基于PRP和HSR的无缝冗余通信技术
基于PRP提升CBTC车地无线通信可靠性方案研究
URBAN RAIL TRANSIT 基于PRP提升CBTC车地无线通信可靠性方案研究杨 震1，邝荣华1，蔡景俏1，熊 文2（1．深圳地铁运营集团有限公司，广东深圳 518000；2．卡斯柯信号有限公司深圳分公司，广东深圳 518000）摘要：为解决既有采用W L A N方案地铁线路面临的无线干扰问题，提出基于P R P的车地通信冗余方案，引入不同制式的无线链路，使信号车地通信单网信息经由冗余通道传输，从而提高信号系统车地通信的可靠性。
该方案进行实验室及地铁线路现场动车测试验证，对测试结果进行对比分析，并对信号系统中PRP方案的应用场景进行展望。
关键词：PRP；WLAN；LTE；冗余通道中图分类号：U231.7 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)09-0083-04Research on Improving Reliability ofCBTC Train-Ground Wireless Communication Based on PRP Yang Zhen1, Kuang Ronghua1, Cai Jingqiao1, Xiong Wen2(1. Shenzhen Metro Group Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)(2. Shenzhen Branch, CASCO Signal Ltd., Shenzhen 518000, China)Abstract: In order to solve the problem of wireless interference faced by existing metro lines using WLAN scheme, this paper proposes a train-ground communication redundancy scheme based on PRP.Wireless links of different standards are introduced to make the single network information of signal train-ground communication transmitted through redundant channels, so as to improve the reliability of train-ground communication in signal system. The scheme has been tested and verified in the laboratory and on-site on metro lines. In this paper, the test results are compared and analyzed, and the application scenario of PRP scheme in signal system is prospected.Keywords: PRP; WLAN; LTE; redundant channelDOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2023.09.016收稿日期：2022-03-31；修回日期：2023-07-18基金项目：深圳地铁运营集团有限公司科研项目（S T Y Y-YYTH011-FW001/2021）第一作者：杨震（1973—），男，高级工程师，本科，主要研究方向：铁道信号，邮箱：****************。
交换机延时可测技术的应用
交换机延时可测技术的应用发布时间：2021-10-11T05:23:19.721Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷第15期作者：张淳[导读] 在国家“双碳”战略性减碳目标为牵引的能源革命大背景下，我国能源系统正在发生重大变化，越来越多的风电、太阳能、储能、“车网互动”在配电端接入电网，张淳北京航天爱锐科技有限责任公司北京市 100076摘要：在国家“双碳”战略性减碳目标为牵引的能源革命大背景下，我国能源系统正在发生重大变化，越来越多的风电、太阳能、储能、“车网互动”在配电端接入电网，以及电热气网互联互通，配电网正逐渐成为电力系统的核心，为连接能源生产、转换、消费的关键环节。
可以说，未来以电力为核心的区域能源互联网所有要素，包括智能楼宇、智能园区、智慧工厂、智慧城市等都和配电网密切相关。
关键词：交换机；延时；可测技术这些变化使得配电网正从不可控的传统配电网向部分可控的现代配电网和全面可控的未来配电网转变。
基于电流差动保护原理的配电网故障定位和切除方案，拥有适应存量配网设备和增量配网基建的优势。
但电流差动保护，需要依赖于可靠的采样同步技术，目前主要有依靠GPS/北斗的对时同步方案。
但在配电网地理广、设备多的现实中，难以覆盖配电网所有终端装置，当出现某一终端装置时间不同步且无法有效检测出来时，容易造成保护算法的错误造成误动或拒动。
因此依靠时钟同步的方案难以推广。
近年来，在数字化变电站出现了一种基于交换机延时可测技术的智能变电站采样同步方案，较好地解决了依赖外部时钟对时的问题。
本文主要针对电流差动同步需求，提出将交换机延时可测技术应用在配电网差动保护的适配方案。
1 配电网电流差动保护采样同步要求IEC 61850-5通信部分定义了信息传输的性能要求。
从表1中可知，配电网保护控制业务的SV和GOOSE报文的网络最大延时应为10 ms。
根据不同智能配用电业务对通信的需求不同，依据《电力系统通信设计技术规定》和IEC61850相关标准可以归纳出不同智能配用电业务的通信服务质量（QoS）指标[11]，实时性评价指标用延时表示，参考Q/CSG 110017.67.5-2012《南方电网一体化电网运行智能系统技术规范第6-7.5部分：厂站应用厂站装置功能及接口规范（合并单元）》网络抖动的时间[12]。
REF615K ABB综合保护继电器说明书
REF615K/ABB综合保护继电器说明书
Relion® 615系列馈线保护测控装置REF615北京凯米特北区售后中心
应用范围：为电力系统和工业配电网提供保护、控制、测量和监视功能
所属类别：电厂AK1703系统
REF615作为专用馈线保护和测控装置，专门用于保护、控制、测量和监视公共和工业配电系统。
REF615既可以适应中性点不接地电网又可以适应中性点电阻或阻抗接地电网。
此外，利用装置先进的站级间通信功能，REF615也可以用于环形网状配电网络或辐射网络保护。
被保护的电网包含多次馈电和分布式发电。
REF615具备12种标准配置，适应于常用的馈线保护和测控应用。
REF615的特点是支持变电站IEC61850通信标准，并行冗余协议（PRP）和高可用性无缝冗余度协议（HSR），其中IEC61850通信标准包含IEC 61850-9-2 LE。
该继电器还支持DNP3，IEC 60870-5-103和Modbus® 规约。
通过SPA-ZC 302规约适配器支持Profitbus DPV1规约。
ABB 615系列保护测控装置与COM600小型变电站综合自动化系统装置共同构成真正的IEC 61850解决方案，保证公用配电网和工业配电网的配电安全可靠。
为了便于实施和简化系统工程，ABB保护测控装置配备有包含软件编译和装置特定信息的链接宝，如单线图模板、事件和参数列表的完整数据模型。
利用连接包，装置可以通过PCM600保护测控装置管理软件完成配置，与COM600小型变电站自动化系统装置或MicroSCADA Pro网络控制和管理系统集成。
基于PRP协议的500kV配电装置控制系统
基于PRP协议的500kV配电装置控制系统摘要：PRP协议通过支持PRP的网络节点（DANP）实现星型网络冗余，在全球已逐步被推广。
巴基斯坦发电厂升压站要求采用基于PRP通信协议的控制系统（SAS），同时采用控制屏硬手操控制系统（Mimic Panel）作为后备。
如何简化双重化控制系统的接线、协调控制权限、优化控制逻辑等，是保证安全可靠运行需攻克的难题。
关键词：升压站控制系统；测控模拟屏；就地控制箱；并行冗余协议；双连接节点0 引言从我院设计的巴基斯坦古杜（Guddu）、赫维利（Haveli）和吉航（Jhang）项目设计经验可知，升压站的控制，与国内常规采用计算机网络控制系统NCS不同，古杜采用单纯的控制屏硬手操模式，而赫维利、吉航采用马赛克硬手操和计算机监控双重化控制模式。
智能电子装置IED在巴基斯坦兴起，没有项目应用实例，巴方业主对IED可靠性持怀疑态度，要求保留早期的模拟屏，作为IED故障的后备[1]。
1.SAS系统1.1总体设计500kV屋外敞开式布置AIS，采用一个半断路器接线，3回主变进线、4回500kV出线、1回预留备用出线。
采用马赛克硬手操和计算机监控双重化控制。
所有的智能电子装置（Intelligent Electronic Devices，以下简称IED）与SAS系统采用IEC61850通信协议，将传统变电站大量的电缆回路转换为网络虚回路[2]，基于Goose快速报文传输代替传统的硬接线实现开关位置、闭锁信号和跳闸命令等实时信息的可靠传输，有效简化二次接线及控制系统造价。
1.2PRP网络拓扑PRP是国际标准的网络冗余协议，可以实现双网信息的无缝切换，提高设备冗余实现的标准化和互操作性，保证智能变电站信息的实时传输，提升系统的安全可靠性[2]。
基于PRP的变电站冗余网络，包括双连接节点（DANP）智能电子设备（IED）、单连接接点（SAN）IED和冗余盒（Redundancy Box，简称Red Box）。
智能变电站二次系统的双重配置技术
创新应用 Applications
智能变电站二次系统的双重配置技术
张丽江 （广东电网有限责任公司中山供电局，广东 528400）
摘要：阐述智能变电站二次系统双重化配置方式。基于Q/GDW 441-2010中的规定而进行设置，研究间 隔层、过程层 、站控层内双重化信息流，重点分析对双测控技术，设计合理的监控后台操作方式，分析 双重化设备信 息流、全站二次系统冗余配置，IEC 61850通信协议梳理智能变电站的全过程信息流。 关键词：智能变电站，电子式互感器，双重化配置技术，冗余配置。
作者简介：张丽江，广东电网有限责任公司中山供电局，研究方向：智能变电站。 收稿日期：2020-07-28，修回日期：2020-10-26。
22 集成电路应用 第 37 卷 第 11 期（总第 326 期）2020 年 11 月
2.4 过程层组网双重化 在双重化配置过程中建立双重化组网通信机
制，对过程层网络中的S网络、GOOSE网络均建立 相互的处理机制，由此而实现电力系统的良好正 确运行。结合电力系统中的实际运行情况，目前在 110kV等级电压中的相关系统能够符合设计 要求。 并按照相互独立的原则设计双重化配置中的继电保 护装置，在一个网络推出时，另外一个网络能够继 续运行。因此应当对继电保护装置进行相应层面的 设置。PRP网络包括若干个DANP，HSR网络包括若 干个DANH，两个协议节点可通过端口与相邻节点 连接。HSR网络、PRP可通过RedBox网络、非HSR 网络连接，可通过任何网络拓扑实现连接。RedBox 运行中同时支持HSR、PRP冗余协议，使得电力系 统运行中可结合报文类型的不同而分别予以处理。 HSR网络间可通过QuadBox连接，构成对等的HSR 冗余网络。智能电子装置运维图见图1。
基于IEC62439-3协议的智能变电站过程层网络监视方法研究与实现
基于IEC62439-3协议的智能变电站过程层网络监视方法研究与实现杨贵高红亮李广华李彦付艳兰摘要：IEC61850-90-4标准中引入了基于并行冗余协议（PRP）和高可用性无缝冗余协议（HSR）的组网方案，该组网方案与国内普遍推广应用的双星型网络在网络监视等方面具有明显的差异。
本文在HSR、PRP的过程层组网方案基础上进行网络监视方法研究，提出了基于监视帧、nodetable表、IED上送状态等几种网络监视管理方案并对几种监视管理方案进行了分析比较，给出基于HSR、PRP网络的可选监视管理方案。
从IEC61850-90-4组网方案的工程实施角度出发，解决标准中未涉及到的实际问题，为国内智能变电站发展提供了有益的技术支撑。
关键词：并行冗余协议;高可用性无缝冗余协议;监测帧;智能变电站TM769; TP393：A0 引言随着智能变电站的推广建设，智能变电站技术得到了飞跃发展，但是国内普遍采用的双星型网络架构存在组网成本高、IED设备处理器负荷重、与国际标准兼容性等方面问题。
2012年推出的IEC62439-3[1J标准描述了PRP/HSR两种冗余网络协议，其中HSR采用环网拓扑结构，PRP采用双星型网络拓扑结构。
通过RedBox（redundancy box）或QuadBox可有效的实现HSR与PRP网络、PRP/HSR网络与RSTP （rapid span-ning tree protocoD等其他网络进行互通[2]。
PRP/HSR冗余网络的特点是网络冗余，向应用层只上送一份数据，降低了对嵌入式硬件资源的使用需求[3]。
同时采用HSR环网可有效的降低组网成本。
IEC61850第二版中增加了IEC61850_90_4c4]组网方案相关的标准，该标准对智能变电站的各种组网方案进行了描述。
在IEC61850-90-4标准中第一次明确引入了IEC62439 -3标准中定义的PRP/HSR两种组网技术，并给出了各种基于该技术的组网方案。
PRP和HSR技术在国内智能变电站中的工程应用分析
黄晓博 （ 河南省电 力勘测设计院， 河南 郑州４ ５ ０ ０ ０ ７ ）
【 摘 要】 对Ｉ Ｅ Ｃ ６ １ ８ ５ ０ — ９ — ２ Ｅ ｄ ２ ． ０中推荐 的 Ｐ Ｒ Ｐ 和Ｈ Ｓ Ｒ两种 高可靠性组网技术进行 了研究 ， 结合 国内智 能变电站的设计模式和 工程 实践， 对
＇ ＇ ｌ ， ， ＇ ’ ， ， ＇ ’ ｌ ， ＇ ＇ ｌ ， ＇ ＇ ’ ｌ ｌ ， ， ’ ’ ， ＇ ＇
ｌ ’ ｌ ｂ， ， ， ， ’ ｌ ＇ ， ’ ’ ， ’ ， ｌ ｌ ， ， ’ ’ ， ｉ
ｌ ＇ １ ］ ｌ ｂ， ， ｌ ， ， ’ ， ｌ ， ， ’ ’ ｌ ＇ ， ｌ ，
Ａ ｖ ａ ｉ ｌ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ Ｓ ｅ ａ ｍ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｈ Ｓ Ｒ） ，作 为 满 足 上 述 要 求 的 推 荐
方法。
图 ２中 Ｓ Ａ Ｎ Ｒ １ ／ Ｒ ２ 。 如 可 靠 性 较 低 ，或 不 具 备 接 入 条 件 的 设
备， 也 可 只 连 接 其 中一 个 网络 （ Ｉ Ａ ＿ Ａ） ， 如 Ｓ Ａ Ｎ Ａ１ ， Ａ ２ ， 此 时 仅 能 实现 单 网通 信 ． 如 图 ２所 示
Hale Waihona Puke 引 言 ２ ＂ 对 外 发 送 ． 先抵 达 目标 智 能 变 电站 二 次控 制 保 护 系统 采 用 了 符 合 Ｉ ＥＣ ６ １ ８ ５ ０标 报 文 帧 复 制 并 同 时 从 两 个 网卡 端 １ Ａ Ｎ Ｐ的 帧被 链 路 冗余 实 体接 受 并 发 送 给 上 层 协 议 ．后抵 达 准 的站 级 总 线 和 过 程 层 总 线 代 替 了 传 统 模 拟 量 和 开 关 量 信 Ｄ 不 再 到 达更 上 一 层 。由 于这 样 号ｆ ” ， 二 次 系统 的 范 围 已从 保 护 、 测 控 等 扩 大 到 通 信 网络 ， 其 可 的 帧 则将 被 链 路 冗余 实体 丢 弃 ，
一种基于bond机制的prp协议实现方法
一种基于bond机制的prp协议实现方法随着现代通信技术的不断发展，人们对网络传输的稳定性和可靠性要求越来越高。
而PRP（Parallel Redundancy Protocol）作为一种实时以太网冗余机制，可以提供无故障切换的能力，被广泛应用于工业自动化等领域。
本文将介绍一种基于bond机制的PRP协议实现方法。
1. PRP协议概述PRP协议是一种基于冗余路径的以太网冗余方案，通过同时使用两个独立的以太网链路传输相同的数据，以实现无故障切换。
PRP协议中的Primary和Secondary链路独立工作，并通过bond机制将它们的数据流合并，提供给上层应用。
2. bond机制的作用bond机制是PRP协议中实现无缝切换的关键。
它将Primary和Secondary链路上的数据进行绑定，通过异或运算将它们的数据流合并为一个统一的数据流。
当一个链路发生故障时，系统可以无缝地切换到另一个链路上，确保数据的连续性和可靠性。
3. PRP协议的实现步骤3.1 链路监测PRP协议首先需要对Primary和Secondary链路进行监测，以便实时检测链路的可用性。
通过设定一定的阈值，当链路的质量超出预期范围时，系统会判断链路发生故障，并进行相应的切换操作。
3.2 数据流绑定当Primary和Secondary链路均正常工作时，系统将通过bond机制将两个链路上的数据流进行绑定，并实时进行异或运算。
这样可以确保两个链路上的数据一致性和同步性，避免数据冲突和丢失。
3.3 故障切换当某个链路发生故障时，PRP协议会立即将另一个链路上的数据流切换到主链路上，以实现了无缝的切换。
同时，PRP协议还会发送相应的通知消息，通知上层应用链路发生了故障，并进行异常处理。
4. 使用bond机制的优势使用bond机制可以大大提高PRP协议的可靠性和稳定性。
通过将两个链路上的数据流进行绑定和异或运算，可以确保数据的完整性和同步性。
一旦某个链路发生故障，系统可以迅速切换到另一个链路上，同时保持数据的连续性。
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基于 PRP和 HSR的无缝冗余通信技术
摘要对于常用的通讯技术而言，一个通讯的终端需要有PRP协议以及HSR 协议构成，这一才可以保证有效的与另一端的网络设备的通讯。
同时，终端还可以通过网络技术借助复数的形式，将数据包按照不同的路径进行传送，要是有一端的单一通信链路发生故障无法完成通讯时，就可以借助备用数据包完成数据的送达，从而实现数据的冗余通信。
并且，使用了PRP协议以及HSR协议的通讯技术能够是得在通讯系统中的中断的消耗时间为0，这样就可以保证传输的有效，保证传输数据的完整。
关键字：PRP；HSR；冗余通信技术
前言
在本文中，主要想要介绍一项新的创新项目，同时在本项目中，希望能够实现无缝的冗余通信技术、冗余协议以及高可靠的冗余通信，所以就需要进行一系列的实验，进一步验证实验的可行性。
一、PRP与HSR的冗余协议
PRP和HSR是不同的网络冗余协议，但是基本原理又非常的相似。
同时两者都可以很好地适应多种网络拓扑结构，并且还能够通过利用链路层的冗余单元对上层应用实现透明，从而达到理想中的冗余效果。
1.
PRP协议原理
PRP协议要想实现冗余效果，就需要借助一些能够支持PRP的网络节点的协助，同时，一些网络节点能够支持PRP的，都需要拥有两个独立的运行端口，并且这两个端口还可以进行独立的工作，能够独立的与局域网进行连接。
这就会使得在使用的过程中，PRP网络节点将报文复制成两份，发送给两个不同的局域网
中的节点里。
对于任意一个独立的网络出现故障时，并不会影响到PRP网络节点
接收到报文的功能，因此就可以实现冗余通信。
1.
HSR协议原理
HRS协议能够实现冗余通信的原理与PRP协议类似，但是HRS协议主要是依
靠两个物理端口，才可以为系统提供冗余通信。
并且HRS的网络结构类似一个环形，在运行的过程中，就需要借助HRS的网络节点对两个端口同时发送报文。
1并且在运行的过程中，首先需要判断报文是否是广播帧，如果判断出报文是广播帧，就会进行接受以及转发；若是判断出报文不是广播帧，则会自动检查链路地址是
否正确，从而实现冗余通信。
二、项目的设计内容以及设计思路
（一）设计内容
本次的创新实验项目主要是对PRP和HSR协议能否实现无缝冗余通信技术的
研究，所以，在实验中主要是以SCALANCE-X204- RNA为核心，搭建出一套无缝
冗余通信的系统。
并且在系统中主要采用的技术是并行的冗余协议(PRP)和高可
靠性无缝冗余(HSR)。
同时以工业以太网为基础，结合进PLC系统设计、数字信
号处理、PLC模拟量信号的处理、自动控制原理，同时借助相关的仪表仪器等，
展开相关的实验。
同时，我们还可以通过增加在实验过程中的控制系统设计各项
要点等，进一步完成对该项目的构建及测试。
并且，我们还可以通过对没有冗余
协议的普通环网的SCALANCE-XM408-8C设备进行对比实验，分别证明当PRP与HSR同时存在或是仅存一种协议时，通信是否可以达到无缝冗余效果。
（二）验证思路
1．需要对无缝冗余通信系统的基本框架进行设计，我们可以查询相关的资料，确定在实验过程中使用的设备，从而完善整个通信系统线路图纸的设计。
2．进行网络架构的设计，首先使用工业以太网线缆将各个设备进行正确的连接，并且测试相关的连接是否成功，之后再利用PST软件分别为两台SCALANCE-X204-RNA配置地址组态。
3．利用TIA Portal V14软件分别调试PLC设备，从而确保配置的IO控制器及IO设备能够成功。
4．进行通信测试，首先将IO控制器和IO设备通过Portal软件各自进行组态编译、下载运行，并且在通讯测试的过程中，还需要使IO控制器与IO设备的PLC之间的PROFINET通讯正常，也就是两个S7-1200的ERROR灯没有报警。
5．在进行实验时，首先拔掉其中与IO控制器相连的SCALANCE-X204-RNA设备，将工业以太网线缆的通信状态模拟成出现故障的情况，若IO控制器与IO设备的PLC之间的PROFINET通讯依旧正常，则代表实验成功；之后再拔掉另一个与IO设备相连的SCALANCE-X204-RNA设备，将工业以太网线缆通信情况模拟成故障形式，若IO控制器与IO设备的PLC之间的PROFINET通讯正常，即两个S7-1200 PLC的ERROR灯都没有报警，也代表着实验成功。
6．将第5步骤中使用的SCALANCE-X204-RNA设备替换为SCALANCE XM408-8C 设备，也就是将带有无缝冗余通讯效果的设备，替换成不带有无缝冗余通讯效果的设备。
重复实验上述的实验步骤；拔掉SCALANCE XM408-8C之间的连接，模拟工业以太网线缆的通信故障情况，若IO控制器与IO设备的PLC之间的PROFINET 通讯出现中断，也就是两个S7-1200 PLC的警示灯报警，但是在几秒之后通讯又恢复，则代表着对比实验成功。
7．将第6步骤中使用的设备替换为一台SCALANCE-X204-RNA设备和一台SCALANCE XM408-8C设备，重复步骤1-4。
若IO控制器与IO设备的PLC之间的PROFINET通讯正常，即两个S7-1200 PLC的警示灯没有报警，则代表着通讯依旧正常，这样就可以有效的证明，带有HSR协议的交换机可以使不支持HSR协议的设备达到无缝冗余通讯效果。
三、冗余通信技术的应用
（一）拓扑结构的设计
在对拓扑结构进行设计时，首先要全面的了解冗余网络中拓扑结构的具体设置，或是在通信系统中有关传统的双网络设置模式。
对于传统的双网而言，拓扑
结构设置成多个单元进行串联，之后再将串联好的单元进行并联。
但是冗余通讯
系统中的拓扑结构却是先把单元进行并联，之后在串联。
所以二者相比较，双网
结构在运行数据时，需要对不同的网络类型进行切割，但是冗余通讯系统就可以
使得物理链路保持着独立的连接，并且每个单元都可以进行数据共享。
（二）配置更新方案
为了更方便设备的运行，需要更新任何间隔元件的配置，例如对程序进行设
计或是定值整理等。
因此就需要通过源端的间隔单元来使所有的单元能够被检修，或者直接关闭所有的单元应用功能，之后就需要确定源端的间隔单元能否完成更新，之后再对其他单元进行完成检修，如果在更新过程中有单元发生更新失败，
则可通过源端的间隔单元对失败的单元进行重新的配置。
四、结束语
在本次创新设计项目中，主要对冗余通信技术进行实验，首先是对没有无缝
冗余协议的普通网络进行测试，也就是使用SCALANCE-XM408-8C作为实验的设备，而变量条件一是当PRP与HSR同时存在，二则是仅有PRP或仅有HSR中的一种协议，从而查看通信这两种条件下是否可以存在无缝的冗余通讯。
并且，我们还将
尝试对含有无缝冗余通讯的设备进行相关的实验，从而记录好数据以及结果作为
参考组，这样就可以得到一组可进行对比的数据，就能够了解到PRP与HER协议
是否能够很好的达成无缝冗余通讯效果。
参考文献
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[2]张小建. 智能变电站无缝冗余通信网络技术研究[C]. 中国通信学会普及
与教育工作委员会.2012年电力通信管理暨智能电网通信技术论坛论文集.中国通
信学会普及与教育工作委员会:中国通信学会普及与教育工作委员会,2013:150-154.
[3]谢志迅,邓素碧,臧德扬.数字化变电站通信网络冗余技术[J].电力自动化
设备,2011,31(09):100-103+120.
[4]何钟杰,黄险峰,崔春,罗劲松.几种智能变电站冗余通信协议分析比较[J].广东电力,2011,24(04):5-8.
1基金项目:辽宁科技大学大学生创新创业计划专项经费资助项目(项目编号: X202110146189）
作者简介: 时鸣泽（2000-），男，辽宁省抚顺市，本科。
研究方向:通信工程。