微功率無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)已成為我國(guó)最具發(fā)展?jié)摿Φ默F(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)之一，其通信技術(shù)的設(shè)計(jì)方法研究業(yè)已成為智能抄表領(lǐng)域的熱門前沿研究課題。無(wú)線自動(dòng)抄表通信技術(shù)的研究主要存在三個(gè)核心問(wèn)題：一是低成本問(wèn)題，由于無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)涉及到千家萬(wàn)戶，其本身的成本直接影響用戶的接受程度；其次是低功耗問(wèn)題，絕大部分用戶側(cè)表計(jì)是電池供電，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和協(xié)議的設(shè)計(jì)都必須要以節(jié)能為前提；最后是自組網(wǎng)問(wèn)題，為了保證表計(jì)用量數(shù)據(jù)和控制中心命令及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸，可靠性和自愈能力也是

2、無(wú)線自動(dòng)抄表網(wǎng)絡(luò)的重要要求。本論文以一個(gè)層次化的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，針對(duì)這三個(gè)核心問(wèn)題對(duì)通信方法進(jìn)行研究。
　　 (1)針對(duì)由集中器、采集器和表計(jì)三類通信節(jié)點(diǎn)組成的抄表體系結(jié)構(gòu)和以無(wú)線通信方式完成用戶指定抄表任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，本文建立了無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模型，包括：物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。
　　 (2)為了擺脫對(duì)國(guó)外高價(jià)芯片的依賴以及降低節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)成本，微功率無(wú)線自動(dòng)抄表網(wǎng)絡(luò)的物理層主要關(guān)

3、心數(shù)字調(diào)制解調(diào)信號(hào)處理的算法及實(shí)現(xiàn)方法，使之具有簡(jiǎn)單、低成本的特性。本文以降低信號(hào)處理算法的復(fù)雜度為著重點(diǎn)，研究簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)算法，為設(shè)計(jì)低成本、低功耗的通信芯片提供理論依據(jù)。通過(guò)分析半正弦波成型的OQPSK調(diào)制機(jī)制，提出調(diào)制算法的簡(jiǎn)化方法，用來(lái)降低調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)成本；為補(bǔ)償噪聲干擾引起的信道畸變影響，消除時(shí)間彌散效應(yīng)產(chǎn)生的碼間干擾，提出一種可變步長(zhǎng)自適應(yīng)LMS均衡技術(shù)來(lái)改善通訊的品質(zhì)；根據(jù)數(shù)據(jù)輔助式LS算法準(zhǔn)則，推導(dǎo)出一種適合多徑

4、干擾信道的頻偏估計(jì)算法，通過(guò)查表的方式求得頻偏的估算值；根據(jù)半正弦波成型的OQPSK信號(hào)碼元之間的相位特性，提出一種具有一位碼元糾錯(cuò)能力的差分解調(diào)方法；為了使基帶處理器省電，提出幀檢測(cè)方法來(lái)啟動(dòng)基帶中其它部分信號(hào)處理功能塊的工作。
　　 (3)MAC協(xié)議主要是調(diào)整各節(jié)點(diǎn)接入共享信道的時(shí)間，減小報(bào)文碰撞發(fā)生機(jī)率來(lái)降低功耗。本文借鑒IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免算法競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)的思路，分析信道空閑評(píng)估失敗

5、所隱含的信息，提出一種能有效避免碰撞發(fā)生或降低碰撞發(fā)生概率的CSMA/CA改進(jìn)機(jī)制，用來(lái)改善系統(tǒng)的吞吐量、能量消耗等性能。
　　 (4)網(wǎng)絡(luò)層路由算法的主要任務(wù)是保證節(jié)點(diǎn)高效通信和維護(hù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸路徑的連通性。微功率無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)集中器與絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)之間往往無(wú)法直接通信，需要借助中間節(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至集中器。如果中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇策略不當(dāng)，易導(dǎo)致少數(shù)節(jié)點(diǎn)因使用過(guò)度和能量消耗過(guò)快而失效。針對(duì)降低節(jié)點(diǎn)能耗和均衡節(jié)點(diǎn)能

6、耗的問(wèn)題，本文提出能量均衡消耗的多層分簇路由算法，建立數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)各層最優(yōu)簇頭數(shù)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)單/多跳通信的概率。根據(jù)最優(yōu)簇頭數(shù)目確定采集器數(shù)量，可以節(jié)約系統(tǒng)的實(shí)施成本。同時(shí)，采用單/多跳混合的通信方式把數(shù)據(jù)傳送至簇頭，提出以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的路由實(shí)現(xiàn)方法。該方法能有效分散節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
　　 (5)針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信能力和系統(tǒng)的驗(yàn)證難度，本文分別給出一次通信成功率和自動(dòng)組網(wǎng)能力兩個(gè)方面的詳細(xì)驗(yàn)證方法，并對(duì)結(jié)果進(jìn)