北京市科学技术进步奖提名书

一、项目基本情况

项目类别：技术开发类

二、项目简介

该成果属于能源计算与测量领域。建立水、电、气、热等公共能源的计算、测量、采集的综合能源计量系统是满足以北京为代表的特大型城市能源供给正常运行的重要保障。传统的人工抄表、插卡购能的计量方式，已无法满足特大型城市人民群众日益提升的用能体验需求。为实现综合能源计量数据集约化、智能化的采集通信，改善用户用能服务体验，项目团队构建开发了以微功率无线通信技术为核心的面向特大型城市综合能源计量系统，并实现广泛推广应用。主要技术创新如下：

1. 开发了具有互联互通特征的微功率无线通信技术，并依据形成的系列标准研发了微功率无线通信芯片。发明了一种快速响应的LDO电路，提升了芯片的接收灵敏度和噪声抑制能力，为微功率无线能源计量系统提供稳定、高效的信道传输保障。并在通信芯片的基础之上开展产品研发，实现了微功率无线通信芯片级、模块级、系统级的兼容和互换。

2.发明了覆盖通信性能测试、协议一致性测试、互操作性测试的微功率无线通信测试系统，路由衰减精度达1dB，路由层数至7级，填补了国际空白。实现了水、电、气、热等综合能源计量管理系统通信检测，建立了完善的质量管控体系，提高了微功率无线产品的测试准确性和效率。

3.发明了面向微功率无线芯片的多模块混合运算的随机数后处理方法，提高了随机数产生速度及稳定性，提升了无线信道的安全可靠性，为综合能源计量管理系统提供有力的安全保障。

4. 开创了MESH网+星形网混合网络方式，构建灵活、高效的能源计量物联网，在星型网中采用双向异频、双向异速的不对称通信方法和具备二次休眠机制的高速无线唤醒机制，实现了以电能表为网关的水、气、热等能源计量表计的双向低功耗通信。

项目获得授权发明专利13项，集成电路布图1项，实用新型专利5项，形成国家标准在内的技术标准4项，专著2项，发表论文13篇。研制成果以MESH网+星形网的通信框架，构建了灵活、高效、可扩展和兼容的能源计量物联网，广泛走入北京的千家万户，覆盖电力用户超过800万户，水表、燃气表用户超过10万户。截止2018年12月，项目收入超9.3亿元，新增利润超1亿元，不仅对国内能源计量的本地通信技术进步具有重要的引领作用，同时为服务广大人民群众，推动首都的电、水、气、热等公共事业信息化服务升级，构建能源战略储备安全体系提供了重要保障。

三、主要科技创新

3.1 研究背景和总体思路

     能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有非常重要的战略地位。随着我国经济的发展和城市化水平的迅速提高，形成了以首都北京为代表的一批特大型城市。特大城市公共能源用户分布集中、计量节点相对密集，且城市建设布局多样，计量节点通信环境相对复杂，对本地通信技术的要求很高。原有本地通信采用485、CAN总线、M-Bus总线等方式，存在布线复杂、施工量大、成本较高等问题，且通信信道易受人为因素破坏，可维护性差，若出现通信线路损坏，无法快速定位故障点。原有本地通信方式已无法满足特大城市人民群众的综合能源服务需求。为贯彻党的十九大报告中提出的加强综合能源基础设施网络建设的指导方针，物联网产业百花齐放，新一代无线通信技术层出不穷，综合能源采集通信技术的革新迎来了新的选择。

随着微功率无线通信技术的发展，各标准化组织如电气与电子工程师协会（IEEE）、国际电工技术委员会（IEC）、欧洲标准化委员会（CEN）等都制定了标准族。但在国内并无针对微功率无线通信制定相关标准的组织。在微功率无线通信的实际应用中，也反映出由于缺乏相关标准，存在不同厂商之间的产品无法互联互通、信号互相干扰等问题，无法培育上下贯通的全产业链，极大影响城市的经济效益和社会效益。另外，目前仍未有一套成熟、权威的检测方法对用电信息采集系统微功率无线通信进行有效、合理、准确地评估。本项目研究的主要目的是面向特大型城市综合能源计量系统中微功率无线通信技术的相关设计开发，满足特大型城市工商业发展以及人民生活对公共能源日益增长的需求，建立水、电、气、热等公共能源的计算、测量、采集的综合能源计量系统。

在国家电网公司科技项目的支持下，研发团队以微功率无线通信技术研究为基础，开展总体结构设计。首先，制定满足国家无线电管理要求的微功率无线通信频谱划定方案，形成微功率无线通信互联互通技术标准。依据标准设计自主知识产权微功率无线通信芯片。其次，研制微功率无线通信互联互通产品的测试系统。然后，基于研究微功率无线通信单元与采集终端交互信息需求及接口要求，建立通信单元与信息采集设备的接口模型，开发研制微功率无线本地通信单元，并通过一定规模的试点，对微功率无线互联互通技术进行验证。最后，基于已经建成的用电信息采集系统和缴费渠道，拓展微功率无线通信应用技术，开展微功率无线综合能源计量管理系统的应用。项目总体思路如图1所示。

图1 项目总体思路设计图

三、主要科技创新

3.2 主要技术创新点及其主要内容

主要创新点1：开发了具有互联互通特征的微功率无线通信技术，并依据形成的系列标准研发了微功率无线通信芯片。发明了一种快速响应的LDO电路，提升了芯片的接收灵敏度和噪声抑制能力，为微功率无线能源计量系统提供稳定、高效的信道传输保障。并在通信芯片的基础之上开展产品研发，实现了微功率无线通信芯片级、模块级、系统级的兼容和互换。【所属学科：能源计算与测量48030；旁证材料见1、2标准、1、8专利】

从微功率无线频谱划定方案、信道模拟仿真系统、互联互通技术标准设计以及通信芯片研发等方面进行深入研究。首先基于国内外无线电频率资源使用分布模式，设计出适用于用电信息采集的微功率无线通信频谱。在通信频谱方案完成后，基于微功率无线通信技术物理层的工作频率、调制方式、传输速率，链路层的帧同步功能、差错控制功能、流量控制、链路管理、信道编码等技术，网络层的组网方式，路由算法等技术、应用层的数据标识方法、软件升级方案等技术，形成微功率无线互联互通的技术规范标准以及规范算法。其按照自上而下的设计架构，分别描述应用层、网络层协议、网络层服务、MAC层协议、MAC层服务、物理层协议和物理层服务。

基于微功率无线互联互通技术标准，研发了微功率无线通信的单芯片SoC（System on Chip）。芯片设计内容主要包括低功耗射频前端设计、通信基带处理器设计、应用处理器设计、电源管理单元设计、通信接口模块设计和芯片的SoC架构设计。同时运用了模块间信号串扰抑制、功率器件的衬底耦合隔离、电源干扰防护等先进技术，在基带处理方面采用信道均衡、频偏估计、差分解调等信号处理技术，消除背景噪声、脉冲噪声、频率选择性衰落、多径干扰等对信号造成的失真。

本芯片发明了快速响应的LDO电路，降低了由于输入电压波动以及信号电流瞬态变化导致的不同电路之间的相互干扰，提升了模拟电路的信噪比，使芯片的接收灵敏度得到了提高；同时，通讯距离及抗噪声干扰能力也进一步得到改善。而且，由于LDO的负载响应速度较快，也有效抑制了发送电路产生的带外杂散噪声。

为了降低整体功耗，本芯片采用了多电源域设计技术和自适应帧检测技术，此外对于关键部分增加冗余设计，对芯片的工作应力作适当的降额设计，增强电磁兼容设计和热设计，从而提高了芯片整体的可靠性。

本项目的微功率无线通信技术与澳大利亚墨尔本的无线AMI相比优势明显，具体参数指标对比如下：

表1 ：微功率无线本地通信技术指标对比表            

相较于澳大利亚墨尔本的AMI系统的单一厂商，符合互联互通技术标准的微功率无线通信产品覆盖了大量以北京市电力用户为代表的国内用户，采集成功率显著提升，在功耗与费控成功率方面优势明显。同时本技术面向水、气、热等表计信息共享，为综合能源计量物联网的建设提供了有力支撑。

主要创新点2：发明了覆盖通信性能测试、协议一致性测试、互操作性测试的微功率无线通信测试系统，路由衰减精度达1dB，路由层数至7级，填补了国际空白。实现了水、电、气、热等综合能源计量管理系统通信检测，建立了完善的质量管控体系，提高了微功率无线产品的测试准确性和效率。【所属学科：能源计算与测量48030；旁证材料见2、3专利】

发明微功率无线通信测试系统，首先需研制用电信息采集微功率无线通信仿真与检测系统，模拟微功率无线通信信道环境。微功率无线信号通过射频线缆输入到信道模拟器，通过工业计算机软件的控制，使信道模拟器按照城市建筑密集的数学模型、城乡结合的数学模型和乡村开阔环境的数学模型产生衰落的微功率无线信号，此过程模拟了微功率无线信号在城市建筑密集、城乡结合和乡村开阔信道环境中的多径等传输在不同信道环境下对微功率无线通信产品的性能差异进行量化分析，模拟多径传输、噪声干扰和路径损耗等对微功率无线通信的影响，为微功率无线产品的测试系统的研发奠定基础。

基于通信仿真与检测系统，进一步开发了覆盖通信性能测试、协议一致性测试、互操作性测试的微功率无线通信测试系统。性能测试系统包括射频发射性能测试系统、接收射频性能测试系统。发射性能测试包括输出载波功率、数传频偏、杂散辐射限值；接收性能测试包括接收灵敏度与可接收中心频率偏移。微功率无线通信协议一致性测试用于验证不同厂商的产品之间能否互通，是微功率无线通信可靠运行的关键环节。测试项目覆盖了微功率无线通信协议一致性测试、微功率无线通信性能测试以及微功率无线通信混合组网测试等。微功率无线通信组网抄表性能测试验证在固定衰减条件下的组网效率、中继路由和抄表等业务功能和性能。测试项目覆盖组网功能测试、抄表功能测试。组网功能测试包括路由层级、组网时间、组网成功率；抄表功能测试包括抄表成功率和抄表时间。上述研究内容首次全方面规范、统一了微功率无线通信物理层、数据链路层和应用层技术，开创了用电信息采集系统通信技术标准化工作的先河，并为后续实现宽带载波及高速无线双模通信等新型通信技术的互联互通探索了道路。

主要创新点3：发明了一种面向微功率无线芯片的多模块混合运算的随机数后处理方法，首次提出微功率无线通信慢跳频干扰检测避让算法，提高了综合能源计量管理系统的通信效率及信道安全防护水平。【所属学科：微电子学5101035；旁证材料见附件4、5、8专利】

微功率无线通信传输数据的机密性依赖于密码算法，密码算法和协议中需要的秘钥大多由随机数提供，随机数的质量决定了整个系统的安全性。本项目发明了一种多模块混合运算的随机数后处理方法，不同原理的随机数发生模块输出经过运算模块处理后作为最终的随机数输出，其中一类随机数发生器可采用高阶本原多项式构建线性反馈移位寄存器组，反馈函数如下：

其中T是另一类随机数发生器的输出。该方法利用代数原理可确保输出的概率分布，且硬件实现方法简单，结合初值存储模块，提高了随机数产生速度，同时为防止攻击或电路异常设置监测模块，根据阈值判断随机数是否受损，一旦受损输出alarm信号，确保随机数输出符合国际和国内随机性统计检测标准。该专利确保了在干扰环境下随机数输出的不可预测性和分布均衡性，有效保障了项目实际应用中数据的安全可靠。

由于微功率通信模块工作在ISM免授权频段，在这一频段内多种通信技术的设备同时工作，如LoRA、无线遥控、车载通信等，存在信道环境差，噪声干扰强等不利因素，影响通信质量。因此一种有效的信道检测与干扰避让算法非常必要。

本项目首次提出微功率无线通信慢跳频干扰检测避让算法，采用频道组内跳频技术，干扰检测避让算法来保证节点之间的通信频率一致，有效跳开了深度衰落和噪声干扰区，避免了无线设备间以及相邻网络的互扰，提高了频谱利用率和网络系统容量，实现了良好的网络扩展性。

本算法充分利用模块高性能射频前端电路，以及基带高速内核计算能力，采用信道噪声检测与定位、整网信道质量监测等手段，优化“脏信道”屏蔽时间，动态调整信号发射时间与功率，提高整个网络的抗干扰能力。相比目前国内主流算法，提高网络容量7%，提高整网吞吐率5.5%。同时由于优化发射功率和发射时间，使信号更加难于被侦听和截获，提高了网络安全性。

主要创新点4：开创了MESH网+星形网混合网络方式，构建灵活、高效的能源计量物联网，在星型网中采用双向异频、双向异速的不对称通信方法和具备二次休眠机制的高速无线唤醒机制，实现了以电能表为网关的水、气、热等能源计量表计的双向低功耗通信【所属学科：能源计算与测量48030；旁证材料见6、7专利】。

北京地区水、气、热表安装分散，无法实施集中布线，采用有线的方式采集数据，建设和运维成本较高。本项目充分发挥用电信息采集系统建设和缴费渠道建设成果，拓展微功率无线通信应用技术，充分利用居民用户电表无线模块组网环境，在水、气、热等低功耗表计中植入无线通信芯片，以用户侧电能表作为网关，通过电表将其它表计数据汇聚到集中器，主站系统将集中器上传的数据按不同类型分配给相应的服务器，从而完成“多表集抄”的联合抄读与数据通信。项目通过制定“多表集抄”通信协议、扩展电力采集系统主站功能、对建立一体化缴费系统进行研究，探索创建了与其他公用事业代收代缴服务合作模式。本项目制定了一套适用于北京地区的电、水等公用事业数据采集通信技术标准，设计并形成了一套切实可行的运行维护方案。

采集网络中的电表和低功耗表计通信采用了双向异频、异速的不对称通信方法和高速唤醒通信技术，通过在唤醒的信令中插入基于时间片唤醒码的方法，实现低功耗表计在无线数据的接收过程中进行二次休眠，大幅度缩短了无线低功耗表计处于接收状态的时间，降低了表计电量消耗，延长了电池使用寿命。同时，采用精确目标地址的唤醒模式，解决了抄收统一无线网络内的不同表计之间无线通信的相互影响，减少了低功耗表计的误唤醒概率。基于双向不同频率、不同速率传输的不对称结构无线通信技术，既规避频繁通信的无线电表网络对低功耗表计的影响，又保证了电表能够正常接收低功耗表计的数据。