基于4G技術(shù)的雙模雙卡單待負控終端研發(fā)

作者/ 王鵬 傅子明 劉攸堅 廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局(廣東 佛山 528000)

摘要：針對目前用電現場(chǎng)負荷管理終端通信過(guò)程存在鏈路節點(diǎn)多，易受外界干擾等問(wèn)題，本研究采用了基于4G技術(shù)的雙模雙卡單待負控終端技術(shù)，從根本上對終端的功能進(jìn)行補充和完善，通過(guò)對系統硬件的設計，提高了終端上行通信的可靠性、上線(xiàn)率以及高通信速率。結果表明，改進(jìn)后的系統性能遠遠高于傳統系統性能，極大地滿(mǎn)足了實(shí)際需求。

引言

　　目前用電現場(chǎng)負荷管理終端主要是基于GPRS無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)通訊與計量自動(dòng)化主站通信，通信過(guò)程存在鏈路節點(diǎn)多，易受外界干擾等弊端[1-3]。隨著(zhù)城市發(fā)展建設，各通訊運營(yíng)商之間競爭激烈，通訊環(huán)境愈加復雜多樣化，2G通信信號不穩定，尤其是在城市密集區，不同的網(wǎng)絡(luò )變化多端，工作人員需要頻繁到現場(chǎng)更換不同運營(yíng)商的SIM卡，以使終端能在特定運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )通暢時(shí)保持上線(xiàn)。通信問(wèn)題成為影響數據采集的關(guān)鍵問(wèn)題?，F狀是國內市場(chǎng)暫無(wú)此類(lèi)產(chǎn)品研究，國內廠(chǎng)商、研究機構暫未有此技術(shù)方面的研究。

　　國內技術(shù)方向、技術(shù)水平和關(guān)鍵技術(shù)：電力負荷管理終端多制式公網(wǎng)通信自適應接口連接在電力負荷管理終端主板電路與公網(wǎng)通信子板電路之間，實(shí)現公網(wǎng)通信子板電路與主板電路之間的插拔式連接，可在電力負荷管理終端電路中實(shí)現不同制式的公網(wǎng)通信模塊的互換。其可不用更換終端，僅更換通信模塊，即可實(shí)現不同制式網(wǎng)絡(luò )的互換^[4]。該種方法相當于由人工進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )的選擇和切換。

　　目前，終端采用的通信方式存在一定的局限性，在未來(lái)圖像、視頻等多媒體傳輸以及更加豐富數據應用情況下，現有2G通信技術(shù)難以滿(mǎn)足數據傳輸的需要，勢必需要采用通信速率更快更可靠的通信技術(shù)^[5-6]。因此，本研究采用基于4G技術(shù)的雙模雙卡單待負控終端，能解決上述出現的問(wèn)題。

1 現有系統的結構及其局限性

1.1 現有系統的局限性

　　本系統針對現大量存在并運行的通信模塊以及今后南網(wǎng)統一標準的終端及模塊，開(kāi)展2個(gè)方向的研究：

　　(1)針對存量終端(已統一上行通信模塊結構尺寸)，由于無(wú)法修改終端嵌入式軟件，可在上行通信模塊內部，終端與通信模塊之間增加一片單片機，用以控制和管理4G通信模塊，自動(dòng)選擇優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò )，并轉發(fā)終端與主站間的通信數據。通過(guò)該手段可在不更改現場(chǎng)終端的條件下對終端進(jìn)行升級，以實(shí)現本項目的設計目標。

　　(2)針對全新招標的設備，可對現有的終端技術(shù)要求和通信協(xié)議進(jìn)行增補，技術(shù)要求方面增加多模雙卡的內容定義，并對通信網(wǎng)絡(luò )的智能選擇做出要求;通信協(xié)議方面需增加網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量信息的內容，包括實(shí)時(shí)召測和定時(shí)任務(wù)，增加對4G高速通信的軟硬件支持^[6-7]。

　　此方案是從根本上對終端的功能進(jìn)行補充和完善，提高終端上行通信的可靠性、上線(xiàn)率以及高通信速率。

1.2 現有終端系統及其存在的問(wèn)題

　　現有的終端設計框圖如圖1所示。

　　現有終端系統大體包括MCU單片機模塊、下行通信模塊、計量模塊、電源模塊、控制通信模塊、上行通行模塊和LCD模塊。其中上行通信模塊與MCU單片機之間采用UART模式進(jìn)行數據交換。

　　現有終端存在的問(wèn)題：目前根據現有技術(shù)條件設計的終端，由圖1的硬件框架可以看出，該方案雖然設計簡(jiǎn)單，成本較低，但是終端的處理能力和接口速度難以滿(mǎn)足實(shí)際需要^[8]。而根據4G網(wǎng)絡(luò )的高速通訊的特性(LTE FDD Cat 6 (300Mbps DL, 50Mbps UL))，對終端的處理能力和接口速度須有更高的要求，因此需要終端設計方案重新進(jìn)行研究。

　　本研究主要從兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

　　(1)系統的整體處理能力;(2)與上行信道的接口速度需要提高。

2 系統整體設計

　　本研究根據4G通信和多模雙卡通信的特點(diǎn)，對大客戶(hù)負控終端上行通信模塊部分電路進(jìn)行重新設計，并且編寫(xiě)底層驅動(dòng)軟件，滿(mǎn)足模塊供電、信號檢測及自動(dòng)切換的需要;對上行模塊的架構進(jìn)行重新設計，滿(mǎn)足雙天線(xiàn)同時(shí)通信互不干擾，并研發(fā)一整套基于4G通信技術(shù)的多模雙卡單待的負荷管理終端。各模塊可與核心板通訊，同時(shí)也可以單獨選擇任一運營(yíng)商來(lái)保證系統的穩定性和可靠性^[9-10]。

2.1 改進(jìn)后的系統結構

　　改進(jìn)后的終端設計框圖如圖2所示。由圖2可知，改進(jìn)后的系統采用高速處理器，上行通信與核心板之間采用USB模式連接。

2.2 系統主要模塊的設計

　　終端設計性能：

　　(1)采用高性能處理器，運行頻率高達1G，處理能力強，為高速處理大量數據提供支持，如視頻等多媒體數據;

　　(2)上行通信模塊接口改用高速的USB接口，最高傳輸速率達480Mbps，支持4G模塊的高速數據通信;

　　(3)采用更高速的以太網(wǎng)接口，最高傳輸速率達1Gbps，為未來(lái)的視頻監控等高速、大數據量設備提供支持。

　　現有上行通信模塊設計框圖如圖3所示。

2.3 模塊的設計

　　加上成本等因素綜合考慮，單模塊方案更適合后續的大規模推廣：

　　(1)采用多模通訊模塊，可同時(shí)支持現有的三家運營(yíng)商，支持雙卡盲插自動(dòng)識別，兼容性強;

　　(2)單模塊設計，對終端電源設計要求較低，相對于GPRS模塊無(wú)大改動(dòng)，天線(xiàn)設計也無(wú)需考慮同頻干擾，設計簡(jiǎn)單;

　　(3)采用主集天線(xiàn)和分集天線(xiàn)雙天線(xiàn)設計，提高信噪比和接收靈敏度，適應信號惡劣的現場(chǎng)環(huán)境，提高終端上線(xiàn)率。

　　a.多模通訊模塊

　　4G多模全網(wǎng)通訊技術(shù)在手機上應用已有一段時(shí)間，所謂的全網(wǎng)制式分別為T(mén)D-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA1X/EVDO和GSM/EDGE/GPRS，通過(guò)該技術(shù)，可以使現有的負荷管理終端可以接入國內三大運營(yíng)商的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，大大提高了終端對移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的適應性，但目前業(yè)界只有高通(Qualcomm)公司推出了完整方案，多應用于商業(yè)級手持設備[11]。

　　工業(yè)級應用對模塊的EMC(電磁兼容)性能、高低溫性能等要求均比較高，需要采用專(zhuān)為電力設備開(kāi)發(fā)的工業(yè)級通訊模塊才能滿(mǎn)足負控終端的使用要求[12-13]。經(jīng)過(guò)對多個(gè)品牌通訊模塊的性能測試，本課題中選用Neoway公司的“N1”4G LTE全網(wǎng)通訊模塊進(jìn)行進(jìn)一步研究及測試，雙模塊和單模塊整體設計框圖如圖4和圖5所示。

　　b.CPU模塊

　　本系統的CPU采用ARM公司生產(chǎn)的Cortex-A系列處理器，適用于具有高計算要求、運行豐富操作系統以及提供交互媒體和圖形體驗的應用領(lǐng)域。從最新技術(shù)的移動(dòng)Internet必備設備(如手機和超便攜的上網(wǎng)本或智能本)到汽車(chē)信息娛樂(lè )系統和下一代數字電視系統。也可以用于其他移動(dòng)便攜式設備，還可以用于數字電視、機頂盒、企業(yè)網(wǎng)絡(luò )、打印機和服務(wù)器解決方案。這一系列的處理器具有高效低耗等特點(diǎn)，比較適合配置于各種移動(dòng)平臺。已廣泛應用于各種嵌入式工業(yè)設備。

　　ARM Cortex?-A5 處理器是能效最高、成本最低的處理器，能夠向最廣泛的設備提供 Internet 訪(fǎng)問(wèn)：從入門(mén)級智能手機、低成本手機和智能移動(dòng)終端到普遍采用的嵌入式、消費類(lèi)和工業(yè)設備。

　　Cortex-A5 處理器可為現有ARM926EJ-S?和ARM1176JZ-S?處理器設計提供很有價(jià)值的遷移途徑。它可以獲得比ARM1176JZ-S更好的性能，比 ARM926EJ-S更好的功效和能效，以及100%的Cortex-A兼容性^[14-15]。

　　c.天線(xiàn)模塊

　　本系統采用主集天線(xiàn)和分集天線(xiàn)雙天線(xiàn)設計。

　　分集接收技術(shù)是一項主要的抗衰落技術(shù)，可以大大提高多徑衰落信道傳輸下的可靠性，在實(shí)際的移動(dòng)通信系統中，終端常常工作在城市建筑群或其他復雜的地理環(huán)境中，分集接收技術(shù)被認為是明顯有效而且經(jīng)濟的抗衰落技術(shù)。

　　分集的基本思想是將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的(獨立的)多路信號，然后把這些多路信號分離信號的能量按一定的規則合并起來(lái)，使接收到的有用信號能量最大，進(jìn)而提高接收信號的信噪比。因此，分集接收包括兩個(gè)方面的內容：一是把接收的多徑信號分離出來(lái)使其互不相關(guān)，二是將分離出來(lái)的多徑信號恰當合并，以獲得最大信噪比。

　　d.結構設計部分的改進(jìn)

　　由于現有的標準尺寸SIM卡的卡槽占用面積較大，導致目前的模塊盒設計空間無(wú)法滿(mǎn)足同時(shí)安裝兩張SIM卡的需要，將現行使用的標準尺寸的SIM卡更換為體積更小的Nano SIM卡。通過(guò)這樣對SIM卡的改進(jìn)，同時(shí)安裝兩張Nano SIM卡所占用的面積相對于現有的安裝一張標準尺寸的SIM卡所占用的面積不會(huì )增加太多，可減低通信模塊盒結構設計的改造難度。

　　單模塊和雙模塊條件下，系統性能對比如表1所示。

2.3 新舊系統性能的對比

　　改進(jìn)前后系統性能的對比如表2所示。由以上數據對比可知：改進(jìn)后的系統運行速度、運算能力、上行接口、上行速率、以太網(wǎng)接口的性能得到極大的提高，大大滿(mǎn)足實(shí)際需求。

3 總結

　　本研究采用多模雙卡單待的模式，實(shí)時(shí)檢測SIM卡狀態(tài)，監測三網(wǎng)的信號強度及與后臺主站的實(shí)時(shí)通訊情況，如果主網(wǎng)絡(luò )不能撥上號或與主站通訊不成功的時(shí)候，及時(shí)切換到待機網(wǎng)絡(luò )撥號連接主站?？梢允菇K端在不同的固定、無(wú)線(xiàn)平臺和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡(luò )中提供無(wú)線(xiàn)服務(wù)，良好覆蓋地理位置復雜的地區和場(chǎng)所，提供雙向、高速、安全的數據通信通道。雙網(wǎng)絡(luò )之間互為備份，無(wú)需人工切換模塊制式，完全自適應，基于4G技術(shù)特點(diǎn)通信速率高、穩定性強、抗干擾能力強。同時(shí)，本項目使用了在計量自動(dòng)化終端領(lǐng)域應用4G移動(dòng)通信系統的高性能天線(xiàn)技術(shù)和多模全網(wǎng)通信技術(shù)，提高終端通信速率和可靠性。此外，本系統還可以廣泛應用于林業(yè)、城市監管、水利、近海岸地形測繪、地質(zhì)災害調查、國家安全等遙感遙測領(lǐng)域。

參考文獻：

　　[1]李浩,彭華.多徑信道下MIMO系統發(fā)送天線(xiàn)數估計[J]. 電子學(xué)報,2016,44(7):1539-1547.

　　[2]尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2014,44(5):551-563.

　　[3]蔡偉,楊洪,熊飛,等.考慮電力通信網(wǎng)可靠性的業(yè)務(wù)路由優(yōu)化分配方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(12):3541-3545.

　　[4]田金鳳,鄭小盈,胡宏林,等.中國下一代移動(dòng)通信研究[J].科技通報,2012,28(5):299-311.

　　[5]邱洪華,曉麗.中美4G移動(dòng)通信技術(shù)專(zhuān)利信息比較研究[J].情報雜志,2013,32(8):82-86.

　　[6]羅雨澤,朱善利,陳玉宇,等.我國移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑區域差異及擴散機制研究[J].經(jīng)濟研究,2011,46(10):81-94.

　　[7]尤肖虎,曹淑敏,李建東.第三代移動(dòng)通信系統發(fā)展現狀與展望[J].電子學(xué)報,1999,(S1):3-8.

　　[8]祝超群,郭戈.具有通信受限的網(wǎng)絡(luò )控制系統量化反饋控制[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2014,(5):633-646.

　　[9]周杰,朱慧娟,袁梅.基于二維空間域移動(dòng)通信統計信道的空時(shí)特性[J].電子技術(shù)應用,2016,42(8):116-120.

　　[10] 王天賀. 4G移動(dòng)通信系統HFSS天線(xiàn)設計研究[D].長(cháng)春:吉林大學(xué),2014.

　　[11] 宋曉晉,宋鐵成,沈連豐. 移動(dòng)通信衰落信道的建模與仿真[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,(3):338-342.

　　[12] 王藝,鄧佳佳,林毅. 適用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )[J].電信科學(xué),2012,28(6):1-6.

　　[13] 胡國華,袁樹(shù)杰,譚敏. 4G移動(dòng)通信技術(shù)與安全缺陷分析[J].通信技術(shù),2008,41(7):155-157.

　　[14] 江浩,周杰,菊池久和. 基于三維空間域移動(dòng)通信統計信道的多普勒效應[J].物理學(xué)報,2014,63(4):389-398.

　　[15] 魏淑芝,朱琦. 基于網(wǎng)絡(luò )選擇的視頻通信帶寬博弈算法[J].通信學(xué)報,2015,36(2):215-224.

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第45頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。