基于4G技術(shù)的雙模雙卡單待負(fù)控終端研發(fā)

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

摘要：針對(duì)目前用電現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷管理終端通信過(guò)程存在鏈路節(jié)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(fù)控終端技術(shù)，從根本上對(duì)終端的功能進(jìn)行補(bǔ)充和完善，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，提高了終端上行通信的可靠性、上線率以及高通信速率。結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)系統(tǒng)性能，極大地滿足了實(shí)際需求。

引言

　　目前用電現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷管理終端主要是基于GPRS無(wú)線公網(wǎng)通訊與計(jì)量自動(dòng)化主站通信，通信過(guò)程存在鏈路節(jié)點(diǎn)多，易受外界干擾等弊端[1-3]。隨著城市發(fā)展建設(shè)，各通訊運(yùn)營(yíng)商之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，通訊環(huán)境愈加復(fù)雜多樣化，2G通信信號(hào)不穩(wěn)定，尤其是在城市密集區(qū)，不同的網(wǎng)絡(luò)變化多端，工作人員需要頻繁到現(xiàn)場(chǎng)更換不同運(yùn)營(yíng)商的SIM卡，以使終端能在特定運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)通暢時(shí)保持上線。通信問(wèn)題成為影響數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵問(wèn)題?，F(xiàn)狀是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)暫無(wú)此類產(chǎn)品研究，國(guó)內(nèi)廠商、研究機(jī)構(gòu)暫未有此技術(shù)方面的研究。

　　國(guó)內(nèi)技術(shù)方向、技術(shù)水平和關(guān)鍵技術(shù)：電力負(fù)荷管理終端多制式公網(wǎng)通信自適應(yīng)接口連接在電力負(fù)荷管理終端主板電路與公網(wǎng)通信子板電路之間，實(shí)現(xiàn)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(fù)荷管理終端電路中實(shí)現(xiàn)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(xiàn)不同制式網(wǎng)絡(luò)的互換^[4]。該種方法相當(dāng)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(shù)據(jù)應(yīng)用情況下，現(xiàn)有2G通信技術(shù)難以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，?shì)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(fù)控終端，能解決上述出現(xiàn)的問(wèn)題。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其局限性

1.1 現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性

　　本系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)大量存在并運(yùn)行的通信模塊以及今后南網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的終端及模塊，開(kāi)展2個(gè)方向的研究：

　　(1)針對(duì)存量終端(已統(tǒng)一上行通信模塊結(jié)構(gòu)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(nèi)部，終端與通信模塊之間增加一片單片機(jī)，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(zhuǎn)發(fā)終端與主站間的通信數(shù)據(jù)。通過(guò)該手段可在不更改現(xiàn)場(chǎng)終端的條件下對(duì)終端進(jìn)行升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　(2)針對(duì)全新招標(biāo)的設(shè)備，可對(duì)現(xiàn)有的終端技術(shù)要求和通信協(xié)議進(jìn)行增補(bǔ)，技術(shù)要求方面增加多模雙卡的內(nèi)容定義，并對(duì)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(nèi)容，包括實(shí)時(shí)召測(cè)和定時(shí)任務(wù)，增加對(duì)4G高速通信的軟硬件支持^[6-7]。

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

1.2 現(xiàn)有終端系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題

　　現(xiàn)有的終端設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　現(xiàn)有終端系統(tǒng)大體包括MCU單片機(jī)模塊、下行通信模塊、計(jì)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(jī)之間采用UART模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　現(xiàn)有終端存在的問(wèn)題：目前根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件設(shè)計(jì)的終端，由圖1的硬件框架可以看出，該方案雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，但是終端的處理能力和接口速度難以滿足實(shí)際需要^[8]。而根據(jù)4G網(wǎng)絡(luò)的高速通訊的特性(LTE FDD Cat 6 (300Mbps DL, 50Mbps UL))，對(duì)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(shè)計(jì)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(tǒng)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(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　本研究根據(jù)4G通信和多模雙卡通信的特點(diǎn)，對(duì)大客戶負(fù)控終端上行通信模塊部分電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并且編寫(xiě)底層驅(qū)動(dòng)軟件，滿足模塊供電、信號(hào)檢測(cè)及自動(dòng)切換的需要;對(duì)上行模塊的架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，滿足雙天線同時(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(fù)荷管理終端。各模塊可與核心板通訊，同時(shí)也可以單獨(dú)選擇任一運(yùn)營(yíng)商來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性^[9-10]。

2.1 改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　改進(jìn)后的終端設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。由圖2可知，改進(jìn)后的系統(tǒng)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(tǒng)主要模塊的設(shè)計(jì)

　　終端設(shè)計(jì)性能：

　　(1)采用高性能處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)1G，處理能力強(qiáng)，為高速處理大量數(shù)據(jù)提供支持，如視頻等多媒體數(shù)據(jù);

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

　　(3)采用更高速的以太網(wǎng)接口，最高傳輸速率達(dá)1Gbps，為未來(lái)的視頻監(jiān)控等高速、大數(shù)據(jù)量設(shè)備提供支持。

　　現(xiàn)有上行通信模塊設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

2.3 模塊的設(shè)計(jì)

　　加上成本等因素綜合考慮，單模塊方案更適合后續(xù)的大規(guī)模推廣：

　　(1)采用多模通訊模塊，可同時(shí)支持現(xiàn)有的三家運(yùn)營(yíng)商，支持雙卡盲插自動(dòng)識(shí)別，兼容性強(qiáng);

　　(2)單模塊設(shè)計(jì)，對(duì)終端電源設(shè)計(jì)要求較低，相對(duì)于GPRS模塊無(wú)大改動(dòng)，天線設(shè)計(jì)也無(wú)需考慮同頻干擾，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;

　　(3)采用主集天線和分集天線雙天線設(shè)計(jì)，提高信噪比和接收靈敏度，適應(yīng)信號(hào)惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，提高終端上線率。

　　a.多模通訊模塊

　　4G多模全網(wǎng)通訊技術(shù)在手機(jī)上應(yīng)用已有一段時(shí)間，所謂的全網(wǎng)制式分別為TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA1X/EVDO和GSM/EDGE/GPRS，通過(guò)該技術(shù)，可以使現(xiàn)有的負(fù)荷管理終端可以接入國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，大大提高了終端對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，但目前業(yè)界只有高通(Qualcomm)公司推出了完整方案，多應(yīng)用于商業(yè)級(jí)手持設(shè)備[11]。

　　工業(yè)級(jí)應(yīng)用對(duì)模塊的EMC(電磁兼容)性能、高低溫性能等要求均比較高，需要采用專為電力設(shè)備開(kāi)發(fā)的工業(yè)級(jí)通訊模塊才能滿足負(fù)控終端的使用要求[12-13]。經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)品牌通訊模塊的性能測(cè)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(cè)試，雙模塊和單模塊整體設(shè)計(jì)框圖如圖4和圖5所示。

　　b.CPU模塊

　　本系統(tǒng)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(jì)算要求、運(yùn)行豐富操作系統(tǒng)以及提供交互媒體和圖形體驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。從最新技術(shù)的移動(dòng)Internet必備設(shè)備(如手機(jī)和超便攜的上網(wǎng)本或智能本)到汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)和下一代數(shù)字電視系統(tǒng)。也可以用于其他移動(dòng)便攜式設(shè)備，還可以用于數(shù)字電視、機(jī)頂盒、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、打印機(jī)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(tái)。已廣泛應(yīng)用于各種嵌入式工業(yè)設(shè)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(shè)備提供 Internet 訪問(wèn)：從入門級(jí)智能手機(jī)、低成本手機(jī)和智能移動(dòng)終端到普遍采用的嵌入式、消費(fèi)類和工業(yè)設(shè)備。

　　Cortex-A5 處理器可為現(xiàn)有ARM926EJ-S?和ARM1176JZ-S?處理器設(shè)計(jì)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.天線模塊

　　本系統(tǒng)采用主集天線和分集天線雙天線設(shè)計(jì)。

　　分集接收技術(shù)是一項(xiàng)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(tǒng)中，終端常常工作在城市建筑群或其他復(fù)雜的地理環(huán)境中，分集接收技術(shù)被認(rèn)為是明顯有效而且經(jīng)濟(jì)的抗衰落技術(shù)。

　　分集的基本思想是將接收到的多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的(獨(dú)立的)多路信號(hào)，然后把這些多路信號(hào)分離信號(hào)的能量按一定的規(guī)則合并起來(lái)，使接收到的有用信號(hào)能量最大，進(jìn)而提高接收信號(hào)的信噪比。因此，分集接收包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是把接收的多徑信號(hào)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(hào)恰當(dāng)合并，以獲得最大信噪比。

　　d.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分的改進(jìn)

　　由于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)尺寸SIM卡的卡槽占用面積較大，導(dǎo)致目前的模塊盒設(shè)計(jì)空間無(wú)法滿足同時(shí)安裝兩張SIM卡的需要，將現(xiàn)行使用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的SIM卡更換為體積更小的Nano SIM卡。通過(guò)這樣對(duì)SIM卡的改進(jìn)，同時(shí)安裝兩張Nano SIM卡所占用的面積相對(duì)于現(xiàn)有的安裝一張標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改造難度。

　　單模塊和雙模塊條件下，系統(tǒng)性能對(duì)比如表1所示。

2.3 新舊系統(tǒng)性能的對(duì)比

　　改進(jìn)前后系統(tǒng)性能的對(duì)比如表2所示。由以上數(shù)據(jù)對(duì)比可知：改進(jìn)后的系統(tǒng)運(yùn)行速度、運(yùn)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，大大滿足實(shí)際需求。

3 總結(jié)

　　本研究采用多模雙卡單待的模式，實(shí)時(shí)檢測(cè)SIM卡狀態(tài)，監(jiān)測(cè)三網(wǎng)的信號(hào)強(qiáng)度及與后臺(tái)主站的實(shí)時(shí)通訊情況，如果主網(wǎng)絡(luò)不能撥上號(hào)或與主站通訊不成功的時(shí)候，及時(shí)切換到待機(jī)網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)連接主站?？梢允菇K端在不同的固定、無(wú)線平臺(tái)和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無(wú)線服務(wù)，良好覆蓋地理位置復(fù)雜的地區(qū)和場(chǎng)所，提供雙向、高速、安全的數(shù)據(jù)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(yīng)，基于4G技術(shù)特點(diǎn)通信速率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)，本項(xiàng)目使用了在計(jì)量自動(dòng)化終端領(lǐng)域應(yīng)用4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的高性能天線技術(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(tǒng)還可以廣泛應(yīng)用于林業(yè)、城市監(jiān)管、水利、近海岸地形測(cè)繪、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、國(guó)家安全等遙感遙測(cè)領(lǐng)域。

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本文來(lái)源于中國(guó)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。