo)幀分配同步各終端應(yīng)答報(bào)文的發(fā)送。
    信標(biāo)幀的結(jié)構(gòu)如圖4所示，信標(biāo)幀的MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)單元由三部分組成：超幀描述字段、GTS分配字段和信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)。其中超幀描述字段規(guī)定了該超幀的持續(xù)時(shí)間，活動(dòng)周期持續(xù)時(shí)間等信息；GTS分配字段將非競(jìng)爭(zhēng)期劃分為若干個(gè)GTS，并把每個(gè)GTS具體分配給各個(gè)終端；信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口，例如在使用安全機(jī)制時(shí)，該負(fù)載域?qū)⒏鶕?jù)系統(tǒng)設(shè)定的安全通信協(xié)議填入相應(yīng)的信息，通常情況下，該字段可以忽略。

    數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖5所示，數(shù)據(jù)幀用來(lái)傳輸上層發(fā)到MAC子層的數(shù)據(jù)，它的負(fù)載字段包含了上層所要傳送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)負(fù)載傳送至MAC子層時(shí)，被稱為MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)，它的首尾被分別附加MAC幀頭和MAC幀尾信息后，就構(gòu)成了MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)。在無(wú)線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)中，MSDU的內(nèi)容就是符合《OGDW 376．1—2009電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》、的完整報(bào)文。

    系統(tǒng)采用原來(lái)的如圖1所示的一發(fā)一收的方式對(duì)一臺(tái)終端召測(cè)一次需要的時(shí)間，從表1可知：19．2kbps速率時(shí)，為434．8ms／臺(tái)次：而采用了圖3所示的信標(biāo)模式的多發(fā)多收傳輸方案，當(dāng)速率為19．2kbps時(shí)，對(duì)7臺(tái)終端各召測(cè)一次數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，我們可以計(jì)算得到為：100+ 150+(100+73．3)×7=1463．1ms，平均為209．0ms／臺(tái)次，僅為原方案時(shí)間的48％，即：平均每臺(tái)次的召測(cè)時(shí)間減少了一半，相應(yīng)效率也就提高了一倍。

4 總結(jié)
    基于信標(biāo)模式的230M無(wú)線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)高速數(shù)傳方案成功地將低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)相關(guān)規(guī)范中的“信標(biāo)模式”及其“超幀周期”等軟件協(xié)議技術(shù)應(yīng)用于目前系統(tǒng)，在不改變硬件設(shè)備的前提下較好地解決了系統(tǒng)提速后出現(xiàn)的“高速未高效”情況，在19．2kbps的高速下，平均每臺(tái)召測(cè)時(shí)間縮短為原來(lái)的一半，效率提高了一倍；同時(shí)，由于本方案僅在軟件上進(jìn)行了技術(shù)方案的改進(jìn)，完全可以通過(guò)軟件升級(jí)，具備條件的甚至可以采用低成本的遠(yuǎn)程升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此在工程實(shí)施上具有較大的推廣優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)實(shí)意義。