基于5.8G载波的OFDM调制的输电线路 无线网络覆盖系统
郑子梁，宫瑞邦”，刘刚”，薛剑峰
（1.国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐830011；2.江苏金智科技股份有限公司，南京21000）
摘要：随着智能电网概念的提出、发展，以及电网运营管理工作不断深入的向科技化、综合化、自动化、智能化发展，输电线路的维管工作内容变得越来越繁杂.论文从当前供电系统自身的通信条件、资源和维管区输电线路的现状出发，设计了基于5.8G载波OFDM调制的输电线路无线认证的网络越区切换方法，最后设计了基于5.8G载波OFDM调制的输电线路状态监测装置.仿 网络覆盖系统，给出了系统整体柜架，提出采用沉余路径的无线网络连接方法、基于优先级和自动真结果说明了上述系统的可行性和有效性.该系统的使用可以大大降低系统的运营费用，又可以
严格保证数据的保密性和安全性，使通信系统的覆盖地域更为广泛，组网方式更为灵活.
关键词：5.8G载波；OFDM调制：无线网络覆盖；越区初换
中图分类号：TP393.33文戴标志码：B文章编号：1009-3230（2018）01-0049-07
OFDMModulationBasedWirelessNetworkCoverageSystem for TransmissionLinesBased on5.8GCarrier
2. Wis System Co. Ltd. Nanjing210000 China)
(1. State Grid XinJiang Electric Power Research Institute Urumqi 830011 China;
With the emergence and development of the conept of smart gid and with the deepening of power gridoperation management the work to the science and technology integration automation and intelligent development the maintenance and management work of the tranmission line is being mre andmore plicated. Based on the curent power supply system’s wn munication conditions Thepresent status of reources and maintenance and management area The thesis propoed a wireless net wotk coverage system of transmission line based on 5.8G caier and OFDM modulation and given the overall framework. Then it proposed the wireles network connecticn method based on redundant pathsand the network handoff method based on priority and automatic authentication. Finally the transmis-sion line condition monitoring devices based on 5.8G caier OFDM modulation is given. Simulation re-sults prove the feasibility and effectiveness of the system. The use of this system can greatly reduce the operating cot f th system and nue srictly fidntiality and securityf dataat the tim that make its geographical coverage more extensively and make networking more flexible.
Key words: 5. 8G carrer; OFDM Modulation; Wireless Network Coverage; Handover
营管理工作不断深人的向科技化、综合化、自动化、智能化发展，输电线路的维管工作内容变得越来越多，科技含量也越来越高，直升机巡线、杆塔倾斜在线监测、微气象监控、绝缘子在线监测、
0引言
随着智能电网概念的提出、发展，以及电网运
郊野外，数据通信网络的不畅通在一定程度上限 但是，由于输电线路杆塔大多位于人迹罕至的荒制了各种在线监测系统的更进一步发展和推广应用，从面也影响到了电力部门的工作效率和工作效果[2-.因此，如何能结合目前电力系统的设施现状，建设一种投资性价比高、接人内容多样、数据安全性高、用途广泛的全线路综合在线监测系统，已经成为目前极为重要和紧迫的一项工作内容.
输电线路中信息传输的一个关键技术是无线网络的覆盖和接人技术.从组网速度、成本和难易程度来说，使用电信运营商的公网服务进行无线数据传输是较好的解决方案.然面，公网存在着覆盖范围无法覆盖输电线路全程、服务种类和数据速率无法满足像线路视频监控信息传输等高速率业务的需求、可靠性难以满足电力监测系统的可靠性要求、收费较高、管理困难等缺点.因此，建立专用的无线通信网络，实现输电线路监测信息的可靠、快速传输具有非常重要的现实意义.
由于输电线路系统中的无线路由器的覆盖范围有限，巡检设备每进人一个无线覆盖区时都需要进行身份认证，造成通信暂时中断：巡检设时，需要将巡检设备与当前路由器的链路转移到设备与新路由器之间的链路：巡检设备的功能也分为周期性巡检塔杆状态，发出预警和收到警报维修处理功能s-6].由于无线路由器的可用信道有限，应在已出现故障的区域，给进行维修的设备优先分配信道，并使其获得更大的传输带宽"].
为解决上述问题，文中从当前供电系统自身的通信条件、资源和维管区输电线路的现状出发，考虑到扩容和后期发展的需要，系统还应该同时
覆冰监控、铁塔防外力破坏监测、应急抢修信息化功能需求，提出了基于5.8G载波OFDM调制的等一系列的系统和设备逐步得到了应用和扩充.输电线路无线网络覆盖系统，对系统的结构和关键技术进行研究.仿真验证了关键技术的可行性，为输电线路无线网络覆盖系统的建设提供参考.
1系统设计要求
1.1支持远距离传输
高压输电线路中电压等级越高，往往传送距离越长.110kV的输电线路一般有几十公里，特 高压输电线路通常在几百到上千公里，平均塔距在300~700m左右.因此，所设计的系统应能实现远距离传输.
1.2支持多种数据类型的传输
基于5.8G载波的OFDM（OrthogonalFre-quency Division Multiplexing，正交频分多路复用技术）调制的输电线路无线网络覆盖系统要求支持多种数据形式的传输，根据统一的访问额率进行数据传输，开辟新的高压输电线路数据通信模式.在网络中传输的数据形式主要包括：
（1）音频、视频/图像数据，即安装在铁塔或沿线的输电线路状态监测设备，传输摄像机拍摄的照片及视频.
（2）各种类型的工业测量数据，包括杆塔斜、微气象、绝缘子、红外测温、防外力破坏等等.
（3）双向语音通信数据等.
备从一个无线路由器覆盖的区域进人另一区域1.3基于5.8G载波0FDM调制方式
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术.本无线网络覆盖系统采用OFDM在一定程度上增加了无线网络的传输安全性、稳定性，而且在可靠性上也得到了保证，运用抗窄干扰的能力保证了各种数据的稳定、安全传输.
综上所述，系统建设的设计要遵循可靠性、先进性、安全性、实用性、可维护性、可发展性等原则，要求网络具有较强的灵活性和可扩展性：并且结合系统的设计要求，充分考虑高压输电线路的支持无线信号的无限延伸解决方式，采用无线中
2系统结构
2.1系统整体构架
方法
继模块实现无线信号的中继放大和长距离信号 覆盖.
系统采用有线网络作为信号辐射源展开网络部署，根据网络线路的现有状态（如从就近变电网向无线网络的延伸. 站有线网络与无线中心站就近融合）进行有线专
络的融合实现有线网络信号的无线延伸，IVN900 采用IVN900无线中心站设备通过与有线网无线中心站内置OFDM调制方式进行网络模式调制实现5.8GHz无线信号发射.根据线路长距离分布情况，一般依据距离2-3km增加无线中继设备IVNZ600进行无线信号的放大和增强，保证信号的长距传输.中继铁塔之间根据实际情况配备IVL400无线接人路由设备，进行无线信号的热点覆盖，采用定向天线保证杆塔500m内无线信号全覆盖，天线全部采用基于5.8GHz的120°定向天线组成.其网络覆盖架构如图1所示.
图1基于5.8G载波OFDM调制的输电线路无线网络覆盖架构图
设备功耗及周期覆盖情况，采用基于蓄电池和太阳能板自动电源控制模块，保证系统的长时间供电及功耗需求.
2.2输电线路中基于余路径的无线网络连接
输电线路中基于余路径的无线网络连接方法包括基于余路径的无线信号传输方法、输电线路中多天线技术MIMO（Multiple Input Multiple
Output，多输人多输出）的天线选择方法以及输电 线路中多天线技术MIMO的预编码方法.
2.2.1基于余路径的无线信号传输方法
在如图2所示的下行链路中，中心站设备只能将信息传送给紧挨的中继站1和中继站2，中继站n也只能将信息传送给紧挨的中继站n1和中继站n2.输电线路中基于余路径的的无线信号传输方法是在第一个时间间隔内中心站只将信息传送给中继站1.第二个时间间隔内中心站和中继站1同时将信息传送给中继站2，中继站2接收并比较两个信号，将两个信号中较强的一个信号向下继续传输.避免了中继站1处信号丢失造成输电线路中信息传送失败.第三个时间间隔内中继站1中的信号和中继站2中较强的信号同时传送给中继站3，第四个时间间隔内中继站2中的信号和中继站3中较强的信号同时传送给中继站4.以此类推，将输电线路中的信息依次可靠地传送给各个中继站.当中继站分布间隔相对较小时，采用路径余能够增加输电线路中主干网上信息传输的可靠性.
图2基于余路径的无线网络下行传输图
择方法
输电线路下行链路中多天线技术的天线选择过程是：输电线路中OFDM发端只需要选择一根能够获得最大容量增量的天线向收端发送信号.当中继站1作为接收端时，只需要选择一根能够2）作为接收端时，需要选择两根天线同时进行接 获得最大容量增量的天线接收，当中继站n（n≥收.首先选择一根能够获得最大容量增量的天
线，并在此基础上，选择一根能够获得最大容量增量的天线作为第二根接收天线.
假设接收端要从M根接收天线中选择M.（M，=1或2）根天线，发送端天线数为1，信道噪声为加性高斯白噪声，且其复数的每一维方差为0.5，天线发射的平均信号功率为p.在选择出m（m=1或2）根接收天线时接收端已选出的天线子集对应的信道矩阵为mxN，维的矩阵H.则最大信道容量计算公式为：
图3基于元余路径的无线网络多天线接入系统原理图
2.3输电线路系统中基于优先级和自动认证的 无线网络越区切换方法
=agmx（h（p1 HH)h）（1)
2.2.3输电线路中多天线技术MIMO的预编码
输电线路系统中基于优先级和自动认证的的MT越区切换方法包括巡检移动终端（MobileTerminal，MT）基于优先级的越区切换方法，无线AP（AccessPoint，接人点）对终端的访问接人控技术. 制和自动认证方法，以及无线网络数据加密
方法
多天线技术MIMO的预编码方法是指，发端对发送数据进行编码处理，对编码后的数据进行发送，以减小各接收端之间的信号干扰，提高接收端接收信号的 SINR（SignalInterference Noise Ra-tio，信号干扰噪声比）.按照SLNR（Sigmal-to-leakage-and-noiseratio，信漏噪声比）预编码准则设计出来的预编码不仅能够减小目标接收端对其他接收端的干扰，而且能降低整个系统各接收端之间的干扰，提高每个接收端接收信号的SINR[].
2.3.1基于优先级的越区切换方法
当MT与AP1连接，通过AP1所覆盖的区域并即将离开时，需要进行越区切换.其过程包括如下步骤，如图4所示.
在SLNR预编码准则下，接收端i所对应的预编码向量W，为矩阵H最大特征值对应的特征向量，即WαmaxeigenecorH，其中H为：
H=（HHMo²1)（HH）（2)
假设接收端i的接收天线数为M，H为接收端的MxN的信道矩阵，S.为发送给接收端i的字符向量，W为接收端i的预编码矩阵，则某一字符周期的发射信号为N，维列向量：
图4MT越区切换方法示意图
（1）当前接收到AP1的信号强度小于搜索门限Th1时，MT搜索可连接的AP.
(3)
（2）若当前AP有可用信道，向MT发送可接人的信号.
假设信道噪声为Z，则接收端：的接收信号为M维列向量：
（3）MT根据接收到的多个来自AP的信号按其信号值的大小排序.
(4)
的AP发送建立连接请求.
MT的优先级依次与多个请求接人的MT建立连成功信息；否则发送认证请求，要求MT手动输人接.优先级高的首先接人信道，其余的加人AP的接入队列中等候.
Th2时，断开MT与AP1的连接，启用MT与AP2 （6）当MT与AP1的信号强度小于切换门限的连接.
2.3.2无线AP的访问接人控制和自动认证 方法
无线接人路由设备的访问控制发生在上述步骤的第5步，目的是保证只有巡检人员能接人访问杆塔网络，获取数据.其体方法是：AP通过WPA（Wireless Application Protocol，无线应用协议）的认证结果决定是否允许其介人无线网络中；认证成功后可以根据多种方式动态地改变每个接入用户的加密密钥.对用户在无线中传输的数据报进行MIC（Meage Integity Check，信息完整性校验）认证，确保用户数据不会被其他用户更改）.
AP的自动认证过程是在上述步骤第6步的基础上增加的.MT要将与AP1的连接切换成与AP2的连接，由于MT在接人AP1时已通过了认证和关联，故AP2通过AP1的信息即可认证MT，不必在越区切换时重复输人认证信息，缩短切换时间.其中的认证信息包括MT与AP1的关联号、AP1的mac地址、MT与AP1认证和关联的有效时间、和MT的认证信息.包括如下步骤：
（1）AP1定期向其覆盖区域广播MT与AP1的认证和关联信息.
（2与AP1有重叠的小区的杆塔接收到上述存的移动终端认证信息，确定原先未保存上述
（4）MT选取信号强度大且超过搜索门限的证信息保存.
（3）当收到MT的连接请求时，先查找自身已认证信息.
2.4输电线路系统中基于优先级和自动认证的
无线网络越区切换方法
基于5.8G载波OFDM调制的输电线路状态监测装置主要由数据收集、信息智能处理、5.8C载波OFDM调制和信号发射四个模块组成，其中数据收集模块包括高清摄像头、音频采集设备、温度传感器、压力传感器、气象数据采集设备等组成，完成各类信息的采集工作，并将其传至信息智能处理模块.信息智能处理模块将各类信息根据种类不同采用不同的方式处理，去除多余的信息，保留有用数据，合并成高速的码流并送给OFDM调制模块.信号发射模块由高功率多向天线组成，实现期望信号的最佳发射.
OFDM润制模块大致组成包括OFDM调制和解调两个部分.其中OFDM调制部分主要由串并转换（S/P）、逆傅里叶变换（IFFT）、加循环前缓（CP）、并串转换（P/S）、数模转换（D/A）几个部分组成.OFDM解调是调制的逆过程.调制端将高速的码流由串并转换变成相对低速的码流；N点逆傅里叶变换（快速逆傅里叶变换）实现多载波调制，载波中心频率5.8GHz，N个子载波将信道分成N个子信道并行传输信息.加上循环前缀可以完全消除信号的多径传播造成的符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）；D/A变换得到OFDM已调信号的时域波形.解调段对接收信号进行D/A变换，去除循环前级，得到OFDM已调信号的抽样序列，对该抽样序列作FFT得到原始调制信息序列.
MT与API的认证关联信息后，各自查找本地保3实验结果
基于5.8G载波的OFDM调制的输电线路MT和API的认证信息，然后将MT与AP1的认无线网络覆盖系统实现了区城输电网络的无盲
