KI920MHz频段无线多跳通信系统设计

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  冲电气(OKI)报道,冲电气在日本首次成功开发了920MHz频段(1)的无线多跳通信(2)系统。日本总务省计划在2012年7月开放920MHz频段,该频段电波到达性高,有望成为智能社区、智能住宅、智能仪表(3)的无线多跳通信最适合的频段。

  利用信息通信技术进行电力等能量管理的智能电网正备受瞩目。在地区内、家庭内灵活运用绿色电力的智能社区、智能住宅的研究也有很大进展。

  为实现智能社区和智能住宅,传送电力控制等信息的通信基础设施不可或缺。通信基础设施由连接室外建筑物间智能仪表等的室外局域网 和连接家庭、办公室内家电及电力设备的家庭局域网 构成,而无线多跳通信有望实现这一切。特别是由于智能插座等电力设备或智能仪表多被设置在电波难以到达的地方,因此与通信会出现中断的2.4GHz频段相比,电波到达性高的920MHz频段的使用受到关注。

  冲电气开发的无线多跳通信系统符合日本总务省正在审议的920MHz频段IEEE802.15.4(4)标准,并在获得实验局许可后实施了验证实验。结果表明,以最大规定的250mW传输,通信距离可达10km,即使在建筑物等障碍物多的城市街道,以70mW传输可实现半径约150m范围的直接通信。

  今后冲电气将以920MHz频段无线多跳技术为基础,不断为智能社区、智能住宅和智能仪表的普及做贡献。并通过将该技术灵活运用到防灾、巡逻、医疗、护理等各种新型服务,努力实现更舒适、安全、放心的社会。今后,还将努力以该技术为基础实现产品化,同时为了使国际普及的ZigBee(4) 标准也能在日本普及,将制定面向智能住宅的支持920MHz频段的ZigBee标准,并继续推动家电、电力设备、家庭网关等互联性活动。

  另外,冲电气研究人员计划将于9月14日在北海道大学举办的电子信息通信学会社会团体会(北海道札幌市)上进行此次开发成果的演讲。

  冲电气开发的920MHz频段无线多跳通信系统的特长

  无线多跳通信技术,通过利用电波到达性高的920MHz频段,可构筑覆盖各个角落的大范围网络,无须选择设置地点,即可实现稳定的通信基础设施。

  1)规模大

  降低因路径探索造成的流量控制,通过研究重传结构的设计,实现了无线设备台数的扩展性。以这种方式可构筑一个基站由数千台智能仪表等无线设备构成的大规模无线多跳网络。由于基站数量减少,可降低系统的整体采用成本。冲电气已拥有利用950MHz频段通过100 台规模的设备在室内外实施评估验证的业绩,利用本系统预计可构筑扩展到数千台的网络。

  2)可靠性高

  针对因车辆等障碍物造成的小范围内无线网络连接的变化,冲电气通过实施独特的重传控制和动态路径控制提高无线设备间的连接性。而且通过各无线设备自动切换基站的功能,可抵抗基站故障或基站与中心之间的线路故障,即使在基站维护期间也能不中断网络继续运行,因此可构筑易于维护的网络。

  3)节电

  迄今为止利用ZigBee,带中转功能的路由器不间断的运行实现了终端无线设备的节能。而IEEE802.15.4e的节电功能可让路由器休眠。因此无须路由器的电源工程,系统整体节电效果也会提高。而且通过追加根据数据流自动调整休眠时间的功能,既可保持节电效果又能保证低延迟传输。另外,IEEE802.15.4e的标准化活动由于日本总务省实施的“网络综合控制系统标准化推进事业”而取得成效,于2011年3月构筑了基于 IEEE802.15.4e标准的试验台,实施了节电功能的验证实验。

  4)设置简单

  利用自动路径构筑功能,自动连接临时设置的基站或无线设备,即可轻松构筑网络。因此可低成本提供灾害时临时设置的网络。另外,在无线多跳通信中,智能仪表和智能住宅在采用初期无线设备的设置密度如果过低,会出现中继路径不足、网络不稳定的问题。但开发了根据设置间隔自动调整传输输出的功能后,从采用初期开始即可实现稳定的网络运行。特别是此次向920MHz频段转换时,由于传输输出的上限松动,可使用更高输出,因此即使在设置间隔宽阔的场所也可使用无线多跳通信。

  用语解释

  (1) 920MHz频段

  在日本使用915.9~929.7MHz的频段,与主要用于传感网络的2.4GHz频段相比电波到达性高,因此在海外相同频段也能广泛应用于智能仪表等。不仅能到达很远,而且即使有障碍物也能迂回到达,适合工厂、医院等障碍物较多的场所及室外使用。日本一直在使用2008年制定的950MHz频段,转换成920MHz频段后,可使用与美国、亚洲相同的频段,有望通过国际合作活化市场。而且传输输出也可从以往的10mW扩大到20mW甚至250mW。

  (2) 无线多跳通信

  通过其它无线通信设备,像接力一样传输数据的方法称为无线多跳通信。由于没有基站等通信基础设施也能进行通信,因此被广泛应用于传感网络等。

  (3) 智能社区、智能住宅、智能仪表

  为降低对稳定的日本供电网的影响,同时为普及可再生能源,以有效管理地区和家庭内部能源、建设更舒适的社会为目的,日本经济产业省正在推行智能社区和智能住宅措施。

  智能住宅中,利用分电表或智能插座(带通信功能的电源插座)测量耗电量,通过家庭内耗电量的可视化,不仅推动节电,而且在电力需求高峰时控制家电来降低耗电量,将太阳能发电的剩余电力储存在蓄电池或电力汽车中,并在傍晚后使用的方法将会普及。

  智能仪表是对带有通信功能的电表、燃气表、水表等下一代仪表的总称,从单纯的自动查表到能量控制,种类范围广泛。现在,各电力公司和燃气公司针对智能仪表的采用正在推进各种验证实验。另外,日本经济产业省针对智能仪表的早期采用,正实施“智能仪表制度研讨会”等各种措施。

  (4) ZigBee、IEEE802.15.4

  传感网络等无线多跳通信,作为国际标准,无线方式广泛使用IEEE802.15.4,NW方式广泛使用ZigBee。IEEE802.15.4为了能使用日本的950MHz频段,追加了被称为IEEE802.15.4d的物理层的修正标准,冲电气进行了主要评议并于2009年完成标准化。对智能仪表的物理层的修正标准被称为IEEE802.15.4g,为2011年12月完成标准化正进行最终评议。另外,面向产业界的MAC层的修正标准作为 IEEE802.15.4e也正在评议当中,追加了路由器的节电功能等内容,也计划于2011年12月完成标准化。

  智能住宅市场中,虽然ZigBee smart energy profile协议已经普及,但为了920MHz频段也能使用,相关部门正在研讨ZigBee SIG-J。

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