M2M通信技術(shù)及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

引言

通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，特別是無線通信的普及應(yīng)用，給人們的生活方式帶來了極大的變化。各種通信方式使得人與人之間的信息交流更便捷和順暢。事實上，人與人之間的溝通很多也是通過機(jī)器實現(xiàn)的，例如通過手機(jī)、電話、電腦、傳真機(jī)等機(jī)器設(shè)備之間的通信來實現(xiàn)人與人之間的溝通。另外一類技術(shù)是專為機(jī)器和機(jī)器建立通信而設(shè)計的，如許多智能化儀器儀表都帶有RS-232接口和GPIB通信接口,從而增強(qiáng)了儀器與儀器之間、儀器與電腦之間的通信能力。目前，眾多的普通機(jī)器設(shè)備（家電、車輛、自動售貨機(jī)、工廠設(shè)備等）和傳感器不具備本地或者遠(yuǎn)程的通信和連網(wǎng)能力。

M2M（MachinetoMachine）通信是近年來和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展密切相關(guān)的通信技術(shù)，目標(biāo)是使所有機(jī)器設(shè)備都具備連網(wǎng)和通信能力。M2M技術(shù)使得物聯(lián)網(wǎng)具體化，并取得快速增長。統(tǒng)計表明，2008年全世界有近5千萬的M2M通信設(shè)備；預(yù)計到2014年，這一數(shù)字將達(dá)到近2億；而到2020年，約有500億多的物體都會被連上互聯(lián)網(wǎng)。因此，M2M技術(shù)具有非常重要的意義，有著廣闊的市場和應(yīng)用，推動著社會生產(chǎn)和生活方式的新一輪變革。

M2M的應(yīng)用也在一些領(lǐng)域出現(xiàn)，如醫(yī)療保健、車輛交通、公共安全、能源管理、智能家居等各個方面，而在智能電網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)也開始初見端倪。智能電網(wǎng)是當(dāng)前智慧能源建設(shè)的非常重要的一部分，物聯(lián)網(wǎng)和移動通信可以深入到電力系統(tǒng)中的發(fā)電、傳輸、配送等各個環(huán)節(jié)，甚至在家用電器的信息采集和控制方面發(fā)揮非常重要的作用。在M2M通信技術(shù)的支持下,各類家庭電器都會由具有物聯(lián)網(wǎng)功能的智能芯片來控制電力的使用，包括使用的時間、工作模式、能耗比例，通過優(yōu)化用的策略節(jié)省用戶電力消耗。

智能電網(wǎng)是M2M通信發(fā)展和應(yīng)用的一個強(qiáng)大的推動力。新一代智能電網(wǎng)的建設(shè)和運行要求提高效率、強(qiáng)化服務(wù)質(zhì)量的同時節(jié)省發(fā)電、傳輸和消費方面的成本。這些目標(biāo)的達(dá)成有賴于信息和通信技術(shù)的介入，然而未來智能電網(wǎng)的通信架構(gòu)還未成形，存在很大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。本文從M2M技術(shù)在智能電網(wǎng)，特別是在家庭區(qū)域網(wǎng)中應(yīng)用的角度論述了M2M的發(fā)展、技術(shù)特點、功能架構(gòu)等若干方面的問題。

M2M的發(fā)展歷史

M2M通信早在移動通信之前隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自動化的發(fā)展以不同的形式存在。移動蜂窩普及后，1995年，西門子發(fā)布了一個GSM數(shù)據(jù)模塊(Ml),進(jìn)入M2M的工業(yè)化應(yīng)用，使得機(jī)器通過無線網(wǎng)絡(luò)通信用于車輛通信(telematics),遠(yuǎn)程監(jiān)控和追蹤等。M2M技術(shù)的早期實踐者如GM和休斯(Hughes)電子公司很快實現(xiàn)了產(chǎn)品盈利，顯示該技術(shù)在未來應(yīng)用的前景。到1997年,隨著更加集成和性能穩(wěn)定的M2M模塊的推出，M2M通信技術(shù)得到更廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在M2M數(shù)據(jù)模塊已經(jīng)十分精良，功能多樣，出現(xiàn)了融合其他技術(shù)包括GPS定位、可嵌入電話的SIM模塊，以及嵌入可促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的Java功能。2002年，Opto和Nokia正式用M2M術(shù)語詮釋其開發(fā)的通信方案。2003年，Nokia發(fā)布了“M2M技術(shù)一讓你的機(jī)器開口講話”，使得狹義的機(jī)器與機(jī)器的通信成為更加廣泛的包括所有人、機(jī)器之間建立連接的技術(shù)。通過增強(qiáng)機(jī)器設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和通信能力，促進(jìn)了機(jī)器設(shè)備的智能化。

M2M行業(yè)在我國起步較晚，但是發(fā)展迅速。2009年，國務(wù)院總理溫家寶在無錫考察時指出在國家重點科技專項中,加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展，建立“感知中國”中心。我國政府已經(jīng)將M2M技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)正式納入國家《信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展十一五規(guī)劃及2020年中長期規(guī)劃綱要》重點扶持項目。我國M2M通信市場保持25%的增長,2010年產(chǎn)值達(dá)到80億美元。

M2M在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

未來電網(wǎng)的通信架構(gòu)尚未明確界定，在互用性(interoperability),可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)化、自組織能力以及安全性方面都存在著很多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。智能電網(wǎng)的三個主要組成部分有不同的作用。第一是發(fā)電?，F(xiàn)在有不同的電力生產(chǎn)類型，如火力、天然氣、核動力、風(fēng)力和太陽能等，發(fā)電部門需要掌握成本、能源需求、價格。在有些國家電力供應(yīng)是市場化運作的，由不同的電力企業(yè)提供電力服務(wù)。企業(yè)還需要了解競爭者的相關(guān)信息和采取的策略。第二則是配電。電力通過傳輸線路和配電站輸送到消費者。電力配送必須優(yōu)化,使得損耗和傳輸成本最小,站在供電和用電方的角度來看，配電應(yīng)該相互適應(yīng)。第三就是用電。電力用戶包括家庭、工業(yè)、機(jī)關(guān)學(xué)校等公用單位。用戶電力需要的確定可以促使供電和配電的優(yōu)化配置。為此，需要部署大量的智能儀表，以迅速而準(zhǔn)確地收集電力消費數(shù)據(jù),從而估計電力需求。

國際上很早就提出了家庭能耗管理系統(tǒng)(homeenergymanagementsystem,HEMS)的設(shè)想。家庭用戶需要提高電力利用率，電力部門應(yīng)采取措施幫助用戶平抑負(fù)載，需要在能耗較大的電器上增加智能和通信功能，根據(jù)電價的變化作出響應(yīng)。當(dāng)前在智能電網(wǎng)發(fā)展的帶動下，家居能源管理系統(tǒng)成為智能電網(wǎng)發(fā)展的一個重要部分和驅(qū)動力。M2M通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計問題是當(dāng)前研究的一個熱點方向。

hems關(guān)注智能電網(wǎng)中用電方的行為。各種家用電器，如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、廚房電器等如果都配有智能電表，控制中心可以根據(jù)據(jù)此優(yōu)化電力供應(yīng)和消耗。歐美國家已經(jīng)開始提供各種不同的HEMS服務(wù)，如GooglePowermeter,MicrosoftHohm,AppleSmart-HomeEnergyManagement?用戶利用這類服務(wù)的優(yōu)化用電功能來減少電力成本。在這些方面，M2M通信發(fā)揮了十分重要的作用，通過M2M通信技術(shù)家電的相關(guān)信息可傳輸?shù)娇刂浦行?。ZigBee和WiMax具有費用低、工作方式靈活的特點，通常是M2M無線通信技術(shù)的首選。

一個典型的HEMS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)主要包括如下幾個部分：第一是家用電器。家電是智能電網(wǎng)中電力消耗設(shè)備，和智能電表相連，并由智能電表控制其電力消耗。先進(jìn)的家電還可主動向電表發(fā)送信息，可報告未來的電力需求等數(shù)據(jù)。第二是智能電表，用來收集電器能耗需求數(shù)據(jù)。在電器和智能電表之間建立一個家庭區(qū)域網(wǎng)(Homeareanetwork,HAN),組網(wǎng)方式可以用電力線通信(powerlinecommunication,PLC)或ZigBee。第三是集線器。一個HAN可以配備一個集線器即網(wǎng)關(guān)來從電表處收集數(shù)據(jù)包，其通信方式采用Wi-Fi短距離通信技術(shù)。接收的數(shù)據(jù)包緩存在集線器。集線器的WAN收發(fā)機(jī)從緩存中提取所需數(shù)據(jù)傳送到一個WAN基站。第四是WAN基站，負(fù)責(zé)每個集線器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挿峙??；緦⒔邮盏絹碜圆煌€器的數(shù)據(jù)包通過有線的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心。第五是控制中心，接收HEMS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲。這些數(shù)據(jù)將被用于優(yōu)化電力的生產(chǎn)和配送。

圖1家庭區(qū)域網(wǎng)的M2M通信在智能電網(wǎng)中的構(gòu)架

由于無線頻譜的匱乏，研究人員建議智能電網(wǎng)可利用空白電視信號(whitespace)頻段，并提出了智能電網(wǎng)采用基于感知無線電(cognitive-radio)的M2M通信來實現(xiàn)有效的電力配置和頻譜利用方案叫其中，M2M通信單元用在家電和電表之間的通信。M2M的網(wǎng)關(guān)就是HEMS集線器。M2M的服務(wù)器位于控制中心。M2M區(qū)域網(wǎng)絡(luò)就是基于短程通信的技術(shù)（如Wi-Fi）。

3家庭區(qū)域網(wǎng)中的M2M網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

M2M為了達(dá)到智能電網(wǎng)通信的要求可以采用一些中短距離的無線技術(shù)。家庭區(qū)域網(wǎng)中家電代表了M2M設(shè)備。選擇合適的M2M網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要考慮M2M設(shè)備的功耗和成本特性［5］o一些低功耗和成本技術(shù)不斷成熟成為智能電網(wǎng)中M2M的使能器（enabler）,其中比較突出的技術(shù)包括藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB、ZigBee和6LoWPAN等。下面對這些技術(shù)的特點做簡要介紹。

IEEE802.15.3a:Ultra-WideBand（UWB）

UWB通信是從兩個主要類型的應(yīng)用發(fā)展而來的。第一個是針對高數(shù)據(jù)率通信（超過1Mb/s）,如高清電視；另一個是針對低于1Mb/s的應(yīng)用，如傳感器網(wǎng)絡(luò)。M2M設(shè)備在家庭區(qū)域網(wǎng)通信中可以看成是一種傳感器。UWB技術(shù)的缺點是功耗較高。經(jīng)過多年的停滯，2006年IEEE802.15.3a工作組解散,今后IEEE可能不會再對UWB有進(jìn)一步的支持。

IEEE802.11:Wi-Fi

該協(xié)議適合于在較大區(qū)域的較高數(shù)據(jù)率應(yīng)用。Wi-Fi也是目前接受度最高的無線室內(nèi)通信協(xié)議，能支持IPv6格式地址,在家庭用戶中極為普及。該技術(shù)的主要不足和UWB類似，即高能耗，因此不適合用在智能電網(wǎng)中的M2M通信。

IEEE802.15.1:藍(lán)牙

藍(lán)牙協(xié)議在短距離范圍用作聲音、數(shù)據(jù)和聽覺應(yīng)用十分普遍。藍(lán)牙協(xié)議支持IP尋址,因此可以用于家庭區(qū)域網(wǎng)的通信。藍(lán)牙協(xié)議十分適合低功耗低數(shù)據(jù)率的應(yīng)用。藍(lán)牙主要用在短距離的點對點同級間（peer-to-peer）的通信，而且藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)即微微網(wǎng)（piconet）只支持8個設(shè)計的同時通信。在家庭區(qū)域網(wǎng)中M2M設(shè)備使用藍(lán)牙通信，在規(guī)模稍大情況下，需要建立多個微微網(wǎng)。每個微微網(wǎng)有個主M2M設(shè)備，通過該設(shè)備實現(xiàn)微微網(wǎng)之間的通信。這種做法會增加通信延遲。藍(lán)牙技術(shù)的另一個缺點是它的周期性蘇醒和與微微網(wǎng)的主設(shè)備的同步問題。藍(lán)牙設(shè)備在同步之前需要約3s的時間蘇醒。

IEEE802.15.4:ZigBee

ZigBee協(xié)議用在很多的家庭組網(wǎng)，包括智能電網(wǎng)中的家庭區(qū)域網(wǎng)。ZigBee是特別為無線設(shè)備的低功耗和長期通信要求而設(shè)計開發(fā)的。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備，而且ZigBee的喚醒時間僅為數(shù)毫秒。因此，和上述其他幾個通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)是智能電網(wǎng)中M2M通信的較好選擇。

4當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管在當(dāng)前的通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研究人員提出了很多M2M的解決和部署方案，目前依然有很多技術(shù)方面的問題有待研究。

4.1標(biāo)準(zhǔn)化

M2M通信需要整合和覆蓋不同的通信系統(tǒng)，對此依然缺乏一個標(biāo)準(zhǔn)。迫切需要一個無縫和統(tǒng)一的M2M構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)M2M通信的發(fā)展和應(yīng)用，而且關(guān)于M2M通信（如RFID、ZigBee以及UWB）的實現(xiàn)技術(shù)的完整標(biāo)準(zhǔn)需要具體明確。

4.2通信流量的特性

目前，對于M2M單元間交換流量的特性尚待進(jìn)一步的研究。M2M的通信流量由于其特定的功能（如數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控）和要求（如強(qiáng)實時流量），其特性和我們所了解的基于人的網(wǎng)絡(luò)流量不同。關(guān)于數(shù)據(jù)流量的特性是用于設(shè)計和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的基礎(chǔ)。在提供高質(zhì)量服務(wù)（QoS）支持的M2M應(yīng)用方面，也需要掌握M2M流量特性。

4.3協(xié)議的再設(shè)計

目前，互聯(lián)網(wǎng)主導(dǎo)的傳輸協(xié)議（TCP/IP）由于設(shè)計的待傳數(shù)據(jù)容量低，對M2M通信來說存在不足。

4.4頻帶管理

限于帶寬資源，無線M2M技術(shù)需要在一些頻道內(nèi)有效的傳輸。然而，由于對無線M2M服務(wù)在提供和需求方面不可避免地要求頻率轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)靜態(tài)頻率分配方式難以達(dá)到優(yōu)化的頻譜管理，因此，應(yīng)該更好地發(fā)揮二級頻譜市場的作用，保證有限的頻率資源得到有效的利用。

4.5優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

M2M通信會連接很多的設(shè)備和系統(tǒng)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是十分重要的。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須最小化M2M通信的成本（如硬件、維護(hù)和無線資源利用）,同時滿足通信流量和應(yīng)用方面的服務(wù)質(zhì)量。

為達(dá)成智能電網(wǎng)的目標(biāo)，目前電網(wǎng)的設(shè)計存在諸多問題,而電網(wǎng)改造的人力、物力耗費巨大。采用傳統(tǒng)電網(wǎng)和無線通信技術(shù)的融合是一種有效和經(jīng)濟(jì)的解決方案,例如利用手機(jī)顯示用電信息并允許消費者控制家里的電器，這樣可以無需布設(shè)智能儀表。

5結(jié)語

M2M通信在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，而智能電網(wǎng)的需求是M2M通信發(fā)展的一個強(qiáng)勁動力。本文根據(jù)國際上M2M在智能電網(wǎng)應(yīng)用的最新進(jìn)展，介紹了M2M通信技術(shù)的發(fā)展歷程、主要特色和未來發(fā)展動向。M2M通信技術(shù)的研究在我國還處于初級階段，智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，使M2M技術(shù)必將獲得巨大的發(fā)展機(jī)遇。需要結(jié)合我國實際情況，借鑒國外成功經(jīng)驗，走出我國M2M通信和智能電網(wǎng)發(fā)展的特色之路。

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