CN213818202U - 基于低空平台的电力无线专网网络架构 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种基于低空平台的电力无线专网网络架构，属于无线通讯领域。所述基于低空平台的电力无线专网网络架构包括：设备终端；地面接入基站，与所述设备终端通信通讯连接，用于收集来自所述设备终端的信息；低空平台汇聚基站，与所述地面接入基站通讯连接，用于收集所述地面接入基站传递的信息并将其上传至核心网。增设低空平台汇聚基站，将传统电力无线专网的两层网络架构变为三层网络架构，解决了基站密集化下基站建设成本高和基站管理效率低的问题。

Description

基于低空平台的电力无线专网网络架构

技术领域

本实用新型涉及无线通讯领域，具体地涉及一种基于低空平台的电力无线专网网络架构。

背景技术

电力无线专网是用于承载电力系统监控业务、用电信息采集业务以及电力运行管理业务等的专有通信网络。随着工业物联网及其相关技术的不断进步，无线传感器网络大面积使用，造成终端设备激增，基站需要处理的网络服务量将异常巨大，对电力无线专网的通信能力将形成巨大的考验。随着5G时代来临，新一代的移动通信系统将使得基站更为密集化。

传统的电力无线专网为两层网络架构，包括设备终端和地面接入基站，若继续保持现有的网络架构，地面接入基站无法被统筹管理，需要大面积的建设地面接入基站以应对设备终端的激增，从而造成基站建设成本变高和高密度分布地面基站管理难度更大的问题，所以为了适应基站密集化的现状，需要创造一种基站建设成本和基站管理效率高的新型电力无线专网网络架构。

实用新型内容

本实用新型实施方式的目的是提供一种基于低空平台的电力无线专网网络架构，以至少解决上述的基站建设成本变高和高密度分布地面基站管理难度更大的问题。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供一种基于低空平台的电力无线专网网络架构，所述基于低空平台的电力无线专网网络架构包括：设备终端；地面接入基站，与所述设备终端通信通讯连接，用于收集来自所述设备终端的信息；低空平台汇聚基站，与所述地面接入基站通讯连接，用于收集所述地面接入基站传递的信息并将其上传至核心网。

优选的，所述设备终端、所述地面接入基站和所述低空平台汇聚基站均包括用于通讯连接的通讯模块。

优选的，所述设备终端与所述地面接入基站之间的通信采用基于TD-LTE标准的电力无线专网。

优选的，所述地面接入基站与所述低空平台汇聚基站之间的通信采用基于IEEE802.11b标准的WiFi。

优选的，所述地面接入基站与所述低空平台汇聚基站之间的基础结构网络为基本服务集网络的星型网络拓扑。

优选的，每一低空平台汇聚基站与其覆盖范围内的所有地面接入基站通信，复用IEEE 802.11b标准的信道1、6和11。

优选的，每一低空平台汇聚基站及其覆盖范围内，采用地面接入基站主动申请时隙的动态时隙分配算法作为冲突避免机制。

优选的，所述低空平台汇聚基站的覆盖模型采用空地传输路径损耗模型。

优选的，所述低空平台汇聚基站的覆盖方案根据所述地面接入基站的部署状态决定。

优选的，所述低空平台汇聚基站为可移动式基站，根据所述地面接入基站的部署状态的改变而进行相适应的位置调节。

通过上述技术方案，在传统的电力无线专网两层网络架构的地面基站上方的低空平台增设汇聚基站，每一低空平台汇聚基站与其覆盖区域内的所有地面接入基站建立通讯连接，负责收集来自地面接入基站层传递的信息，并将其上传到核心网，有效应对了当前无线传感器网络的广泛应用，通过增设低空平台汇聚基站，实现地面接入基站之间的业务协调，提高了基站的管理效率，也提高了地面接入基站的利用效率，降低了基站的建设成本。

本实用新型实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型实施例，但并不构成对本实用新型实施例的限制。在附图中：

图1是本实用新型一种实施方式提供的基于低空平台的电力无线专网网络架构结构图。

附图标记说明

10-LAP汇集基站；20-地面接入基站；30-终端设备。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型实施例，并不用于限制本实用新型实施例。

此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致相等”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供一种基于低空平台的电力无线专网网络架构，所述基于低空平台的电力无线专网网络架构包括：设备终端30；地面接入基站20，与所述设备终端30通信通讯连接，用于收集来自所述设备终端30的信息；低空平台汇聚基站，与所述地面接入基站20通讯连接，用于收集所述地面接入基站20传递的信息并将其上传至核心网。

优选的，所述设备终端30、所述地面接入基站20和所述低空平台汇聚基站均包括用于通讯连接的通讯模块。

在本实用新型实施例中，设备终端30与地面计入基站时间的通讯模式与常规两层网络架构的通讯方式没有差别，利用原有的通讯模块进行设备终端30与地面接入基站20之间的通讯连接。随着工业物联网及其相关技术的不断进步，智能电网定会被逐渐纳入万物互联，无线传感器网络的广泛应用势必会使得设备终端30的数量激增，这对于电力电网的通讯能力将行程巨大的考验，需要不断提高电力电网的通讯能力来适应日益增长的设备终端30。现有的两层网络架构电力专网建设成本较高、对量大面广的海量设备终端30的信息交互能力不强，正因为当前网络架构发展受到建设成本高和管理效率低的问题，使得两层网络架构发展无法适应无线传感器网络的应用发展，针对此问题，优选的，在传统两层网络架构的基础上，在地面接入基站20的上方低空平台(Low Altitude Platforms,下称LAP)设置LAP汇聚基站10，LAP汇聚基站10负责收集来自地面接入基站20层传递的信息，并将这些信息上传的核心网。所以，地面接入基站20还需要与LAP汇聚基站10建立通讯连接，因为设备终端30与地面接入基站20之间交互的信息资源量远远小于地面接入基站20与LAP汇聚基站10之间交互的信息资源量，所以两个传输关系之间的通讯方式优选为不同，则地面接入基站20与内传统的通讯模块将无法进行与LAP汇聚基站10之间的通讯连接。优选的，在地面接入基站20原有的通讯模块上进行新的通信模块功能升级，一方面减少功能升级的成本投入，另一方面根据传输负载选择不同的通讯方式，可以提高通讯通道的利用效率，减少资源浪费。

优选的，所述设备终端30与所述地面接入基站20之间的通信采用基于TD-LTE标准的电力无线专网。

在本实用新型实施例中，设备终端30而与地面接入基站20之间采用TD-LTE标准的电力无线专网通讯是目前最常用的技术手段，采用这种通讯方式的传统两层网络架构分布广泛，为了减少因为系统升级而造成的大量资源浪费，优选的，在进行网络架构升级过程中，保持设备终端30与地面接入基站20之间的通讯模式不变，用户在使用过程中不需要对自己的设备终端30进行任何硬件升级，降低网络架构升级的普及难度。地面接入基站20同样也可以继续使用与设备终端30之间的通讯模块，减少网络架构建设过程中的成本，提高三层网络机构的实用性能。

优选的，所述地面接入基站20与所述低空平台汇聚基站之间的通信采用基于IEEE802.11b标准的WiFi。

在本实用新型实施例中，三层无线专网网络架构采用的是树状分布，即一个LAP汇聚基站10负责接收多个地面接入基站20上传的消息，而一个地面接入基站20又负责获取其覆盖区域内大量设备终端30上传的消息，所以，一个汇聚基站间接负责的设备终端30的量特别大，在如此多的设备终端30需要进行网络服务时，极容易产生传输速率不足、成本过高、延迟加大和接入请求服务冲突的诸多问题，所以，传统的无线局域网无法满足如此量大面广的信息传输，针对此问题，优选的，地面接入基站20与LAP汇聚基站10之间的通讯采用基于IEEE 802.11b标准的WiFi。IEEE 802.11b WiFi的带宽最高可达11Mbps，与普通的10Base-T规格有线局域网几乎是处于同一水平。通过使用IEEE 802.11b标准的WiFi，可以使得地面接入基站20与LAP汇聚基站10之间的通讯具有传输速度块、覆盖范围广、可靠性高、互用性好和平衡性能好的优点，保证了地面接入基站20与LAP汇聚基站10之间的稳定连接，高效工作，提高了基站的管理效率。

优选的，一个低空平台汇聚基站与其覆盖范围内的所有地面接入基站20通信，复用IEEE 802.11b标准的信道1、6和11。

在本实用新型实施例中，LAP汇聚基站10覆盖范围内存在多个地面接入基站20，LAP汇聚基站10与地面接入基站20之间的通讯基础结构为基本服务集网络(Basic ServiceSet，下称BBS)的星型网络拓扑，LAP汇聚基站10作为无线接入点进行过工作，则地面接入基站20就为普通节点，在LAP汇聚基站10与覆盖区域内所有地面接入基站20复用IEEE802.11b标准的信道1、6和11。在地面基站和LAP汇聚基站10之间进行数据传输时，包含数据的数据帧依次经过网络层接口、Mac 802.11模块层、ath9k模块层和硬件层，由硬件产生时隙定时器中断，时隙定时器中断程序在ath9k模块层执行。当分配的相应时隙到来时，发送缓存在Mac 802.11模块层的数据；若发送过程中出现冲突或硬件队列满，将数据帧暂存到Mac 802.11模块层的缓冲区，数据帧发送时计算该时隙当前允许的最大发送数据量，多个帧在一个时隙连续发送时，在下一帧发送前计算最大数据发送量，若该帧超过允许的最大数据发送量，则不允许发送，而是缓存在Mac 802.11模块层中；最大数据发送量计算如下：最大数据发送量＝硬件发送速率×(SWBA定时器到期时间-当前时间)。

优选的，每一LAP汇聚基站10及其覆盖范围内，采用地面接入基站20主动申请时隙的动态时隙分配算法作为冲突避免机制。

在本实用新型实施例中，当一个LAP汇聚基站10同时与多个地面汇聚基站进行通讯服务时，难免在一个时刻有多个基站发起接入请求，所以需要LAP汇集基站10与地面接入基站20之间有足够完备的冲突避免机制。IEEE802.11b标准的冲突避免机制采用地面接入基站20主动申请时隙的动态时隙分配算法，禁用CSMA/CA冲突避免机制，禁用物理载波侦听和虚拟载波侦听，禁用信道空闲随机退避机制，禁用节电模式。对于每一LAP汇聚基站10，在该LAP汇聚基站10及其覆盖范围内，即一个BBS网络中，选择LAP汇聚基站10作为网络的同步基准节点，TFS时钟作为系统时钟，LAP汇聚基站10周期性广播包含TFS定时器时间戳的同步帧，同一BBS网络中的地面接入基站20将自己的时间戳同步为接收到的同步帧中的时间戳，并添加一定的补偿值，补偿值通过在LAP汇聚基站10时隙产生的触发时刻添加一个延迟替代，利用CSMA/CA中的SWBA定时器产生时隙，SWBA周期值为时隙宽度，每产生一个SWBA中断即产生一个时隙。地面接入基站20在一个复帧内发送请求帧，一个复帧包括一个时间同步时隙、一个时隙请求时隙和一个业务子帧时隙；在LAP汇聚基站10接收到请求帧后，更新本地时隙表，在下一复帧内，如果地面接入基站20接收到更新后的时隙表，则按照所分配时隙在业务子帧的对应时隙中发送数据，如果地面接入基站20接收到的更新后的时隙表中无分配给自己的时隙，则地面接入基站20启动退避机制；地面接入基站20在申请时隙时，先进行当前LAP汇聚基站10广播时隙表的查看，寻找是否有空闲时隙可供申请，如果有空闲时隙，则发送请求帧。在发送的请求帧中说明请求的时隙数x，x默认为1，当需要发送的数据帧较多时，x可自定义。若时隙申请成功，该时隙在x个复帧内为该地面接入基站20所用，x个复帧后该时隙由LAP汇聚基站10回收，时隙回收过程如下：由LAP汇聚基站10在时隙表中删除该基站的(IP短地址，ID号)状态序对，时隙表中剩下的状态序对按ID号从小到大重新排序。

优选的，所述低空平台汇聚基站的覆盖模型采用空地传输路径损耗模型。

在本实用新型实施例中，为了实现LAP汇聚基站10对其覆盖区域内所有的地面接入基站20进行高效管理，也为了高效利用每一个LAP汇聚基站10，使得每一个LAP汇聚基站10都能在有效工作状态下尽量对接更多的地面接入基站20，优选的，在进行LAP汇聚基站10布置时，选用的覆盖模型为空地传输路径损耗模型。由国际电信联盟提供的视距(Line ofSight,下称LoS)概率模型和Friis电波传播模型构成。其中，国际电信联盟提供的LoS概率模型将传播环境建模为位于正方形网格中的一组阻碍物，郊区、城区、建筑密集城区或高楼城区的三维阻塞物用三个特征参数(a、b、c)表征，a表示阻碍物占总用地面积的百分比；b表示每平方公里用地面积中阻碍物的平均数量；c表示障碍物的尺度参数。根据这三个参数获得的LAP的覆盖半径R与LAP汇聚基站10距离地面高度h_c之间的关系，可以模拟出LAP汇聚基站10在保证与覆盖区域内所有接入基站在足够连接成功概率下能够覆盖的区域最大化，提高LAP汇聚基站10的使用效率。

优选的，所述低空平台汇聚基站的覆盖方案根据所述地面接入基站20的部署状态决定。

在本实用新型实施例中，地面接入基站20的分布形状和密度均会影响LAP汇聚基站10的部署产生影响，因为LAP汇聚基站10的覆盖区域为标准的圆形区域，而地面接入基站20的分布形状和密度是无规律分布的，为了保证LAP汇聚基站10的覆盖区域被高效利用，需要获取地面接入基站20的详细部署方案。例如，LAP汇聚基站10的准备部署区域为城市或密集厂区，这种区域为大片区域内地面接入基站20密集部署，该区域的终端和地面接入基站20的量都特别大，所以需要处理的业务资源量也很大，为了保证所有业务请求都能在极短的时间获得反馈，优选的，LAP汇聚基站10采用含重叠区域的正六边形全覆盖方案，并复用地面接入基站2014个信道中的1,6,11信道，且相邻小区信道互不相同，降低同信道的干扰。处于多个LAP汇聚基站10的重叠区域的地面接入基站20可以选择性与覆盖该区域的多个LAP汇聚基站10进行通讯连接，根据LAP汇聚基站10负荷程度进行选择，保证在业务资源请求峰值阶段，也能被多个LAP汇聚基站10协调高效处理。LAP汇聚基站10架设在区域内的上空，每个LAP汇集基站10与相邻的6个LAP汇聚基站10组成6个等边三角形，该等边三角形的边长由架设的LAP汇聚基站10的覆盖半径确定，优选的，设置为

地面基站处理分布在城市区域和密集厂区区域，还会在郊区、单个厂区和分布密度严重不均匀地区，无论是何种工况的地面接入基站20分布情况，都需要针对LAP汇聚基站10的覆盖模型进行LAP汇聚基站10的利用效率最大化。例如，针对郊区地面接入基站20分布方式往往为大片区域内地面接入基站20稀疏部署特制，选择无重叠区域的全覆盖方案，即一个地面接入基站20仅对应一个LAP汇聚基站10，在保证该区域内所用地面接入基站20被LAP汇聚基站10覆盖的前提下，架设尽量少的LAP汇聚基站10；针对单个厂区地面接入基站20部署方式常为条形区域内地面接入基站20较密集部署，则LAP汇聚基站10选用线性LAP汇聚基站10部署方案，即根据地面基站分布形状进行针对性的跟随布置；针对分布密度严重不均匀地区在居住聚集区存在较为密集的地面接入基站20分布，而在其他区域就为特别稀疏的地面接入基站20布置的特质，选择混合区域覆盖方案，即将大块的分布密度严重不均匀地区分解为多个具有小范围分布规律的地面接入基站20分布区域。然后根据这些小范围的地面接入基站20分布特质，进行针对性的小区域LAP汇聚基站10布置，从而实现大面积的LAP汇聚基站10大面积覆盖。根据地面计入基站的实际部署状态进行LAP汇聚基站10覆盖方案调整，可以实现最LAP汇聚基站10的使用效率最大化，减少通讯资源浪费，提高基站的管理效率。

优选的，所述低空平台汇聚基站为可移动式基站，根据所述地面接入基站20的部署状态的改变而进行相适应的位置调节。所述部署状态包括地面接入基站部署位置的环境改变和部署密度改变。

在本实用新型实施例中，在LAP汇聚基站10使用过程中，可能出现对LAP汇聚基站的覆盖模型产生影响的环境信息改变，例如新建建筑物，新生植物和地形变化等，优选的，在发生LAP汇聚基站10覆盖模型变化后，根据环境变化进行当前区域的特征三维参数进行针对性的三维参数优化，将变化后的环境信息纳入参考范围，并根据新的三维参数优化LAP汇集基站10覆盖模型，重新计算LAP的覆盖半径、架设高度和架设位置，根据重新生成的LAP汇集基站10架设方案进行LAP汇聚基站10的位置调整，直到问题解除。根据具体环境、地形、遮挡物等因素，针对覆盖盲点或盲区，微调LAP汇聚基站10位置。保证所有地面基站都能够准确的与LAP汇聚基站10建立稳定的通讯连接，避免因为具体环境影响导致二者的连接强度降低，导致接入概率降低，使得后期基站管理时造成管理失效等问题。

以上结合附图详细描述了本实用新型实施例的可选实施方式，但是，本实用新型实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型实施例的技术构思范围内，可以对本实用新型实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本实用新型实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型实施例的思想，其同样应当视为本实用新型实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，所述基于低空平台的电力无线专网网络架构包括：

设备终端；

地面接入基站，与所述设备终端通信连接，用于收集来自所述设备终端的信息；

低空平台汇聚基站，与所述地面接入基站通讯连接，用于收集所述地面接入基站传递的信息并将其上传至核心网。

2.根据权利要求1所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，所述设备终端、所述地面接入基站和所述低空平台汇聚基站均包括用于通讯连接的通讯模块。

3.根据权利要求1所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，所述设备终端与所述地面接入基站之间的通信采用基于TD-LTE标准的电力无线专网。

4.根据权利要求1所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，所述地面接入基站与所述低空平台汇聚基站之间的通信采用基于IEEE 802.11b标准的WiFi。

5.根据权利要求4所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，所述地面接入基站与所述低空平台汇聚基站之间的基础结构网络为基本服务集网络的星型网络拓扑。

6.根据权利要求5所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，每一低空平台汇聚基站与其覆盖范围内的所有地面接入基站通信，复用IEEE 802.11b标准的信道1、6和11。

7.根据权利要求6所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，每一低空平台汇聚基站及其覆盖范围内，采用地面接入基站主动申请时隙的动态时隙分配算法作为冲突避免机制。

8.根据权利要求7所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，所述低空平台汇聚基站的覆盖模型采用空地传输路径损耗模型。

9.根据权利要求8所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，所述低空平台汇聚基站的覆盖方案根据所述地面接入基站的部署状态决定。

10.根据权利要求9所述的基于低空平台的电力无线专网网络架构，其特征在于，所述低空平台汇聚基站为可移动式基站，根据所述地面接入基站的部署状态的改变而进行相适应的位置调节。

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