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基于WAPI Mesh的配网通信覆盖组网策略研究

2024-09-27 80 上传者：管理员

摘要：针对配网通信现有技术以及配网对通信的需求，结合无线局域网鉴别和保密基础结构（wireless local area network authentication and privacy infrastructure, WAPI）Mesh的相关技术特性，提出一种针对配网通信覆盖的组网策略，实现配电光纤通信的有效延伸以及电房的配网通信覆盖，并以实际案例验证所提出组网策略的有效性和实用性。

关键词：
Mesh
WAPI
无源光网络
组网
配网通信
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随着智能配网、数字配网的发展，以及充电桩、光伏设备、储能设备等多种新业务设备接入配网，作为数字信息传输载体的配电通信网的通信需求不断增长。

目前，配网中的通信方式主要有基于光纤传输的工业以太网交换机组网通信、无源光网络（passive optical network,PON）设备组网通信、公网通信（4G或5G）等方式。光纤通信受光纤资源限制，且配网电房分布广泛、所在区域环境复杂，导致部分区域施工难度极大，不具备敷设光纤条件；而公网通信在时延、带宽等方面无法满足高可靠、高带宽的智能配电新业务需求。在这种条件下，研究WAPI Mesh技术在配网通信中的应用具有重要意义。

1、WAPI技术

WAPI是一种基于无线局域网（wireless local area network,WLAN）的安全传输协议，是中国WLAN安全强制性标准。该技术的安全机制由无线局域网鉴别基础结构（WLAN authentication infrastructure,WAI）和无线局域网保密基础结构（WLAN privacy ingrastructure,WPI）构成。WAI实现对用户身份的鉴别，WPI实现数据加密。

WAI采用了公开密码体制，利用证书对WLAN中的无线终端（station,STA）和无线接入点（acess point,AP）进行认证。同时，通过采用三元对等网络安全技术架构，实现对STA与AP的对等双向鉴别，确保了合法STA接入合法AP，对于“伪AP”攻击具有很强的抵御能力[1]113-116。

WAPI是自建自营的独立网络，无须与用户共享网络资源，还可以通过服务集标识符（service set identifier,SSID）+虚拟局域网（virtual local area network,VLAN）实现业务之间的逻辑隔离，其隔离强度能够满足电力业务内部之间的隔离要求[1]113-116。

WAPI与WiˉFi在工作频段、覆盖能力、通信速率等方面的性能相同，具有WiˉFi所具有的高带宽、高灵活性等特点。同时，WAPI设备可工作于2.4 GHz和5 GHz频段，其中5 GHz频段基本无干扰[1]113-116。

综上所述，WAPI技术具有组网灵活、通信速率高、安装部署方便、安全性高等优点[2]，适合在配电通信网中应用，能满足各类无线接入需求。

2、Mesh网络

无线Mesh网络（wireless mesh network,WMN）是一种新型动态自组织自配置的无线网络。网络中的节点能够自动地建立点对点结构并维持Mesh连通性，且能够自动地建立无线多跳网络。

在传统的WLAN中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路访问网络。如果用户要进行相互通信，必须访问一个固定的AP，这种网络结构被称为单跳网络。由于STA只能与AP通信，而AP必须与有线网络相连接，这极大地限制了WLAN的覆盖范围。因此，当前集中式拓扑WLAN的应用一般只局限在小范围场景，而且周围必须有固定线路，以便AP能够连入有线网络。

WMN是一种多跳网络，与传统单跳网络的最大不同在于，WMN中的AP不仅具备用户接入功能，还可以转发无线信号。在此基础上，多个AP可以构成一个网状结构，信号在网内从一个AP路由传输到另一个AP，最终通过与固定线路相连的AP传输到有线网络[3]。

WAPI Mesh是基于WAPI搭建的WMN，既具有WAPI的灵活性、安全性、高带宽，又具有WMN的可扩展、多跳、自愈等特点，能满足配电通信网业务传输的需求。

3、WAPI Mesh在配网通信中的覆盖组网策略

3.1 典型应用场景

目前，配网通信以光纤通信为主，本文探讨的配网通信使用工业以太网交换机组网。但是，由于管廊资源、路由、施工条件等问题，仍有部分电房无法实现光纤覆盖，因此不能通过工业交换机通信。同时，电房所在位置无线公网信号不稳定，无法满足业务通信需求，形成业务“孤岛”。典型应用场景如下。

应用场景一：地上一层电房（电房A）有光纤资源，而地下一、二层电房（电房B、C、D）无光纤资源，且公网信号差，需要通过地上一层电房实现地下电房的数据回传，如图1所示。

图1 应用场景一

应用场景二：郊区信号差的节点回传。部分电房（电房B）没有光纤资源，公网信号也差，希望通过临近有光纤资源的电房（电房A）实现数据回传，如图2所示。

图2 应用场景二

3.2 组网部署策略

WAPI Mesh可分为核心层和接入层，核心层包括网管服务器、鉴别服务器（authentication server,AS）和无线控制器（wireless access point controller,AC），接入层包括AP和STA。

在配电通信网中，应用WAPI Mesh技术进行组网通信时，需在中心站端部署AS和AC，在电房侧部署AP,AP通过网线与接入交换机连接，AP与AP、AP与STA之间通过无线连接，如图3所示。

电房侧组网部署方案如下：有光纤电房部署为Mesh入口节点（mesh portal point,MPP），无光纤电房及中间Mesh节点部署为Mesh节点（mesh point,MP），并通过WAPI Mesh实现无光纤电房与有光纤电房的通信互联，如图4所示。

MPP连接Mesh网络和其他类型网络的MP。该节点具有Portal功能，可以实现Mesh内部节点和外部网络的通信。

图3 WAPI Mesh基本架构

图4 WAPI Mesh电房侧部署组网结构

MP使用IEEE 802.11 MAC和物理层协议进行无线通信，并且支持Mesh功能。该节点支持自动拓扑、自动发现路由、数据报文转发等功能。同时，MP可以提供Mesh服务和用户接入服务[4]。

4、实际案例

4.1 案例概况

本案例现有5间电房，其中电房A位于地上一层，电房B、C、D、E位于地下一层。电房A已敷设光纤并部署工业以太网交换机，该电房内业务终端可以通过工业以太网交换机与配电通信网相连并传输数据。而电房B、C、D、E未敷设光纤，业务终端只能通过公网4G通信进行数据传输，但地下一层公网信号差，导致数据传输速率低、延迟大，如图5所示。

图5 WAPI Mesh部署前通信设备结构

4.2 WAPI Mesh部署及测试

利用WAPI Mesh技术对现有配网通信场景进行改造。具体如下：在中心机房安装一台AS和一台AC，在电房侧现场楼道及地下一层部署3台AP，用网线将AP1与地上一层电房A中的接入交换机进行互连，AP1与AP2、AP3通过无线组成WAPI Mesh，而地下一层4个电房的公变终端（无WLAN通信模块）通过用户驻地设备（customer premises equipment,CPE）与AP进行互连，如图6所示。在此组网方案中，AP2、AP3任意一个故障，公变终端仍然能通过另外一个AP与配电通信网进行通信，较好体现了Mesh网络的自愈性。

在Mesh链路建立后（登录AC能查看Mesh链路信息），且公变终端在经过AS认证成功后（登录AS能查看STA的认证情况，如图7所示），通过WAPI Mesh可以正常访问配电通信网。在测试中，使用数据包ping测工具iperf进行吞吐量和时延测试。

图6 WAPI Mesh部署后通信设备结构

图7 STA认证状态

表1为WAPI Mesh和公网4G通信性能对比。由表可知，相较于公网4G通信，WAPI Mesh在时延、吞吐量方面具有显著优势，能很好地满足配网通信需求。WAPI Mesh具有较高的灵活性、自愈性、安全性，能满足复杂环境下的组网需求[5]。

表1 WAPI Mesh和公网4G通信性能对比

5、结语

本文提出一种基于WAPI Mesh的配网通信组网覆盖策略，充分发挥了WAPI灵活性大、安全性高和Mesh网络可扩展性、自愈性的特点。应用该组网覆盖策略，能为电房提供灵活、安全、可靠、高带宽、低时延的通信，实现对配电光纤通信的有效延伸。该组网覆盖策略的应用，对于WAPI Mesh在配电通信中的应用具有重要参考价值。

参考文献:

[1]衷宇清,王浩,王敏,等.新型电力系统中的通信前沿技术及实践[M].北京:人民邮电出版社,2023.

[2]孙传文,张华.变电站无线WAPI局域网建设可行性及典型建设方案研究[J].广西电力,2022,45(3):69-73.

[3]李开红,邹冬超,陈宝仁.宽带无线Mesh在输电线路在线监测的应用研究[J].电力信息与通信技术,2014,12(1):47-50.

[4]明九州.应急通信无线Mesh网络节点部署算法研究[D].北京:北京邮电大学,2023.

[5]王芳.无线(MESH)网络通信技术的优点分析[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2013(9):286.

基金资助:南方电网公司创新资助项目“基于WAPI mesh的配网通信覆盖组网策略研究”(030100KZ24030039);

文章来源:陈海洋.基于WAPI Mesh的配网通信覆盖组网策略研究[J].通讯世界,2024,31(09):16-18.