智能电网中的M2M通信:应用、标准、实现技术和研究挑战

摘要

我们介绍了一些正在进行的M2M通信标准化工作，随后介绍了机器对机器(M2M)通信在智能电网中的应用。我们分析和讨论了M2M中的实现技术，并概述了通信挑战和研究机遇，重点关注无线传感器网络及其在智能电网环境中的应用。

1.介绍

智能电网(SG)网络的特点是将灵活、安全的通信网络与需要大量传感器和执行器节点的新型能源管理技术紧密结合在一起。通信网不仅将促进先进的控制和监测，而且还将支持扩大对新有关方的发电、传输、销售和服务提供的参与。

为了实现智能电网，机器对机器(M2M)通信被视为SG的基石，作为部署大规模监控基础设施的手段，从而为信息通信技术(ICT)行业带来巨大机遇。例如，M2M中的智能计量可以促进灵活的需求管理，其中智能电表(SM)是一种双向通信设备，测量能源(电、气、水或热)消耗，并通过某种通信手段将该信息反馈给当地公用事业公司。有了接近实时的可用信息(例如基于网格中的能量流)，就可以计算不同级别的电价并提供给消费者，消费者可以做出更明智和更负责任的选择。因此，SM产生的信息就像“胶水”一样，让SG的各种成分有效地协同工作。在SG(如电力系统发电或家庭应用)中也部署了各种大型无线传感器和执行器网络(WSAN)，以执行监测任务，例如[1］．这些具有协作性和自修复性质的WSANs在实现SG所需的一些功能方面发挥着重要作用。另一方面，还有蜂窝M2M，蜂窝技术在M2M通信中扮演着重要的角色，因为它具有良好的覆盖范围，在许多应用中有很好的数据速率，等等。然而，在本文中，我们主要关注WSAN，其中使用各种短距离无线技术来支持各种M2M应用。

目前在M2M通信中有各种各样的标准化活动，有意识地努力交付一套协调的欧洲标准。智能计量和智能电网给通信网络带来的挑战和机遇是重大的，其中包括互操作性、可扩展互联网络、可扩展覆盖网络，以及具有可能多得多的设备和设备的家庭网络。考虑到仅通过智能计量就可以暴露大量的私人数据，安全性和隐私方面也非常重要。

本文讨论了M2M通信在SG中的应用。本节简要介绍了M2M标准化工作2， M2M场景和要求参见SG章节3.．我们将在本节进一步讨论启用技术4并概述本节的传播挑战和研究机会5，重点介绍WSAN及其在SG环境中的应用程序。部分6致力于本文的结论。

2.M2M标准化活动

2．1．M2M架构和拓扑

毫无疑问，M2M是各种异构电子、通信和软件技术的组合。如图所示为ETSI TC (technical committee) M2M等M2M网络的总体架构1．关于M2M体系结构的其他更详细的信息可以从ETSI TC M2M正在进行的工作中获得。在此架构下，M2M设备(智能和通信)组成M2M区域网络;这可能是从一个小规模的家庭环境到一个更大的环境，如工厂。M2M区域网通过M2M网关与卫星、电力线、移动基站等通信网络相连。通过通信网络连接到M2M服务平台上的M2M管理服务器，随后到达M2M管理服务器另一侧的M2M应用(监控视频、在线社交等)。

2．2．ETSI M2M

欧洲电信标准协会(ETSI)技术委员会正在开发M2M通信标准。该组织旨在提供M2M标准化的端到端视角，并将与ETSI在下一代网络上的活动以及移动通信技术3GPP标准倡议的工作密切合作。ETSI TC M2M是由欧洲智能计量委员会(M/441)授权的三个欧洲标准化组织之一。应对M/441的TC M2M协调域包括通过最佳网络基础设施(蜂窝或固定)提供对电表数据库的访问，并提供端到端服务能力，目标有三个:终端设备(智能电表)、集中器/网关和服务平台。此外，还将指定智能计量应用程序配置文件，包括服务功能。数字2展示了CEN(欧洲标准化委员会)、CENELEC(欧洲电工标准化委员会)和ETSI在M/441授权工作中的职责范围。

此外，还与CEN、CENELEC、DLMS UA、ZigBee Alliance和其他ETSI tc等其他标准化机构建立了联系。

2.3。3 gpp

除了ETSI, 3GPP还积极参与M2M技术相关活动。在3GPP中，M2M也被称为机器式通信(MTC)，在这种通信中，已对接入和核心网络基础设施进行了优化，从而允许高效地提供M2M服务。3GPP SA1已于2008年完成了一份关于“促进GSM和UMTS中的M2M通信”的技术报告TR 22.868。他们现在已经开始了一项新的工作项目，旨在改善MTC的网络，以收集需求，以降低支持M2M服务的运营成本。3GPP SA1 Services正在研究3G系统的服务和特性。在第10版中，他们提出了“机器类型通信(MTC)第1阶段的服务要求”。“3GPP SA 3已经开始研究mtc的安全方面。

２.４.IETF roll无线传感器网络(WSN)和物联网

IETF创建了一系列与传感器技术和智能对象相关的活动，如6Lowpan和ROLL(在低功耗和有损网络上路由)。这些努力旨在将互联网协议应用到为SG建立监测基础设施所需的传感器和M2M设备上。ROLL工作组正在研究用于低功耗和损耗网络(lln)的RPL (routing protocol for lln)，在这种网络中，节点是许多具有有限功率、内存和处理资源的嵌入式设备。这些节点通过各种无线技术互连，如IEEE 802.15.4、蓝牙、低功耗WiFi和电力线通信链路。工作的重点是提供端到端基于ip的解决方案，以避免不可互操作的网络问题。

3.智能电网中的M2M: SG的M2M场景和要求

由于M2M系统可以提供各种功能，它被认为是实现SG的基础ICT解决方案之一。在本节中，首先，我们将研究SG的基本体系结构以及M2M体系结构与之的关系。接下来讨论两个重要的M2M场景，并研究考虑到WSAN的相关应用程序。当需要开发更详细的功能和技术需求时，这种理解是必不可少的。特别是，我们将研究WSAN如何在SG上下文中交付M2M应用程序中发挥关键作用。

数字3.［2]展示了SG的ETSI董事会架构，该架构由三个主要平面构成:第一层，能量平面处理与生产、分配、传输和消耗相关的能量，因此包括大量传感器、电力存储系统、传输和分配系统。这一层对应于M2M网络中的M2M区域(设备)网络。第2层是控制和连接层，连接能源平面和业务平面。这与M2M通信网络层有关。第三层是服务层，提供所有与sg相关的服务。这与M2M网络体系结构中的M2M服务层有关。如何将M2M体系结构应用到SG网络中还需要进一步研究或标准化。

最近，WSAN越来越受欢迎，成为一种有前途的技术，可以增强当今电力系统的各个方面，包括发电、交付和利用。这是由于网络的协作性和低成本特性(也不需要构建复杂和昂贵的基础设施)。同时，WSAN与其他传统通信技术相比，具有广域覆盖、适应网络环境变化等固有优势。然而，不同的环境对WSAN提出了不同的挑战;例如，在恶劣复杂的电力系统环境下，SG应用中的WSAN通信在通信可靠性、鲁棒性和容错方面面临着巨大的挑战。在本节中，我们研究了WSAN在SG中不同的M2M应用/场景中的作用，并讨论了不同的特点和挑战。

3．1.家庭应用和智能建筑

无线家庭网络(或家庭区域网络(HANs))现在越来越受欢迎，已经从单纯的电脑发展到包括所有不同类型的电子设备，包括家用电器和家庭娱乐系统，如电视和音频。一般的应用包括照明控制、加热、通风和空调控制(HVAC)，这些都需要WSAN到位来支持监控，并充当无线通信基础设施。此外，它们还提供了一种检测波动和停电的方法。它还允许用户远程控制电表(如开关)，从而节约成本，并防止电力盗窃。其他应用包括需求响应和电动汽车充电。

智能建筑，如办公室，依赖一系列技术来提高能源效率和用户舒适度，以及监控和安全的建筑。M2M技术和WSAN被用于建筑管理系统的照明、暖通空调、检测空办公室，然后关闭监视器等设备，以及安全和门禁系统。

在家庭和办公环境中，M2M设备的主要要求是其非常低的功耗，因此许多设备可以使用数年而不需要更换电池。由于需要联网的家庭/办公室设备范围广泛，因此需要支持几种不同的物理连接。在所有不同的网络技术中，以太网、802.15.4、Wi-Fi、蓝牙、电力线通信和蜂窝网络都在家庭网络环境中占有一席之地。家庭M2M网络必须通过M2M网关支持所有不同的物理链路和协议栈。网关还需要能够收集关于M2M设备(通常配备的资源有限)中可用的处理和能源资源的信息，并决定如何以一种可以优化资源的方式传播数据。一般来说，网关功能包括路由、网络地址转换(NAT)、身份验证、资源分配等。TC M2M网关的其他更复杂的服务或功能正在处理网关可达性、寻址和存储库、通信、远程实体管理、安全、历史和数据保留、事务管理、交互代理和补偿代理。具有WSAN的智能建筑系统也有望从建筑环境中学习，并相应地调整监控功能。

3．2．配电系统

SG作为新兴的下一代电力系统，通过平滑地集成替代能源、自动化控制和现代通信技术，提供了更高的效率、可靠性和安全性[3.］．传统的电力系统依靠有线通信来进行监测和诊断。然而，这些系统需要定期安装和维护昂贵的电缆。因此，需要一个具有成本效益的解决方案，以加强电力系统的管理过程。

由于聚合智能的低成本、灵活和协作特性，WSAN在这一领域发挥着重要作用。他们能够监控SG设备的关键参数，并提供及时的反馈，使SG系统能够对变化的条件做出响应。这使得SG能够以一种可靠的方式运行，具有自愈能力。传感器在SG配电系统各个部分的作用涵盖了广泛的输电系统、变电站和配电系统。基于wsan的广域网(WAN)电力变电站监测系统对保障电力子系统(变压器、断路器等)和输电线路的健康运行，提高电力系统的可观测性和可靠性起着重要作用[1］．

WSN为电力分配系统提供无线自动抄表(WAMR)功能，降低了运营成本、在线定价和远程监控资产保护。WAMR面临的挑战是电力公司和客户的智能计量设备之间的可靠双向通信。

WSAN在配电系统中的主要角色之一是电压质量管理(VQM)。随着非线性时变负载的不断增长，电压信号的失真和干扰日益成为一个突出的问题。在一个VQM WSAN中，理想情况下，每个节点可以通过使用局部信息进行计算来评估被监视站点的性能信息，也可以通过使用其相邻节点之间的局部信息交换来评估被监视网格段的全局性能。有了这些特征，节点可以检测到局部电压质量异常[4］．

在SG配电系统中，WSAN解决方案的一些要求如下。高度可扩展性:网络应该能够扩展到成百上千的设备，并且许多设备可以同时通信。高可靠性:许多电力自动化系统在安装后有望保持良好的可靠性，至少持续20-30年。其他要求包括能够处理距离和障碍物问题，因为配电系统的恶劣环境可能会影响链路质量和距离。此外，可能会有各种硬件和基础设施阻碍WSAN的通信。

3．3.其他应用程序

其他M2M应用程序覆盖了从销售和支付、车队管理、遥测、电子健康应用程序到安全和监视等广泛的领域。

4.支持技术

4．1.短距离无线技术

在各种仪器、监控和测量系统中，短距离无线技术(SRWT)正变得越来越流行，用于无处不在的WSAN连接。在M2M通信的背景下，SRWT在很少或没有人为干预的M2M设备通信方面起着至关重要的作用。这类设备将在不同的环境中激增，并运行不同的应用程序，如家庭安全传感、照明控制和健康监测。在设计这样的M2M网络时存在许多挑战，这些挑战将在后面的章节中描述。在本节中，我们将介绍M2M网络的各种潜在SRWT及其各自的特点。总结如下表所示1(改编自5])，基于IEEE 802.15.4的协议，如6LowPAN和ZigBee，适用于低功耗和低数据速率的应用，也有较不严格的范围要求，如传感器网络应用，而IEEE 802.11 (Wi-Fi)协议非常适合更高的数据速率应用(也支持更长的范围)，包括音频和视频流相关的应用。而蓝牙则适用于短距离、低数据速率的点对点通信。

4．2．网络和协议

M2M网络中的一种有效路由机制决定了数据从一端传输到另一端的效率。在这些M2M网络中应用现有路由协议存在着各种各样的挑战，这是由于网络的一些固有特性，如 长时间的睡眠周期 低功率节点 无线电传播环境之改变 拓扑的变化(节点的移动性，节点处于睡眠模式)。

许多低功耗协议，如Zigbee使用RFC 3561的AODV协议[7]作为其路由协议。在AODV协议方法下，网络中不参与主动通信的节点不维护任何路由信息，也不参与算法要求的周期性路由表交换。路由路径是按需建立的，因此只有醒着的节点才会参与到这个过程中。启动进程的节点将负责路由协议中的大部分计算工作，其中包括收集和评估对发送的路由请求的响应，并对网络成本最低的路由进行决策，可以是节点跳数最小的路径，也可以是节点剩余电池电量最大的路径。

文献中提出的另一个解决方案是[6适用于低占空比的长期环境监测网。路由是通过允许网络节点大部分时间处于休眠状态并在网关执行批量数据下载时恢复它们来完成的。低功耗节点在醒来时将向其邻居发送探测消息，以检查任何潜在的通信，网关将利用收集到的可达性信息计算网络路径。

IETF RPL协议将增强高级计量基础设施(智能电表网络)的IP路由特性，如动态发现网络路径和目的地，适应逻辑网络拓扑变化的能力，设备故障或网络中断，独立于数据链路层技术，支持高可用性和负载平衡。在[8]，提出了一种基于rpl的高级计量基础设施(AMI)路由协议，旨在实现AMI中的实时自动抄表和实时远程公用事业管理。

5.挑战与研究机遇

在讨论了SG中WSAN的各种场景及其挑战之后，在本节中，我们详细阐述了显示出进一步研究巨大潜力的各种研究兴趣的主题。

(1)网关设计
网关在各种网络设备和传感器的连接中起着重要的作用。有必要满足网关中设备的不同特性。例如，在家庭环境中，会有对功率、距离、数据速率有不同要求的设备，并且运行不同的通信协议。其他问题包括安全能力、通信选择能力等等。软件无线电技术已于[5]作为家庭M2M网关体系结构的解决方案，使网关能够在多载波和多频带上工作，可以在不同的频率和频带上使用不同的协议同时通信。

(2)恶劣的环境
这是SG中某些无线传感器网络(如在电力系统环境中运行的无线传感器网络)的一个常见问题。无线宽带网络可能受到强射频干扰，也可能受到腐蚀和高湿度等恶劣的物理环境。这些可能会导致网络拓扑和无线连接改变，当某些节点故障或测量不适合得出好的结论。无线信道建模和链路质量特性是其中一些重要的工作[9]在智能电网中设计可靠的WSAN时，在恶劣的环境下，电力系统设计者可以利用该模型来预测网络性能。

(3)服务差异化
为了有效地对某些应用程序进行优先级排序，这些应用程序需要满足一些关键需求，比如那些属于保护和控制功能的需求，WSAN必须能够支持服务质量(QoS)。例如，电力系统的警报通知需要立即注意，因此需要实时通信;其他定期报告活动需要可靠的通讯。

(4)丢包或错误和链路容量可变
在无线局域网中，可感知的干扰水平和误码率影响每个无线链路的可达到容量[9］．此外，由于电力系统中的障碍物和噪声环境等各种原因，无线链路表现出随时间和空间变化的特性。因此，每个链路的容量和延迟因位置而异，在本质上可能是突发性的。这对在系统中提供QoS提出了严峻的挑战。文献中提出了多种基于MIMO(多输入多输出)通信和智能天线的方法，可用于在嘈杂环境中提高网络容量。

(5)资源约束
传感器节点所需的资源因应用程序的不同而不同，包括能量、内存和处理能力。一般来说，有限的电池功率是主要的资源约束，需要各种通信协议为WSAN提供高能源效率。在WSAN通常不需要更换电池就能运行多年的情况下，需要路由解决方案等节能协议。路由技术还必须考虑长睡眠周期、不断变化的无线电环境、拓扑结构的变化和有限的处理能力。

(6)安全
网络安全是保证网络安全运行的基本要求，是保证网络安全运行的基础。这涵盖了各种针对威胁的解决方案，如拒绝服务、窃听传输、路由攻击、用于发电厂安全的洪泛、数据中心安全、广域网安全、身份管理、访问控制等。传统的集中式IT网络安全模型不能直接适用于M2M通信网络中高度分布式、低成本的设备，需要分散、分散的方法。

(7)自配置和自组织
当WSAN中传感器节点的拓扑结构由于睡眠模式调度、移动性或节点故障而发生变化时，就需要进行自配置和自组织，以确保网络正常运行。因此，故障诊断对于基础设施中的硬件和软件都是必不可少的。故障分析或预测性维护确保系统具有识别故障(协助快速故障补救)、预测故障和从故障/故障中恢复的能力。智能诊断方法，如过滤和推理与告警相关的大量信息，有助于快速理解故障的性质和定位故障。人工神经网络等各种机器学习技术已在[10,11]用于电力系统故障诊断和告警信息处理。

(8)数据处理
随着韶钢大规模开发WSAN，随着时间的推移，收集了大量的信息。有必要智能地组合或聚合、融合或推断这些数据，以得出需要采取什么行动或如何配置系统中的参数以实现最佳功能的结论。另一个好处是通过更好的供需匹配来提高能源效率。例如，作者[12,13]提出利用人工神经网络进行负荷预测，这对需求响应具有重要意义。数据处理还可以通过对异常事件和能源短缺的快速响应，帮助实现更高的安全性和可靠性。例如，对关键信息中的恶意活动进行回溯和追溯的方法，如[14]以检查基础结构中数据事务的中间阶段的相关属性特征。接下来是寻找与正常和异常交易特征相关的最大发生特征。使用混合数据挖掘算法挖掘这些属性，以在可跟踪矩阵中识别唯一的类，以保证安全和隐私。

(9)可靠性
可靠性可以从多个层次来解决，如通信链路层和系统层。该系统需要能够应对恶劣的环境，并自适应地找出应对节点故障和链接变异性的最佳方法。

(10)中间件和api
高级应用程序编程接口(api)有助于实现优化算法和网络的有效管理和配置，开放接口使独立软件供应商、设备制造商和电信运营商实现他们的服务。开放api为与原始设备制造商没有直接关联的第三方提供了方法，以开发可以添加功能或增强系统的软件组件。另一方面，智能能源管理解决方案需要访问来自不同服务提供商和不同供应商实施的设备的更多信息。这些信息应以可用的格式提供给有关各方。此外，测量和控制的时间和特定配置对动态场景也很关键。由于需要支持不同的技术和跨管理边界的某种程度的合作，因此在这些场景中，专有或广泛简化的接口是不够的。这种情况可以通过标准通用API定义来改善，这些API定义包括与功能、度量和配置相关的方法和属性。这类api的设计应该是与技术无关的、轻量级的和面向未来的。

(11) M2M计算平台
随着大规模M2M网络的部署及其各种应用程序的提供，需要一种方法来控制和管理这些设备，以及处理数据或使数据有效地用于不同的目的。云计算被认为是M2M计算的潜在技术之一。云是通过将互联网、信息和通信技术以及各种资源(硬件、开发平台)结合在一起的IT虚拟化技术的组合，使得(通过云)更容易将M2M应用程序作为服务进行虚拟交付。这允许灵活的IT管理和跨平台的数据共享，并可以根据可变负载动态地重新配置资源，从而实现最佳的资源利用。例如，一个商用的M2M应用云平台是Sierra Wireless AirVantage云平台[15，使M2M解决方案提供商、系统集成商和网络运营商能够快速开发、部署和运营M2M应用和服务。

(12)多无线电支持和频谱效率
多种通信技术和标准正在部署，以支持SG不同地区的通信。例如，蓝牙可以用于仪表和终端客户设备之间的通信。另一方面，ZigBee和IEEE 802.11可用于家庭和局域网的智能电表接口。为了管理和支持所有这些不同的通信，在SG中需要多无线电支持功能。此外，由于电信服务行业的快速发展，无线电频谱短缺问题也越来越重要。联邦通信委员会(FCC)提出了一种有效管理频谱的方法，如利用未占用的电视频谱，即空白频段。由于这不再是传统方式下静态的频谱分配情况，因此需要一种有效的二次频谱管理策略。NEUL等公司[16]开发了M2M通信网络解决方案，在电视空白区域运行。

(13) M2M协议
M2M协议的研究有多种范围，如可靠(即交付保证)、延迟保证、速率高效和节能协议设计。在WSAN通常不需要更换电池就能运行多年的情况下，需要路由和传输协议等节能协议。路由技术还必须考虑长睡眠周期、不断变化的无线电环境、拓扑结构的变化，以及有限的处理能力。现有领先的传输协议，即TCP/IP，对于低数据量的M2M流量是低效的，因为存在冗余和开销，因此对M2M通信不是能源效率。因此，需要对M2M通信协议进行重新设计。

(14)网络优化设计
由于M2M网络由许多设备和系统互连而成，因此有必要在设计网络时尽量降低M2M通信的成本，同时满足QoS要求。网关的位置、集群中支持的M2M设备数量等是一些相关的主题[17］．

6.结论

毫无疑问，M2M通信在实现下一代智能电气系统SG中发挥着重要作用。在本文中，我们研究了各种正在进行的与M2M标准化相关的活动，这些活动显示出M2M在成为SG重要的ICT解决方案之一方面的增长势头。我们强调了ETSI M2M、3GPP和IETF ROLL等组织开展的工作，以吸引各方关注SG图片中关于M2M的一系列利益相关方感兴趣的主题。接下来，我们研究了在SG中M2M应用/场景和WSAN的挑战和需求的选择。然后我们重点讨论了M2M通信的技术细节，涵盖了广泛的主题、M2M架构和拓扑、各种短距离无线技术以及网络和协议。在对上述主题进行了广泛的讨论后，我们对该主题的各种研究机会提出了自己的看法。我们认为，数据处理、安全性、可靠性、中间件和api、M2M计算平台、多无线电支持和频谱效率、M2M协议和优化网络设计是未来工作中值得关注的重要课题。

虽然全球智能电网部署的路线图还不明确，但几乎可以肯定的是，未来以先进ICT技术为动力的智能能源网络，不仅会像现在的互联网一样大，还会像互联网一样从根本上改变人们的生活。在更大的规模上，物联网的概念将连接上万亿个物体，整个世界将成为一个极其大规模的无线传感器网络。由于M2M通信是实现这一愿景的基础技术，因此我们认为，在未来许多年，M2M将成为通信工程师的一个令人兴奋的研究领域。

参考文献

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