基于23OMHz电台通信的集抄算法设计

0 引言
    伴随着科技的不断发展，智能化渐渐成为人们关注的焦点，并在社会和生活的各个角落不断深化，大量的人力物力正源源不断的投入到智能化建设之中。2008年受金融海啸的影响，国家发改委拟大规模投资电力基础设施建设，以拉动内需，应对金融危机带来的影响；另外，电力行业从自身的发展规律出发，也需要将电能量采集与计费系统尽快自动化，在这些背景下，研究电力集中抄表系统替代传统的人工抄表模式成为电力发展研究人员的研究热点。

1 集中抄表系统的特点
    受通信距离的和通信质量的影响，目前的集中抄表系统都只是停留在范围较小的居民小区层面上，集中抄表的基本原理如图1所示。

    每栋居民楼都装有一台集抄器(终端)，负责抄读本栋居民楼的所有电表数据，通常采用的是：RS485、脉冲口等有线方式，由于表的数量较少而且一般比较集中，所以布线不会存在很大困难，通常容易实现。由集抄器向集中器上报所采集到的数据并由集中器(主站)将收集到的各栋居民楼(小区)的电表数据通过 GPRS／CDMA／GSM等方式上报给远端服务器。
    终端抄表和主站上报数据的方式是相对固定的，通常不考虑其他通信方案，由终端向主站上报数据理论上可以采用RS485有线通讯，但是由于距离较远，布线工程很大，通常难以实现。目前比较流行的有两种：采用电力专用的230 MHz电台通讯和电力线低压载波技术。采用电力线载波抄表方案，在传输数据信息时，由于存在干扰噪声大、噪声带宽大、阻抗不确定等因素，导致在电力线上传送信息困难、传输距离有限等问题，而采用电台则可以有效避免或改善这些问题，本文就是针对无线电台通信方式提出的组网方案。

2 电台通信方式
    采用电台通信方式的情况下，终端和主站上都自带了一个无线电台通信模块，负责完成无线电的收发。其基本通信原理如图2所示。

    M为主站，而其他的三角形则是分布在各个楼层、小区的抄表终端。由于采用的调制频率都在230 MHz这个频段内，多台终端同时上报数据的时候会因为同频干扰而导致接收出错，因此，实际操作时在任意一个时刻只允许一台设备发射信号，其他设备都处于监听状态。正因为这点，给建网规模造成了很大的限制。如上图所示，主站的辐射半径R是有限的，由于地理位置等诸多因素的影响，总有些终端会处于主站的辐射盲区之中，这就需要以辐射区域内的终端作为中继间接联系上这些设备。由于无线电台存在同频干扰问题，在建网时要求有一套具有防冲突功能的路由机制，下面提出一种给予侦听信道空闲思想的无线电台路由算法。

3 路由策略
    路由策略大致分为两个部分：发起建网策略和后期维护策略。首先分析初始建网的路由方案及建网过程。
3．1 中心主站发出建网命令
    帧结构在遵循“国家电力负荷管理系统数据传输规约”的基础上加入只含主站地址 A0的一条地址链表消息。该帧以广播的形式发出，且重复三次，以确保覆盖范围内的所有终端都能够接收到。主站广播完之后侦听信道空闲状态。这就要求所有的终端、主站必须设定一个建网收发等待时间值，每台终端可在出厂时分配由N秒到kN秒之内的一个任意值，k和N的值需要通过实验来确定。
3．2 一级终端接收到主站广播时做出的响应
    当终端M1接收到主站建网广播时，将广播地址加入自己地址A1，组成地址链表L1：AOA1保存起来并丢弃之后收到的所有建网命令帧，同时侦听信道的空闲状况，如果在它的等待时问T内没有接收到任何消息，则将该地址链表分别以建网命令帧和回应建网命令帧的形式广播出去，并继续侦听重新等待，侦听过程中收到任何消息都将重新等待时间T。
3．3 非一级终端接收到建网命令时做出的响应
    这类终端保存自己接收到的最短地址链表，链表的最后一个地址加入自身的地址Ax，并存储x条备用链表，选择其中一条最优链表在经过相应的空闲等待时间后分别以建网命令帧和回应建网命令帧的形式广播出去。丢弃接收到比已保存的链表长的所有建网命令地址链表。
3．4 主站、终端对回应建网命令帧的响应过程
    主站提取接收到的建网回应帧中的地址链表并保存起来，对于相同目的地址的链表选择最短的进行保存更新；终端接收到地址链表中包含自己地址、且以中继形式出现的建网回应帧时，在链路空闲状态下将该帧广播转发出去，且加入该帧已被转发标识，继续侦听信道消息，对于接收到的、以自己为目的地址或者链表中不含自己地址的建网回应帧一概丢弃，对于接收到的曾经转发过的帧也做丢弃处理。
    整个建网发起过程就完成了。虽然建网时采用侦听空闲机制进行收发的思想来尽量避免多台终端在能够造成相互干扰的范围内同时发送数据，但由于发送时数据的调制以及发送都需要一定的时间来完成，所以接收时的同频干扰依然是存在的，无法排除有些本该能与主站正常取得联系的终端由于各种因素而未联系上主站。此时，主站需要补发搜寻命令帧来搜索未能登记终端Mx，地址链表为Mm(主站)Mx。当终端收到搜寻命令帧时，分两种情况：第一种，Mx即为自己，则在空闲时段内发送该地址链表Mm.....Mx的广播建网命令回应帧；第二种，目的地址不是自己，则将自己的地址Mt加入地址链表形成Mm.....MtMx以搜寻命令帧的格式发送出去。
    广播建网的整个流程中，除了主站首次广播发起建网命令帧广播三次以外，其他所有的数据帧均只发送一次，以缩短建网时间，同时也可以降低建网过程中的相互干扰和等待的复杂性。当主站已经联系上所有终端的时候，停止发送广播建网和搜寻命令，只接受终端回应建网命令进行路由优化。这样，由于所有终端接收到非丢弃帧的回应命令不会重复发送，整个网络内会因为没有主站命令而最终停止广播行为，从而达到建网完成时自动停止的目的。
    第二就是后期维护。也就是在成功完成建网之后，为使整个网络实时畅通所必需采取的维护检测行为。主站可以在空闲时段(如夜间)与每个终端发起一次检测通信会话，以确认通信的完好性。如果在通信的过程中某个终端的通信出现障碍，则其中继终端必须将该错误信息上报到主站进行登记，主站完成一次完整的检测通信会话之后，针对搜集到的所有通信出错终端集中发起一次广播搜寻，主站超出等待时间后记录下出错情况，上报远端服务器。
    最后，分析一下建网完成后的正常通信过程。当主站需要与非一级终端通信时，按照主站上存储的最优路由链表发出命令请求后，对应的中继将会将该命令层层转发，一直到目标终端，中继终端必须在空闲状态向主站发送回应帧汇报两路链接状态。若某个中继超时未能发送回应，主站应进行一定数量的重试，若始终不能成功，则选择备用路由联系目的终端，同时记录出错终端，以备空闲时段的维护检测。

4 总结
    此路由策略的最大特点就是引入了侦听空闲思想，合理利用每个时问段来进行数据通信，而且可以使多个不处于同一干扰范围内的区域在同一时间段内各自互不影响地自由通信，突破了同一时刻只能有一台设备发出广播的限制，理论上能够大大提高建网速度和效率；其次，每台终端只保存自己与主站的通信路径而不必管理需要以自己为中继的其他设备，这样就大大简化了终端的路由管理；第三，突破了传统的无中继方式，有效扩大了通信范围，降低了终端发射功耗和通信费用；第四，每个终端都可以作为路由，简化了组网设备结构和软件结构，可以节约一定运营成本，同时也为管理终端设备提供了便利。
    由此可见，基于空闲检测机制的无线电台路由策略在确定合适的k和N后，理论上是可行的，也是很有实际意义的。