M2M通信技术及其在智能电网中的应用

引言

通信网络技术的出现和发展，特别是无线通信的普及应用，给人们的生活方式带来了极大的变化。各种通信方式使得人与人之间的信息交流更便捷和顺畅。事实上，人与人之间的沟通很多也是通过机器实现的，例如通过手机、电话、电脑、传真机等机器设备之间的通信来实现人与人之间的沟通。另外一类技术是专为机器和机器建立通信而设计的，如许多智能化仪器仪表都带有RS-232接口和GPIB通信接口,从而增强了仪器与仪器之间、仪器与电脑之间的通信能力。目前，众多的普通机器设备（家电、车辆、自动售货机、工厂设备等）和传感器不具备本地或者远程的通信和连网能力。

M2M（MachinetoMachine）通信是近年来和物联网发展密切相关的通信技术，目标是使所有机器设备都具备连网和通信能力。M2M技术使得物联网具体化，并取得快速增长。统计表明，2008年全世界有近5千万的M2M通信设备；预计到2014年，这一数字将达到近2亿；而到2020年，约有500亿多的物体都会被连上互联网。因此，M2M技术具有非常重要的意义，有着广阔的市场和应用，推动着社会生产和生活方式的新一轮变革。

M2M的应用也在一些领域出现，如医疗保健、车辆交通、公共安全、能源管理、智能家居等各个方面，而在智能电网的应用开发也开始初见端倪。智能电网是当前智慧能源建设的非常重要的一部分，物联网和移动通信可以深入到电力系统中的发电、传输、配送等各个环节，甚至在家用电器的信息采集和控制方面发挥非常重要的作用。在M2M通信技术的支持下,各类家庭电器都会由具有物联网功能的智能芯片来控制电力的使用，包括使用的时间、工作模式、能耗比例，通过优化用的策略节省用户电力消耗。

智能电网是M2M通信发展和应用的一个强大的推动力。新一代智能电网的建设和运行要求提高效率、强化服务质量的同时节省发电、传输和消费方面的成本。这些目标的达成有赖于信息和通信技术的介入，然而未来智能电网的通信架构还未成形，存在很大挑战和机遇。本文从M2M技术在智能电网，特别是在家庭区域网中应用的角度论述了M2M的发展、技术特点、功能架构等若干方面的问题。

M2M的发展历史

M2M通信早在移动通信之前随着计算机网络自动化的发展以不同的形式存在。移动蜂窝普及后，1995年，西门子发布了一个GSM数据模块(Ml),进入M2M的工业化应用，使得机器通过无线网络通信用于车辆通信(telematics),远程监控和追踪等。M2M技术的早期实践者如GM和休斯(Hughes)电子公司很快实现了产品盈利，显示该技术在未来应用的前景。到1997年,随着更加集成和性能稳定的M2M模块的推出，M2M通信技术得到更广泛应用。现在M2M数据模块已经十分精良，功能多样，出现了融合其他技术包括GPS定位、可嵌入电话的SIM模块，以及嵌入可促进物联网应用的Java功能。2002年，Opto和Nokia正式用M2M术语诠释其开发的通信方案。2003年，Nokia发布了“M2M技术一让你的机器开口讲话”，使得狭义的机器与机器的通信成为更加广泛的包括所有人、机器之间建立连接的技术。通过增强机器设备的联网和通信能力，促进了机器设备的智能化。

M2M行业在我国起步较晚，但是发展迅速。2009年，国务院总理温家宝在无锡考察时指出在国家重点科技专项中,加快推进传感网发展，建立“感知中国”中心。我国政府已经将M2M技术相关产业正式纳入国家《信息产业科技发展十一五规划及2020年中长期规划纲要》重点扶持项目。我国M2M通信市场保持25%的增长,2010年产值达到80亿美元。

M2M在智能电网中的应用

未来电网的通信架构尚未明确界定，在互用性(interoperability),可扩展网络化、自组织能力以及安全性方面都存在着很多挑战和机遇。智能电网的三个主要组成部分有不同的作用。第一是发电。现在有不同的电力生产类型，如火力、天然气、核动力、风力和太阳能等，发电部门需要掌握成本、能源需求、价格。在有些国家电力供应是市场化运作的，由不同的电力企业提供电力服务。企业还需要了解竞争者的相关信息和采取的策略。第二则是配电。电力通过传输线路和配电站输送到消费者。电力配送必须优化,使得损耗和传输成本最小,站在供电和用电方的角度来看，配电应该相互适应。第三就是用电。电力用户包括家庭、工业、机关学校等公用单位。用户电力需要的确定可以促使供电和配电的优化配置。为此，需要部署大量的智能仪表，以迅速而准确地收集电力消费数据,从而估计电力需求。

国际上很早就提出了家庭能耗管理系统(homeenergymanagementsystem,HEMS)的设想。家庭用户需要提高电力利用率，电力部门应采取措施帮助用户平抑负载，需要在能耗较大的电器上增加智能和通信功能，根据电价的变化作出响应。当前在智能电网发展的带动下，家居能源管理系统成为智能电网发展的一个重要部分和驱动力。M2M通信网络的设计问题是当前研究的一个热点方向。

hems关注智能电网中用电方的行为。各种家用电器，如空调、冰箱、洗衣机、厨房电器等如果都配有智能电表，控制中心可以根据据此优化电力供应和消耗。欧美国家已经开始提供各种不同的HEMS服务，如GooglePowermeter,MicrosoftHohm,AppleSmart-HomeEnergyManagement„用户利用这类服务的优化用电功能来减少电力成本。在这些方面，M2M通信发挥了十分重要的作用，通过M2M通信技术家电的相关信息可传输到控制中心。ZigBee和WiMax具有费用低、工作方式灵活的特点，通常是M2M无线通信技术的首选。

一个典型的HEMS的网络架构如图1所示。该结构主要包括如下几个部分：第一是家用电器。家电是智能电网中电力消耗设备，和智能电表相连，并由智能电表控制其电力消耗。先进的家电还可主动向电表发送信息，可报告未来的电力需求等数据。第二是智能电表，用来收集电器能耗需求数据。在电器和智能电表之间建立一个家庭区域网(Homeareanetwork,HAN),组网方式可以用电力线通信(powerlinecommunication,PLC)或ZigBee。第三是集线器。一个HAN可以配备一个集线器即网关来从电表处收集数据包，其通信方式采用Wi-Fi短距离通信技术。接收的数据包缓存在集线器。集线器的WAN收发机从缓存中提取所需数据传送到一个WAN基站。第四是WAN基站，负责每个集线器数据传输的带宽分配。基站将接收到来自不同集线器的数据包通过有线的网络转发到控制中心。第五是控制中心，接收HEMS数据进行处理和存储。这些数据将被用于优化电力的生产和配送。

图1家庭区域网的M2M通信在智能电网中的构架

由于无线频谱的匮乏，研究人员建议智能电网可利用空白电视信号(whitespace)频段，并提出了智能电网采用基于感知无线电(cognitive-radio)的M2M通信来实现有效的电力配置和频谱利用方案叫其中，M2M通信单元用在家电和电表之间的通信。M2M的网关就是HEMS集线器。M2M的服务器位于控制中心。M2M区域网络就是基于短程通信的技术（如Wi-Fi）。

3家庭区域网中的M2M网络通信技术

M2M为了达到智能电网通信的要求可以采用一些中短距离的无线技术。家庭区域网中家电代表了M2M设备。选择合适的M2M网络协议需要考虑M2M设备的功耗和成本特性［5］o一些低功耗和成本技术不断成熟成为智能电网中M2M的使能器（enabler）,其中比较突出的技术包括蓝牙、Wi-Fi、UWB、ZigBee和6LoWPAN等。下面对这些技术的特点做简要介绍。

IEEE802.15.3a:Ultra-WideBand（UWB）

UWB通信是从两个主要类型的应用发展而来的。第一个是针对高数据率通信（超过1Mb/s）,如高清电视；另一个是针对低于1Mb/s的应用，如传感器网络。M2M设备在家庭区域网通信中可以看成是一种传感器。UWB技术的缺点是功耗较高。经过多年的停滞，2006年IEEE802.15.3a工作组解散,今后IEEE可能不会再对UWB有进一步的支持。

IEEE802.11:Wi-Fi

该协议适合于在较大区域的较高数据率应用。Wi-Fi也是目前接受度最高的无线室内通信协议，能支持IPv6格式地址,在家庭用户中极为普及。该技术的主要不足和UWB类似，即高能耗，因此不适合用在智能电网中的M2M通信。

IEEE802.15.1:蓝牙

蓝牙协议在短距离范围用作声音、数据和听觉应用十分普遍。蓝牙协议支持IP寻址,因此可以用于家庭区域网的通信。蓝牙协议十分适合低功耗低数据率的应用。蓝牙主要用在短距离的点对点同级间（peer-to-peer）的通信，而且蓝牙网络即微微网（piconet）只支持8个设计的同时通信。在家庭区域网中M2M设备使用蓝牙通信，在规模稍大情况下，需要建立多个微微网。每个微微网有个主M2M设备，通过该设备实现微微网之间的通信。这种做法会增加通信延迟。蓝牙技术的另一个缺点是它的周期性苏醒和与微微网的主设备的同步问题。蓝牙设备在同步之前需要约3s的时间苏醒。

IEEE802.15.4:ZigBee

ZigBee协议用在很多的家庭组网，包括智能电网中的家庭区域网。ZigBee是特别为无线设备的低功耗和长期通信要求而设计开发的。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备，而且ZigBee的唤醒时间仅为数毫秒。因此，和上述其他几个通信技术相比，ZigBee技术是智能电网中M2M通信的较好选择。

4当前面临的技术挑战

尽管在当前的通信系统基础上，研究人员提出了很多M2M的解决和部署方案，目前依然有很多技术方面的问题有待研究。

4.1标准化

M2M通信需要整合和覆盖不同的通信系统，对此依然缺乏一个标准。迫切需要一个无缝和统一的M2M构建的标准，以促进M2M通信的发展和应用，而且关于M2M通信（如RFID、ZigBee以及UWB）的实现技术的完整标准需要具体明确。

4.2通信流量的特性

目前，对于M2M单元间交换流量的特性尚待进一步的研究。M2M的通信流量由于其特定的功能（如数据收集和监控）和要求（如强实时流量），其特性和我们所了解的基于人的网络流量不同。关于数据流量的特性是用于设计和优化网络设施的基础。在提供高质量服务（QoS）支持的M2M应用方面，也需要掌握M2M流量特性。

4.3协议的再设计

目前，互联网主导的传输协议（TCP/IP）由于设计的待传数据容量低，对M2M通信来说存在不足。

4.4频带管理

限于带宽资源，无线M2M技术需要在一些频道内有效的传输。然而，由于对无线M2M服务在提供和需求方面不可避免地要求频率转移，传统静态频率分配方式难以达到优化的频谱管理，因此，应该更好地发挥二级频谱市场的作用，保证有限的频率资源得到有效的利用。

4.5优化的网络设计

M2M通信会连接很多的设备和系统，优化网络设计是十分重要的。网络设计必须最小化M2M通信的成本（如硬件、维护和无线资源利用）,同时满足通信流量和应用方面的服务质量。

为达成智能电网的目标，目前电网的设计存在诸多问题,而电网改造的人力、物力耗费巨大。采用传统电网和无线通信技术的融合是一种有效和经济的解决方案,例如利用手机显示用电信息并允许消费者控制家里的电器，这样可以无需布设智能仪表。

5结语

M2M通信在很多领域发挥着重要的作用，而智能电网的需求是M2M通信发展的一个强劲动力。本文根据国际上M2M在智能电网应用的最新进展，介绍了M2M通信技术的发展历程、主要特色和未来发展动向。M2M通信技术的研究在我国还处于初级阶段，智能电网发展战略的实施，使M2M技术必将获得巨大的发展机遇。需要结合我国实际情况，借鉴国外成功经验，走出我国M2M通信和智能电网发展的特色之路。

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