230MHz解决计量自动化系统GPRS通信盲点的关键技术研究
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摘 要：针对我国偏远地区、地下室等GPRS信号未能覆盖或者信号较弱的环境，计量自动化系统的现场终端无法正常使用GPRS进行及时通信，在不改动GPRS通信设备和现场终端的前提下，利用230 MHz技术来解决计量自动化系统GPRS通信盲点的技术难题。在230 MHz频段开发提供现场终端上行数据中转服务的设备，一端与数据采集的现场终端交互数据，现场终端上行数据通过230 MHz信道转发后，另一端将通过230 MHz信道收到的数据转发至GPRS网络，从而传输至主站系统，进而建立良好的通信环境。
关键词：计量自动化系统;230MHz技术;GPRS通信盲点
中图分类号：TP29 文献标识码：A
Abstract：For the remote areas，basement and other GPRS signals can not be covered or weak signal environment，the GPRS communication can"t normal used in the terminal equipment of metering automation system in time，without changing the GPRS communication equipment and field terminals，230MHz technology To solve the GPRS communication blind spot technical difficulty of metering automation system is used in this paper. In the 230MHz band to development equipment provide uplink data transfer service for the terminal equipment，one end interacts with the terminal equipment of the data acquisition，the uplink data of terminal equipment forwarded by 230MHz channel，and the other end forwards the data received by 230MHz channel forwards to the GPRS network，transmit to the master station system，and establish a good communication environment.
Key words：metering automation system;230 MHz technology;GPRS communication blind spots
我国电力通信随着智能电网的飞速发展，从小到大、从点到面发展并形成覆盖全国的电力通信网，因此，计量自动化系统开始被广泛使用。该系统以当前各行业先进的技术为基础，对其进行科学合理的整合最终成型，从而实现实时远程抄表、分析供电线路损耗、有效控制管理电网负荷以及电网故障预警等先进功能，带来了巨大的经济效益和社会效益。计量自动化系统的使用极大的减少了工作人员的数量，节约了管理成本的同时还提高了管理效率。然而，计量自动化系统的现场终端安装在各种复杂的环境中，部分地域存在GPRS信号未覆盖或信号不稳定的情况，造成现场终端与主站系统间不能建立通信连接或连接不稳定，无法正常采集到现场终端的各项数据等问题[1-3]。为此，基于计量自动化系统的通信规约要求，研究利用230 MHz来解决计量自动化系统GPRS通信盲点，以便现场终端能与主站系统建立稳定可靠的通信连接。
1 计量自动化系统GPRS通信盲点分析
1.1 计量自动化系统概述
计量自动化系统是一套涵盖全网络各种计量点及现场终端，集信息采集、监控、分析和计量管理于一体的应用平台。系统从单一到完整，功能从简单到丰富，业务应用从原来主要以自动抄表为主，拓展到用电检查、计量管理、线损统计及分析、需求侧管理、市场分析等多方面，覆盖厂站、专变、公变及低压用户，完成了从点到面的自动化信息管理。计量自动化系统的投入应用，为有序用电、远程抄表、智能负荷控制、电费结算、市场管理、线损管理、营销系统的电费结算等业务提供了實时数据支撑，使得电力营销管理水平和客户服务水平得到了实质性的提升，取得了供用双方的效益双赢。
计量自动化系统是电力企业营销自动化的重要组成部分，其结构如图1所示，包括主站系统、通信通道、现场终端、本地通信和电能表。计量自动化系统的主站系统是指把各类计算机接入到计量自动化系统，它控制着整个计量自动化系统进行信息采集，并远程连接通信信道，通过通信信道对现场终端的信息进而二次控制和实时采集，并把得到的结果进行分析与数据处理。通信信道是用来沟通主站系统和现场终端的通信介质，可以是通用分组无线业务GPRS（Genegral Packet Radio Service）、码分多址CDMA（Code-Division Multiple Access）、公用电话交换网PSTN（Public Switched Telephone Net-work）和/或数据专线等，目前主要应用的是GPRS。现场终端包含一定的客户端和总站下辖的二级单位，用于通过本地通信具体采集各个计量点（电能表）的电能信息，对数据进行管理，并通过通信信道将数据信息传输到主站系统，还执行并转发主站系统下达的各项控制与操作命令[1-3][5]。
1.2 GPRS技术概述
GPRS技术是一个叠加在GSM（Global System for Mobile）上专为高速数据通信而设计的新网络，属于一种分组交换的数据承载和传输方式，是介于第二代和第三代之间的一种技术，称为2.5G数字移动通信技术，是GSM向3G移动通信发展的必经阶段。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。它充分利用现有移动通信网络设备，通过在GSM网络上增加一些硬件设备和软件升级形成一个新的网络逻辑实体，手机通话继续使用GSM，而数据传输则使用GPRS。它采用分组交换方式传输数据，理论上最高数据速率可达171.2 Kbps，客户可以在移动状态下通话的同时使用各种高速数据业务，包括高速电子邮件传递（可带图形等大型文件附件）、网上冲浪、访问企业广域网等。此外，GPRS是以运营商传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而令每个用户的服务成本更低[4]。
GPRS是在原有基于电路交换（CSD）方式的GSM网络上引入两个新的网络节点：GPRS服务支持节点（SGSN）和网关支持节点（GGSN）。SGSN和MSC在同一等级水平，并跟踪单个MS的存储单元实现安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统。GGSN支持与外部分组交换网的互通，并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。GPRS与Internet连接原理如图2所示，GPRS模块通过接口从客户系统取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站（BSS）。分组数据经SGSN封装后，SGSN通过GPRS骨干网与网关支持接点GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络等。若分组数据是发送到另一个GPRS终端，则数据由GPRS骨干网发送到SGSN，再经BSS发送到GPRS终端。
GPRS采用无线分组技术，将无线通信与因特网紧密结合，作为一种先进的全新的无线网络承载手段，全面提升了无线数据通信服务，其主要特点表现在：1）永远在线：只要激活GPRS应用就永远保持在线，不存在掉线问题，相当于一种高速无线专线网络;2）按量计费：虽然永远在线，但只有产生通信流量时才计费，它是一种面向使用的计费方式，更加科学合理;3）快速登录：全新的分组服务，无需长时间的拨号建立连接过程;4）自如切换：话音和数据业务可以自如切换使用，电话上网两不误;5）高速传输：GPRS理论传输峰值远高于拨号上网及一般无线数传电台[6]。
1.3 存在的问题及原因分析
计量自动化系统的现场终端主要采用GPRS的通信信道进行数据采集，如某些用戶计量点安装在偏远山区或地下室，中国移动、电信或联通等无线通信运营商的网络信号覆盖不到或强度较弱、信号不稳定。信号盲点问题突出，导致现场终端无法远程接入主站系统，进而无法稳定上线、向主站传输数据。而且，通信信道的效果在相当程度上依赖中国移动、电信或联通运营商的对相关业务的重视程度和维护水平，故障处理时间得不到保障[7]。从计量自动化系统的现场终端运行数据统计情况分析，按地理环境特点分类，存在以下的问题。
1）偏远山区
根据对现有情况的总结分析，偏远山区常见的地理环境特点及其影响有几个类型：1）处于山峰峡谷地段，一般是现场终端附近没有网络信号或者信号较弱，结果会导致终端无法上线，无法进行远程通信;2）离变电站超10千米的偏远地区，无信号覆盖同时也没有安装有线电话，导致无法使用有线通信接入;3）位于省际交界区域，其通信网为外省信号，终端SIM卡未开通漫游功能，导致无法进行远程通信等。为此，改善偏远山区计量自动化系统的现场终端接入主要技术瓶颈在于如何在信号不稳定或没有信号环境下保证通信的稳定性和可靠性。
2）地下室
城市建筑的地下室的地理环境特点是，受墙体、地面等的屏蔽影响，地下室的室内信号弱或者无信号，但室外的GPRS通信良好，形成局部性区域信号不稳定。导致位于地下室的计量自动化系统的现场终端无法稳定与主站系统进行通信[8、11]。
2 基于230 MHz技术的计量自动化系统分析
2.1 230 MHz技术概述
230 MHz技术属于超短波无线通信技术，是利用223～231MHz超短波频段电磁波进行的无线电通信。超短波通信由于地面吸收较大且电离层不能反射，只能靠直线方式传输，又被称为视距通信，传输距离约50 Km，远距离传输时需经中继站分段传输，即中继接力通信。为了满足电力系统建设负荷管理系统的需要，1991年国家曾明确将223～231 MHz频段共15个双频频点和10个单频频点分配给电力专用。
230 MHz技术用于负荷管理系统至今己十多年。随着技术的不断发展，230MHz电台和数据传输Modem也在不断进步，数据传输速率从最早的600bps己发展到目前成熟的9600bps，电台的稳定性和可靠性大大改善，整个230MHz通信信道也日益完善。从目前通信技术发展的趋势，19.2Kbps或者更高的高速传输系统为今后大信息量的传输，尤其是图文的传输创造了条件。230MHz技术具有建设方便、覆盖面大等优点。
2.2 基于230 MHz技术的计量自动化系统设计
为加快营销计量、抄表、收费标准化建设，电网公司提出全面建设计量自动化系统，实现用户用电信息“全覆盖、全采集、全费控”，有效改变长期以来无法及时、完整、准确地掌控用户用电信息的局面。目前，计量自动化系统主要采用GPRS的通信信道。随着计量自动化系统的陆续建设，对通信信道也提出了更高的要求。
随着通信技术的发展，利用公网运营商无线专网进行用电信息采集的方式得到了广泛的推广应用，但用电信息采集用户不断增加，网络带宽费用和千万级用户采集数据传输给我们带来新的挑战，因此重新审视230 MHz无线组网方式，考虑将GPRS与230 MHz进行结合使用[9-10]。
针对偏远地区、地下室等GPRS信号未能覆盖或者信号较弱环境里的计量自动化系统的现场终端无法正常使用GPRS进行通信的问题，本文研究利用230 MHz来解决计量自动化系统GPRS通信盲点。在230 MHz频段开发提供现场终端上行数据中转服务的设备，一端与数据采集的现场终端交互数据，现场终端上行数据通过230 MHz无线信道转发后，另一端将通过230 MHz无线信道收到的数据转发到GPRS网络，从而传输到主站系统。
如图3所示，计量自動化系统的现场终端位于用户电能表位置，GPRS覆盖不良，远端GPRS延长器位于GPRS信号覆盖良好区域，距离现场终端0.5公里以内，近端GPRS延长器和UART /IP转换器与现场终端近距离连接。为此，通过230MHz数传电台进行GPRS信号延长，以便实现现场终端与主站系统的通信连接。具体地，现场终端通过UART/IP转换器与近端GPRS延长器进行通信，近端GPRS延长器通过230MHz无线信道与远端GPRRS延长器进行通信，远端GPRRS延长器通过GPRS网络与主站系统进行通信，进而确保现场终端与主站系统实现通信连接，使得用户用电信息通过230MHz、GPRS实时传输到主站系统。
计量自动化系统的现场终端是汇集各个计量电表或采集表数据的设备，具有国网或南网的数据标准，并具有RS232串口来发送数据。UART/IP转换器用于将现场终端的数据解析，并使用TCP/IP协议重新封装发送至近端GPRS延长器。RJ45接口是现在设备普遍具有的数据端口，GPRS延长器也采用了这一通用做法。但是现场终端本身不支持以太网协议，因此，通过一个协议转换设备来建立现场终端和近端GPRS延长器的逻辑连接。具体设计是，UART/IP转换器将接收到的数据按照国网协议解析来获得有用数据，然后将有用数据按照TCP/IP协议封装（其中封装了该设备的源IP地址，以及目的地址）。近端GPRS延长器将UART/IP转换器发过来的数据解析，并使用230MHz专网发送至远端GPRRS延长器，近端GPRS延长器接收来自UART/IP转换器的以太网帧，并进行解析，那么解析完成提取到有用数据后再进行230M专网数据格式的封装。并通过230M电台发送出去。远端GPRS延长器解析来自近端GPRS延长器的数据，并将该数据通过GPRS发送至主站系统。
远端GPRS延长器主要作用包括：一接收来自230MHz的数据并解析数据提取有用数据;二识别SIM卡，将数据通过GPRS网络传输给主站系统;远端GPRS延长器属性是作为以太网服务器，能够自动识别客户端并建立连接，而不需要设置自己的参数来适应客户端。具体原理在于：一般情况下，在通用客户端设备主动发起TCP连接前会先发送ARP报文（里面包含自己的IP地址和目的IP地址，目的IP地址是自己的默认网关），而服务器的IP地址必须要和目的IP地址一致才能正确接收对方的报文。那么就导致服务器必须手动设置自己，来使自己与客户端保持一致。但本设计中却不需要设置，原因在于在客户端发送ARP报文给GPRS近端设备时，近端设备就把报文中的目的IP（也就是客户端的默认网关）提取出来作为自己的IP地址。这样就实现了免除设置的特点[12-15]。
本文的计量自动化系统的GPRS延长器采用的是分离式系统拓扑结构（如图4所示），具体包括一台含有完整GPRS通信模块的远端GPRS延长器和一台不含GPRS模块的近端GPRS延长器，但近端GPRS延长器具备RJ45接口，且通常被安装在靠近现场终端的位置，通过较短的以太网双绞线相连。远端GPRS延长器通常安装在符合以下条件的位置：有优质GPRS信号覆盖的区域、能与近端GPRS延长器通过230MHz无线信号良好地连通的区域、有电能表、采集终端等便于供电的位置。
2.3 数据传输的安全分析
针对攻击者可用窃听无线链路，截获和串改通信数据，进行重放攻击等，使得网络数据通信不能保证机密性、完整性、一致性和不可否认性。主要采取以下设计，确保计量自动化系统的数据传输的安全。
鉴于GPRS通信可能存在的安全问题，为了保证通信的实时性，我们采用对称的加密算法来解决系统潜在的安全问题。
1）采用对称加密算法
对称加密算法是应用较早的加密算法，技术成熟。在对称加密算法中，数据发信方将明文（原始数据）和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。收信方收到密文后，若想解读原文，则需要使用加密用过的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密，才能使其恢复成可读明文。在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密，这就要求解密方事先必须知道加密密钥。
在嵌入式平台常用的小型加密算法有AES、DESL、HIGHT、XXTEA等。相比之下AES加密算法具有更好的吞吐量。
AES（The Advanced Encryption Standard）是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。
在4G LTE系统中，主要采用AES算法对通信过程中的数据进行加解密，AES算法是一种高效率的对称加密算法，具备很强的扩散性能，最后形成具有很高随机性的密码，从而使信息得到有效的保护。ZigBee网络中采用的数据加密模式为128bit的AES算法，本设计中也选用AES算法作为其加密算法。
2）AES算法流程
AES加密算法涉及4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。图4给出了AES加解密的流程，从图中可以看出：①解密算法的每一步分别对应加密算法的逆操作，②加解密所有操作的顺序正好是相反的。正是由于这几点（再加上加密算法与解密算法每步的操作互逆）保证了算法的正确性。加解密中每轮的密钥分别由种子密钥经过密钥扩展算法得到。算法中16字节的明文、密文和轮子密钥都以一个4x4的矩阵表示。
可逆的AES算法保证了GPRS的通信安全，在密钥固定的情况下，明文和密文在整个输入空间是一一对应的。算法的各个部件也都是可逆的，再将各个部件的操作顺序设计成可逆的，密文就能正确的解密了，这样解密算法才能正确的恢复明
文[16]。
3）电台终端防长发干扰
当230MHz中的某个电台处于长时间连续或间歇性不受控发射状态。那么（频率）信道就被非法占用，将导致整个系统中的终端因同频干扰而使数据部分或全部无法传输的严重后果，即通常所说的无线电台长发现象。具体是通过采用软件控制发射时间来解决，即启用电台的长发限时功能，通过射频控制软件监测控发信号持续有效或功率电源电流超荷时间，以15秒作为监测门限，超过15秒，则出发保护以停止发送或切断电源关闭电台发射。
4 结 论
计量自动化系统在智能电网中的广泛使用，实现了实时远程抄表、分析供电线路损耗、有效控制管理电网负荷以及电网故障预警等功能。然而，针对偏远地区、地下室等GPRS信号未能覆盖或者信號较弱环境，计量自动化系统的现场终端无法正常使用GPRS进行通信的问题，在不改动GPRS通信设备和不改变现场终端的前提下，利用230 MHz技术来解决GPRS通信盲点的技术难题。在230 MHz频段开发提供现场终端上行数据中转服务的设备，一端与现场终端交互数据，现场终端上行数据通过230 MHz无线信道转发后，另一端将通过230 MHz无线信道收到的数据转发到GPRS网络传输到主站系统。在整个通信过程中，采用对称可逆的AES算法保证了GPRS的通信安全。
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