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输电线路在线监测的无线传感器网络通信抗干扰技术研究
摘要：目前的架空输电线路状态自动监测系统中,传感器获取的监测数据大多是使用无线无线公网GPRS/CDMA 通信技术，监测系统需要长期租用电信部门的通信服务,费用高。无线传感器网络是一种低成本、低功耗的无线网络，采用无需申请频点的短距离通信技术。输电线路的传感器节点呈辐射长链状分布,数量相对较少,传输数据量大，传感器节点的电源可以采用太阳能蓄电池供电、激光供电、取能电源等多种电源供给方法，因此传感器节点能量相对不受限。为获取较好的网络性能而需要提高节点发射功率。在较大发射功率的又会带来新的问题，将会造成节点间严重的信道竞争和干扰,影响网络传输实时性。所以研究输电线路在线监测的无线传感器网络通信抗干扰技术是非常有必要的。

关键词：输电线路在线监测、无线传感器网络、抗干扰技术

1.输电线路在线监测
输电网络覆盖广阔、地理复杂、运行环境恶劣、巡线困难、维护工作量大。从近几年的欧美大停电到2008年中国南方罕见的冰雪灾害都证明了输电线路的重要，也证明了输电网络的脆弱。
正由于输电线路运行过程中会出现一些问题，所以对于输电线路采用线路巡视的方式，以便掌握线路运行的状况，及时发现设备缺陷和隐患。但目前的输电线路运行维护方式仍较多采用传统的人工巡线方式，存在着设备落后、工作量大的缺点。要保证输电网络安全稳定运行，解决人力资源紧缺和线路长度不断增长的矛盾，需要转变生产管理模式，引进先进的输电线路运行状态在线监测技术和先进的离线监测设备，建立监控中心，为实现从“周期巡检”到“状态检修”的转变提供信息收集、分析处理及设备评估等技术支持。
输电线路在线监测技术是指直接安装在线路设备上可实时记录表征设备运行状态特征量的测量系统及技术,是实现状态监测、状态检修的重要手段,状态检修的实现与否很大程度取决于在线监测技术的成功与否。
先进的传感器是实现预测性维修的重要手段,也是一个长期的研究热点。因为故障诊断技术的发展首先取决于能否获取尽可能多的有用信息,这是数据处理和诊断决策的基础。一些原来用于军事方面的传感技术已有一部分移植到电气设备的状态监测上来,如光纤传感器等。目前的研究重点是发展集成化、阵列化、智能化的传感器和压敏、热敏及气敏等敏感元器件产品。

2.无线传感器网络
电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给用户。它具有如下特点：
1、 大规模网络
为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义:一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点;另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。
2、自组织网络
在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播散大量的节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达的危险区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳网络系统。.
3、 能量有效的网络
由于传感器节点靠电池供电，同时节点经常部署在恶劣环境或人类不易到达的区域且传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，因此如何设计能量有效的网络，以延长网络的生存时间是无线传感器网络的首要目标。
4、 动态性网络
传感器网络的拓扑结构可能因环境条件变化、电能耗尽以及新节点的加入而改变。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。
5、 应用相关的网络
不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像互联网一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。

3.存在的问题
用于工业监测领域的传感器网络与用于军事侦察领域的有所差别,特别是用于输电线路监测数据传输的ZigBee网络存在以下特点:传感器节点呈辐射长链状分布,数量相对较少,传输数据量大;传感器节点的电源可以由导线电流感应获得,因此传感器节点能量相对不受限,为获取较好的网络性能而需要提高节点发射功率,节能成为次要因素。而主要的问题是节点能量相对不受限,在较大发射功率的情况下,会造成节点间严重的信道竞争和干扰,影响网络传输实时性。

4.解决方案
网络协议栈中减轻或者消除干扰的技术主要分为两类:一是从物理层的角度，通过多信道、定向天线等方式来减轻相同频带的重叠。二是从上层协议栈的角度通过干扰感知的算法减轻干扰。
4.1物理层的角度
4.1.1信道分配问题
信道分配问题具有如下两个特征:
1、要从一个可用信道集合里面挑选一些信道，分配给一组无线通信链路，以减少它们之间的通信干扰;
2、如果两个无线通信链路在空间上很接近，而且所使用的信道相同或者在频谱上很接近，那么这两个链路之间必然产生通信干扰。
总体来说可以分为静态分配和动态分配两类。
1、 信道静态分配：
在信道静态分配问题中，网络的拓扑给定，而且不随时间发生变化，另外可用的信道和相应的干扰限制也往往给定。因此，信道静态分配问题往往退化为数学上的整数规划问题。根据优化目标和干扰限制的不同，信道静态分配可以分为如下几种:
最小阶分配问题：
如果能够轻易地找到一个信道分配使得所有链路的通信都不相互干扰，那么往往希望寻找一个代价最小的分配方式。一般来说，使用的信道数目越多，需要支付的费用越多.因此，在这种情况下，往往希望找到一个信道分配使得整个网络的通信相互不干扰，同时所用信道数目最小。这种分配方式称为最小阶分配。
最小间隔分配问题：
跟上一个分配问题相似，也需要寻找一个代价最小的分配方式，但是与上一个分配问题不同的是:我们需要为网络所占据的整个频段付费，即所分配信道中最小信道到最大信道所跨越的整个频段。因此，这时总是希望寻找一个分配使得网络通信不干扰，同时还要保证最大信道与最小信道间的频谱间隔最小。
最小干扰分配问题：
以上各种分配问题总是把不干扰作为必须满足的限制条件，而优化其他目标。然而，事实上，在很多情况下无法找到一个分配使得这种不干扰的条件得到满足。因此，往往需要选取合适的干扰描述函数，把网络总干扰作为优化目标，寻找一个分配使得网络总干扰在满足一定公平性的条件下最小这种最小干扰的分配方式成为了信道分配问题描述的一种最常用的形式。
最大服务和最小阻塞分配问题：
如果不能够或者很难找到一个信道分配使得可用信道能够满足所有链路的通信不相互干扰，那么只好退而求其次:尽可能多地给每个节点分配信道，以使其获得尽量多的通信服务。这种分配称为最大服务分配。然而，这样的分配方式可能会导致一些极端情况的出现:大部分节点都获得了要求的信道数，但是有一些节点只获得非常少的信道，根本不足以满足其基本的通信需求。针对这种情况，有些学者提出了阻塞率的概念，通过优化分配信道使得整个网络的阻塞率最小，这种分配被称为最小阻塞分配。
2、 信道动态分配：
无线通信质量往往是时变的，从而导致网络的拓扑结构和链路间的干扰关系也随着时间发生改变。因此，静态地分配给节点或链路一些信道往往不能有效地克服干扰，动态地分配信道成为必须。与信道静态分配不同，信道动态分配必须有效地跟踪网络的变化对信道的分配做出相应的调整。这种分配方式更为复杂，根据信道分配准则的不同可以分为如下两类:
基于请求的分配方式：
在这种分配方式中，针对节点的信道请求，搜索可用信道并把第一个搜索到的信道分配给该节点。这种分配方式是最为简单直接的动态分配方式，但是它将导致那些在搜索树中比较浅的信道在整个区域中大量重复使用，这会导致信道总体使用效率不高。另外这种分配方式往往需要收集整个网络的干扰情况和信道需求情况，从而导致较大的额外通信负载，影响网络通信的效率。
自适应的分配方式：
一般来说，当网络负载较大的时候，静态的分配方式克服干扰的效率也是比较高的，这是因为此时不存在分配的信道在实际中未被使用的情况;当网络负载较小的时候，动态的分配效率高。因此，自适应分配方式在网络负载大的时候采用比较稳健固定的方式分配信道，而在负载小的时候采用变化较快的信道分配方式，从而提高整个分配的效率。具体的来说，节点总是在感知各个信道上的通信干扰状况，从而选择一个最合适的信道使用策略。显然，各个信道干扰状况是随着网络拓扑和通信状况而发生变化的，因此节点选择的信道也是随之而变的，而且，在负载大的时候，干扰状况稳定，从而信道使用稳定;在负载小的时候干扰状况多变，从而信道选择多变。
无线传感器网络中的信道分配问题：
近年来，无线传感器网络在智能家居、环境监测以及医疗方面的应用越来越多，从而造成了执行不同任务的多个无线传感器网络共存于同一地理区域的现象。这使得本来就规模大节点密度高的无线传感器网络中的通信干扰问题更加突显;另外，在民用环境中，也大量存在着其他无线网络如无线局域网，它们也使用着与无线传感器网络相同的频段(即2.4GHz和900MHz)，这就进一步加剧了无线传感器网络中的干扰问题。无线传感器网络中现有的主流信道访问控制协议(MAC)如T-MAC、B一MAC以及S一MAC等都使用一个信道负责整个网络的通信，在干扰如此急剧增加的形势下，这些单信道MAC协议显然是不能有效地解决信道访问控制问题。然而，现有的无线传感器节点如Mieaz、ee243o、ImoteZ以及TelosB等等都是可以在多个信道上进行操作的。如 IEEE802.巧.4所述，在2.4GHz频段上，可供无线传感器网络选用的信道共有16个。这16个信道只要互不相邻就不会相互干扰，因此，即使考虑到相邻信道的干扰问题，也有8个互不干扰的信道可供同一区域的无线传感器网络选用。如果在无线传感器网络中使用多信道技术并设计合适的分配方法，那必将大大地减少无线传感器网络中的通信干扰，提高传输时延、吞吐量、传递率等网络性能。
目前存在的一些相关算法：
静态分配算法：
这类算法一般针对给定的网络拓扑结构，然后利用启发式算法一次性地分配信道，有时也会联合一些其他的抗干扰方法如功率控制以及时槽分配等等一起进行优化分配，以求减少网络通信干扰。但是，由于静态算法没有考虑到网络中具体数据流和拓扑关系的变化，它们往往不能有效地克服干扰，造成某些区域信道使用紧张而另外一些区域信道资源浪费的现象。另外，有相当一部分算法是需要收集全局信息的，这在实际中是难以实现的。近年来出现的主要静态分配算法如下:1）分布式信道分配算法。该算法通过两次广播使每个节点找到了自己的两跳邻居，然后给出了四种分配信道的机制使得可用信道在两跳邻居范围内得到尽量均匀的使用。还设计了多信道环境下的类CSMA信道访问机制，以提供广播和单播通信服务。2）针对数据收集应用的集中式分配算法。该算法通过基于贪婪思想的启发式机制把整个网络划分成若干个同根子树，而且使每个子树内部的通信干扰尽量小，然后给每个子树分配一个信道，使相邻的子树信道不一样。
动态分配算法：
考虑到无线传感器网络中的拓扑和数据流是随着时间而改变的，不少学者提出了信道动态分配算法，以求有效地克服网络通信干扰。一般来说，动态分配算法根据网络的实际干扰关系和数据流情况给节点、数据流或者链路动态地分配信道。这样的动态分配往往需要大量的管理消息来更新信道分配，从而造成大量的额外通信量，极大地挑战了传感器节点有限的能量。近年来出现的主要信道动态分配算法如下:1）分布式的信道动态分配方法。该方法不需要时间同步，运用控制论根据网络通信负载的情况给每个节点动态分配信道，并且在硬件实验中取得了很好的结果。2）基于LMAC提出了一种多信道轻量级MAC算法来提高网络的吞吐量，该算法利用一些状态矢量动态地分配信道时槽对给有需求的通信链路，并保证两跳邻居不会使用相同的信道时槽对，从而消除干扰。3）基于数据流的动态分配方法，它先把网络拆分成一些互不相交的独立数据流，并且保证每个数据包的时延不超标，然后给每个数据流分配一个信道，相邻的数据流不使用相同的信道。当然，拆分出来的数据流是随着网络状况的变化而变化的，因此它所带来的信道分配也是动态变化的。
4.1.2定向天线
相比于全向天线，定向天线将能量更多的集中在所期望的传输方向上一方面提高了网络空间的复用度使得系统吞吐量可以显著地提升，同时节点的有效覆盖距离也获得了扩展，链路连通的生存时间得到了延长；另一方面，定向天线对来自各个方向的波束进行空间滤波，调整天线元的输出激励，将零点或旁瓣波束对准干扰方向，因此信号被干扰或截获的概率明显降低，由此节点间产生的相互干扰以及系统的安全性都得到了显著改善，网络抗干扰能力增强。
调整定向天线的波束方向一般有两种方式：一种是通过DOA算法对所接收到信号的能量（幅度）、相位等信息进行处理，计算发送天线的方位，并以此调整天线的波束方向。其优点在于可以脱离附加硬件的支持，通过信号处理算法对接收到的信号进行分析和提取。由于接收天线收到的是空间某一点处所有信号以及噪声能量的叠加与综合，所以DOA算法的实现需要考虑的因素和处理流程都较为复杂，有时为了提高计算的精确度，还需要天线阵列的支持。另一种方式就是利用GPS或者其他定位技术获取通信节点之间的位置信息，从而计算出节点之间的相对方位并以此校正天线的收发方向。不失一般性，简化起见，假设系统采用可调波束的定向天线，并且网络中节点分布于同一平面上，节点和是通信链路上相邻的两个节点，坐标分别为和，表示发送点天线的方位角，因此有
。考虑到节点分布的随机性和移动性，需要注意两种情况：
1）节点和位于同一纵向线上；
2）节点位于左侧时的方位角计算。
对于第一种情况，在计算方位角前计算的值，若为0，则直接判断的极性：当为正时，天线的方位角调整为，否则为；当不为0时，在计算方位角后还需判断的极性，若为负，则说明是第二种情况，此时调整天线的方位角应该为，因此，可调整的天线方位角范围为。
利用节点的位置信息，不仅可以快速的计算出天线的波束指向，而且很容易得知链路中相邻节点的距离变化，并作出相应的预测判断，显著提高了链路的的稳定性和分组递交率，进一步增强了系统的抗干扰能力。
4.2路由算法
传感器路由协议的主要工作是负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两方面的功能:寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。
针对无线传感器网络中数据传送的特点和难题，许多新的路由协议得到了提出。这些路由协议可以大致分为四类：洪泛式路由协议，层次式路由协议，以数据为中心的路由协议，以及基于位置信息的路由协议。
1、洪泛式路由协议：这种协议是一种古老的协议。它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。对于自组织的传感器网络，洪泛式路由是一种较直接的实现方法，但容易带来消息的“内爆”和“重叠”，而且它没有考虑能源方面的限制，具有“资源盲点”的缺点。
2、层次式路由协议：它的基本思想是将传感节点分簇，簇内通讯由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。这种方式能满足传感器网络的可扩展性，有效的维持传感节点的能量消耗，从而延长网络生命周期。
3、以数据为中心的路由协议：它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的节点，而是依赖于网络中的数据，从而减少了网络中大量传送的重复冗余数据，降低了不必要的开销，从而延长网络生命周期。
4、基于位置信息的路由协议：它利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围。实际上许多传感器网络的路由协议都假设节点的位置信息为已知，所以可以方便的利用节点的位置信息将节点分为不同的域。基于域进行数据传送能缩减传送范围缓和中间节点，从而延长网络生命周期。
但是以上的几类路由协议在抗干扰性方面还是不如人意，学者们在它们的基础上也提出了很多种其它的协议方法，本文介绍两种：
1、CSIEE由路由协议
(1)在需要建立路由时，源节点检查路由表，如果没有找到目的节点或路由表已过期，源节点将广播一个路由请求分组RREQ。RREQ分组中携带以下信息字段:源地址、源序列号、广播ID、目的地址、跳数计数器。
(2)中间节点在收到路由请求分组时：
①判断是否是已经收到过的RREQ请求，对已收到的后到达请求将直接丢弃。
②递减跳数计数器，对计数小于0的直接丢弃。
③节点根据公式，计算路由代价转化成的延时时间D(i)。
（其中，D为延时时间参数，表示路由最大成本，为信道切换的路由代价，
为干扰路由代价，为路由能量代价），为代价权重因子）
④节点延时一个D(i)时间。每个节点在接收到一个路由RREQ请求时会延时一个与路由代价成正比的时间间隔，进而往下一跳继续request，当第一个到达目的节点的路径对应的路由必然是路由代价最小的路由。
⑤比较本节点和目的节点的地址，如果自己不是目的节点，则向邻居节点转发该路由请求分组，同时记录相应的信息，以形成反向路由。
⑥如果自己是目的节点，则回复路由响应RREP分组，RREP沿反向路由到达源节点。
(3)源节点收到RREP应答后，路由即建立。源节点即可向目的节点发送数据。显然，在所给出的路由算法中，路由的选择不再简单的基于最小跳数，既考虑了信道切换开销，又综合考虑了抗干扰、距离等因素导致的能量开销，同时又考虑了节点剩余能量，从而选择能量有效的路由。
2、NAR路由协议
在寻路过程中，利用链路的信噪比来确定转发延迟，使得具有较大信噪比的路径优先到达目的节点，从而有效避开，信噪比差的路径，从而减少了重传次数，减小了时延，增大了投递率。目的节点回复所有节点，从而避免了逐跳回复的路由开销，并且实现了同时支持单向和双向路径。

RREQ包的处理过程