0 引言
2010年11月，國家發改委、工信部等六部門聯合發布了《電力需求側管理辦法》(以下簡稱《辦法》)，為提高電能利用效率，促進電力資源優化配置，保障用電秩序，要求有關部門和各地從2011年1月1日起全面實施電力需求側管理。《辦法》規定，電網企業應加強對電力用戶用電信息的采集、分析，為電力用戶實施電力需求側管理提供技術支撐和信息服務。230M無線電力負荷管理系統(以下簡稱“系統”)是其中主要的技術支撐之一，承擔著對用電現場各種用電信息的實時采集與用電管理的任務，不僅具有全面的采集功能，而且還具備遠程控制功能。系統通過230M無線電臺實現系統主站與用電側終端之間大量數據和命令的傳遞，系統的數傳效率直接影響到系統的性能及其功能的發揮，以及系統所能容納的終端數量。隨著窄帶無線通信技術的發展，系統數傳速率也在不斷地提高，已從以往普遍使用的1．2kbps逐步提高到目前最高的19．2kbps，速率雖提高到原來的16倍了，但系統實際的巡測效率僅提高到原來的2倍左右，出現了所謂的“高速未高效”的情況。
1 高速未高效的原因及對策
目前的無線電力負荷管理系統對終端數據的巡測過程可由圖1表示，其中粗實線部分都為占用無線信道的時間，粗虛線部分為不占用的時間。一般地，系統主站巡測時發送的數據召測命令報文的長度為幾十個字節左右，終端應答報文的長度有長有短，不超過255個字節。
考慮到電臺的性價比，目前國內系統都選用了模擬通話臺配調制解調器的方案實現系統數傳，電臺發送前的信道建立時間一般至少需要100ms；另據系統終端實際運行情況測得，終端處理命令組織應答報文及發送準備時間一般需要250 ms，其中包括終端電臺建立信道時間100 ms；并根據實際情況假設：召測命令報文長20字節，應答報文長128字節，據此，我們可以列出采用不同數傳速率巡測時平均一臺一次召測過程所需的時間及其空中傳輸時間占比，如表1所示。
從表1我們可以發現：隨著傳輸速率成倍地提高，一次數據召測的總時間T的下降幅度腳沒有折半降低，當速率達到19．2kbps時，相對9．6kbps，T的下降幅度r只有16％，遠沒到50％，也就印證出現了“高速未高效”的情況。
再看，隨著傳輸速率成倍地提高，數據在空中傳輸的時間占比R在不斷的下降，當速率達到19．2kbps時，R已降到了20％以下，這說明隨著傳輸速率成倍地提高，由提速而減少的數據空中傳輸時間在召測過程總時間中的占比在不斷地下降，正是由于占比的大幅下降，使提速的貢獻率也隨之大幅下降，造成了“高速未高效”，因此，要使提速的效果能真正體現在實際的巡測效率上，就應該提高空中耗時的占比，也就要設法減小T1和T3。
2 信標模式及其超幀周期
IEEE 802．15．4b是低速無線個域網(LR-WPAN)物理層和媒體訪問控制層規范，在LR-WPAN網絡中，有兩種通信模式可供選擇：信標使能通信和信標不使能通信。在信標使能的網絡中，網絡協調器定時廣播信標幀，網絡中設備(即：節點)都通過協調器發送的信標幀進行同步工作。一旦節點收到信標幀后就按協調器規定的時間間隔發送接收數據。
信標模式當中規定了一種叫“超幀(superframe)”的格式，如圖2，其中，GTS(guaranteed time slot)表示確保服務的同步時隙。在超幀周期的開始，由協調器發送信標幀，信標幀含有一些時序以及網絡的信息，緊接著是競爭接入時期，在這段時間內各節點以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時期，各節點采用時分復用的方式接入信道，然后是非活躍時期，節點進入休眠狀態，等待下一個超幀周期的開始。非競爭期內被允許收發數據的設備是協調器根據上一個超幀期間網絡中設備申請通信的情況而指定的某些設備。
3 采用信標模式的系統數傳方案
根據上述分析結果，我們知道解決問題的主要途徑是減少系統數傳時在T1和T3上的時間開銷。我們來看：第一，T1是主站發送報文信道的建立時間，這個時間的最小值是由電臺硬件電路特性決定的，不能任意改小，但當信道建立起來后，主站能連續發送任意個報文給任何終端；第二，T3是終端處理命令組織應答報文及發送準備的時間，其中包含的發送準備時間就是終端發送報文的信道建立時間，與主站的情況一樣，是由終端電臺硬件決定的，也不能任意改小，且包含在乃中的這段時間是占用系統信道的(即圖1中粗實線部分)，而T3的其余部分時間是不占用系統信道的(即圖1中粗虛線部分)，我們可以并應該充分利用不占用信道的這部分時間，通過改變系統主站與終端的交互模式來提高傳輸效率，變“一發一收”為“多發多收”。具體的方案就是：采用信標模式，主站用信標幀組織起超幀周期，并由信標幀分配通信同步時隙給各終端，讓它們在超幀周期內有序發送數據到主站。過程時序見圖3所示。
采取了多發多收的方式后，就出現了要同步這些終端的發送時間，否則就會相互干擾。上述信標模式在非競爭訪問期內，各節點在協調器的統一安排下，根據信標幀中分配的GTS，采用時分復用的方式接入信道，這種模式完全可以借鑒應用于我們解決多發多收中的時間同步問題。我們將系統主站看作是協調器，終端設備即為網絡的各節點，由主站統一安排，通過信標幀分配同步各終端應答報文的發送。
信標幀的結構如圖4所示，信標幀的MAC層數據服務單元由三部分組成：超幀描述字段、GTS分配字段和信標幀負載數據。其中超幀描述字段規定了該超幀的持續時間，活動周期持續時間等信息；GTS分配字段將非競爭期劃分為若干個GTS，并把每個GTS具體分配給各個終端；信標幀負載數據為上層協議提供數據傳輸接口，例如在使用安全機制時，該負載域將根據系統設定的安全通信協議填入相應的信息，通常情況下，該字段可以忽略。
數據幀的結構如圖5所示，數據幀用來傳輸上層發到MAC子層的數據，它的負載字段包含了上層所要傳送的數據，數據負載傳送至MAC子層時，被稱為MAC服務數據單元(MSDU)，它的首尾被分別附加MAC幀頭和MAC幀尾信息后，就構成了MAC層協議數據單元(MPDU)。在無線電力負荷管理系統中，MSDU的內容就是符合《OGDW 376．1—2009電力用戶用電信息采集系統通信協議》、的完整報文。
系統采用原來的如圖1所示的一發一收的方式對一臺終端召測一次需要的時間，從表1可知：19．2kbps速率時，為434．8ms／臺次：而采用了圖3所示的信標模式的多發多收傳輸方案，當速率為19．2kbps時，對7臺終端各召測一次數據所需的時間，我們可以計算得到為：100+ 150+(100+73．3)×7=1463．1ms，平均為209．0ms／臺次，僅為原方案時間的48％，即：平均每臺次的召測時間減少了一半，相應效率也就提高了一倍。
4 總結
基于信標模式的230M無線電力負荷管理系統高速數傳方案成功地將低速率無線個域網相關規范中的“信標模式”及其“超幀周期”等軟件協議技術應用于目前系統，在不改變硬件設備的前提下較好地解決了系統提速后出現的“高速未高效”情況，在19．2kbps的高速下，平均每臺召測時間縮短為原來的一半，效率提高了一倍；同時，由于本方案僅在軟件上進行了技術方案的改進，完全可以通過軟件升級，具備條件的甚至可以采用低成本的遠程升級來實現，因此在工程實施上具有較大的推廣優勢和現實意義。