微功率无线通信

微功率无线通信（精选十篇）

微功率无线通信 篇1

1 微功率无线集中抄表系统总体的设计

1.1 系统设计的要求

为了实现科学技术的应用和发展, 使微功率无线集中抄表系统可以更好的运作, 要求设计要满足适用性和成本控制的要求。适应性要求系统能够高效处理数据采集问题, 并能够结合不同地区的电路修设情况, 对系统进行及时的维护, 发现系统存在的故障和问题, 成本控制要求技术人员在布置系统结构时, 要结合建设的资金, 实现利用最小、功能最大的目标。同时也要满足功能和性能的要求, 可以实现远程自动抄录、监控、人工上门采集等功能, 性能方面必须具备可靠性, 可以实现长时间使用的目标, 并且具备高精度的计量。

1.2 系统的结构设计

微功率无线集中抄表系统是由无线电话网、管理中心服务器、中继站、短距离无线抄表采集器等组成, 各个设备之间通过网络的架构连接在一起, 共同对数据电表的运行情况进行管理和监督。微功率无线集中抄表系统的总体方案设计, 会根据实际的采集对象, 划分出系统的网络层次, 不同的网络层次会根据具体的任务, 对系统各部分的功能进行运用, 从而使系统达到各项功能指标, 便于各个子系统的设计。

2 短距离无线抄表采集器的设计

2.1 脉冲表采集器

脉冲表采集器是计量的终端设备, 也是电表反映用电情况的设备, 所以脉冲采集器的开发和设计直接会影响到无线数据采集的结果。通过多路脉冲表连接的方式可以实现多块屯表同时测量, 在很大程度上提高了工作人员的效率, 同时也会按照预设的时间冻结特定的数据, 使技术人员可以随时掌握到系统的运行情况。脉冲表采集器通过无线或本地接连接与实现脉冲式电表形成统一的数据上传模式, 以及对电表进行断电控制。脉冲表采集器的功能可以实现基本参数、电表参数的采集, 所以技术人员要严格按照系统设计的过程, 控制各个模块的功能实现。

2.2 脉冲发生器

经过对脉冲表采集器实验结果的分析, 技术人员加大了脉冲信号的开发力度, 并实现了发生器的功能, 具体的功能包括:硬件中断定时方式会产生脉冲信号、脉冲发生多种模式、脉冲的信号宽度可以选择。这些功能的体现, 在很大程度上丰富了脉冲信号的功能, 使其可以利用同步异步两种发生模式, 对系统的运行情况进行控制。同时在脉冲发生器中, 需要对参数进行初始化, 这样才能更好的控制信号发生模式, 使其可以顺应系统的需求。

2.3 多功能RS-485采集器

多功能RS-485采集器是针对485电表运行的, 可以具有针对性的对数据进行采集和处理, 同时也具有高效的数据分析能力, 可以及时的判断出系统存在的故障。485电表的形式与多功能RS-485采集器内部结构相识, 但是对系统控制的程序进行了完善, 使其可以完成更加复杂的采集工作。

3 集中器的设计与实现

3.1 集中器硬件架构

集中器硬件架构是整个远程控制系统工作的基础, 也是无线设备应用的技术支持, 集中器的硬件架构可以使管理中心和采集器形成连接的状态, 也可以直接对采集器进行访问。集中器与管理中心的远程控制, 可以提高系统的功率, 使其在无线通讯的过程中, 就可以明确掌握到系统的性能和功能实现的情况。

3.2 集中器软件功能设计

集中器软件功能设计会根据硬件的组成结构去划分, 利用C语言开发出嵌入式的程序, C语言在编写的过程中, 可以利用自身的便利性和实用性, 简化编程的步骤, 同时技术人员也可以快捷的运用。在数据冻结和集中器分配地址的过程中, 可以利用系统的性能对自动抄表进行控制。

3.3 集中器程序设计

利用C语言对集中器的程序进行设计, 主要包括主程序和功能控制程序, 在单片机接通电源之后, 主函数会首先调用第一条指令, 通过系统的检测, 对微功率无线集中抄表执行情况进行分析。系统初始化函数的设计和运行会直接影响到系统的工作状况, 所以为了提高数据的准确性, 使其可以可以更好的反映出微功率电表的使用情况, 要根据计算机语言的编程程序内容, 去控制无线连接的模式, 最大程度的保障系统的连通。

4 结语

随着我国科学技术的不断发展, 科研人员逐渐加大了对技术研发和利用的力度, 微功率无线集中抄表系统的出现, 在很大程度上带动了我国电力管理部门的进步。无线通讯设备和集中处理器的运用, 简化了抄表人员的工作任务, 也提高了数据的准确性, 可以使技术人员及时掌握到系统的运行状况, 对系统进行优化和改善。基于微功率无线集中抄表系统这种高效的工作效率, 科研人员应该在此基础上, 对技术进行进一步的研发, 在实践中找到更好利用技术的方式。

摘要：微功率无线集中抄表系统是现代科学技术研发的产物, 在实际应用的过程中, 实现了对水电气热的统一管理, 同时也提高了系统的工作效率, 使其可以更好的为人民服务。微功率无线集中抄表系统利用ISM单片射频微功率无线通讯技术, 实现了远程控制和管理的目标, 也节约了大量的人力, 可以利用现代化的科学技术, 高效的控制自动抄表系统。但是结合我国实际的生活水平, 微功率无线集中抄表的使用也存在一定的问题, 所以科研人员依然应该加大研发的力度, 使其可以更加全面的应用在社会生活管理中。

关键词：微功率,无线集中抄表系统,开发,设计

参考文献

[1]张绮曼, 郑曙, 李默燕等.基于嵌入式网络技术的电能量遥测系统.仪器仪表学报[J].电子工业出版社, 2010, 12 (14) :120-123.

[2]孙启东, 李永恒, 胡申健等.远程抄表系统中集中器的设计[J].微计算机信息, 2011, 19 (48) :128-129.

[3]王克然, 贾晓辉, 袁叶飞等.电能计量自动抄表技术的现状与发展[J].大连理工大学, 2013, 32 (12) :102-103.

[4]窦晓晨, 李天风, 马小雨等.向动化远程抄表系统的研究勻幵发[J].科技与企业, 2011, 65 (45) :520-523.

微功率无线通信 篇2

以下资料来源于2010年10月18 日中华人民共和国工业和信息化部令第16号《中华人民共和国无线电频率划分规定》，属于行政规章，是我国关于无线电频率使用的行政管理的规范性法律文件。

一、相关无线电管理的术语与定义：

1.3.39业余业务 amateur service

供业余无线电爱好者进行自我训练、相互通信和技术研究的无线电通信业务。业余无线 电爱好者系指经正式批准的、对无线电技术有兴趣的人，其兴趣纯系个人爱好而不涉及谋取 利润。

1.3.40卫星业余业务 amateur-satellite service

利用地球卫星上的空间电台开展与业余业务相同目的的无线电通信业务。

1.4.38业余电台 amateur station

用于业余业务的电台。

1.6.23（无线电发信机）峰包功率 peak envelope power（of a radio transmitter）

在正常工作情况下，发信机在调制包络最高峰的一个射频周期内，供给天线馈线的平均 功率。

1.6.24（无线电发信机）平均功率 mean power（of a radio transmitter）

在正常工作情况下，发信机在调制中以与所遇到的最低频率周期相比的足够长的时间间 隔内，供给天线馈线的平均功率。

1.9 无线电频带和波段的命名

带号； 频带名称；频率范围； 波段名称；波长范围

-1至低频（TLF）； 0.03－0.3 Hz ；至长波或千兆米波；10 000－1 000 兆米（Mm）0至低频（TLF）； 0.3－3 Hz ；至长波或百兆米波；1 000－100 兆米（Mm）1极低频（ELF）； 3－30 Hz；极长波；100－10 兆米（Mm）

2超低频（SLF）； 30－300 Hz ；超长波；10－1 兆米（Mm）

3特低频（ULF）； 300－3 000 Hz；特长波；1 000－100 千米（km）

4甚低频（VLF）； 3－30 kHz ；甚长波；100－10 千米（km）

5低频（LF）；30－300 kHz；长波；10－1 千米（km）

6中频（MF）；300－3 000 kHz；中波；1 000－100 米（m）

7高频（HF）；3－30 MHz ；短波；100－10 米（m）

8甚高频（VHF）； 30－300 MHz；米波；10－1 米（m）

9特高频（UHF）；300－3 000 MHz；分米波；10－1 分米（dm）

10超高频（SHF）；3－30 GHz ；厘米波；10－1 厘米（cm）

11极高频（EHF）；30－300 GHz ；毫米波；10－1 毫米（mm）

12至高频（THF）；300－3 000 GHz；丝米波或亚毫米波 10－1 丝米（dmm）

二、我国业余无线电爱好者可使用的频率范围如下：

1800 kHz—2000kHz；

3500 kHz—3900kHz；

7000kHz—7200kHz；

10100kHz—10150kHz（次要）；

14000kHz—14350kHz；

18068kHz—18168kHz；

21000kHz—21450kHz；

24890kHz—24990kHz；

28000kHz—29700kHz；

50MHz—54MHz；

144MHz—148MHz；

430MHz—440MHz（次要）；

1240MHz—1300MHz（次要）；

2300MHz—2450MHz（次要）；

3300MHz—3500MHz（次要）；

5650MHz—5850MHz（次要）；

10GHz—10.5GHz（次要）；

24GHz—24.25GHz（其中24.05GHz—24.25GHz为次要业务）；

47GHz—47.2GHz；

76GHz—81GHz；（除77.5GHz—78GHz外为次要业务）

122.25GHz—123GHz（次要）；

134GHz—141GHz；

241GHz—250GHz（其中241GHz—248GHz为次要业务）。

信息产业部无线电管理局在二00四年九月一日发布了《关于加强业余无线电台站管理工作有关问题的通知》（信无函[2004]51号），明确规定了业余无线电台站的最大发射功率根据业余无线电台站发展现状及有关规定，持各等级操作证书业余无线电爱好者设置业余无线电台站允许的最大发射功率如下（含中继台站）：

操作证书等级30MHz以下30MHz以上

一级500W25W

二级100W25W

三级25W25W

四级10W5W

提高无线网卡连接成功率 篇3

改善软件兼容性能

要是客户机中的无线网卡从一开始，就不能正常接入无线网络，那么很有可能是无线客户机中安装运行着一些不兼容的软件。这些软件主要包括会影响无线网卡连接网络的软件、与网络连接有关的系统服务组件，甚至包括Windows系统补丁程序。

对于由兼容性能引起的无线网卡无法连接现象，我们可以尝试使用兼容模式重新安装软件。例如，在Windows 7系统中，如果发现某些软件与操作系统或无线网卡连接存在不兼容现象时，可以按照下面的步骤改善软件兼容性能：

首先打开系统资源管理器界面，从中找到需要使用兼容性模式安装的软件（这类软件通常都是exe、com格式的可执行文件），点选快捷菜单中的“兼容性疑难解答”选项，切换到兼容性问题诊断选项设置页面。按下“尝试建议的设置”按钮，检查目标软件能否成功安装，要是不能成功安装时，再返回到之前界面，单击“疑难解答程序”按钮，这样安装向导会自动询问用户注意到了什么问题，将这里的“问题列表中没有包含我的问题”选中，按“下一步”按钮。

其次安装向导会弹出目标软件以前运行于哪个版本系统的提示，我们不妨尝试选择Windows XP（Service Pack 2）或（Service Pack 3）选项，并且将其后界面中的“问题列表中没有包含我的问题”选中，再按“启动程序”按钮，这样目标软件就会自动在模拟的Windows XP环境下进行安装操作了，如能安装成功，那么不兼容的现象就会被解决了。

除了利用疑难解答方式进行兼容性安装外，我们也能直接调整目标软件的兼容性参数，来改善软件兼容性能。在进行该操作时，可以右击目标软件，从右键菜单中点选“属性”命令，单击属性对话框中的“兼容性”选项卡，打开如图1所示的兼容性选项设置页面，选中这里的“以兼容模式运行这个程序”，同时选中Windows XP（Service Pack 2）或（Service Pack 3）系统，确认之后就能改善目标软件的兼容性能了。

当然，为了排查出兼容性因素，我们应该在每次升级或者安装好软件后，及时做下详细记录，准确找出兼容性不好的软件，尝试利用上述方式改善其兼容性能。对于实在无法兼容的软件，我们可以直接将其从系统中卸载掉，或者干脆执行系统还原操作。

及时升级驱动固件

每台无线客户机要与无线网络建立连接时，都要通过其自带的网络模块和正确的无线网卡驱动，才能实现无线上网。无线网卡的驱动程序以及无线路由器的固件程序会影响着无线网络设备的各种功能的发挥，如果驱动安装不正确或固件版本不合适时，就容易造成无线网卡不能成功连接无线网络。

例如，有的无线网卡驱动程序可能存在BUG，安装到Windows系统中后，其工作稳定性会很差，这个时候我们应该到该设备的官方网站中下载安装正确的驱动程序，并通过更新安装方式，恢复无线网卡的工作稳定性。在更新安装无线网卡驱动时，可以按照下面的操作来进行：

首先右击系统桌面中的“计算机”图标，从右键菜单中选择“管理”命令，切换到计算机管理界面，将鼠标定位到“系统工具”|“设备管理器”分支上，从该分支下选中无线网卡设备选项。

其次用鼠标右击该选项，执行右键菜单中的“属性”命令，弹出无线网卡的属性对话框，单击“驱动程序”选项卡，进入如图2所示的选项设置页面，按下“更新驱动程序”按钮，切换到设备驱动程序更新安装框，将之前从官方网站下载获得的正确驱动程序选择并导入进来，这样就能顺利完成无线网卡的驱动更新任务了。

在升级无线路由器固件时，也需要从官方网站中下载获得最新的固件版本，通过专门的控制线将无线路由器连接到客户机中，使用专业刷新程序将获得的固件版本程序加载进来，并执行刷新操作。当然，要提醒各位朋友的是，在升级无线路由器固件时，一定要从无线路由器官方站点中下载固件文件和刷新固件程序，同时保证固件版本要与无线路由器的硬件型号保持一致。为了防止升级操作受到其它应用程序的干扰，我们还必须临时暂停其他正在工作的应用程序，特别是屏幕保护程序、杀毒程序等。而且要注意的是，在刷新固件的过程中，一定不能断开电源，不然的话容易损伤无线路由器设备。

核查无线访问密码

在尝试连接一个新的无线网络时，由于不熟悉无线网络访问密码或意外输错访问密码，都会造成无线网卡不能成功接入无线网络。通常，无线网络的访问密码都会设置在无线路由器中，密码输入错误时都会有明确的错误提示，不过也有可能由于程序出错导致无线客户端系统没有弹出错误提示，而这时可以登录无线路由器后台系统，核查获取无线网络的密码内容。

当然，如果我们实在无法核查出无线网络访问密码时，可以从无线网络中找一台之前曾经接入过无线网络的Windows 7系统，在该系统中可以很方便地获取包括无线网络访问密码在内的多项配置信息，通过这些配置就能让无线网卡成功接入无线网络了。在获取Windows 7系统的无线访问密码时，可以用鼠标右键单击系统托盘区域处的网络连接图标，执行右键菜单中的“打开网络和共享中心”命令，进入网络和共享中心管理窗口，按下左侧任务栏中的“更改适配器设置”按钮，切换到网络适配器列表窗口。

其次右击无线网卡对应的网络连接图标，从弹出的右键菜单中点击“属性”命令，打开无线网络适配器属性对话框。选择“安全”选项卡，展开如图3所示的选项对话框，在这里我们会发现“网络安全密钥”位置处有一些黑色小圆点，这些圆点实际上就是无线网络的访问密钥，将“显示字符”选中后，加密的密码内容就变成了明文内容，记下该字符内容即可。按照同样的操作方法，再将无线网络的其他一些配置信息获取记忆下来。日后，将这些配置信息设置到无线网卡中，就能让无线网卡成功接入无线网络了。

排除无线信号干扰

要是无线网络附近存在信号干扰，那么无线网卡接入网络时的稳定性将无法得到保证。在排除无线信号干扰因素时，首先要看看无线网卡设备与无线路由器之间的距离是否适中，如果发现它们之间的距离比较远，可以适当缩短它们之间的距离，同时确保它们之间没有明显的障碍物，这样可以增强无线网卡的信号接受能力。当然，如果无线网卡与无线路由器之间的距离很远同时不可调整时，不妨通过天线来适当扩大无线网络信号的覆盖范围。其次要看看无线网络周围有没有比较强的信号干扰源。比方说，看看无线网卡或无线路由器附近，是否存在蓝牙耳机、微波炉、无绳电话等设备，一旦看到这些设备的“身影”，必须及时将它们移开，因为这些通信设备在工作时，发射出来的通信信号会直接干扰无线网络的工作稳定性，从而容易造成无线网络连接频繁发生掉线问题。此外，有的设备通信频率与无线网卡工作频率相同，这时候无线网卡受到的干扰会更大，严重时会导致无线网络不能正常连接。因此，当看到无线网卡与周围的信号干扰源频率一致时，我们不妨登录无线路由后台管理页面，修改无线网络的通信频率，消除附近干扰源对无线网络的影响。第三尽量选用发射功率比较强的无线路由器进行组网。如果无线路由器自身的发射功率很小，导致无线上网信号非常微弱，那么无线网卡将很难正常接受到上网信号，所以无线连接的成功率就不会很高。所以，要想提高无线网卡的连接成功率，不妨适当增大无线路由器的发生功率。此外，在无线路由器发射功率一定的情况下，我们也可以通过适当降低无线网卡传输速度的方式，来增强无线连接时的抗干扰能力。

除了无线信号干扰外，无线路由器还会受到电源干扰，这也会影响无线网卡的网络接入工作。一般来说，无线路由器受到的电源干扰主要就是指该设备的输入电源要是不稳定，不但会导致无线网卡不能稳定接入网络，而且还有可能将无线路由器内部芯片直接烧毁。所以，在条件许可情况下，我们不妨从变压器处单独拉线来为无线路由器独立供电，以便确保该设备的供电稳定可靠；而且，尽可能地让无线路由器单独使用一个插座，而不要与其他设备共享使用同一个插座，毕竟其他设备频繁插拔电源操作会对无线路由器的电源输入带来干扰，从而影响无线网卡的接入稳定性。

减轻无线路由负荷

从运行实践来看，无线路由器的运行负荷过重将会影响无线网卡的连接成功率。导致无线路由器运行负荷过重的因素，主要包括接入无线路由器的客户机数量偏多，无线网络中存在恶意BT下载操作，很多用户在无线网络中进行在线游戏等等。从理论上来说，大容量的数据在无线网络中集中传输时，往往很容易造成无线路由器发生短暂性掉线现象。此外，要是无线路由器主板的运行温度过高，也会发生掉线的可能。

为了减轻无线路由器运行负荷，我们可以适当控制无线客户机数量。如果我们对数据传输能力要求较高，而无线路由器无法满足工作要求时，唯一的办法就是更换负载能力更强的无线路由器。此外，为了防止无线路由器主板的运行温度过高，我们必须将该设备放置到通风良好的工作环境，确保设备能及时将工作热量散发出来。

拒绝网络自动切换

有的无线客户机开启了无线网络自动切换功能，该功能能智能发现无线网卡附近的新无线网络，如果该无线网络发射信号足够强时，无线网卡会自动尝试连接该无线网络。不过，在公共场合下，网络自动切换功能会造成无线网卡不能稳定接入无线网络，具体现象表现为无线网卡有时会发现新无线网络存在，有时会断开已经上网的连接。

为了保证无线网卡连接成功率，我们可以直接用鼠标右键单击系统托盘区域处的网络连接图标，执行右键菜单中的“打开网络和共享中心”命令，进入网络和共享中心管理窗口，按下左侧任务栏中的“更改适配器设置”按钮，切换到网络适配器列表窗口，选中并右击该窗口中的无线网络连接图标，执行右键菜单中的“属性”命令，弹出无线连接属性设置框。

点击“无线网络配置”选项卡，打开如图4所示的选项设置对话框，在“首选网络”列表框中将新识别到的无线网络选中，同时用鼠标双击该网络连接，将其后界面中的“当此网络在区域时连接”选项取消选中，按“确定”按钮执行设置保存操作，这样无线网卡日后即使识别到附近有较强信号的无线网络，也不会断开当前无线连接了。

调整网络连接顺序

很多无线客户机可能会同时包含有线连接，不过如果用户对无线客户机设置不正确的话，该客户机系统会自动选择有线网络进行上网。此时，如果想尝试通过无线网卡接入无线网络时，必须先拔掉有线网络线缆或者停用普通网卡的工作状态，才能保证无线接入的成功，之所以会出现这种问题，主要是无线客户机的网络连接顺序设置不当引起的。为了不让这种因素影响无线网卡的上网连接成功率，可以按照下面的操作调整系统的网络连接优先顺序，确保无线连接优先进行：

首先打开系统“开始”菜单，选择“控制面板”命令，打开系统控制面板窗口，双击其中的“网络和共享中心”图标，切换到网络和共享中心管理窗口，单击左侧任务栏中的“更改适配器设置”按钮，进入对应系统网络连接列表窗口，按下Alt功能键，激活该窗口中的菜单栏。

接着打开该窗口中的“高级”菜单，点选“高级设置”命令，展开如图5所示的高级设置框，选择“适配器和绑定”选项卡，将这里的“无线网络连接”选项选中，通过上、下箭头将无线连接移到列表最上面，确认之后无线客户机日后就会优先进行无线上网连接了。这样，无线网卡日后尝试与无线网络连接时，就用不着拔出普通网卡了，那么无线连接效率将会大大提高。

保证协议相互匹配

我们知道，只有无线网卡与无线路由器的各种配置保持匹配，才能确保无线上网稳定可靠。这不，现在无线网卡不能成功接入无线网络，有很多就是由于无线网卡与无线路由器通信协议不匹配引起的。在多数无线路由器都支持802.11N通信协议的情况下，我们必须对无线网卡进行合适设置，让其也支持802.11N通信协议，才能保证无线上网连接的成功，下面就是具体的设置步骤：

首先依次单击“开始”|“运行”命令，调出系统运行对话框，输入“devmgmt.msc”命令，按回车键后，弹出系统设备管理器窗口。将鼠标定位到该窗口中的网络适配器分支上，右击该分支下的无线网卡图标，执行右键菜单中的“属性”命令，切换到无线网卡属性设置框。

微功率无线通信 篇4

目前抄表系统大多采用纯微功率无线或纯电力线载波抄表方式, 由于技术原因, 这2种方案均存在一定的缺陷, 理论上会造成抄读成功率不可能全部达到100%。为了实现智能电网建设的“全采集、全覆盖”需求, 单靠一种通讯方式无法满足各种环境下的抄表应用, 就产生了将微功率无线和电力线载波双网融合的设计思想和实施方案。通过参考DL/T 698电能信息采集与管理系统[2,3]和智能电能表2013年技术规范等, 提出了双通道抄表系统。

下文中介绍的微功率无线和电力线载波双通道通讯的实用化抄表具体方案, 较好地解决了系统数据抄收不稳定这一实际问题, 特撰写此文, 对当前国内的低压电力用户集中抄表系统的双通道通讯技术进行系统分析和设计, 解决抄读成功率问题。

1 纯微功率无线和纯电力线载波抄表的现状

1.1 微功率无线通讯目前存在的主要问题

第一, 不同的地理环境对通讯距离影响较大, 根据路径损耗公式:Ld=32.4+20logf+20logd, 其中f=MHz, d=Km, 可知信号每损耗6d B, 通讯距离就会减少一半。由于多路径产生的通讯影响, 微功率无线模块附近的障碍物较多时, 通讯的距离和可靠性会减少;

第二, 气侯条件影响:空气干燥时通信距离较远, 空气潮湿 (特别是雨、雾、雪天气) 通信距离较近, 在微功率无线模块容许的工作环境温度范围内, 温度升高会导致发射功率减小及接收灵敏度降低, 从而减小了通信距离;

第三, 电磁环境影响:直流电机、高压电网、开关电源、电焊机、高频电子设备、电脑、单片机等设备对微功率无线通信模块的接收灵敏度影响, 通信距离会有不同程度的衰减;

第四, 微功率无线发送功率要求为低功耗50m W, 发射功率小, 通讯距离短, 穿透能力弱。目前为解决微功率无线的上述问题, 需要采用MESH自组网技术来完成, 但现场也会存在孤岛, 如地下室里和有封闭金属箱下的电能表等。

1.2 电力线载波通讯目前存在的主要问题

第一, 信道强衰减:据有关资料介绍:根据我国不同低压电网的不完全测试, 从配电变压器出口到电网末端, 最大高频 (500k Hz以下) 衰减达到130db。主要因素包括:电缆的长度阻抗衰减;电缆的分布电容造成的相间衰减、对地衰减;高频趋肤效应造成的线路阻抗衰减;负载引起的线路阻抗的急剧减小造成的信号剧烈衰减;载波电路功放阻抗失配造成的衰减;线路节点引起的高频信号反射, 特别是线路类别变化的节点, 铜铝导线接点反射更加严重, 架空线与电缆接头可能造成80%信号功率反射 (约7db衰减) ;多径衰落引起的高频信号衰减;大批劣质电器泛滥, 对低压电网形成严重的污染;

第二, 信道时变性:对于一般的居民用户, 我国采用的是220V交流两线供电。由于电网上负载的不断接入和切出, 马达的停止和启动, 电器开和关等各种随机事件, 使信道特性具有很强的时变性;

第三, 干扰噪声多样:电力线载波通信的最大干扰是噪声, 其主要来源是电力网上的所有负载、无线电广播等;

第四, 通讯速率相对较低, 一般是几百BPS。可靠性不高、实时性不强, 造成整个抄表系统不稳定, 同时不能支撑费控、阶梯电价下发、互动服务等实时性要求高的业务。虽然电力线载波利用电力线扩频技术 (SSC) 和正交频分复用 (OFDM) [4]等通讯技术解决以上的技术障碍, 但现场还会有部分表抄读不上, 形成孤岛。

1.3 虽然纯微功率无线和纯电力线载波有以上问题, 但由于制造成本相对来说还是低一些, 安装和调试比较简单, 目前市场份额还是比较大的。但从以后的市场需求出发, 还需要实时性和可靠性比较稳定的抄表系统。通过以上两种通讯信道的问题分析, 微功率无线和电力线载波两种通讯技术可以实现互补, 微功率无线具有通信速率高、实时性相对强、可跨台区抄表等优点, 电力线载波利用现有的配电网络基础设施, 无需任何布线, 只要有电力线就可通讯等优点。将2种通信信道集成到一起, 将无线通讯技术与载波通讯技术相融合, 开发双通道通信芯片和对应的通讯模块, 实现两通道无缝自动切换, 将会提高整体抄表系统的抗干扰能力, 提高通讯成功率, 通讯成功率将会达到真正的100%。

2 微功率无线和电力线载波双通道抄表技术

双通道抄表技术就是在同一个通讯模块上实现微功率无线和电力线载波通讯, 由MCU控制微功率无线芯片和电力线载波芯片的收发控制, 实现以一种通讯网络 (如微功率无线) 为主, 另一种通讯网络 (如电力线载波) 为辅的双通道通讯方式。这种通讯方式并没有改变微功率无线和电力线载波的物理特性, 而是充分利用微功率无线和电力线载波的各自优点, 实现信道互补, 提高通讯成功率。纯微功率无线和纯电力线载波有些地方目前已可实现日抄收95%的通讯成功率, 有些地方还不行, 如果利用另一信道的优点可解决剩余5%用户的数据抄收, 实现100%的日抄收成功率。

微功率无线采用工作频率为免费的公共计量频段470MHz~510MHz, 频率和业务受国家无线电管理机构的保护, 且发射功率不大于50m W。技术采用微蜂窝无线自组织网络, 其最主要的特点是网络的MESH分布特征和节点神经元特性, 同时利用蜂窝频分复用体制, 在单个蜂窝网内采用自组织网状网络构架, 以及Ad hoc多跳自组织动态组网应用, 解决无线传输区域覆盖受限的问题。协议遵循《Q/GDW 1376.4-2013电力用户用电信息采集系统通信协议第4部分:基于微功率无线通信的数据传输协议》。电力线载波一般采用窄带OFDM通讯方式, 因国家层面技术规范正在讨论中, 各厂家目前采用各自定义的电力线载波协议通讯。通讯模块总体技术规范满足《Q_GDW 1374.3-2013电力用户用电信息采集系统通信单元技术规范》[5]。

双通道抄表系统的结构图如图1所示, 集中抄表的基本方式为:每个电表或者每个电表箱安装一个采集器, 通过一定的数据接口和通信协议, 从电表上采集电能量或远程拉合闸等操作, 一个区域内 (比如一个小区或者一个台区) 所有的采集器采集到的数据集中传到集中器里, 然后通过一定的网络将数据传送到后台管理机。后台管理机通过集中器操作采集器。

双通道抄表系统的组成部件有:电能表, 采集器, 集中器, 网络和后台管理系统。通道信道分为上行信道和下行信道。上行信道为后台主站与集中器之间的通讯线路, 一般采用GPRS/CDMA、光纤以太网等通信信道, 实现智能集中器与后台主站系统之间的数据交换。下行信道是指集中器与庞大的电能表之间的通讯线路, 采用微功率无线和电力线载波双通道, 共有4种通讯方式:①发送无线, 接收无线;②发送无线, 接收载波;③发送载波, 接收载波;④发送载波, 接收无线。

3 双通道抄表系统的不同应用环境

按照电表划分, 双通道抄表系统可实现以下几种抄表方案。

3.1 智能电能表双通道抄表方案

对于安装智能电能表的区域, 可以采用在智能电能表、集中器上安装双通道通信模块, 下行信道采用集中器和智能电能表直接通讯的实施方案。双通道通讯模块将微功率无线和电力线载波两种常用的通信方式结合起来, 采用单芯片双通道技术, 一方面增加了通信成功的途径, 即由传统的单一方式 (纯微功率无线或纯电力线载波) 改为两种方式结合。另一方面既充分发挥了微功率无线通信和电力线载波通信信道的各自优点, 又弥补了纯微功率无线通信或纯电力线载波通信的不足, 进而提高了通信的稳定性与可靠性。

优点:两种通讯方式相结合可使抄表的覆盖范围最大化, 同时保证了在微功率无线通信或电力线载波通信孤岛情况下能够通讯成功, 双通道通信技术将两种通信信道设计在一个模块中, 可实现热插拔安装和双通道通信, 在两种通信方式相结合的情况下可实现抄收成功率100%。此方案具有施工简单, 维护方便等优点。

3.2 RS-485电能表双通道抄表方案

对于安装普通RS-485电能表的区域, 可以采用加装Ⅰ型采集器或Ⅱ型采集器, 采集器、集中器具有双通道通讯方式的实施方案。具体实施为将表箱内电能表的RS-485总线进行并联, 然后将RS-485总线接入到采集器上。只要电能表具备RS-485通信接口, 借助于采集器即可与集中器进行数据交互。集中器与采集器之间采用微功率无线和电力线载波相结合的双通道通信方式, 采集器与电能表之间采用RS-485总线的通信方式。

优点:处理老台区的电能表抄表问题, 不用更换电能表, 降低改造成本。

3.3 混合双通道抄表方案

对于安装既有智能电能表, 又有普通RS-485电能表的区域, 可以采用将以上两种抄表方案结合起来的实施方案。即对于安装的智能电能表, 在智能电能表上安装双通道通信模块。对于普通RS-485电能表, 加装双通道采集器。双通道集中器可以根据协议自动区分智能电能表和采集器, 动态调整对应的采集方案。

优点:将智能电能表和普通RS-485电能表两种抄表方案合2为1, 合理利用小区现有资源, 不需要额外拆除RS-485电能表, 降低建设和改造成本。

4 几种抄表系统的实验数据比较

第一种实验场景:纯微功率无线集中器、纯窄带载波集中器、双通道集中器放在电动车蓬的某处, 不断增加集中器和测试点 (带有通讯模块的电能表) 距离和电动车数量, 实验数据见表1。

第二种实验场景:纯微功率无线集中器、纯窄带载波集中器、双通道集中器放在公司生产楼一楼西北角处, 施加三相电, 将带有微功率无线模块、窄带载波模块、双通道模块的电能表分别放在公司生产楼的二楼、三楼、四楼处, 同时电能表自动化流水线在工作状态, 实验数据见表2。

对比测试通讯实验数据, 可看出在不同的环境下, 纯微功率无线或纯电力线载波通讯都会存在抄读的死点, 而双通道通讯能很好地解决抄读的死点问题, 提高抄读成功率。

5 结束语

微功率无线和电力线载波双通道抄表系统由于采用了两个网络的互联技术, 真正的发挥了各自的优势, 且安装调试、维护都和纯微功率无线或纯电力线载波抄表系统一样简单, 可实现现场的通讯成功率100%, 如果没有达到, 那就是现场设备可能损坏, 对于排除故障等也非常容易。基于以上优势, 双通道抄表技术良好的互补功能使得它应该是未来抄表的发展方向。

摘要：智能电网[1]智能电能表的大量普及, 对抄表的实时性和智能双向互动等功能提出了更高的要求, 本文通过对微功率无线和电力线载波 (PLC) 双通道通讯技术的系统分析, 对采用此双通道技术的抄表系统环境进行了实用化研究, 提出了基于此双通道技术的抄表系统具体解决方案。

关键词：抄表,双通道,微功率无线,电力线载波

参考文献

[1]刘振亚.智能电网知识读本[M].北京:中国电力出版社, 2010.

[2]刘宣, 王思彤, 等.DL/T 698.31—2010, 电能信息采集与管理系统, 电能信息采集终端技术规范—通用要求[S].北京:中国电力出版社, 2010.

[3]刘宣, 王思彤, 等.DL/T 698.35—2010, 电能信息采集与管理系统, 电能信息采集终端技术规范—低压集中抄表终端特殊要求[S].北京:中国电力出版社, 2010.

[4]佟学俭, 罗涛.OFDM移动通信技术原理[M].北京:人民邮电出版社, 2003.

体内微机电系统无线能量传输技术 篇5

无线能量传输技术主要利用电磁感应原理来传递能量,是近年来比较热门的新型电能供给技术,在许多场合有着广泛的.应用前景.对无线能量传输技术进行详细的分析和研究.首先介绍了基于松耦合电磁感应的体内微机电无线能量传输系统的基本原理和基本结构,然后以互感模型为基础,建立了等效电路和数学模型,最后通过计算机仿真和实验对比,分析和讨论了无线能量传输系统电磁耦合结构参数对其系统性能的影响.

作 者：刘修泉 江伟雄 曾昭瑞 黄平LIU Xiu-quan JIANG Wei-xiong ZENG Zhao-rui HUANG Ping 作者单位：刘修泉,LIU Xiu-quan(广州番禺职业技术学院机电系,广州,511483)

江伟雄,曾昭瑞,黄平,JIANG Wei-xiong,ZENG Zhao-rui,HUANG Ping(华南理工大学机械与汽车工程学院,广州,510640)

微功率无线通信 篇6

水产养殖用户计量电能表大都安装在空旷的鱼塘旁边, 户与户之间距离分散, 尤其是雨季大风季节, 道路泥泞, 给供电企业一线员工的维护与抄表工作带来了困难, 而且电能表箱安装在露天环境, 造成电能表的故障率较高。当发生故 障时, 在一个抄表周期内无法及时发现。由于水产养殖用户的用电 负荷是随着养殖规模的情况随时改变的, 供电企业很难掌握负荷规律, 在电能表故障后电量追补非常困难, 一方面造成追补电 量失准, 另一方面造成客户投诉, 给电费回收带来不利因素。

为了提升营销精益化管理能力, 加强营销 服务质量 改进, 推动营销管理技术进步, 实施水产养殖用户计量自动化集中抄表成为目前迫在眉睫的工作。

1应用背景

目前居民电表数据抄收方式有485总线抄表、低压电力线载波抄表。近几年, 随着无线通信技术的进步, 电能表的 无线抄表技术逐渐在供电企业广泛应用。

从历年使用情况看, 虽然485总线抄表 可靠性高, 但需铺设线缆, 对现场施工要求高, 不具备推广性。目前低压 电力线载波技术在国内广泛应用, 在整体抄读成功率、稳定性、实时性方面都有了较大的提升, 但仍有不足之处。首先由于用电网络缺乏严格的管制, 电网中可能随时产生能量干扰杂波, 这种干扰杂波能量大、持续时间长、分布面广, 对低压载波数据传输系统造成了很大的障碍, 使通信的稳定性和一致性大为削弱;其次是低压配电网的阻抗特性随着用电负荷变化而变化, 载波电路难以适应如此大的阻抗波动, 造成传输效率很低;另外受区域环境条件限制, 低压电力线载波传输通常只能在同一台区变压器下, 而对于多台变密集型供电居民小区, 载波方案不易 实地施工, 由于计量自动化系统需实时远程监控, 实时数据采集, 数据传输长度大, 造成通信速率及实效性低, 对窄带载波传 输是无法穿越的障碍, 造成远程抄表的成功率大大降低。

微功率无线数据传输技术的应用解决了低压载 波出现的问题。2005年国家工业信息化产业部重新修订了无线电管理条例, 明确规定UHF频段的470~510 MHz作为“民用无线电计量”频段。国家电网公司2009年12月颁布的《电力用 户用电信息采集系统技术规范》中, 也明确了微功率无线数据传输技术是实现自动抄表的技术之一。微功率无线抄表设备 使用不需要额外铺设电缆, 安装维护方便。由于传输速率快 (数据传输速率可达9600b/s) 、实时性高, 提高了智能电网末端管理的通信能力, 实现了远程监控、远程计费、时段通知等远程管理功能, 尤其在电能表安装比较分散的养殖场, 无线抄表技术 的优势更加突出。

2微功率无线通信建设的特点

2.1无线通信具有网络化、智能化、高可靠性的特点

微功率无线方案与低压电网复杂的特性无关, 通过优化设计使无线方案适应 现场的各 种环境;无线集成 电路技术 的发展, 为高集成度应用系统的低成本研制提供了保障;由于微功率无线通信效果受楼宇分布、建筑格局与墙砖材 质、集中器和电表安装位置等环境的影响, 使数据采集效果与有线通信效果相比有很多不足之处。但在比较空旷的地方, 微功率无线抄表技术发挥了它的优势。在安装施工和后期维护方面, 微功率小无线方案降低了施工难度和后期维护工作量。

2.2对无线通信距离有一定的要求

无线通信的距离范围是随着环境和地理条件而变化的, 最远的是海平面及陆地无障碍的平直开阔地, 其次是郊区 农村、丘陵、河床等半障碍、半开阔环境, 而通信距离最近的是城市楼群中或群山中。所以说障碍物越密集, 对无线通信距离的影响就越大, 特别是金属物体的影响最大。

2.3影响无线通信效果的因素

对无线通信设备的通信距离有影响的设备有 电磁环境 直流电机、高压电网、开关电源、电焊机、高频 电子设备、电 脑、单片机等。由于在产品容许的环境工作温度范围内, 温度升高会导致发射功率减小及接收灵敏度降低, 从而减小通信距 离, 所以空气干燥时通信距离较远, 空气潮湿 (特别是雨、雪天气) 时通信距离较近。天线距离地平面的高度高对无线通信效 果也有明显的影响。在各种条件相同的前提下, 天线距离地平面的高度越高, 通信距离越远。目前很多城市的通信设备安装在地下室, 在这种条件下, 通信效果最差, 必须将天线引接到楼上或进行信号覆盖。从实际经验来看, 提高天线的高度比增大发射功率对通信距离的影响要大得多。

3微功率无线通信方式特点

实现水产养殖用户低压集中抄表, 首先要解决数据采集中的通讯问题, 微功率无线技术方案为实现水产养殖用户低压集中抄表提供了技术保证。微功率无线通信方式对比其他 通信方式具有以下特点: (1) 实时性强:微功率无线集抄设备 (集中器、采集器) 在我国有着广泛的应用。使用的无线通信频 率是民用无线计量频率 (470~510 MHz) , 功率不超过50mW。单个微功率模块的传输半径在开阔地可达到500~1000m, 集中器的覆盖半径最大可达1.5km。水产养殖用户基本都在方圆1km之内, 完全能满足集中采集的需求。 (2) 微功率无线电表模块与目前载波智能电表完全兼容, 后台主站配置上跟载波模式完全一样, 电能表软件设置也无需改动, 安装在现场后, 将数据直接发送到目前已使用的计量自动化系统, 数据将进行统一管理。 (3) 适应性强:由于水产养殖用户基本集中在一个台区, 可采用一个台变安装一只集中器, 每个用户安装一个采集器的模式, 但是用户电表的台区归属关系复杂, 也可在一个台区 内使用多台集中器, 可跨台区抄表。微功率无线集中器上行通信采用移动公司的GPRS公网, 下行通讯采用微功率无线。

4实施应用

我们选取一个台区, 均由养殖用户组成, 经过现场 勘察发现, 用户电能表安装比较分散, 离变压器最远距离约为600m。台区安装的是三相多功能电能表, 共计26户。

设备配置方案如表1所示。

采用方案是微功率无线集中器 +微功率无线采集器+ 多功能电能表, 使用微功率无线采集器通过电能表的485端口采集数据, 数据采集后通过微功率无线传输给集中器, 再由集中器通过GPS通讯发送至计量自动化系统主站, 进行数据的应用与监控。

5应用经济性分析

微功率无线通讯技术在水产养殖用户抄表工作中的应用, 大大提高了电能计量的准确率和抄表效率及正确率。经过小范围试点初步计算, 抄表人员可减少60%~80%, 计量准确率可提升40%~60%。

(1) 通过实现远程抄表, 解决了偏远农村地区抄表难题, 降低了工作人员的户外工作难度, 提高了抄表工作效率。 (2) 由于可以实时监控电能表的运行状态, 提供用于故障换表的电费追补依据, 减少和避免了计量差错。 (3) 提高了电能计量的准确率, 做到了数据准确, 实时可查, 杜绝了人工抄读电表出现错误的情况, 现场检查电表, 可以及时发现电表故障或者用 电异常的情况。 (4) 减少了用户纠纷, 更加准确地实行阶段收费, 集中器每天保存零点冻结, 收费依据更精确。实时补 抄, 用户提出异议时可以 实现实时 抄读电表, 避免了上 门核实等 繁琐工作。 (5) 可以实现远程拉合闸, 对于欠费 用户可以 远程停电、复电。

6结语

针对水产养殖用户 的用电特 点, 采用微功 率无线集 抄技术, 实现对客户用电信息的高效、快速和可靠采集, 对供电企业提升营销管理技术水平起到重要作用。

参考文献

[1]韩东波.电能量远程计量系统在电力计量中的应用[J].科技与企业, 2012 (14)

[2]陈博, 徐建政, 刘霄.新型微功率无线抄表技术[J].电力自动化设备, 2011 (5)

微功率无线通信 篇7

微电网技术为新能源及可再生能源分布式发电规模化应用提供了新的技术途径。作为实现智能电网中分布式电源并网发电的关键技术支撑,微电网可有效提高能源的梯级综合利用效率,提高供电可靠性和电能质量[1-2]。光伏发电系统是微电网中典型的可再生能源发电系统,为最大限度地利用资源, 需要对太阳能电池进行最大功率点跟踪(MPPT)[3-5],然而光伏发电的最大功率点随光照、 温度等外界因素变化而改变,光伏微电源输出功率存在波动,严重时可能影响到微电网的稳定性,必须对功率波动进行平衡[6-7]。为了解决光伏微电源输出功率的有效管理问题,在直流侧配置储能设备是一个很好的解决方法,通过对储能设备的充放电控制实现光储微电网的功率协调控制,从而提高供电质量[8]。

目前广泛使用的MPPT方法主要有扰动观察法和电导微增量法[9-10],它们基于极值理论,算法简单易行,但受限于跟踪的快速性和稳态检测精度之间的矛盾。为克服上述缺陷,出现了许多基于自寻优控制的改进算法,这其中以变步长MPPT控制策略最为常见,文献[11-13]对此类控制策略作了详细阐述,虽各自基于的理论不同,但其核心思想均是在最大功率点搜寻的过程中改变电压步长以满足快速性和稳态精度的需要。文献[14]提出了一种基于单变量检测的光伏电池MPPT算法,该算法仅需对光伏电池输出电流进行检测,从而简化控制系统、降低运行成本。

针对光储微电网中的协调控制方法,文献[15] 利用蓄电池的快速响应特性,提出了通过在储能系统的传统下垂控制中引入辅助功率控制信号来提高柴油发电机和储能电池的协调控制系统稳定性的方法。文献[16]提出一种光伏发电出力与可投切负荷的协调控制策略,利用光伏发电出力的可快速调节特性以及可投切负荷(类似于制冰机等)容量较大的特点来实现协调控制系统净出力的灵活可调,但是此方法不能应用于光储微电网中,不能使微电网有稳定的输出功率。

在分析总结光储微电网协调控制研究成果的基础上,本文基于动态阻抗匹配的光伏电池MPPT策略,引入文献[17]中心差分的方法,使其对动态阻抗的检测更为精确,并把动态阻抗的概念应用于微电网的光储协调控制方法中,根据调节动态阻抗时MPPT状态变化,实现光储微电网中光伏发电系统与储能系统的协调控制。

1基于中心差分法的动态阻抗匹配原理及MPPT控制方法

为研究含非线性内阻抗的电源的最大功率传输问题,定义电源的内阻抗端电压为:

ur=f(ix)(1)

则母线上传输的功率为:

p=ui=(Ea-f(ix))i(2)

式中:Ea为电源电压;u和i分别为电源侧的端电压和电流。

当电阻为非线性单调连续型,电源对负载的传输功率p具有唯一的最大值,这时候p′=0,即

定义非线性电阻在某一工作点的动态阻抗r～= f′(ix),从式(3)可以看出,当电源的内阻抗为常数r时,式(3)可以写成ur=ri,这时候r～=f′(ix)=r,即电源的内阻抗与动态阻抗相等;这说明非线性内阻网络的最大功率传输条件同样适用于线性内阻网络[18]。电源侧的端电压对电流求导容易验证:

这说明动态阻抗等于端电压对电流求导的负数。在很多非线性电阻的端电压与电流关系无法准确得知的情况下,式(4)提供了一种阻抗的测量方式,即通过电源端口电压对时间的微分和端口电流对时间的微分获得。考虑到数字系统控制时,将式(4)写成差分形式有:

式中:O(Δix)为截断误差,这由数字系统的固有缺陷造成;uk和uk-1为任意相邻两点的电压。

截断误差的存在使得r～无法精确获得,当选择较小的 Δix步长可以适当提高差分方程的精度,但是受限于数字控制系统,Δix步长不可能无限制减小。因此,希望提供一种算法能从本质上减小截断误差,从而提高差分方程的精度。

考虑式(5)在ix=ix0处的Taylor展开:

对式(5)进行ix0+Δix,ix0间的差分运算可以得到其具有一次代数精度的完整表达式,同理可以得到ix0,ix0-Δix间的差分运算表达式,联立这两个表达式可建立以ix0为中心的差分运算:

写成式(5)的形式有:

式(8)基于中心差分思想,提供了一种更为精确的动态阻抗r～的测量方法。相比于式(5),它具有二次代数精度,在同样的 Δix步长情况下截断误差更小。

光伏电池伏安特性曲线可以视为单减函数,显然光伏电池可以看成是一个含有非线性单调连续阻抗的电源,这满足动态阻抗匹配方法的前提,因此, 完全可以把动态阻抗匹配方法应用于光伏电池的MPPT控制。

基于等效阻抗匹配的光伏电池MPPT控制原理图如图1所示。图中:PI表示比例—积分;PWM表示脉宽调制。这是一个典型的功率协调控制系统,因为蓄电池的存在使得DC-DC变换器和逆变器之间的耦合减弱,向负载输送的功率变得可控,但是蓄电池的容量有限,则光伏电池与蓄电池之间需要协调控制。

采用传统的电导微增量法或者扰动观察法的时候,一般只能按照某种特定的规律来判断调节量增加或减小的方向[19]。然而在外界条件突变时可能不满足上述规律,这时候系统会出现误判,这个过程中可能会造成功率波动和能量损失。而且基于中心差分法的动态阻抗匹配MPPT方式,其参考值通过对光伏电池输出端电压、电流的实时检测计算得到, 当外界条件改变时相当于非线性内阻抗的参数改变,只要端电压和电流的检测精度足够,动态阻抗就能准确获得,不会出现类似“误判”的现象;从而解决了传统MPPT方法只规定了调节量的方向,但不能轻易确定调节强度大小的问题。本方法对电导微增量法进行了改进,在不增加系统设计复杂程度的情况下,继承了电导微增量法所有的优点,而且结合中心差分方法可以提高控制的精度,并能够克服原方法存在的不足。

2微电网中光储功率协调控制方法研究

为了解决在光伏发电系统最大功率跟踪工况下光伏微电源输出功率的管理问题,抑制因外界条件引起的功率变化,在直流侧配置储能设备是一个很好的解决方法。光伏电池配合蓄电池储能系统可以有效实现微电网对光伏微电源的功率协调控制,微电网中光储混合系统的结构图如图2所示。

图2中,光伏电池通过DC-DC变换器接入直流母线,该DC-DC变换器一般采用Boost电路;而蓄电池通过Buck-Boost电路接入直流母线,该电路可以实现功率的双向流动。根据微电网功率协调控制系统调度,当光伏电池工作在最大功率点输出功率大于微电网所需功率时,多余的功率通过双向功率变换器对蓄电池进行充电;而当光伏电池的输出功率小于微电网所需功率时,则需要对蓄电池进行放电控制。

2.1微电网中光储混合系统工作原理

由蓄电池充放电特性的讨论可知,在蓄电池的恒流充电以及放电阶段,输出或者接收的功率可由充放电电流决定;而在恒压充电阶段,其接收的功率实际上是不可控的,这并不符合功率协调控制系统的要求。因此,希望蓄电池工作在恒流充放电的状态,即当蓄电池端电压Ubat高于过充保护电压Ub，det时,蓄电池不再充电,为满足微电网功率需求,光伏电池应工作在恒功率状态;而当蓄电池端电压低于过放电压设定值Ub，rel时,蓄电池也不能放电,这时候光伏发电系统输出功率很低且不受微电网调度, 其输出功率波动对微电网影响不大,可当成“负”的负荷处理。

微电网中光储混合系统工作模式的切换可以通过功率变换器的控制策略实现,根据上述情况,主要有如表1所示的4种工作模式。表中:Ppv为光伏电池输出功率;Pref为微电网侧所需功率参考值。

从表1可以看出,工作模式2的情况下光伏电池无法工作在最大功率点;而在工作模式4,光伏发电系统输出功率不受微电网调度。显然,为最大限度利用能源并充分发挥蓄电池协调优势,光储混合系统工作在模式1或者模式3是最合适的。

2.2微电网中光储功率协调控制系统协调控制策略

根据表1的系统工作模式,提出了计及光伏发电系统最大功率跟踪工况的光储微电网功率协调控制方法,其控制结构如图4所示。

图3中用RL表示逆变器以及所连微电网的等效阻抗,蓄电池主要作用在于平衡光伏电池输出功率波动,检测光伏电池输出功率与微电网侧所需功率参考值的差值Ppv-Pref作为蓄电池参考输出;同时检测蓄电池端电压并与设定值相比较,当蓄电池端电压过高或者过低时双向变换器应停止工作以防过充或过放对蓄电池造成损害,同时改变光伏电池的控制策略。光储混合系统的工作模式通过控制结构图中K1,K2,K3,K4等开关选择器的相关判定条件进行切换来改变工作模式。下面就图3控制结构图作以下说明。

1)光伏电池通过信号r0来判断应工作在最大功率点还是恒功率模式。 当蓄电池端电压小于Ub，det时K1悬空,相当于r0置0,控制系统对通过中心差分法得到的动态电阻r～进行跟踪以保证光伏电池工作在最大功率点;不满足条件时,K1闭合,信号r0由微电网所需功率与光伏电池输出功率的差值经过PI控制器得到,控制系统对r～+r0进行跟踪,光伏电池工作在恒功率模式。可以看出,信号r0的引入使得光伏电池工作模式的切换更为方便灵活,这正是动态阻抗匹配方法的优点之一。

2)蓄电池采用输出功率的单闭环控制结构。蓄电池实际输出功率与参考值的误差经过PI控制器得到开关S2和S3的触发信号占空比,并经过PWM驱动S2和S3。开关K2,K3,K4用于判断蓄电池的工作模式:当Ppv-Pref>0,K2与反馈线路1相连,这时候功率开关管S3停止工作,进一步判断蓄电池端电压是否小于Ub，det,若是,K3闭合,双向变换器工作在Buck状态,蓄电池充电;若不是,K3断开,变换器停止工作。当Ppv-Pref<0,K2与反馈线路2相连,开关管S2停止工作,进而判断蓄电池端电压是否满足条件Ubat>Ub，rel,满足则K4闭合,双向变换器工作在Boost状态,蓄电池放电;若不满足,K4断开,变换器停止工作。

上述分析可知,通过开关K1,K2,K3,K4的选择即可灵活控制光储功率协调控制系统的工作模式,这种方法直观、简洁,在最大限度利用太阳能的工况下使微电网中光储功率协调控制系统得到合理的功率配送。

3仿真验证

根据如图3所示的微电网中光储功率协调控制系统控制示意图,搭建了仿真模型对本文提出的方法进行了仿真验证。其中,光伏阵列由5×20(前者表示串联数,后者表示并联数)的SunPower公司的SPR-305-WHT型号光伏电池组件构成,其具体参数见附录A表A1;蓄电池选择600Ah容量,过充保护电压为259.96V,过放保护电压为208.56V; 假设微电网需求光伏发电系统输出功率恒为25kW。

3.1光伏电池MPPT控制策略仿真研究

基于上述条件分别采用了电导微增量法、动态阻抗匹配法以及基于中心差分法的动态阻抗匹配法对光伏阵列的最大功率点进行跟踪。由于短时情况下环境温度变化不大,故仅考虑光照强度变化对光伏阵列输出功率的影响。假设3s内光照强度变化如图4所示。 采用3种方法的仿真结果如图5所示。

由图5可以得到如下结论。

1)在0.7s和2.3s光照强度迅速下降时,传统电导微增量法出现了误判,表现为光伏电池输出电压升高(0.7s)或骤降(2.3s),输出功率出现0的情况,这也是电导微增量法的缺陷之一,在文献[6]中已作过详细分析,这里不再展开。当光照强度上升时,光伏电池输出电压振荡剧烈(1.5~2.0s),输出功率也随之出现波动。而另外两种方法在光照强度剧烈变化的情况下,输出电压相对平稳,均能保证光伏阵列功率的稳定输出。

2)跟踪速度方面,电导微增量法速度最慢,动态阻抗匹配法次之,而基于中心差分法的动态阻抗匹配法跟踪性能最为优良。动态阻抗匹配法存在轻微的超调,这使得其跟踪速度变慢。

3)稳态精度方面,由于电导微增量法设计了死区,稳态时未出现输出功率振荡的情况。动态阻抗匹配法的稳态精度和电导微增量法差不多,在光照强度为1 000 W/m2的情况下,光伏阵列的输出功率均在30.5kW,这两种算法都具有一次代数精度。 而结合中心差分法后,由于具有了二次代数精度,算法在稳态误差控制方面明显更好,从图6(b)中可以看出,相同的光照强度条件下,结合中心差分法后光伏阵列输出功率稳定在30.52kW,比前两种方法具有更高的稳态精度。

综上所述,3种方法中基于中心差分法的动态阻抗匹配法性能最为优良。为改善MPPT的跟踪速度和稳态精度,仍有很多先进的控制算法,但相比动态阻抗匹配法,它们显得更为复杂,不适合在工程中运用。而结合中心差分法后,仅需要在一次算法迭代过程中多一次采样就能获得更高的稳态精度, 实现起来方便简单。

3.2微电网中光储混合系统控制策略仿真研究

根据外界环境以及蓄电池自身情况及时切换光伏电池和蓄电池的控制策略,对提出的光储混合系统控制策略进行仿真验证。光储混合系统分别工作在模式1至模式4,其仿真结果如下。

图6所示为光储混合系统工作在模式1和3的仿真图。

微电网需求功率仍为25kW,0.4s时启动光伏电池的MPPT控制,光伏电池输出功率随光照强度而发生变化。当光伏电池输出功率大于微电网需求功率的时候,系统工作在模式1,蓄电池处于充电状态,蓄电池端电压缓慢上升;当光伏电池输出功率小于微电网需求功率的时候,系统工作在模式3,蓄电池放电,其端电压下降。可以看出,蓄电池能够根据光伏电池输出功率迅速切换充放电模式,并改变充放电电流,仿真过程中微电网功率波动很小。其中, 蓄电池端电压以及输出电流如图6(c)所示。

图7为光储混合系统工作在模式1和2的仿真图。该仿真在图7(a)所示的光照强度下进行,光伏电池最大输出功率始终大于微电网所需功率。根据图7(a)和(b),初始阶段蓄电池进行恒流充电控制, 这段时间信号r0始终为0;当蓄电池端电压超过设定值时,不能再对蓄电池进行充电,这时候需要光伏电池工作在恒功率模式,信号r0由微电网所需功率与光伏输出功率的误差经过PI调节器得到。可以看到,当端电压超过设定值时,关断双向变换器,蓄电池输出电流很快减小到0,光伏电池输出功率经过波动后稳定在25kW。

系统工作在模式3和4的仿真如图8所示。

0.9s时光照强度发生变化使得光伏电池输出功率低于微电网需求功率,蓄电池工作在放电状态; 约1.3s时检测端电压低于设定值,这时候双向变换器停止工作,系统由工作模式3切换到工作模式4,这时候微电网将光伏发电系统当成“负”的负荷处理,不参与功率协调控制系统的调度。

4结语

本文将中心差分法与动态阻抗匹配相结合,根据调节动态阻抗时MPPT状态变化给出了一种实用的MPPT控制方法,并将其应用于光储微电网协调控制系统中,提出了计及光伏发电系统最大功率跟踪工况的光储微电网功率协调控制方法。该方法简单快捷,且易于工程应用,使得光储微电网工作模式的转换更为灵活、稳定、可靠。最后,利用仿真实验平台搭建了光伏发电系统与储能系统协调运行的微电网实验模型,验证了在外界环境变化的工况条件下,通过本文提出的基于动态阻抗匹配的光储微电网功率协调控制方法可以实现光储微电网的协调互补运行。

CDMA450无线信道功率配置 篇8

我省CDMA450网络历经了三年时间的大发展, 网络由发展期进入了成熟期, 面对投资成本逐渐压缩和用户规模不断扩大的状况, 功率资源的有效利用就显得尤为重要, 它直接决定着覆盖、容量和质量, 是当前CDMA450网络持续发展的瓶颈。因此, 如何有效利用功率资源、提升网络性价比是当前CDMA450网规网优的重点。

二、CDMA450无线信道概述

在CDMA系统中, 功率资源是系统最宝贵的资源, 它直接决定着覆盖、容量和质量, 在基站和终端功率一定情况下, 覆盖、容量和质量可以相互转化。CDMA无线信道分为前向信道和反向信道, 基站发往终端称为前向信道或正向信道, 主要表现为功率受限;终端发往基站称为反向信道, 主要表现为干扰受限。其中前向信道包括导频信道、寻呼信道、同步信道和业务信道, 反向信道包括接入信道和业务信道。各信道通过Walsh正交复用后同时发射出去, 由于它们在同一PN码载波上发送, 因此各个信道都有相同的功率容限增益和链路损耗参数。但不同信道类型有不同的基带数据速率, 它们所需的载干比也不同, 因此基站采用不同的发射功率来满足不同的要求。

1、前向信道

●导频信道 (F-PICH) :帮助手机捕获系统、进行信道估计、作相干解调、多径搜索提供相位参考、切换时手机测量导频信道, 进行导频强度比较。

●同步信道 (F-SynCH) :主要传输同步信息, 用户终端利用此同步信息进行同步调整, 同时还提供用户终端选用的寻呼信道数据速率。

●寻呼信道 (F-PCH) :寻呼信道用来向用户终端发送控制信息, 当一个终端要接收呼叫时, 终端将按照指定的寻呼信道接收来自基站的寻呼。另外, 在终端接入信道的接入请求之后对消息进行确认。

●业务信道 (F-TCH) :是基站向终端传送业务信息的信道。此外, 还必须传输必要的随路信令, 如功率控制和过境切换指令等。

2、反向信道

●接入信道 (R-ACH) :与前向信道的寻呼信道相对应, 每个寻呼信道可以对应多个接入信道。用于终端登记、发起呼叫或对基站寻呼信道的寻呼信号作出响应等。

●业务信道 (R-TCH) :由终端向基站传输语音、数据和必要的信令信息。

●导频信道 (R-PICH) :初始捕获、跟踪、反向相干解调、功率控制测量

●补充信道 (R-SCH) :主要用于传送数据呼叫过程中SU的数据信息

三、无线信道功率分配原则

1、总原则

1、充分利用现网功率资源;2、公共信道与业务信道覆盖一致。

2、无线信道功率分配

●基站发射总功率:Ptotal=Ppil+Psync+NpPpag+KtrafαMPtraf

其中Ptotal为基站的发射功率;Ppil为导频信道功率;Psync为同步信道功率;Ppag为寻呼信道功率;Ptraf为业务信道功率, 不同速率的取值不同;Np为寻呼信道数;Ktraf为用户分布系数;α为业务信道语音激活因子, 不同速率的取值不同;M为系统激活用户数, 当存在多种速率时, 需要分配不同速率上

●导频信道功率分配方程:Ppil=[Nm·ρpil·L (R) /Gpil]/[1-Kf (ρpil+ρsync/Gsync+Np·ρpag/Gpag+Ktraf·α·M·ρtraf/Gtraf) ]

●同步信道功率分配:Psync=[Nm·ρsync·L (R) /Gsync]/[1-Kf (ρpil+ρsync/Gsync+Np·ρpag/Gpag+Ktraf·α·M·ρtraf/Gtraf) ]

●寻呼信道功率分配:Ppag=[Nm·ρpag·L (R) /Gpag]/[[1-Kf (ρpil+ρsync/Gsync+Np·ρpag/Gpag+Ktraf·α·M·ρtraf/Gtraf) ]

●业务信道功率分配:Ptraf=[Nm·ρtraf·L (R) /Gtraf]/[1-Kf (ρpil+ρsync/Gsync+Np·ρpag/Gpag+Ktraf·α·M·ρtraf/Gtraf) ]

Nm为系统底噪;Kf为系统干扰系数;ρpil为导频信道解调门限;Gpil为导频信道扩频增益;ρsync为同步信道解调门限;Gsync为同步信道扩频增益;ρpag为寻呼信道解调门限;Gpag为寻呼信道扩频增益, 不同寻呼速率取值不同;ρtraf为业务信道解调门限, 不同速率取值不同;Gtraf为业务信道扩频增益, 不同速率取值不同;L (R) 为距离基站R处的传输损耗;

因此, 解调门限、接收机噪声功率、传播损耗、用户分布、系统干扰直接影响和决定了各个信道的功率分配。一般根据经验值各信道功率配比如下:

3、信道分配参数

●导频信道增益:导频信道增益是反映导频信道的强度的一个量。该参数设置的大小直接影响基站覆盖范围, 设置太小容易造成覆盖盲点, 设置太大容易造成基站业务信道功率资源不够, 具体需结合基站话务量、用户分布情况进行配置。

●同步信道增益:该参数值应该和导频信道配合一起使用。

●寻呼信道增益:用于描述系统每个寻呼信道上的配置情况和使用情况。该参数值应该和导频信道配合一起使用。

4、信道分配参数与信道功率的转换关系

在CDMA450中, 信道功率是通过信道参数进行设置的, 它们有一定的换算关系, 但不同厂家转换关系各不相同, 现针对华为和中兴两个设备厂商分别进行介绍:

●中兴系统

导频信道增益:PILOTCH_GAIN

●换算公式: (X-255) /4 (单位:dB)

●说明:假设设置值为X, 那么它对应的dB值就是 (X-255) /4。如设置值为225, 那么它对应的dB值就是 (225-255) /4=-7.5dB, 功率占比为17.78%。

同步信道功率和寻呼信道功率计算方法同导频信道。

●华为系统

导频信道增益:PILOTCH_GAIN

●换算公式:X/4 (单位:dB)

●说明:假设设置值为X, 那么它对应的dB值就是X/4。如设置值为-28, 那么它对应的dB值就是-28/4=-7dB, 对应的导频功率为43-7=36dBm。

同步信道功率和寻呼信道功率计算方法同导频信道。

四、无线信道功率对网络的影响

1、无线信道功率设置不合理, 导致前向功率不足, 业务信道拥塞率上升。

●现象:1.导频强度和移动台接收功率较好, 移动台的TX_GAIN_ADJ保持5秒 (移动台的Fade Timer计时器) 不变, 然后移动台重新初始化又上到原服务导频上;

2. 话统分析时发现前向功率不足次数较多, 且业务信道拥塞率较高。

●原因分析:前向公共信道占用过多功率、则覆盖能力扩大, 但留给业务信道用的功率减少, 致使前向功率不足, 业务信道拥塞率上升。

●优化措施:1.检查前向信道功率配置情况, 如下图;2.在综合考虑覆盖与容量的平衡后, 降低导频信道功率, 同步信道和寻呼信道功率作同步调整, 故障现象消失。

2、无线信道功率设置不合理, 导致导频污染严重, 用户接入困难。

●现象:用户反应通话质量差, 接入困难。

●原因分析:通过路测发现, 该地区同时收到4个强导频信号, 而且没有特别突出的主导频, 说明影响通话质量的主要原因是存在导频污染, 详见下图:

●优化措施:调整相应导频信道增益大小, 突出主导频, 减少导频污染。操作如下:

M O D PLT C H:C N=1, SC TID=1, C R RID=11, PLTCHGAIN=227;

MOD SYNCH:CN=1, SCTID=1, CRRID=11, SYNCHGAIN=187;

MOD PCH:CN=1, S CTID=1, C R R I D=11, PCHGAIN=208;

3、无线信道功率设置不合理, 形成干扰, 致使网络指标下降。

●现象:孝昌北部磨山、小河、九隆、四方山、松林岗、花园、青山等站掉话率劣化。

●原因分析:公共信道功率设置过大, 造成越区覆盖, 对其它小区形成干扰, 影响用户通话质量, 掉话率上升。如下图:

●优化措施:调整孝昌北部磨山、小河、九隆、四方山、松林岗、花园、青山等基站功率参数, 将导频功率由默认值-28降低至-33, 以降低该区域导频污染问题, 网络质量得到较大改善。掉话率由优化前的1.09%降至0.87%。

4、公共信道功率设置不合理, 导致欠覆盖或覆盖不足, 影响用户通话。

●现象:某基站覆盖区域内用户反映信号强度较差, 易掉话。

●原因分析:话务统计显示该站忙时话务量在15Erl左右, 前向负荷在70%、反向负荷20个用户, 该站前期已升高天线挂高, 但效果不明显, 说明该站导频功率偏小, 覆盖半径小, 在小区边缘处终端不能解调小区信号, 致使用户困难或易掉话。

●优化措施:将导频功率上调到-20 (0.25dB) 、寻呼、同步信道功率作同步调整、业务信道最大功率设置值由-44 (0.25dB) 调整为-36 (0.25dB) 。话务统计显示, 掉话有所改善, 再无用户投诉。

五、CDMA450无线信道功率优化建议

CDMA450无线信道功率配置需结合话统分析、路测指标和用户投诉等多种因素进行综合分析, 同时不同设备厂商配置参数也不同, 现以CDMA450中兴和华为系统为例进行说明, 详见下表:

表中绿色部分为系统默认值, 红色部分为建议值, 华为系统的导频增益参数调整范围为-40—-21, 一般设置为默认值, 在具体优化配置时还需结合话务量、用户分布、地域等因素进行综合考虑:

1、按用户分布情况

●在密集城区:覆盖一般不成问题, 主要是容量受限, 一般可以降低公共信道的发射功率, 以缩小覆盖范围来获得更大容量。

●在广覆盖区域:一般希望覆盖更远些, 可以在保证最低容量的情况下来尽量提高信道的发射功率, 以便扩大覆盖。

2、按基站话务量

●高话务基站:根据情况导频信道配置为221-223之间 (中兴) ;

●低话务基站:一般选默认值;

3、按地域

●基站较密集的区域:一般导频信道配置为221-223之间 (中兴) ;

●基站较少的地区:一般选默认值;

●高山站 (海拔在700米以上) :一般导频信道配置为221-223之间 (中兴) ;

●平原和丘陵站:一般选择默认值。

六、总结

CDMA功率资源是很宝贵的资源, 各信道功率配置应综合考虑覆盖、容量和质量间的平衡, 合理优化功率资源。在日常维护网优中, 各信道功率配置需结合话统分析、路测数据、用户投诉等多种因素进行综合分析, 并针对不同时期、不同阶段、不同区域的无线信道功率进行合理分配, 优化公共信道与业务信道的功率配比, 有效利用现网功率资源, 提升网络性价比。

参考文献

[1]CDMA蜂窝移动通信

[2]CDMA无线网络规划与优化

通信系统中射频功率测量的应用 篇9

1 通信系统中射频功率的测量

在现代通信系统中, 发射端的基带信号会利用D/A转换器的转换功能而变成模拟信号, 并且转变到中频, 通过滤波的功能最终变成射频信号。而在接收端, 则会采用与发射端恰好相反的过程, 接收端的接收信号通过低噪声的放大以后, 便会变成中频, 再通过滤波转变成基带模拟信号, 随后利用A/D转换器的转换功能变成基带信号。不难看出在现代通信系统中, 功率测量的准确性在其中发挥着不可替代的重要作用。在一般情况下, 功率测量的方法有四种, 即等效热检测法、均方根到直流变换检测法、二级管检测法以及对数放大检测法。由于篇幅的限制, 本文就不作过多的论述, 只对其在通信系统的应用进行分析。

2 通信系统中射频功率测量的应用

从目前来看, 通信系统中射频功率测量的应用主要有两个方面, 即接收信号强度指示和ATPC或者是AGC。下面本文对此进行分析与讨论。

2.1 接收信号强度指示

接收信号强度指示检测从实际意义上来说是一个开环检测, 它主要是将功率检测的输出作为一个强度指示, 同时还可以把功率检测出的输出利用A/D转换器的转换功能, 将其转变成数字信号。其中A/D的精度与反映的准确性成正比, 而A/D的精度越高, 其反映的准确性也越大。接收信号强度指示在现代通信系统中的应用十分普遍, 其功率检测方法也有许多种, 例如logamp检测法、检波管检测法等。

2.2 ATPC或AGC的控制

在射频功率测量的整个过程中, 最常见的应用是实现AGC的功能控制。在通信系统的接收端, 通过射频功率检测出的输出信号可以对可变增益放大器进行合理地控制, 从而使得AGC的电路输出一直保持在自身所需要的一个电平值范围内。而在通信系统的发射端, 也可以用检测功率的输出信号对发射侧的可变增益放大器进行控制, 从而满足控制输出功率的要求, 这种功能也是ATPC所具备的功能。但是在这里需要值得特别注意的一点是, 这里指的AGC并不是AGC在一般情况下的意义, 一般意义上的AGC主要是指检测功率地输入在相应的范围内发生变化时, 输出值不会发生任何变化, 而本文中所说的AGC主要指的是输出的电平值为了满足通信系统的要求而科学合理的自动设置不同的输出电平值, 同时相应的功率测量也要设置不同的电平值, 从而满足不同的设置要求。本文就对AGC的两种控制方案进行了如下地分析与讨论, 其中一种是模拟的, 而另一种则是数字的。

1) AGC的模拟控制。

AGC的模拟控制的响应时间比较快, 具有比较简单的控制环路。在按照严格的响应时间要求的前提条件下, 这是一个相对而言比较好地选择。通过定向耦合器得到射频功率检测器的输入, 而功率检测器的输出驱动到一个积分配置的运算放大器, 根据电压值的参考与运算放大器的正输入端来进行连接。当检测器的输入电压比较小的时候, 运算放大器的输入与其成反比例关系, 便会变大, 而可变增益放大器的输出也随之相应地变大;当检测器的输入电压比较大的时候, 运算放大器输入便会变小, 而可变增益放大器随之变小, 直到检测器的输出电压请与电压的参考值相符时, 便说明环路达到了稳定的状态。对环路响应时间的控制主要通过对RC的参数进行调节而实现的。现在有的器件已经把这两者有效结合在一起, 从而减少了运算放大器。当系统的电压参考值不变的时候, 即AGC输出的电平值恒定时, 这个时候检测器的动态范围并不是很宽广, 只是简单地要求它在电压参考值附近的温度稳定性必须较高。当通信系统的电压参考值发生变化的时候, 此时检测器的动态范围必须要非常宽广, 而且其温度的稳定性也必须要求很高。

2) AGC的数字控制。

本文假设功率放大器输出功率为40d Bm, 利用定向耦合器传输到天线中, 其中定向耦合器的耦合系数大概在20d Bm, 为了能够满足logamp检测要求中的输入动态范围要求, 就需要对耦合器输出的信号进行衰减后, 再输送到射频功率的检测其中。检测器输出的rms的电压利用转换器A/D的转换功能, 变成数字信号, 随后将数字信号进行处理, 再利用转换器D/A的转换功能变成模拟信号, 并用这个模拟信号对IF可变增益放大器进行控制, 最终实现自动增益控制的目标。AGC的数字控制, 具有控制精度比较高的优点, 对于比较复杂的控制算法可以进行很好地处理。但是由于控制信号必须要先后经过转换器A/D、数字处理、D/A转换器等功能才能得到, 因此增加了环路的响应时间, 使得环路的响应时间与AGC的模拟控制相较而言要比较长一些, 这主要是由于数字环路的处理时间而决定的。所以, 在对环路响应时间有着严格要求的通信系统中, AGC的数字控制运用将会在一定程度上受到限制。

3 结论

在实际的通信系统中, 对于检测各种RF功率的方法各种各样, 并且每种检测方法的优势都有所不同。因此, 可以根据通信系统对于测量精度、工作频率等要求的准确性以及成本等因素而选择相应合理的检测方法。但是无论选择任何一种方法, 都必须要谨慎仔细地选择电路设计的参数, 从而使之能满足功率检测器的输出和输入要求以及通信系统的各种要求。

摘要：在现代通信系统中, 射频功率在其中发挥的重要作用日益凸显出来, 从而得到了越来越广泛地运用。在通信系统的发射机和接收机的设计中, 功率测量的准确性对于整个设计而言, 有着十分严重的影响。本文对通信系统中射频功率测量的应用展开了详细地分析与讨论, 以期促进其进一步地发展应用。

关键词：通信系统,射频功率,测量,应用

参考文献

[1]高见芳, 高金定, 张建军, 等.基于对数检测法的射频功率测量电路设计[J].现代电子技术, 2011, 34 (19) :130-132.

[2]丁芳军.基于遗传神经网络的射频功放行为模型研究[D].电子科技大学, 2014.

[3]阮有志.TD-LTE射频功率放大器研究[D].东南大学, 2011.

无线传感器网络功率自适应研究 篇10

一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用,它可以成功地应用于环境监测和设备监测等领域。然而,在随机动态组网且要求每个节点数据采集高可靠性的应用场合下,网络中有些节点间的距离超过了无线收发器的最大通讯距离或者节点间的障碍物影响了通讯的可靠性,此时采用多跳的方式也无济于事。基于IEEE802.15.4协议[1]的无线传感器网络具有复杂度低、成本少、功耗小的特点,但在保持较高通信速率时实测通信距离只有100 m左右(基于Crossbow公司的Micz节点)。为此,设计了一种功率自适应传感器网络,在增加通讯距离的同时考虑了功耗的控制措施。

1 网络特征分析

基于IEEE802.15.4协议的无线传感器网络能够成功地用于环境监测,同样也能够成功地用于设备检测。下面针对一个具体的应用场景来分析其网络特征。物流中的货物放置在货场上,每个货物到来和提走的时间不确定,货物在货场上摆放的位置是随机的,货物之间的距离在5～300 m范围内。需要通过设备查询某一特定货物数据,而且要求货物数据必须准确。

将基于IEEE802.15.4传感器节点应用于该场景中,利用传感器网络技术实现货物数据的准确获取。假设一个货物对应于传感器网络的一个节点,查询设备定义为一个sink节点,则从网络的角度分析,这样一个应用场景具有以下特征:

① 网络拓扑不固定,但节点移动速度为零;

② 节点之间的距离无法确保在射频距离之内;

② 数据传输高可靠性要求;

④ 低功耗要求。

基于以上的网络特征,提出了一种功率自适应传感器网络解决方案。基本思想是:在基于IEEE802.15.4协议的射频收发器的输出端增加放大电路,弥补其发射功率小、通讯距离近的不足。当节点分布密度比较大、节点间的距离比较小、利用多跳的传输方式实现数据的可靠传输时,传感器网络中的节点会自动关闭放大电路,达到节省功耗的目的。下面详细描述功率自适应传感器网络的协议、硬件电路设计及软件实现。

2 功率自适应传感器网络

为了实际测试与验证功率自适应传感器网络的概念和实现方法,在具体的研究过程中采用了Crossbow Mote系列中的MICAz节点模块。该节点支持适用于无线嵌入式传感器网络的开源操作系统,即TinyOS。该操作系统除了实现双向通信之外,还提供实时调度算法和节能算法。

在上述平台基础上,首先定义了功率自适应协议,然后在MICAz节点模块的基础上分别进行了硬件和软件的设计与实现。

2.1 功率自适应协议

图1描述了sink节点对超范围节点进行数据查询的过程。各个节点周期性地向sink节点发送本节点ID,使sink节点随时知道当前可达节点集合。当sink节点所要查询的节点A不在当前可达节点集合时,sink节点发布广播命令,打开各节点的放大电路,等待接收节点A的应答;若在规定时间内获得节点A的应答,则发布对节点A的单播命令查询数据。当节点A收到发给自己的查询数据命令后,则将采集的数据通过多跳的方式发送到sink节点。sink节点收到节点A的数据后,再一次发布广播命令,关闭各节点的放大电路。

2.2 硬件实现

为了实现节点间更远距离的通讯,提高数据传输的可靠性,在MICAz原有的电路基础上增加了放大电路[2],如图2所示。

放大电路由2个SWITCH和1个PA Module构成。其中SWITCH的切换状态由4个MICAz上的CPU引脚加以控制,决定了不同的电路工作状态。通常情况下各个节点在发送、接收数据时都不使用放大电路,只有要查询数据的节点不在sink节点当前的查询范围时,通过接收sink节点发布的广播命令在发送数据时打开放大电路,接收数据时关闭放大电路。放大电路工作状态如表1所示。

2.3 软件实现

传感器网络节点分sink节点和其他传感器节点。sink节点完成网络的控制和管理,其他传感器节点完成数据的采集和传输。因此sink节点和其他传感器节点的软件实现有所不同。

为实现功率自适应协议,对于其他传感器节点,根据crossbow公司提供的基于tinyos的示例XMTS310编写了应用程序LowPowerNodeApp。对于sink节点,在LowPowerNodeApp上添加了自适应功率控制模块、数据查询模块和节点管理模块。运行XMTS310程序的节点能够采集传感器数据,主动将其发往sink节点,并且提供命令接口以响应sink节点发布的命令。但是为了降低功耗,应用环境要求节点在没有需求的情况下停止数据的采集和传输,并且能够实现对放大器功率的控制。因此对XMTS310的应用层加以改进,使sink节点通过发布控制命令完成对其他传感器节点的管理,包括功耗控制和数据查询[3],程序框架如图3所示。

整个程序分为3层:PHY&MAC、网络层和应用层。

PHY&MAC层完成对各种传感器的控制和无线信道的管理。其中Sensors模块完成传感器信号的采集和量化;Radio模块集成了MAC层协议IEEE802.15.4,完成对发送数据的打包和对接收数据的解析。

网络层中RoutControl采用MultiHop[4]路由算法为数据的传输选择合适的路由,Bcast模块判断收到的广播或单播帧是否有效,若无效则丢弃该帧,否则将根据广播或单播帧所要控制的目的节点是否为本节点,决定继续转发该命令还是将该广播或单播数据传递到应用层作处理。AM是数据发送接收的接口[4]。

应用层完成数据处理和传感器节点控制。Xcommand模块对控制命令进行解析,针对不同的命令做出响应。SensorControl控制传感器何时进行数据采集并进行数据打包。sink节点的应用层除了上述2个模块外还包括自适应功率控制模块、数据查询模块和节点管理模块。自适应功率控制模块通过对于图3中微处理器输入输出PIN(CTRL1,CTRL2,CTRL3,CTRL4)的设置实现对网络中传感器节点发送功率的控制;数据查询模块完成各个传感器节点数据的汇集;节点控制模块维护一个可达节点集。

3 测试环境与测试结果

测试环境如下:

① 使用了5个节点,搭建不同的拓扑环境进行测试,每个节点提供不同的固定信息可供查询;

② 使用PC机和ID为0的节点组成sink节点,提供控制查询服务,PC机和0 节点之间以串口RS232方式通讯,对其他节点的控制、查询命令通过PC机控制0 节点发布。

分步对传感器网络进行测试,测试拓扑结构图如图4所示。

① 使用不带放大电路的节点,此时节点间的通讯距离在开阔地带大约100 m,在图4(a)所示的节点分布拓扑结构中,sink节点只能查询到节点A的信息;

② 将各节点加放大电路,采用上文提出的功率自适应控制策略,对不同的拓扑情况进行了测试。

在图4(a)、(c)、(d)(节点间以墙体作为障碍)的情况下,各节点的放大电路自动打开,sink节点可以正确收到A、B、C、D处的货物信息。在图4(b)的情况下,由于节点距离较近,不使用放大电路sink节点可以正确收到A、B、C、D处的货物信息。对于图4 (e)的情况,sink节点只能正确收到A、B、C处的货物信息[5]。

在测试中模拟了货场的环境,测试数据验证了本文提出的功率自适应传感器网络解决方案的可行性、可靠性。

4 结束语

本文实现了一种功率自适应传感器网络,解决了基于IEEE802.15.4协议的传感器网络因节点发射功率小、通讯距离较近、不能适用于动态组网且不能确保节点距离在射频距离之内、又要求数据采集高可靠性、传感器节点低功耗的应用场合之问题。实际测试结果表明,功率自适应传感器网络具有较大的通讯覆盖范围,且实现了数据的可靠传输以及对节点功耗的有效控制。

参考文献

[1]WANG Q,XU K,HASSANEIN H,et al.Minimum Cost Guaranteed Lifetime Design for Heterogeneous Wireless Sensor Networks(WSNs)[C].Proc.IEEEIPCCC,2005:599-604.

[2]PANJ,HOU Y T,CAI L,et al.Topology Control for Wireless Sensor Neworks[C].Proc.ACMMOBICOM,2003:286-299.

[3]王涛,刘建辉.基于ARM微处理器的uC/OS-II的移植研究[J].微计算机信,2005,21(7):75-76.

[4]WOO A,TONG T,CULLER D.Taming the Underlying Challenges of Reliable Multihop Routing in Sensor Networks[C].The First ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems(Sensys’03),Los Angeles,CA,USA,2003:161-165.