智能电表短距离无线通信检测研究

【中心议题】

• 介绍了短距离无线通信技术
• 研究了智能电表对短距离无线通信的检测

【解决方案】

• 手持通信测试用分析仪
• 扩大仪器的多功能测试能力

0引言

在智能电表所应用的多种通信技术中，短距离无线通信技术由于具有可靠性高、信道资源丰富和运营成本低等优点，具有很强的竞争力。随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们与信息网络已经密不可分。

随着短距离无线通信技术的发展,其应用已经非常广泛。它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备之间的通信环境建立了一个特别连接的信息沟通渠道。利用无线通信技术可将传感器在线监测数据传送到计算机进行处理,而经过计算机处理后的信息可再经无线通信渠道传至各台设备,非常方便地组成自动测量与控制系统。

1短距离无线通信技术

近年来，由于数据通信需求的推动，以及半导体、计算机等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线与移动通信技术经历了一个快速发展的阶段，WLAN（Wi-Fi）技术、蓝牙技术、UWB（Ultra Wide Band，超宽带）技术以及ZigBee技术等取得了令人瞩目的成就。短距离无线通信通常指的是100 m以内的通信，分为高速短距离无线通信和低速短距离无线通信。高速短距离无线通信最高数据速率>10 Mbit/s，通信距离<10 m，典型技术有高速UWB、WirelessUSB；低速短距离无线通信的最低数据速率<1 Mbit/s，通信距离<10 m，典型技术有蓝牙、ZigBee和低速UWB。对几种短距离无线通信技术参数比较见表1所列。

1.1 ZigBee技术

2000年12月,IEEE成立了工作组,致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的低成本、低功耗的低速率无线连接技术———ZigBee技术。美国HONEYWELL等公司于2001年8月发起成立了ZigBee联盟,提出的ZigBee技术被确认为IEEE标准。ZigBee一词来源于工蜂之间通过一种ZigZag形状的舞蹈来传递新发现和食物源的位置、距离与方向等信息。因此，很容易想象应用ZigBee技术就是在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器。

1.2 UWB技术

UWB是1960年作为军用雷达技术开发出来的，是一项使用从几Hz～几GHz的宽带收发电波信号的技术。通过发射极短暂的脉冲信号，并接收和分析反射回来的脉冲位置，就可以得到检测对象的信息。其特点是发送输出功率非常小，甚至低于普通设备放射的噪声。但是由于所使用的宽带高达几GHz，因此最大数据传输速度可以达到几十～几百Mbit/s，而耗电量只有原有系统的1/100～1/1 000。过去UWB无线技术一直应用于军事雷达，很少用于无线通信。

美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communication Commission）于2002年4月通过了一项认可UWB可以用于民用的最终决定，作为室内通信用途，FCC已将3.1～10.6 GHz频带向UWB通信开放。

1.3蓝牙技术

1994年，爱立信移动通讯公司（Ericsson Mobile）开始研究在移动电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立信公司意识到短距离无线通信的应用前景无限广阔。爱立信将这项新的无线通信技术命名为蓝牙，蓝牙的英文名称是Bluetooth。

1998年5月，爱立信、英特尔、东芝、诺基亚和IBM 5家公司组成的“蓝牙专门兴趣小组”（SIG，Bluetooth Special InterestGroup）把蓝牙无线技术的理念正式推向社会，使其成为无线技术的全球规范。3Com、朗讯（Lucent）、微软和摩托罗拉很快加盟SIG，与SIG的5个创始公司一同成为SIG的9个倡导发起者。1997年7月SIG公布了蓝牙规范1.0版；1999年12月公布了蓝牙规范1.0b版；2001年4月公布了目前最新的1.1版本蓝牙规范。

1.4 Wi-Fi

Wi-Fi也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802．11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术，Wi-Fi速率最高可达11 Mbit/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m左右，家庭、办公室、小一点的整栋大楼也可使用。

2短距离无线通信测试技术

2.1国内外研究现状

在“无线＋宽带”的大趋势下，无论是蜂窝移动通信技术还是WiMAX，WLAN等无线宽带技术，都面临着同样的考验———信道多径衰落和频谱效率。与此类似，短距离无线通信性能检测过程中，同样需要解决这些问题。ETSI EN 300 220：适用于短距离无线通信设备，适合25 MHz～1 GHz频率范围内和最大功率是500 mW以下的无线设备的射频测试需求。完整的检测技术条件见表2、表3、表4所列。

2.2国内外短距离无线通信测试相关标准

1）表计及其远程读表的通信系统第4部分：无线读表（在868～870 MHz短距设备频带的无线读表），EN 13757-4:2005。

2）无线通信设备电磁兼容性要求和测量方法第8部分：短距离无线电设备（9 kHz~40 GHz），YD/T 1312.8-2004。

3）ETSI EN 300 220-1，V1.3.1：2000，电磁兼容性与无线频谱问题（ERM，Electromagnetic Compatibility and Radio Spectrum Matters）；短距设备（SRD，Short Range Device）；在25～1 000 MHz的频率范围内使用最大功率为500 mW的无线装置；第1部分:技术特征和测试方法。

4）ETSI EN 300 220-2，V1.3.1：2000，电磁兼容性与无线频谱问题（ERM）；短距设备（SRD）；在25～1 000 MHz的频率范围内使用最大功率为500 mW的无线装置；第2部分：非一致性目的的辅助参数。

5）ETSI EN 301 489-1，V1.4.1：2002，电磁兼容性与无线频谱问题（ERM）；用于无线装置和服务的电磁兼容性标准；第1部分：通用技术要求。

6）ETSI EN 301 489-3，V1.3.1：2001，电磁兼容性与无线频谱问题（ERM）；短距设备（SRD）；在25～1 000 MHz频率范围内使用最大功率为500 mW的无线装置；第3部分:在频段9 kHz～40 GHz操作短距设备的特殊条件。

7）GT-T 16611-1996数传电台通用规范。国家技术监督局。

8）YD/T 1397-2005 900/1 800 MHz TDMA数字蜂窝移动通信网位置业务设备测试方法：服务移动位置中心与网关移动位置中心。

9）《微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定》。1999年1月1日。

10）GB-T 12192-1990.Methods of measurement for radio transmitters employing F3E emission used in the mobile services。

11）GB-T 12193-1990.Methods of measurement for radio receivers employing F3E emission used in the mobile services。

12）Q/GDW379.4-2009。电力用户用电信息采集系统检验技术规范第4部分：通信单元检验技术规范。

2.3研究内容和技术指标

在遵循各国规定技术标准的条件下，严格按照《微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定》中的说明，以最低的成本设计出以尽可能小的失真量将信息传输到接收端的通信系统。美国联邦通信委员会在1999年就对中国民用频率和美国民用频率系统的发射功率、信号带宽、调制方式等技术指标做了详细的规定。随后欧洲的欧盟电信标准协会和中国的无线电管理委员会都基本上参考了FCC的技术指标，除了在射频端的工作频率和信道个数不同以外。下面以欧洲的欧盟电信标准协会的PMR（Private Land Mobile Radio，个人陆地移动无线电）为例阐述其官方规定的技术指标，见表5所列。

3通信测试和测试仪器

3.1通信测试的共同点

通信测试的面广量大，信号复杂，指标各异，但其共同点和发展趋势包括以下几个方面。

1）通信系统的测量要求包括系统内发送部分、接收部分、通道及其部件的测试以及系统测试等内容，所要测试的各种指标大部分是以频率（波长）及电平（功率）为主进行定义的。

2）测试设备的智能化程度正在提高，由于测试参数的分析要有智能分析软件，从原始数据直接得出各种测量参数，并且要考虑与网络系统相结合，以方便将测试数据下载到数据库、电子数据表和质量分析包中，使测试数据得到充分利用。

3）由于通信技术发展迅速，往往一种新技术刚付之实用，更新的技术就已经推出，而通信测试仪器相对比较昂贵，考虑投资费用问题，仪器开发商必须考虑测试设备软件化，测试软件能升级以适应技术上的平滑过渡，若干种通信设备兼容并存的状态。

4）前面提到的各种通信技术还在发展之中，有的标准尚未成熟，相应的测试技术也在不断地发展，新的测试方法有待研究开发。

3.2通信测试仪器的发展趋势

泰克公司近年推出全新设计的NetTek系列手持通信测试用的分析仪，如光时域反射计、发射机和干扰测试仪，这些现场仪器适合多种通信标准，并且具有较高的性能。

罗德与施瓦茨公司的RF通信测试仪器，是业界的知名产品，在2002年底第一次推出高性能手持频谱分析仪FSH3，上限频率达到3 GHz，性能可靠，功能丰富，适合在现场安装、维护、测量，是具有实验室仪器性能的频谱分析仪。频谱分析仪和矢量信号分析仪属于通信测试的最重要产品。泰克公司和罗德与施瓦茨公司联手合作将两种仪器集成在一起，这种FSQ频谱分析仪装有IQ带宽28 MHz的解调器，可捕捉和实时分析各种多载波的2．5 G和3 G信号，存储量达到16 M采样点，仪器具有这样的带宽和存储量就不难分析W-CDMA的5个载波和邻近信道的信号特性，并且为了迅速处理解调后的数据，FSQ还增加高速的后处理器以及3 G应用的矢量信号分析器软件，扩大仪器的多功能测试能力。

目前，FSQ有3种型号：FSQ3，FSQ8，FSQ26，分别覆盖3.6，8，26 GHz的频段。安捷伦公司的GS-9200MCPA测试系统试图延长设备从研发至生产的寿命，提供验证研发的产品设计至实现规模的生产测试合二为一的完整系统，以节约测试投资。GS-9200还有被测器件多端口自动校准模块，提高整个测试平台的测试准确度。R&S公司几十年来一直专注于无线通信测试技术并且在无线电通信及微波射频的测试与测量，电视、无线电频谱监测等行业处于世界领先地位。

4结束语

利用无线通信技术可将传感器在线监测数据传送到计算机进行处理,而经过计算机处理后的

信息可再经无线通信渠道传至各台设备,非常方便地组成自动测量与控制系统。这些仪表设备的共同特点是测试通信系统的主要表征系统指标的基本参数，同时将这些参数进行运算处理、分析，给出通信系统需要的指标参数，这样参数测试将由基本测试向系统测试方向发展。