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进一步分析目前用来连接表计与电力公司的RF系统,我们会发现另一层次的竞争技术:网格系统和星型系统。这两种系统试图通过不同方式应对智能计量的RF挑战。
将数百万只表计连接到电力公司是一个巨大的挑战。仅就美国而言,连接现有表计意味着需要创建超过1亿个预定位置的RF链路。其中许多位置处在对RF通信不利的环境中,例如地下室和混凝土墙后面。还有许多位置是在RF干扰源众多且不断变化的城市区域。
网格系统通过相邻表计为单只表计创建多条连接到一个中心采集器的较短路径,中心表计充当电力公司广域网的网关。目前有多家供应商提供网格系统,其数据速率通常为100 - 150kbps,采用FSK或扩频调制方案,一般工作在以915 MHz为中心的ISM频段,信道带宽为50 - 200 kHz。
星型系统主要使用特许执照频段中的窄带信号来连接相距较远但数量较少的中心采集器。中心采集器所需的数量较少,位于山顶或高楼楼顶等视线清晰的位置,但其发射功率较高。星型系统通常采用FSK调制,其数据速率低于带宽较宽的网格系统。除了所需中心采集器的数量较少外,星型系统的拥护者还提出它具有带内频谱无干扰和网络协议更简单的优势。
智能计量RF网络:在受干扰限制的环境中如何成功部署
在美国,ISM频段和特许执照频段均已变得非常拥挤。对于网格系统和星型系统,这都意味着干扰是必须攻克的中心挑战。大规模计量网络的部署会显著提高频谱拥挤程度,因为系统的最大干扰源可能正是系统本身。
这种拥挤会给无线电和网络要求带来严重影响。例如,良好的空闲信道评估(CCA)和跳频程序可以简化空闲信道的查找。提高数据速率可以缩短各节点的传输时长,但其代价是链路裕量减少。对于无线电,这种拥挤还意味着阻塞和邻道抑制常常比接收灵敏度更紧要。
如上所述,计量基础设施的主要挑战在于表计的位置是固定的。它不像家用无线路由器,可以通过调整方向、高度或位置来解决干扰问题。此外,为了适合现有表计外壳,表计通常需要进行改装,因此几乎或根本不存在为增强RF性能而改变封装的灵活性。表计一般固定在离地仅一米左右的厚钢筋混凝土墙上。简单的视线模型难以有效地描述信道。
需要注意的干扰源因频段和地区的不同而异。在美国,特许执照频段和ISM频段系统均存在重大干扰源。常见干扰源包括电视白带信号、蜂窝载波和工作在同一频段的其它设备,这些设备可能是、也可能不是同一系统的一部分。就数据包结构、调制方案选择和发射频谱符合 FCC原则的程度而言,工作在同一频段的设备可能不是按照“和平共处”方针进行设计的。
对于已经部署的80%到90%的表计来说,通信相对较为容易。其余的10%到20%表计因为地理位置、物理对象、严重的局部干扰或附近噪声源等因素,面临着严峻的RF挑战。由于无法移动存在问题的表计,系统层面的解决方案只有增加数据采集器或中继器,增加PLC或蜂窝等辅助替代通信设备,或者增强无线电性能。广泛存在的计量基础设施最终必须极其鲁棒,提供100%的覆盖率。联系实际来说,大规模部署的电表数量可能是500万只,如果覆盖率只有99%,那么将有5万只电表无法读取。
无线电架构和设计
典型的无线电模块包括一根天线、一个用于更高输出应用的外部功率放大器、一个RF频段选择滤波器、一个无线电IC、一个通信处理器和多个用于匹配和旁路的分立元件。许多模块还包括一个外部低噪声放大器(LNA),它通常与前端模块(FEM)中的外部RF频段选择滤波器、开关和放大器封装在一起。由于表计外壳和表计本身位置的物理限制,天线常常处在非最佳位置,或者内置于表计外壳中。
外部RF频段选择滤波器,如表面声波(SAW)滤波器等,常用来帮助衰减目标频段之外的干扰信号。例如,在一个902 - 928 MHz系统中,该滤波器将帮助消除850 MHz 蜂窝频段、896-901/935-940 MHz陆地无线电特许执照频段和901 - 902 MHz Part 24个人通信服务(PCS)频段中的干扰。典型RF频段选择滤波器可以将干扰信号衰减30 dB到60 dB,具体取决于滤波器的质量、干扰信号的频率以及信号与通带的接近程度。
任何收发器设计都必须针对各种性能参数、成本和功耗等,做出架构和设计上的许多权衡。计量通信环境涉及到的许多性能挑战可以通过投入更多资金或功耗(电压和/或电流)来缓解。然而,电力公司难以找到理由来部署大规模固定网络系统,而且增加成本可能不是一个可行的选择。
增加功耗会引起更复杂的争论。许多无线电模块既能在线路供电的系统中工作,也能在电池供电的系统中工作,而功耗主要由电池供电要求决定。电表中的大多数无线电模块具有“最后一息”能力,即使主电源丧失,模块也能工作一定的时间,因此无线电功耗要求是决定这种能力所需电荷储存器大小的主要因素。此外,功耗的任何增加都要乘以部署的规模。以上述500万个节点为例,假设电源电压为2.5 V,电流增加相对较小的量100mA,那么功耗将增加1.25 MW,每天耗电量增加30 MW-hr。
在某些计量应用中,固定接收机常常面临非常强大的电磁场,它会产生50 Hz或60 Hz倍数的杂散而影响零中频架构,此时低中频架构可能更具优势。表计控制和测量一侧的数据速率可能仍然在1 Mbps以下。由于相关的滤波要求可以被看作是窄带,因此零中频架构将需要同时解决直流失调和CMOS闪烁噪声等难题。
示例:相位噪声如何影响阻塞性能
有许多参数会影响收发器的阻塞性能。通常来说,窄带阻塞性能由接收机信道滤波器的抑制曲线决定,宽带阻塞性能由接收机本振(LO)的相位噪声性能决定。
阻塞通常利用误码率(BER)测试来衡量,其方法是将接收机的输入功率设置在+3 dB的灵敏度水平,然后找出导致BER下降10-3的最大阻塞信号功率。接收机的宽带阻塞性能可以通过下式估算:
MaxBlocker (dBm) = -174 dBm +3 dB + 噪声系数 – 相位噪声- 6 dB
其中,MaxBlocker指导致BER下降10-3的最大阻塞信号功率(单位dBm);相位噪声指接收机的LO相位噪声,噪声系数指接收机的噪声系数。表1以对比方式列出了从多家供应商的收发器相位噪声性能得出的最大阻塞水平。
具有不同相位噪声的多种收发器的
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