智能电表的通信难题及实用的解决方案介绍

智能电表和其他“智能能源”设备和仪器的通信和连接需求对设计人员和开发人员提出了严峻的挑战。

让我们来了解一下智能电表的通信难题，并了解当前设备是如何解决这些难题的。然后，我们将考虑应如何解决这些难题来提供具有成本效益且能满足未来需求的实用智能电网解决方案。

下图1显示了智能电网网络架构的示例，将有助于理解为什么灵活性和多模是新一代智能电表的关键部署属性。

图1

灵活性和多模：新一代智能电表的关键部署属性

解决方案基于各种各样的技术，因地理位置、当地网络基础设施标准和质量而异。

HAN(家域网)或 BAN(楼域网)使用短距离无线标准(如 ZigBee、Thread、WiFi和蓝牙)将家电设备连接到智能电表。它还可以使用PLC(电力线载波)有线技术。

NAN(邻域网)使用星形网络拓扑结构，如蜂窝 M2M(GPRS、3G、LTE MTC、NB-IoT、LPWAN)将每个电表直接连到基站，并使用云或网状网拓扑结构，如 PLC 或 802.15.4g 将所有智能电表节点聚集到 DAP(数据聚集点)，而该 DAP 将使用蜂窝 M2M(GPRS、3G、LTE MTC)直接连接到基站或通过以太网直接连接到云。

灵活性

解决方案必须要有足够的灵活性才能支持上面列出的所有标准，其中的部分标准仍在开发中，可能需要现场更新和远程升级。

例如 PLC 技术已经被多家标准组织进行过标准化，如 IEEE P1901.2、PRIME(基于电力线的智能电表演进标准)和 G3，并且这些技术标准均提供多种不同的数据速率和频率带宽。各个国家也都派生了不同的 PLC技术分支 版本来针对自己的电网具体情况进行优化。

迄今为止，仍然没有一个通用的互操作性标准来管理智能电网的通信，也可能永远都不会有!

多模

多模也是必备的设置，因为大多数使用情况下都要求多个功能同时运行。欧洲和亚洲城市部署的NAN网状拓扑结构需要并发支持 PLC 和 802.15.4g，因为一个节点可能通过 PLC 连接到一个节点，同时通过 802.15.4g 连接到另一个节点。

超低功耗

虽然插电智能电表有主电源，但不插电计量设备必须要用两节 AA 电池运行 5 到 10 年，这要求空闲和峰值功耗都要进行非常仔细的优化。

超低成本

为使智能电表得到快速而广泛的部署，整个 HAN/NAN 通信模块的物料 (BOM) 成本应在 15 到 20 美元之间。

现有的通信解决方案使用以硬件为中心的调制解调器。这种调制解调器不能升级以跟上标准的演变和国家特定版本的变化，因此不能支持现场更新。

所以多模系统是异构的，因为它们包含众多零散、独立的基于硬件的调制解调器。从能耗、性能、成本和面积的角度来看，这种异构解决方案也不够完美。另外它们需要的上市时间也比较长。

为了使用低成本、低功耗的解决方案解决这些难题，软件定义调制解调器 (SDM) 应运而生。这些调制解调器应采用一个统一的高性能处理器，而这个处理器可以运行多个 PHY 和协议，并具有真正的实时操作系统 (RTOS) 来支持并行任务，同时最大限度地减少任务切换和MAC 到 PHY的延迟。

这些灵活通信引擎的核心是可编程的DSP架构，如 CEVA-XC5 和 CEVA-XC8，因为支持多种通信标准，所以使开发人员能够实现软件定义调制解调器而不必额外使用硬件。这样使架构不仅能缩短上市时间，还能降低风险，因为它们能满足未来的需求，可以在产品生命周期内通过现场升级固件，跟随标准的演进。不同国家的技术需求，通过软件层面的定制即可满足，这样的解决方案有更好的规模经济效益，能进一步减少系统解决方案所需的BOM成本。

下一步：“智能化”并连接其他仪表

为使这些系统更具挑战性，上图仅显示了三分之一的全球智能电表，即插电电表。

事实上，目前的智能电网主要是关注智能电表，但下一步就是“智能化”并连接所有其他仪表，包括水表、热水表和燃气表。

虽然这些其他仪表每天只需用上行链路传输几个字节，并且下行链路传输的数据更少，但它们的互连却比电表更有难度，因为它们没有内置电源，因此需要能耗非常低的电路连接，可以在电池不另外充电的情况下运行 5 到 10 年。另外他们可能安装在难以到达的地方，如地下室、地下或水下，这些地方接收无线信号可能也有一定难度。因此链路的预算需要非常高，将会决定技术的选择。出于这些原因，只有蜂窝 MTC(Cat-M、NB-IoT)、LPWAN(例如 LoRa、Sigfox、...)和 WiFi 802.11ah 这些技术可供选择。