0 引言
    2010年11月，國家發(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)對電力用戶用電信息的采集、分析，為電力用戶實施電力需求側(cè)管理提供技術(shù)支撐和信息服務(wù)。230M無線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)(以下簡稱“系統(tǒng)”)是其中主要的技術(shù)支撐之一，承擔(dān)著對用電現(xiàn)場各種用電信息的實時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230M無線電臺實現(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，速率雖提高到原來的16倍了，但系統(tǒng)實際的巡測效率僅提高到原來的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策
    目前的無線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)對終端數(shù)據(jù)的巡測過程可由圖1表示，其中粗實線部分都為占用無線信道的時間，粗虛線部分為不占用的時間。一般地，系統(tǒng)主站巡測時發(fā)送的數(shù)據(jù)召測命令報文的長度為幾十個字節(jié)左右，終端應(yīng)答報文的長度有長有短，不超過255個字節(jié)。

    考慮到電臺的性價比，目前國內(nèi)系統(tǒng)都選用了模擬通話臺配調(diào)制解調(diào)器的方案實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)傳，電臺發(fā)送前的信道建立時間一般至少需要100ms；另據(jù)系統(tǒng)終端實際運行情況測得，終端處理命令組織應(yīng)答報文及發(fā)送準(zhǔn)備時間一般需要250 ms，其中包括終端電臺建立信道時間100 ms；并根據(jù)實際情況假設(shè)：召測命令報文長20字節(jié)，應(yīng)答報文長128字節(jié)，據(jù)此，我們可以列出采用不同數(shù)傳速率巡測時平均一臺一次召測過程所需的時間及其空中傳輸時間占比，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)召測的總時間T的下降幅度腳沒有折半降低，當(dāng)速率達(dá)到19．2kbps時，相對9．6kbps，T的下降幅度r只有16％，遠(yuǎn)沒到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間占比R在不斷的下降，當(dāng)速率達(dá)到19．2kbps時，R已降到了20％以下，這說明隨著傳輸速率成倍地提高，由提速而減少的數(shù)據(jù)空中傳輸時間在召測過程總時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)在實際的巡測效率上，就應(yīng)該提高空中耗時的占比，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是低速無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)物理層和媒體訪問控制層規(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)器定時廣播信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備(即：節(jié)點)都通過協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)幀進(jìn)行同步工作。一旦節(jié)點收到信標(biāo)幀后就按協(xié)調(diào)器規(guī)定的時間間隔發(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)的同步時隙。在超幀周期的開始，由協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)幀，信標(biāo)幀含有一些時序以及網(wǎng)絡(luò)的信息，緊接著是競爭接入時期，在這段時間內(nèi)各節(jié)點以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時期，各節(jié)點采用時分復(fù)用的方式接入信道，然后是非活躍時期，節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個超幀周期的開始。非競爭期內(nèi)被允許收發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備是協(xié)調(diào)器根據(jù)上一個超幀期間網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備申請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，我們知道解決問題的主要途徑是減少系統(tǒng)數(shù)傳時在T1和T3上的時間開銷。我們來看：第一，T1是主站發(fā)送報文信道的建立時間，這個時間的最小值是由電臺硬件電路特性決定的，不能任意改小，但當(dāng)信道建立起來后，主站能連續(xù)發(fā)送任意個報文給任何終端；第二，T3是終端處理命令組織應(yīng)答報文及發(fā)送準(zhǔn)備的時間，其中包含的發(fā)送準(zhǔn)備時間就是終端發(fā)送報文的信道建立時間，與主站的情況一樣，是由終端電臺硬件決定的，也不能任意改小，且包含在乃中的這段時間是占用系統(tǒng)信道的(即圖1中粗實線部分)，而T3的其余部分時間是不占用系統(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間，通過改變系統(tǒng)主站與終端的交互模式來提高傳輸效率，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)幀分配通信同步時隙給各終端，讓它們在超幀周期內(nèi)有序發(fā)送數(shù)據(jù)到主站。過程時序見圖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)送時間，否則就會相互干擾。上述信標(biāo)模式在非競爭訪問期內(nèi)，各節(jié)點在協(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)多收中的時間同步問題。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，由主站統(tǒng)一安排，通過信標(biāo)幀分配同步各終端應(yīng)答報文的發(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)時間，活動周期持續(xù)時間等信息；GTS分配字段將非競爭期劃分為若干個GTS，并把每個GTS具體分配給各個終端；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，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，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》、的完整報文。

    系統(tǒng)采用原來的如圖1所示的一發(fā)一收的方式對一臺終端召測一次需要的時間，從表1可知：19．2kbps速率時，為434．8ms／臺次：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，對7臺終端各召測一次數(shù)據(jù)所需的時間，我們可以計算得到為：100+ 150+(100+73．3)×7=1463．1ms，平均為209．0ms／臺次，僅為原方案時間的48％，即：平均每臺次的召測時間減少了一半，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線個域網(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，平均每臺召測時間縮短為原來的一半，效率提高了一倍；同時，由于本方案僅在軟件上進(jìn)行了技術(shù)方案的改進(jìn)，完全可以通過軟件升級，具備條件的甚至可以采用低成本的遠(yuǎn)程升級來實現(xiàn)，因此在工程實施上具有較大的推廣優(yōu)勢和現(xiàn)實意義。