無線傳感器網絡中基于DSSS抗電力系統強電磁干擾技術研究

李錫忠，孫 超，鄭 薇，謝 暉，王 崢

(1.國網營口供電公司，遼寧 營口 115000；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192)

無線傳感器網絡中基于DSSS抗電力系統強電磁干擾技術研究

李錫忠1，孫 超1，鄭 薇1，謝 暉1，王 崢2

(1.國網營口供電公司，遼寧 營口 115000；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192)

無線傳感器網絡因具備部署便利、組網靈活、運行可靠等特性得到了廣泛應用。針對電力系統中強電磁環境對無線傳感器網數據正常傳輸造成了嚴重干擾的問題，探討了電力系統強電磁環境的特點，在此基礎上對基于擴頻技術的直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum, DSSS)進行了詳細分析。首先節點檢測是否受到了電磁信號的干擾，其次，中繼轉發節點估算信干比，根據信干比的大小采用自適應濾波器來抑制電磁干擾，從而有效地提高了傳感器節點的抗電磁干擾能力。采用matlab仿真，結果表明與其他抗干擾算法相比，在強電磁環境下采用直接序列擴頻技術可以有效地降低接收端的誤碼率并提高節點投遞率，進而改善網絡性能。

無線傳感器網絡；電力系統；強電磁干擾；DSSS

0 引 言

電力系統通信是電力系統中不可或缺的重要組成部分，是電網實現調度自動化、電網運營市場化和電網管理信息化的基礎，是確保電網安全、穩定、經濟調度的重要技術手段[1]。為了保證在電力系統中數據的可靠性和實時性傳輸，要求對電力系統進行實時監控、診斷和保護，以防止電力系統擾動甚至于長時間的電力中斷[2]。對傳統電力系統的監測和診斷大多使用有線部署方式，但使用這種方式存在很多的缺點和不足，例如在鋪設傳輸線的同時線路還常年暴露于大氣中，這很容易導致故障發生，且不易檢修和維護等問題。而以IEEE 802.15.4標準為基礎的無線傳感器網絡(wireless sensor network, WSN)是一種運行可靠、安裝靈活、成本低廉的無線網絡技術，節點可作用于條件苛刻的環境中，且能夠長期有效地采集電力系統運行狀態數據，非常適合用于電網無線監測和診斷系統。此外，無線傳感器網絡能夠滿足用戶對電能質量、供電安全、電能利用效率及個性化的供電服務等方面的要求。因此，無線傳感器網絡在電力系統中有廣闊的應用前景[3]。

無線傳感器網絡是當今國際上備受矚目的前沿研究焦點，它融合了傳感技術、嵌入式計算機技術、現代網絡技術、無線通信技術和分布式智能信息處理技術，能夠以協作的方式實時感知、采集和處理網絡覆蓋區域中監測對象的信息，從而提高在線監測系統的可靠性[4]。因此，無線傳感器網絡將廣泛應用在多目標、短距離通信中，也將在電力系統通信領域中發揮非常重要的作用。

然而，目前無線傳感器網絡在電力系統中的應用發展較為緩慢，主要原因在于強電磁干擾的情況下傳感器網絡的鏈路會受到極大的影響，目前針對此領域國內外研究極少，其所關注的重點主要放在配電網自動化以及溫度、電能在線監測方面。因此，針對該研究現狀，本文首先研究了電力系統中的強電磁環境干擾。

現有的擴頻技術包括跳頻擴頻技術(frequency hopping spread sprectrum， FHSS)和直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum, DSSS),其中,直接序列擴頻是目前使用最為廣泛的擴頻方式，直接序列擴頻一般可用來防止惡意攻擊、干擾攻擊[5]。直接序列擴頻要求發送端和接收端要共享一個偽隨機碼，發送端使用此偽隨機碼對信號進行相應調制，由于干擾信號處于另外一段頻段，故與偽隨機碼是不相關的。所以，發射端使用偽隨機碼對信號擴展后，將干擾信號的功率也進行了擴展，信號通頻帶內的干擾信號功率得到了大幅度降低，故此，直接序列擴頻的這一優良性能是其他窄帶通信都難以替代的。本文將其應用在電力系統抗電磁干擾的環境中，提高了網絡吞吐量及投遞率，進而提升網絡性能。

1 相關工作

1.1 電力系統強電磁干擾

隨著國民經濟的快速發展，各種通信、雷達、導航、測控設備的種類和數量迅速增加，電力系統內部設備的要求越來越高。由各類電力設備構成電力系統，由于內部大電流、高電壓輸變電設施之間的電磁干擾和相互作用，使得電力系統成為一個強、弱電設備密集分布的強電磁環境。

由于電網的不斷擴大、電壓等級的逐漸提高，使得電力系統的電磁環境和電磁干擾問題越來越受到關注。主要體現在以下6個方面：①大型變電站接地網安全性設計問題；②大型變電站保護下的電磁兼容問題；③氣體絕緣變電站的瞬態電磁場問題；④超高壓輸電線路及其鐵塔的三維電磁場問題；⑤城市電網改造中的電磁環境問題；⑥電網建設中的電磁干擾問題。

電磁干擾是人們最早發現的電磁現象，通常由電磁輻射發生源如機械、電工、電子設備產生，可能引起電子裝置、設備或系統性能下降甚至失效，或者對生命或無生命組織造成損害[6]。電磁干擾的產生必須具備3個要素：發出電磁噪聲的干擾源、電磁干擾的耦合通路和對電磁干擾敏感的電子設備。電磁干擾的分類如表1所示。

表1 干擾分類

本文主要對電力系統中電力設備產生的電磁噪聲導致其他電子系統如無線傳感器網絡性能降低的情況進行討論。由于電力系統中使用了重要的強電設備，電力系統的電磁場強度值非常大，是強電磁干擾源，因此，它在運行時會對周圍環境和弱電設備產生各種電磁干擾，其影響是不可忽視的。電力系統中電磁環境復雜且強大，主要有2類電磁干擾：0～300 MHz低頻部分和2.4～2.5 GHz同頻帶寬。

1.2 基于無線傳感器網絡的電力系統

由于有線網絡在實施布線及改線時，其工程量大，設備容易受損且不可移動，同時應用于復雜、工作地點不確定、原備用端口不夠用、突發性事故等場合中有一定的局限性。而無線傳感器網絡中節點能夠部署在各種條件苛刻環境險惡的區域中，電力系統通過傳感器節點將各種電力設備有機地結合在一起，形成了一個電力用戶與各種服務及其設備相結合的大型網絡，從而可以有效地采集數據信息并進行分析處理。

在電力系統中，各種電氣量、開關量、模擬量等的監控和檢測主要通過無線傳感器網絡來完成。無線傳感器網絡是一種應用型網絡，根據監測對象的不同，傳感器節點安裝配置在不同的電力系統設備上，用來測量不同的對象信息，并對得到的數據信息進行處理。圖1為基于無線傳感網絡的電力系統結構圖。

圖1 電力無線傳感網Fig.1 Wireless sensor network for power system

通過利用無線傳感器網絡，使得管理員能夠全面實時監測和控制電力系統的各關鍵部門以及電力運作過程的硬軟件狀態，并將設備的監測數據整理分析和反饋，從而有效控制終端設備。由于無線傳感器網絡具備通信、組網、管理、分布式信息處理、針對不同應用目標的服務質量描述、網絡安全等的關鍵技術，因此，為了構建高效、信息化、數字化、自動化和互動化的電力系統，將會把無線傳感器網絡應用于其中。

2 擴展頻譜通信技術

2.1 擴頻通信原理

擴展頻譜通信，簡稱擴頻通信，是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列(一般是偽隨機碼)來完成，一般通過編碼或者調制的方法來實現；在接收端使用用同樣的碼來進行相關同步接收、解擴，從而恢復出信號原始的采集信息[7]。

采用擴頻通信技術，一般具有3個顯著的特征，首先信號是寬帶信號且是由系統的偽隨機序列所產生的，其次為了減少信號干擾，傳輸信號的帶寬遠遠大于信號本身的帶寬，最后為了能在接收端正常地恢復出感知信號，在接收端和發送端使用相同的偽隨機碼進行解擴?；谝陨蠑U頻技術的優點，本文將擴頻技術用于無線傳感器網絡中，用于抗電磁干擾、抗多徑衰落。

2.2 DSSS技術及其結構框架

2.2.1 DSSS原理

直接序列調制擴展頻譜通信系統就是用高速率的擴頻序列將要發送的感知信號在發送端擴展信號的頻譜，收端再用與發端擴展相同的偽隨機序列對接收到的擴頻信號進行相應地解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號[8-9]，直接序列擴頻方式是直接用偽噪聲序列對載波進行調制，要傳送的數據信息需要經過信道編碼后，與偽噪聲序列進行模2和生成復合碼去調制載波。

2.2.2 網絡環境與系統模型

網絡中部分節點會受到電磁的干擾，網絡場景如圖2所示，網絡節點分布在M×M的矩形區域，網絡節點初始能量相同，傳輸功率隨著距離的增大而增大。節點數據產生的速率相同，且感知數據時能量的消耗相等。在矩形區域的中間存在干擾源，源節點到目的節點傳輸數據會帶來很長的傳輸時延，且中繼節點會因能量開銷過大而過早死亡；而在鏈路受到干擾時，沒有考慮根據受干擾的程度去調節節點發射功率導致節點帶來了額外的能量消耗，甚至導致網絡的分割，從而使得網絡無法正常運轉。

針對以上傳感器節點運用在電子系統所存在的問題，網絡中繼節點檢測干擾攻擊，可以通過計算網絡數據投遞率(packet delivery ratio, PRD)的方式來評估是否存在干擾攻擊，然而，網絡投遞率減小并不一定是干擾攻擊所致，也可能是其他多種原因所導致的，極有可能是傳感器節點本身的一些原因，為了能夠正確檢測干擾攻擊，防止誤報，閾值的合理性極其重要，且需要與信號強度合理搭配。閾值可以通過先驗數據進行訓練得到，仿真模擬網絡數據傳輸，模擬網絡數據擁塞嚴重的情況，計算出PDR，本方案將此投遞率置為閾值。若數據包的投遞率低于此閾值，再進一步檢查，一般情況下，信號的強度和投遞率是相對應的，即高信號強度對應高投遞率。當低投遞率對應于低信號強度時，此情況出現可能是由于發送節點和協調器超出了一定的通信范圍，而當低投遞率對應高信號強度時，則說明其遇到了干擾攻擊。網絡干擾的評判標準，是通過信號強度與投遞率的對應關系判斷網絡是否受到了干擾。

圖2 網絡場景Fig.2 Network scenario

中繼節點根據丟包率和時延的關系檢測網絡中是否受到了電磁干擾，若隨著時延的增加丟包率也在增加則說明網絡中受到了電磁干擾，節點需要運行基于直接序列擴頻的抗干擾機制。本文節點在使用直接序列技術對信號進行擴頻時偽隨機碼采用的是m序列，對信道調制采用的是QPSK的方式。下一跳接受節點時，首先通過相應的調制方法將接收到的信號變頻至中頻信號，再用QPSK進行調制，在接收端采用與發射端相同的偽隨機碼與接受到的調制信號進行模2操作進行解擴從而恢復出原始信號。直擴系統發射端和接受端[10]框圖如圖3和圖4所示。

圖3 發送端Fig.3 Transmitting terminal

圖4 接收端Fig.4 Receiving terminal

只有當發送端和接收端偽隨機碼保持一致同步的情況下才能很好地恢復出原始信號。因此在使用擴頻通信技術時，保持發送和接收端的同步是非常重要的。

2.2.3 信干比的估算

受到干擾的中繼轉發節點除了收到正常通信信號外，還可能收到地面、空中的電磁干擾，在收端，有用信號功率可表示為

S=Pst+Gst+Gr-Lsp-Ls

(1)

(1)式中：Pst為傳輸信號功率；Gst為傳輸節點的天線增益；Gr為轉發節點的天線增益；Lsp為信號空間傳輸損耗；Ls為節點間天線間的系統及插入損耗。轉發節點的干擾信號功率可表示為

I=Pit+Git+Gr-Lip-Ls-FDR(Δf)

(2)

(2)式中：Pit為干擾信號發射功率；Git為干擾天線發射增益；Lip為干擾信號空間傳輸損耗。視距條件下，空間傳輸損耗為

Lp=32.4+20lgr+20lgf

(3)

(3)式中：r為節點間的相對距離(單位為km)；f為信號頻率(單位為MHz)。FDR(Δf)為頻率帶寬因子，它由調諧抑制OTR和頻偏抑制度OFR(Δf)兩部分組成[10]。

FDR(Δf)=OTR+OFR(Δf)

(4)

OTR是系統工作時的帶寬因子，可以表示為

(5)

OTR也稱校準因子，多數情況下可表示為

(6)

(5)式中：P(f)為干擾信號功率譜密度；H(f)為轉發節點的頻率響應。(6)式中，BR為轉發節點3 dB帶寬；BT為傳輸節點的3 dB帶寬。

OFR(Δf)為干擾傳輸節點帶寬與轉發節點帶寬相重疊的帶寬因子，且

(7)

(7)式中：Δf=fi+fr，fi和fr分別為干擾信號頻率和轉發節點調諧帶寬，同頻干擾時可取為

OFR(Δf)=0

(8)

從而可得轉發節點的信干比為

RSI=S-I

(9)

(9)式中：S為有用信號功率；I為轉發節點干擾信號功率。

2.2.4 誤碼率的估算

根據柯捷爾尼可夫所提出理論，信號與噪聲關系為

(10)

(11)

(11)式表明信噪比和帶寬可以互換。對于一定帶寬信號而言，若采用寬帶信號來傳遞信息可在強干擾環境下保證信號安全傳輸。

2.2.5 自適應遞歸濾波器抑制電磁干擾

自適應遞歸濾波器是一個空間域的數字濾波器，能夠根據輸入信號自動調整性能進行數字信號的處理，它通過迭代遞歸每次只處理需要濾波的點，對不需濾波的點不予以處理最終使得其對區域的畸變降到最小。

中繼轉發節點通過 (1)-(3)式估算出信噪比后，采用自適應遞歸濾波器進行濾除干擾信號，在擴頻通信系統中應用時，可在中繼轉發節點基帶部分或中頻部分加入自適應干擾抑制濾波器，此時自適應遞歸濾波器就與未知系統具有相似的特征，可用來提供一個在某種意義上能夠最好擬合未知裝置的線性模型。因為擴頻信號有很寬的頻帶，且強電磁干擾是容易識別和估計的，所以電磁干擾和其他單頻干擾所引起的系統性能下降可以由自適應濾波法來改善。通常情況下自適應遞歸濾波器包括2個步驟，預測和干擾消除，自適應濾波器的作用是對隨機信號的當前值提供某種意義上的最好預測，信號的當前值用作自適應濾波器的期望響應，信號的過去值加到濾波器的輸入端。在本文中，自適應濾波器的輸出可作為系統的輸入，從而系統可作為一個預測器；自適應遞歸濾波器以某種最優化方法可成功消除包含在基帶信號中的未知干擾，基帶信號可充當自適應遞歸濾波器期望響應，參考信號充當濾波器輸入信號。

3 抗電磁干擾信號的仿真

本文采用matlab針對DSSS技術對于無線傳感器網絡架構下的電力系統干擾抑制進行分析。模擬電力線場景是在一個600×600 m的矩形區域，匯聚節點處于矩形區域中心位置，共分布500個傳感器節點，節點初始能量為2 J。本文根據距離的不同通過設置閾值選擇合適的能量消耗水平，傳輸能量水平取值為67.2 nJ/bit～253.8 nJ/bit，共被分為27個能量消耗等級[11]。假設節點工作于2.4 GHz頻段，數據傳輸速率為250 Kbit/s。為了節省節點能量耗散速率，假定數據傳遞速率越高，節點處于激活狀態時間越短。節點傳遞數據包大小為30 bits，節點緩存區最多可容納64個數據包。本文選擇誤碼率Pe作為系統性能度量標準。Pe指代系統通信過程中目的節點接收到的正確數據比特數在總傳輸數據比特數中的比重。

3.1 抗干擾性能分析

該部分研究電磁干擾對系統性能的影響。加入電磁干擾后，取碼片數為10，振幅值分別取值為4，5，8，其數值選取采用逐漸增加的方式進行，模擬真實場景下電力系統中存在的干擾大小。共進行多次仿真運算之后取平均值，所得曲線如圖5所示。圖5中顯示了干擾強度不同情況下Pe變化情況。從圖5中觀察不難發現干擾會損壞傳感網架構下電力系統數據傳遞。并且，隨著干擾程度加劇Pe惡化程度也會隨之加劇。

圖5 信噪比與誤碼率關系Fig.5 Relationship between SNR and bit error rate

3.2 填充碼比率對性能影響分析

η為擴頻序列填充比特數在數據總比特數中所占比重。初始消息長度為128 bits，η取值為[0.1,1]。為了研究擴頻序列中所需填充序列長度與系統性能間關系，該部分對η，Pe間關系進行了仿真分析，結果如圖6所示。

圖6 填充碼占比與誤碼率關系Fig.6 Relationship between SNR and filling element

仿真結果表明，初始階段隨著數據包中填充碼數量逐步增長，系統誤碼率Pe變化速率較快，此后，填充碼數量在整個擴頻序列中比重繼續擴大，誤碼率Pe不會產生太大變化。這說明在研究DSSS抑制WSN架構下電力系統中電磁干擾問題的過程中可以對DSSS機制中填充碼位數進行優化，從而使系統獲得更優異的性能。

4 結束語

隨著我國經濟對電力需求的增加，人們對電力系統的要求也在不斷地提高，同時，隨著無線技術的不斷提升，無線傳感器網絡的優勢日益突出，因此科研單位和企業不約而同地將無線傳感器網絡應用于電力系統中。由于無線傳感器網絡具有安裝便利、成本低廉的特點，所以能夠有效地解決有線通信中布線困難、成本較高、不易維護和升級等問題，從而提高網絡在強電磁環境下的組網靈活性和傳輸可靠性，使得無線傳感器網絡能夠廣泛地應用于電力系統領域中。但是，電力系統的電磁環境日益復雜，而且電磁環境處于不斷運動的狀態，必將造成強烈的電磁干擾。強電磁干擾對無線傳感器網絡性能的影響也越來越突出，輕則影響數據的采集和傳輸，重則損壞電子設備。因此，本文提出了基于DSSS的抗電磁干擾機制，網絡節點通過檢測投遞率的大小與預先設定投遞率閾值來決定是否受到了干擾，再通過估計電磁干擾的功率和有用信號的功率來估計信干比，根據受到電磁干擾的強度采用自適應的濾波器對電磁噪聲信號進行濾波，從而提高了節點的投遞率，減少網絡數據重發，也減少了網絡節點的能量開銷，優化了網絡性能。

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李錫忠(1969-)，男，遼寧營口人，高級工程師，國網營口供電公司運檢部主任，碩士研究生，主要從事電網設備運維管理工作。E-mail：56409195@qq.com

(編輯：魏琴芳)

Research on strong resistance to electromagnetic interference technology of power system in wireless sensor network

LI Xizhong1，SUN Chao1， ZHENG Wei1, XIE Hui1，WANG Zheng2

(1. State Grid Yingkou Electric Power Supply Company，Yingkou 115000，P.R.China； 2. Beijing Smartchip Microelectronics Technology Co., Ltd.，Beijing 100192，P.R.China)

Due to convenient deployment, flexible networking, reliable operation and other characteristics, the wireless sensor network has been widely used. However, strong electromagnetic environment of power system has interfered seriously with normal data transmission of wireless sensor network. As to this issue, this paper has explored the characteristics of strong electromagnetic occasion within the power system, from which spread spectrum technology based direct sequence spread spectrum technology is analyzed in detail. To begin with, detection is carried out to ensure whether the node is disturbed by the electromagnetic signal. What’s more, the relaying node estimates relay-to-interference ratio and the electromagnetic interference is restrained by adopting the adaptive filter in accordance with the signal-to-interference ratio. Hence, the ability of resistant to electric-magnetic interference is improved. Simulation results from Matlab show that in comparison with other anti-interference algorithms, under strong electromagnetic environment direct sequence spread spectrum technique based method is able to reduce the bit error rate (BER) at the receiver side and improve the node delivery rate. Eventually, the network performance will be promoted.

wireless sensor network； power systems； strong electromagnetic interference； spread spectrum technology； topology control

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.011

2016-06-17

2016-11-16

李錫忠 56409195@qq.com

TN919

A

1673-825X(2016)06-0815-07