王興濤，趙訓(xùn)威，孫孝波，付海旋，李金安

(國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司信通研究院，北京 102211)

0 引 言

終端通信接入網(wǎng)是國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層重要組成部分，是電力業(yè)務(wù)終端和設(shè)備連通電網(wǎng)骨干網(wǎng)和業(yè)務(wù)主站的主要橋梁，其中，除了電信運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)和電力載波通信之外，電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)是終端通信接入網(wǎng)的重要網(wǎng)絡(luò)之一，可打通電網(wǎng)通信“最后一公里”和有效覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)的有效手段[1-3]。目前，電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)可使用230 MHz和1 800 MHz兩種頻段，工業(yè)和信息化部無(wú)線電管理局授權(quán)國(guó)家電網(wǎng)公司使用230 MHz頻段資源后，原則上不再批復(fù)1 800 MHz頻率資源。相比1 800 MHz頻段，230 MHz電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)與電力業(yè)務(wù)需求緊密結(jié)合，為電力系統(tǒng)定制開(kāi)發(fā)，具備廣覆蓋優(yōu)勢(shì)，能夠降低組網(wǎng)運(yùn)維成本，同時(shí)具備寬帶傳輸能力。國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)制定了“IoT-G(Internet of Things-Grid) 230 MHz”和“LTE-G(Long Term Evolution-Grid) 230 MHz”兩套電力無(wú)線通信系統(tǒng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在多個(gè)網(wǎng)省公司開(kāi)展230 MHz電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)和電力業(yè)務(wù)承載測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果充分驗(yàn)證了電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)可作為配電自動(dòng)化、計(jì)量自動(dòng)化，以及精準(zhǔn)負(fù)荷控制等業(yè)務(wù)的有效通信方式[4-6]。國(guó)外電力通信網(wǎng)建設(shè)起步較早，澳大利亞采用WiMAX系統(tǒng)建立電力專(zhuān)網(wǎng)承載多種電力業(yè)務(wù)；美國(guó)采用窄帶集群疊加LTE技術(shù)建設(shè)電力安全無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)，在700 MHz頻段規(guī)劃建設(shè)，并可與相鄰頻段商用網(wǎng)絡(luò)漫游，作為電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的補(bǔ)充；歐洲國(guó)家也在開(kāi)展LTE電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的頻譜分配、寬帶技術(shù)和商業(yè)模式的研究與應(yīng)用[7-8]。文獻(xiàn)[9-10]開(kāi)展了1 800 MHz電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端研制與測(cè)試驗(yàn)證;文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了LTE-G 230 MHz無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)終端芯片，并開(kāi)展了終端研制應(yīng)用;文獻(xiàn)[12]提出了一種LTE-G 230電力設(shè)備透?jìng)鹘尤爰夹g(shù)和通信終端研制。

230 MHz頻段是國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)規(guī)定作為遙測(cè)、遙控和數(shù)據(jù)傳輸使用的頻段，目前主要被能源、軍隊(duì)、水利、地礦等行業(yè)使用。該頻段總帶寬為12 MHz，劃分為480個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)帶寬為25 kHz，其中有280個(gè)離散頻點(diǎn)共7 MHz資源授權(quán)國(guó)家電網(wǎng)公司使用。IoT-G 230 MHz技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、空口技術(shù)等方面基本與NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技術(shù)一致，但由于該頻段的管理特殊性，系統(tǒng)可配置帶寬較為特殊，導(dǎo)致物理層幀結(jié)構(gòu)與NB-IoT和LTE技術(shù)有較大差異。根據(jù)每個(gè)頻點(diǎn)占用25 kHz，IoT-G 230 MHz技術(shù)基于離散頻譜設(shè)計(jì)了特殊的無(wú)線幀結(jié)構(gòu)，通過(guò)離散頻譜聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)230 MHz電力頻譜全帶寬，任意頻點(diǎn)載波聚合，滿足多樣的電力業(yè)務(wù)要求。

目前針對(duì)IoT-G 230 MHz電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的遠(yuǎn)程通信終端研發(fā)處于起步階段，本文根據(jù)配用電業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了IoT-G 230 MHz電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端，可兼容不同電力業(yè)務(wù)流程和通信接口；選取電網(wǎng)用電信息采集業(yè)務(wù)，完成了業(yè)務(wù)設(shè)備的通信接入和功能適配；通過(guò)性能測(cè)試和掛網(wǎng)試點(diǎn)，驗(yàn)證了該終端運(yùn)行的可靠性與業(yè)務(wù)承載能力。

1 遠(yuǎn)程通信終端設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)功能劃分，遠(yuǎn)程通信終端由數(shù)據(jù)處理單元、通信模組和電源模塊三部分組成，如圖1所示，數(shù)據(jù)處理單元與通信模組之間通過(guò)TTL串口交互，電源模塊經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后給各部分供電。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)框圖

(1)數(shù)據(jù)處理單元

與電力業(yè)務(wù)設(shè)備和通信模組連接通信，提供RS232業(yè)務(wù)串口、RS485業(yè)務(wù)串口、業(yè)務(wù)網(wǎng)口，以及RS232調(diào)試串口等對(duì)外接口。業(yè)務(wù)串口和調(diào)試串口共用一個(gè)9針接口，使用同一個(gè)9針接口的不同引腳對(duì)外通信，以便于現(xiàn)場(chǎng)安裝與運(yùn)維。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中“嵌入式終端”和“外置式終端”的型式和需求不同，調(diào)整對(duì)外接口的類(lèi)型與數(shù)量。內(nèi)部使用ARM處理器、嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)μC/OS III操作系統(tǒng)，以及LWIP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理機(jī)制，兼容多種電力業(yè)務(wù)設(shè)備的不同工作模式。

(2)通信模組

采用成熟的IoT-G 230 MHz商用模組，具備離散窄帶聚合的無(wú)線數(shù)據(jù)通信功能。通信模組通過(guò)TTL串口與數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行交互，提供TTL調(diào)試串口、身份識(shí)別卡(Subscriber Identification Module,SIM)卡座，以及230 MHz無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)天線等對(duì)外接口。

(3)電源模塊

采用直流12 V輸入供電，設(shè)計(jì)正負(fù)極防接反功能，內(nèi)置電磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)防護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)EMC 4級(jí)防護(hù)，直流12 V經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊可轉(zhuǎn)換為直流5 V等其他所需電壓。

外置式終端和嵌入式終端硬件電路如圖2和圖3所示。

圖2 外置式終端硬件電路

圖3 嵌入式終端硬件電路

1.2 定時(shí)同步算法優(yōu)化

電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)通用主同步序列產(chǎn)生方法中，需要用到序列的頻域特性，由于子帶資源的限制，每個(gè)子帶僅包含11個(gè)子載波，需要對(duì)Zadoff-Chu(ZC)序列在頻域中進(jìn)行分段，并針對(duì)各分段分別做傅里葉變換得到時(shí)域數(shù)據(jù)。該方法計(jì)算復(fù)雜，造成ZC序列特性變差。本文采用將ZC序列直接映射為主同步信號(hào)的時(shí)域信號(hào)，使用接收到的時(shí)域數(shù)據(jù)與本地序列做互相關(guān)。

首先設(shè)計(jì)主同步信號(hào)，應(yīng)滿足三個(gè)要求。

(1)主同步信號(hào)由ZC序列生成，見(jiàn)公式(1)：

(1)

表1 扇區(qū)ID與ZC序列u參數(shù)的關(guān)系

(3)利用上一步生成的ZC序列作為主同步信號(hào)的基帶時(shí)域信號(hào)，將該序列的最后15點(diǎn)數(shù)據(jù)添加到序列的頭部，作為循環(huán)前綴。同步子帶時(shí)域中的數(shù)據(jù)排列順序如圖4所示。

圖4 時(shí)域數(shù)據(jù)排列順序

圖5和圖6為本文改進(jìn)的主同步序列產(chǎn)生方法和無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)通用方法的仿真結(jié)果對(duì)比，可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的算法更加簡(jiǎn)化，計(jì)算量小，可得到更優(yōu)的序列自相關(guān)與互相關(guān)特性。

圖5 自相關(guān)特性仿真對(duì)比圖

圖6 互相關(guān)特性仿真對(duì)比圖

同時(shí)，已有電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)定時(shí)同步算法采用相關(guān)值方法，本地保存的主同步信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算取最大值，根據(jù)相關(guān)值的最大值得到定時(shí)同步的位置，對(duì)于小區(qū)邊緣的終端，如果附近有較大干擾，該方法會(huì)存在誤檢的情況。本文采用求相關(guān)值序列的方法，結(jié)合峰均比的計(jì)算，濾掉干擾信號(hào)，最終確定定時(shí)同步的位置，通過(guò)計(jì)算峰均比，避免了由于干擾過(guò)大導(dǎo)致誤同步，提高定時(shí)同步的可靠性，具體流程如下：

Step1 以128 kHz采樣率接收數(shù)據(jù)，為了克服噪聲影響，可將多個(gè)無(wú)線幀數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，將多個(gè)無(wú)線幀相關(guān)值的絕對(duì)值進(jìn)行求和取平均，這樣可以獲得更好的檢測(cè)性能，這里建議為4個(gè)無(wú)線幀。

Step2 在時(shí)域中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)增益控制(Auto Gain Control,AGC)操作，首先將需要計(jì)算長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部絕對(duì)值求和，其次將求和結(jié)果進(jìn)行移位操作，使移位后的結(jié)果在合理范圍內(nèi)，移位的位數(shù)作為AGC的移位因子，最后根據(jù)AGC移位因子統(tǒng)一對(duì)需要進(jìn)行AGC處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位操作，實(shí)現(xiàn)時(shí)域數(shù)據(jù)的AGC。

Step3 對(duì)AGC操作后的數(shù)據(jù)與3個(gè)主同步碼(Primary Synchronization Code,PSC)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，可根據(jù)ZC序列的對(duì)稱(chēng)特性簡(jiǎn)化計(jì)算量。

Step4 將4個(gè)無(wú)線幀中各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相關(guān)值的絕對(duì)值逐幀對(duì)應(yīng)相加，最后得到每個(gè)預(yù)存PSC碼對(duì)應(yīng)的相關(guān)值序列。

Step5 對(duì)相關(guān)值序列進(jìn)行分段，并搜索每個(gè)分段中相關(guān)值的最大值，記錄該最大值的位置索引。

Step6 以每個(gè)分段相關(guān)值的最大值為中心，以分段長(zhǎng)度取AGC操作后的數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)分段數(shù)據(jù)的峰均比，并搜索分段峰均比的最大值，該峰均比值最大值所在分段對(duì)應(yīng)的相關(guān)值最大值的位置索引即為同步位置，對(duì)應(yīng)的扇區(qū)ID即為小區(qū)扇區(qū)ID。

1.3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

終端數(shù)據(jù)處理單元運(yùn)行μC/OS III實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件可以根據(jù)不同電力業(yè)務(wù)需求，采用多任務(wù)模塊化設(shè)計(jì)，快速開(kāi)發(fā)軟件功能[13]。針對(duì)用電信息采集業(yè)務(wù)，集中器連接遠(yuǎn)程通信終端，通過(guò)基站及核心網(wǎng)，登陸業(yè)務(wù)主站，終端軟件總體設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

“主控任務(wù)”與集中器交互，識(shí)別工作模式，并管理其他任務(wù)；“工作模式任務(wù)”判別集中器的工作模式，包括“國(guó)網(wǎng)模式”和“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(Point to Point Protocol,PPP)模式”，國(guó)網(wǎng)模式根據(jù)Q/GDW 1376.3-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可分為透明模式和非透明模式，與通信模組之間建立Socket鏈接。PPP模式則建立以太網(wǎng)上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(Point-to-Point Protocol Over Ethernet,PPPoE)服務(wù)器，與通信模組之間建立PPP撥號(hào)鏈接，執(zhí)行數(shù)據(jù)透?jìng)髂Ｊ?，終端移植LWIP協(xié)議棧，提供Socket和PPP功能；“升級(jí)任務(wù)”與通信模組交互，通過(guò)空口實(shí)現(xiàn)終端固件遠(yuǎn)程升級(jí)；“輸入/輸出任務(wù)”可控制模組啟動(dòng)與重啟，以及終端狀態(tài)指示燈開(kāi)閉等操作，同時(shí)模組可直接控制狀態(tài)指示燈；“看門(mén)狗任務(wù)”實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，任何一個(gè)任務(wù)出現(xiàn)異常，則重啟終端并上報(bào)錯(cuò)誤日志到主站。

2 通信性能測(cè)試

通信性能測(cè)試和試點(diǎn)驗(yàn)證地點(diǎn)選取國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司(國(guó)網(wǎng)湖南電力)計(jì)量中心，位于湖南長(zhǎng)沙仙姑嶺區(qū)域，該區(qū)域共有3座IoT-G 230 MHz基站，測(cè)試點(diǎn)由二號(hào)小區(qū)覆蓋，用電信息采集終端客戶直接指定計(jì)量中心實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)實(shí)際建設(shè)情況，測(cè)試組網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖8所示。

圖8 測(cè)試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

根據(jù)業(yè)務(wù)隔離要求，小區(qū)帶寬配置為5 MHz，配電、精控，以及用采三種業(yè)務(wù)按照1∶1∶8的比例分配資源(精控業(yè)務(wù)資源池共配置頻點(diǎn)20×25 kHz，配電業(yè)務(wù)資源池配置頻點(diǎn)20×25 kHz，用采業(yè)務(wù)配置頻點(diǎn)160×25 kHz)。國(guó)網(wǎng)湖南電力計(jì)量中心測(cè)試點(diǎn)位的參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Receiving Power,RSRP)為-75～-60 dBm，信干噪比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio,SINR)為12～25 dB，測(cè)試區(qū)域無(wú)線環(huán)境良好，8載波終端在此環(huán)境下的上行理論峰值速率可達(dá)229 kb/s，下行理論峰值速率可達(dá)139 kb/s。通信性能測(cè)試結(jié)果如表2所示，滿足《230 MHz離散多載波電力無(wú)線通信系統(tǒng) 第4部分：IoT-G 230 MHz技術(shù)規(guī)范》的要求[14-15]。

表2 通信性能測(cè)試結(jié)果

3 終端試點(diǎn)驗(yàn)證

基于通信性能測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，開(kāi)展終端對(duì)用電信息采集業(yè)務(wù)的規(guī)約功能和適配性測(cè)試，主要包括基本功能、一次抄收成功率、遙控正確率和數(shù)據(jù)召測(cè)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。試點(diǎn)使用國(guó)網(wǎng)湖南電力計(jì)量中心的WT-F100用電信息采集系統(tǒng)，搭建二跳采集系統(tǒng)，集中器下掛6塊單向費(fèi)控智能電表、2塊三相四線費(fèi)控智能電表，如圖9所示。電力業(yè)務(wù)設(shè)備和遠(yuǎn)程通信終端均位于計(jì)量中心實(shí)驗(yàn)室，兩者通過(guò)以太網(wǎng)口連接。

圖9 終端業(yè)務(wù)接入測(cè)試環(huán)境

遠(yuǎn)程通信終端插入SIM卡，上電開(kāi)機(jī)進(jìn)入空閑狀態(tài)，正確配置通信終端和230 MHz無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)的相關(guān)參數(shù)，完成網(wǎng)絡(luò)承載激活過(guò)程，并成功接入用電信息采集業(yè)務(wù)主站。試點(diǎn)過(guò)程中遠(yuǎn)程通信終端通信穩(wěn)定可靠，無(wú)掉線中斷現(xiàn)象；業(yè)務(wù)主站數(shù)據(jù)抄收與遙控均無(wú)異常，上線運(yùn)行效果良好；遠(yuǎn)程通信終端能夠有效適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，結(jié)果如表3所示，滿足《230 MHz離散多載波電力無(wú)線通信系統(tǒng) 第4部分：IoT-G 230 MHz技術(shù)規(guī)范》的要求。

表3 終端試點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于230 MHz電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)，開(kāi)展了IoT-G 230 MHz電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在軟硬件設(shè)計(jì)與算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上研制了嵌入式和外置式遠(yuǎn)程通信終端，針對(duì)用電信息采集業(yè)務(wù)測(cè)試了終端通信性能，并完成了電力業(yè)務(wù)掛網(wǎng)試點(diǎn)驗(yàn)證。測(cè)試和試點(diǎn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程通信終端滿足230 MHz電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的通信需求，能夠承載用電信息采集業(yè)務(wù)。后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展其他性能指標(biāo)的測(cè)試，以及配電自動(dòng)化的業(yè)務(wù)規(guī)約和功能適配性測(cè)試，驗(yàn)證遠(yuǎn)程通信終端在各類(lèi)電力業(yè)務(wù)的承載能力。