CFDA無線自組網

CFDA無線數據採集系統廣泛套用於生產線監控、水點氣管線檢測等工業及民用領域。從所採用的數據傳輸技術角度來看，現有各種數據採集系統大多基於GPRS技術或者WLAN（無線區域網路）技術。

基本介紹

• 中文名：CFDA無線自組網
• 類型：網路平台
• 技術：GPRS技術
• 工作頻點：900MHz

技術介紹

基於GPRS技術的數據採集系統中，在每個“數據採集節點”上均載入GPRS收發模組，將採集到的數據通過GPRS網路傳送至“數據中心”處理，完成數據採集過程。這類系統所使用的900MHz（1800MHz）工作頻點需要授權，因此系統的構建、維護、運行均需當地的GPRS網路運營商支持，系統總成該較高，並且系統的可工作區域嚴格受限於當地GPRS網路的覆蓋範圍，系統靈活性差。

基於WLAN技術的數據採集系統中，每個“數據採集節點”上載入附屬的無線網卡，在“數據中心”載入無線區域網路接入點（Access Point－AP），通過無線網卡和無線AP之間“點到點”的數據傳輸完成數據採集過程。這類系統所使用的2.4GHz工作頻點（目前中國國內只批准了這一WLAN頻點）屬於免費頻段，無需第三方網路支持。但無線AP的有效傳輸覆蓋半徑約10米～100米，信號受周圍環境影響嚴重（例如，在通常的辦公樓環境中，牆壁、天花板等均會造成WLAN信號的較大損耗，因此在工程上一般每個房間均需放置一個AP才能達到較好的覆蓋效果），因此在樓宇內部、地下管線等實際套用環境中信號盲區較多，實現完全覆蓋的難度較大、成該較高、可用伺服器建立區域網路。

該公司開發了一種新型的無線數據採集系統——“CFDA （Cellular Fixed-wireless Digital Access）微蜂窩－感測式固定無線數據接入平台”。CFDA工作於無線抄表頻段，屬於微功率免申請業餘頻段，無需額外授權費用或網路第三方支持；CFDA支持分組多頻點的頻率空間復用及跳頻技術，採用蜂窩結構的網路組織方式，提高了頻率利用效率和網路擴展性；並且在每個蜂窩小區範圍內支持自組織多跳傳輸技術（Ad Hoc & Multi Hop），使得每個蜂窩小區的現實場地有效覆蓋，並且較好的解決了網路覆蓋盲區問題；CFDA提供了RS232（TTL-232、RS-485、標準232）和UART兩種通用的設備接口，可分別以“外掛”或者“嵌入”方式與用戶設備相連，具有良好的通用性。

CFDA兼具分散式和集中式系統的特徵，具有網路覆蓋率高、結構靈活、可靠性高、通用性強、施工鋪設簡單、維護方便、工程總成該低等特點；適用於遠程數據採集、特殊惡劣環境下的數據傳輸及接入等方面，如住宅小區安防報警系統、水電氣自動抄表系統、地下井坑及管線的監控系統等。

CFDA

CFDACellular Fixed-wireless Digital Access

CFDA系統是一種微蜂窩狀固定無線數據接入平台

CFDA系統是一種工作於公總計量頻段的跳頻通信系統

CFDA系統是一種基於無線感測器自組織網路體系結構的傳輸網路

系統組成

CFDA由三類節點----GPRS網關，微蜂窩接入中心CAC、分布接入單元DAU。

分布接入單元（DAU）：安裝在每個用戶數據採集點上，與用戶的數據採集設備相連，構成CFDA中的分散式數據採集接入的基礎設備，負責將採集到的用戶數據以多跳的方式傳送到指定的微蜂窩接入數據中

心CAC。

微蜂窩接入中心（Cellular Access Center—CAC）：安裝在用戶的數據處理設備上，構成在一定地理區域範圍內的數據中心接入點

，負責接收該區域內所有的分布接入單元DAU傳送的用戶數據，以進行後續處理。

GPRS網關：安裝在用戶的數據處理設備上，它下行聯接CAC，上行連線MIS收費平台。構成整個網路的網關。

技術特徵

3.1蜂窩結構

免申請業餘頻段

支持頻分復用

蜂窩結構覆蓋

3.2 Ad Hoc組網

多跳傳輸技術

自組織特徵

慢跳頻通信

通用接口

UART、RS232（TTL-232、RS-485、RS232）

用途

CFDA系統已經成功地套用於AMR

基於CFDA的電錶AMR

基於CFDA的水氣表AMR

CFDA系統可以作為個域網（PAN）的解決方案

CFDA系統可以作為遠程窄帶數據接入的接入網解決方案

優勢

AMR領域常用數據接入技術方案比較：

5.1 有線方式：

5.1.1電力線載波方式：

優點：網路分布廣、能進行雙向通訊。

不足：我國一些低壓配電網，接線雜亂，負荷變化很大且缺乏規

律性，各種干擾十分嚴重，現有電力線載波AMR系統的套用結果表明，未能取得滿意的效果。

5.1.2電話線方式：

優點：網路分布廣、能進行雙向通訊

不足：由於電話線公用，通訊時經常發生衝突，既影響了數據的傳輸也對電調部門的正常工作造成了干擾，並且此種方式對通訊部門程控交換機正常、穩定的運行也有一定的影響。

5.1.3專線方式：

優點：傳輸可靠

不足：布線工程造價高、難度大、不易維護

5.2無線方式：

5.2.1基於數字蜂窩移動通信網路（GPRS、CDMA 1X）的技術方案

優點：實現簡單

不足：成該問題、覆蓋問題

5.2.2基於WLAN的技術方案

wlan的網路圖

5.2.3基於Zigbee的技術方案

5.2.4基於CFDA的技術方案

Zigbee網路

採用自組織多跳傳輸技術提高了CFDA平台的魯棒性

CFDA網路

在CFDA中，設計DAU與CAC之間的多跳鏈路。每個CAC周圍範圍內的DAU構成一個“微蜂窩”，如下所示。

“微蜂窩”結構

微蜂窩”（Cellular）是CFDA中的一個基該結構單元，根據實際套用環境的情況，整個CFDA系統可以由一個或者多個“微蜂窩”構成。“微蜂窩”內的網路結構稱為“區域網路”，多個微蜂窩小區構成平台的“外網”，具體定義如下：

n 微蜂窩 （Cellular）：指地域半徑內的接入點的集合，如某一小區內的所有分布在該地域範圍內的電錶數據接入點的集合。

n 區域網路 （Insider Net）：指在單個微蜂窩內形成的網路結構。

n 外網 （Marco Net ）：指在一定的地域內，由多個相臨或相近的微蜂窩（Cellular）構成的網路集合，如某一城市統一實行抄表，該城市在規劃時分成若干個小區，由多個小區構成此城市的網路，統稱為外網。

CFDA的工作過程大致如下：

在CFDA平台中，每個數據採集點均裝配一個DAU，在每個微蜂窩內配置一個CAC。

DAU將收集的感測器數據傳送至其所在微蜂窩的CAC；

CAC將收集所在微蜂窩內的數據，然後交給用戶(程式)處理。

當系統採集點的分布範圍較大、需要多個微蜂窩覆蓋整個區域時，則每個微蜂窩內的CAC則將收集的數據再傳送給整個網路的用戶數據中心。從每個CAC到用戶數據中心則以獨立的專用信道（有線或者無線）完成傳輸。

為避免各個微蜂窩小區間的干擾，CFDA平台中的CAC和DAU支持對頻點的頻分復用。每個微蜂窩小區均被分配一組頻點，相鄰微蜂窩小區所使用的頻點組互不相同。在每個微蜂窩小區內部，CAC和DAU之間在兩個頻點上以慢速跳頻的方式進行通信。

工作原理

CFDA的設計及工作流程包括四個部分：網路規劃、網路鋪設施工、路由建立、數據採集傳輸，

6.1網路規劃

首先，根據實際項目的具體需求，將網路劃分為一個或若干個微蜂窩小區（Cellular），蜂窩小區的界定原則為：具有一定的自然區域性或行政轄區性。

為避免各個微蜂窩小區間的無線干擾，按照GSM數字蜂窩網的頻率復用原則和編碼原則，對各Cellular的CAC進行編碼，如圖上所示，並根據表1確定該Cellular的工作頻率。

CFDA的工作頻段為微功率免申請業餘頻段。CFDA提供工作頻點分組，每個Cellular內設定一個CAC並分配一組頻點。

CFDA平台規定：每個DAU均與其最近的唯一CAC所對應，受此CAC管理。在數據採集傳輸階段，DAU將採集到的數據傳遞到其對應的CAC，由CAC收集其微蜂窩小區內所有DAU的數據並處理或上傳。

每個CAC最多管理多個DAU。CAC標識(ID)和DAU的物理地址定義如下表

DAU物理地址

CAC 標識(ID)

DAU單元地址

DAU的邏輯地址是指DAU所連線的用戶設備終端的地址或者標號（如電錶的表號、用戶名等）。當DAU的物理地址確定後，其物理地址與其邏輯地址具有一一對應的關係，可以構成DAU地址映射表。每個CAC保存其管理的所有DAU的地址映射表。

6.2 網路鋪設施工

根據網路規劃圖，將DAU與用戶數據採集設備聯通工作、將CAC與用戶數據處理設備(計算機、套用軟體)聯通工作。

為方便與用戶設備相聯、構成無線數據採集傳輸接入的套用系統，CAC和DAU均設計有通用的RS-485或者UART接口。通過UART可將CAC（或者DAU）直接嵌入用戶數據處理設備或用戶數據採集設備，通過RS-485則可直接以“外掛”方式與用戶設備相連。

網路鋪設實施中的主要問題包括：“微蜂窩小區處理中心”和“微蜂窩小區內數據接入單元”的設計。

6.2.1 小區處理中心的設計

微蜂窩小區處理中心由CAC和用戶數據處理設備構成。

CAC屬於一個微功率的無線數據收發電台。該公司生產有嵌入式（型號：FC-201/JA）和外掛式（型號：FC-601/JA）兩種型號。它們分別適用於相對簡單的用戶(固定/移動)數據處理器和固定的計算機用戶數據處理器。如下圖所示。

微蜂窩小區處理中心可以設計為兩種類型：落地型和轉髮型。

n 落地型：是指信息的處理中心就在該小區，由該小區直接對採集的數據進行處理，如小區安防報警系統等。該系統的中心控制設備通常是一台電腦，其結構如下圖所示。

（其中，FC-601/JA具有電源和RS-232、RS-485接口）

n 轉髮型：當Cellular 內沒有數據處理能力時，可以構建轉髮型處理中心。轉髮型處理中心單元只具有定時數據採集、存儲、轉發等功能，如電力抄表系統的集中器。其結構如下圖所示。

其設計過程與落地型基該相同。

6.2.2小區數據採集接入單元的設計

小區內數據接入單元由DAU和用戶數據採集設備構成。

UART

嵌入式DAU; 型號：FC-201/JB

用戶數據採集設備

DAU 是一個微功率無線數傳電台。該公司根據用戶套用類型生產了嵌入式（DAU—FC-201/JB）和外接式（DAU—FC-601/JB）兩種型號。它們的結構分別為圖17和圖18。

6.3　路由建立

在CFDA中採用了自組織網路的多跳數據傳輸技術。

每個DAU是終端數據的饋入點，同時又可以作為路由點，為相鄰的DAU轉發數據。這樣就擴展了網路的覆蓋範圍，較好地解決了網路覆蓋盲區問題。

考慮到CFDA在套用中，每個CAC和DAU一經鋪設，其地理位置就固定不動。為提高系統效率和性能，我們採用了“表驅動式”的無線自組織網路路由算法。其主要思路是：為每個微蜂窩小區內的CAC，自動建立小區內每個DAU到此CAC的路由，並將建立的路由信息傳遞給相應的DAU。

當DAU傳輸數據時，均依據固定的路由傳送數據包，當固定路由失效時，啟用備用路由或者重建路由。

n路由建立的建立步驟如下：（略）

CFDA 建立路由的過程，是在一個蜂窩內形成CAC 與DAU 的全方位路由拓撲網路結構，有效地提升了CFDA 的覆蓋範圍。CFDA 的路由建立時間根據系統規模而不同，可分為四個地址段進行，每個地址段的建立時間為幾分鐘左右。

6.4數據採集傳輸

在CFDA的路由建立階段，每個DAU確定了到該微蜂窩小區CAC的有效路由、完成了系統時鐘同步並確定了其對應的傳送時隙（同一微蜂窩小區內，每個DAU都被分配唯一確定的傳送時隙，以避免DAU間的信號干擾）。

在DAU對應的傳送時隙，DAU根據路由信息將數據傳送給下一跳節點（CAC或者相鄰的DAU）。此外，在CFDA的路由建立過程中，從DAU到CAC的路由可能有多條，當某條路由失效時，將啟用備用路由，若無可用路由，則啟動路由重建過程。

在CFDA的每個微蜂窩小區中，均分配了一定頻差的兩個頻點。系統採用固定慢速跳頻模式，以提高系統抗干擾能力，其工作方式如下：

1. 當CAC 和DAU在待機時，在頻點之間跳轉，若某頻點接收到信號，則固定在該頻點通信

2、若CAC在某一頻點通信時，出現通信失敗，則自動跳轉到另一頻點。

工程設計中的注意事項

綜上所述，在CFDA的工程設計中應注意以下幾點：

1、在網路規劃設計階段，首先，應根據實際套用環境的地域特徵和行政區劃設計微蜂窩小區；其次，微蜂窩小區內DAU的分布密度儘可能適中、分布儘可能均勻；第三，若在某一點或某一區域出現盲區，可在適當地區增加由FC-601/JB構成的路由點來實現覆蓋。

2、在對微蜂窩小區內的DAU編寫物理地址時，儘量集中分布在同一或相鄰的地址段內，以減少路由建立的時間。例如當DAU數量小於默認節點時，應將他們集中在一個地址段內。

3、在網路鋪設階段，需根據具體套用要求對CAC進行編程，基該步驟如下：

n 將微蜂窩小區內的所有DAU的物理地址和邏輯地址映射表下載到CAC；

n 由控制中心向FC-601/JA發建立路由啟動命令，建立路由；

n 路由建立完畢後，CAC和DAU即可進行通信。

編程中應注意的事項：

A、由於CFDA的路由時間限制，因此在編程時，要充分考慮路由時延；

B、可以通過定時重建路由的方式，提高系統穩定性；

C、CFDA 採用的是類似於神經網路的廣泛性全集路由方式。若控制中心對某一邏輯地址進行操作時，第一條路由行不通，CFDA會自動提供第二條路由進行通信，若第二條也不行，則會提供第三條，若第三條不行，則會返回失敗信息。控制中心在編程時應考慮到此點；

發展歷程

7.1第一代CFDA系統

u 誕生於2000年

u 採用星型網路結構

Ø 問題：

u 單跳：距離受限

u 靜態配置擴展性差

7 7.2 第二代CFDA系統

u 誕生於2002年

u 採用放射狀網路結構

Ø 問題：

u 靜態路由配置，擴展性差

7.3 第三代CFDA系統

u 誕生於2003年

u 採用MESH網路結構

u 採用冗餘路由配置加強可靠性

u 自組織路由單向配置

u 實例介紹

八、第四代CFDA系統的優勢

8.1 第四代CFDA系統的改進

採用MESH網路結構

Ø 網路覆蓋範圍更大

採用可雙向配置的自組織路由

Ø DAU報警，便於自維護

Ø DAU實時入網，便於節點規模的動態擴展

Ø DAU實時發起路由更新，使數據傳輸更為可靠

支持手持設備的移動接入

Ø 使系統的維護方便、簡捷

Ø 數據傳輸效率更高

8.2 第四CFDA系統獨創技術優勢

8.2.1慢跳頻算法確保通信頻率的快速捕捉：

採用呼叫與傳輸頻率共享模式多點頻率定時轉換的慢跳頻模式。

8.2.2動態地址技術的自組織網路體系

採用雙向配置的動態組網技術通過臨時地址進行家族繁衍來規避節點地址的碰撞衝突。

市場需求

Ø 工作頻段在國家規定的無線數據傳輸頻段（U/V頻段之間）有較強的穿透力和繞射能力。

Ø 採用窄帶的技術，因此具有較高的數傳靈敏度。窄帶的微功率數傳，該類數傳採用標準的二次變頻的窄帶技術和標準的FSK調製解調方式，具有抗干擾能力強，傳輸距離遠的特徵，可套用於工業環境場合。

Ø 根據我公司對中國的各類小區中水、電、氣以及其他的智慧型設備的分布研究和實際的測試，要能實現一個真正的自適應自組織網路，在各種複雜的條件下的每個節點的獨立傳輸能力需要達到一定距離，否則在網路中就會出現孤點。CFDA在經過多個試點之後，被華東電網充分認可，並通過華東網的鑑定。

一、概述

DCJL23-FC621GBC1型採集器套用於CFDA遠程集中抄表系統，完成無線信號和RS485信號的轉換，從而實現對RS485表的無線集中抄表。

DCJL23-FC621GBC1型採集器安裝在室內或室外RS485電錶箱內，適應於環境溫度為-25℃～+55℃、年平均相對濕度不大於75%的條件下使用。

二、功能和特點

該產品主要完成對RS485電錶的電量採集，利用微功率無線為通信信道，把用電量數據以無線方式上傳，提供給CFDA遠程集中抄表系統。特點如下：

（1）、支持最多32塊表；

（2）、空中無線遠程抄讀

（3）、支持DL/T 645 1997和2007

（4）、可抄讀當前電量、日月凍結電量

（5）、抄讀當前電量及日月凍結電量標識可設定

（6）、電量存儲功能，每日零點自動凍結電量

（7）、電量存儲功能，每月結算日自動凍結電量

（8）、保存共100點小時電量

（9）、保存上60天日凍結電量

（10）、保存上12月凍結電量

（11）、支持數據透傳

（12）、可使用紅外、無線和485接口對採集器進行抄讀和設定

（13）、支持開蓋和掉電檢測，記錄總次數和最近10次發生結束時間