隨著國家智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力業(yè)務對通信信道提出了全新、更高的要求。目前智能電網(wǎng)中遠程通信主要采用光纖和無線方式。光纖由于受成本、地域等因素的限制，難以實現(xiàn)對配用電通信接入網(wǎng)的全覆蓋。無線方式作為光纖通信的有力補充手段，正承載著越來越多的電力通信業(yè)務。目前無線方式主要有無線公網(wǎng)和無線專網(wǎng)兩種方式。無線公網(wǎng)前期投資少、建設周期短、業(yè)務部署和開展快，但隨著配用電系統(tǒng)規(guī)模的擴大，逐漸暴露出采集成功率低、存在信息安全隱患、不同電力用戶優(yōu)先級無保障等問題?，F(xiàn)有的電力無線專網(wǎng)如230數(shù)傳電臺、1800MHz無線寬帶通信系統(tǒng)存在速率低、覆蓋能力較弱、建網(wǎng)和運營成本較高、與電力業(yè)務結(jié)合能力一般等諸多問題，限制了它們在智能電網(wǎng)中進一步的發(fā)展和推廣。新型LTE230無線通信系統(tǒng)充分利用低頻段覆蓋距離遠以及4GLTE先進技術(shù)的優(yōu)勢，具有大容量、廣覆蓋、高效率、高安全性等特點，在電力無線專網(wǎng)領域受到越來越多的關注。
1 系統(tǒng)分析
LTE230電力無線通信系統(tǒng)可直接部署在230 MHz電力專用40個授權(quán)頻點上，符合國家對低頻段的技術(shù)升級改造政策，當前LTE230電力無線通信專網(wǎng)已經(jīng)在北京東城區(qū)、江蘇揚州、浙江海鹽等多處開展了試點工作，為電力通信專網(wǎng)建設提供了良好的借鑒意義和示范作用。這些試驗網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和圖1都基本類似。在圖1中，業(yè)務平臺、監(jiān)控中心及eOMC網(wǎng)管系統(tǒng)為LTE230系統(tǒng)的主站平臺；EPC為核心網(wǎng),eNodeB230為基站;基站和終端通過無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，終端類型主要有四種：配電終端、負控終端、用電信息采集終端（集中器、采集器、智能電表）和視頻監(jiān)控終端。前三種終端承載對通信速率要求較低的小帶寬業(yè)務，最后一種承載對通信速率要求較高的大帶寬業(yè)務。這種小帶寬與大帶寬業(yè)務并存，小帶寬業(yè)務為主是智能電網(wǎng)配用電業(yè)務的一個重要特點。
2 芯片設計
針對智能電網(wǎng)配用電業(yè)務大、小帶寬的特點，在芯片設計須同時考慮高性能和低成本兩種終端的需要。
2.1 芯片結(jié)構(gòu)
芯片整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用三級AMBA總線架構(gòu):一級為64位的高帶寬AXI總線、二級為32位高性能AHB總線、三級為32位低速APB外設總線。
AHB總線的設備主要包括中斷控制器DSP INTC、BootROM、SPI Flash控制器SPI_FLSCTRL，以及中頻、Turbo Decoder和DMA的寄存器配置接口。
APB總線上的設備主要包括SPI_HOSTIF、射頻配置接口SPI_RFCFG、以太網(wǎng)接口SPI_MAC、定時器Timer、串口UART、I2C控制器、看門狗WDT、GPIO模塊、系統(tǒng)控制單元 SCU、PWM模塊。APB總上的各種SPI控制器及串口都支持DMA模式。
2.2 關鍵技術(shù)
芯片內(nèi)部集成了高性能的DSP處理器，DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)，可同時支持4 MAC操作；DSP核內(nèi)嵌高速TCM和Cache，可有效平滑高速DSP內(nèi)核和相對低速的eDRAM存儲器之間讀寫操作的訪問延遲，使系統(tǒng)整體性能較優(yōu)。DSP內(nèi)嵌功耗管理模塊PSU(Power Scaling Unit)，支持多種功耗管理模式，通過軟件指令、外部中斷及SCU的控制，可根據(jù)應用場景需求快速的在不同的功耗管理之間進行切換，從而滿足系統(tǒng)待機、DRX周期、低速及全速運行等場景下的功耗和性能要求。
芯片內(nèi)置高密度大容量的嵌入式存儲器eDRAM，eDRAM接口時序簡單，讀寫延遲小,無需復雜的控制器,面積只有普通SRAM的1/3；另外相比于外置DDR的存儲方式，沒有IO的功耗損失，BOM成本也較低，故在性能、功耗和成本上都有很好的兼顧。在芯片設計時，考慮系統(tǒng)內(nèi)存帶寬的需求，采用兩組片內(nèi)eDRAM的方式，芯片內(nèi)的主設備如DSP，若其指令和數(shù)據(jù)分別存放在不同的eDRAM內(nèi)，則可并行讀取指令和數(shù)據(jù)，大大縮短了內(nèi)存訪問延遲，提高了系統(tǒng)的性能。此外eDRAM提供了正常讀寫、Standby、Self Refresh和power down多種功耗模式，可根據(jù)系統(tǒng)場景來切換。
230 MHz頻段系統(tǒng)資源呈無規(guī)則、梳狀結(jié)構(gòu)，頻點分布離散。芯片獨有的中頻模塊接收來自前端射頻芯片出來的數(shù)據(jù)，由于頻譜的不連續(xù)性，中頻模塊將會進行兩級混頻、下采樣及濾波操作，從射頻接收的數(shù)據(jù)中抽取出對應頻點的數(shù)據(jù)，經(jīng)中頻內(nèi)置的DMA模塊經(jīng)總線送到eDRAM中，同時發(fā)送中斷通知DSP來做進一步處理。上行鏈路和下行鏈路相似，但是一個相反的過程。同時中頻模塊采用乘法器時分復用的高階數(shù)字濾波器，可對帶外的干擾信號進行很好的抑制，以很小電路面積來保證系統(tǒng)的性能。由于芯片支持的TDD模式，收發(fā)不會同時進行，故中頻模塊可在自身收發(fā)時序控制下采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動的時鐘門控技術(shù)，動態(tài)地開關上下行數(shù)據(jù)鏈路的時鐘，以達到減少功耗的目的。
LTE230采用和4G LTE相同的物理層信道編解碼方式，其物理層下行共享信道PDSCH采用的是Turbo碼，Turbo譯碼算法運算量很大；同時由于LTE230須支持40個離散頻點，依靠DSP軟譯碼的方式對MIPS要求太高，故芯片中內(nèi)置了硬件加速器Turbo Decoder。Turbo Decoder支持鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可在一次配置后進行多個頻點、多個碼塊的譯碼操作，其間無須DSP干預。
3 芯片應用
針對電力大、小帶寬業(yè)務的特點，應用LTE230芯片，可開發(fā)兩類終端產(chǎn)品：LTE通信模塊(LTE Communication Module，簡稱LCM）和用戶終端設備（Customer Premises Equipment，簡稱CPE）[1]。LCM終端強調(diào)的是低功耗、低成本、小體積，CPE終端側(cè)重的是高性能。wdz5-t3.gif
LCM硬件平臺如圖3所示，提供UART業(yè)務物理接口，支持的頻點通常為1~8個，有效數(shù)據(jù)速率一般為幾十千比特每秒到一百多千比特每秒，可滿足窄帶數(shù)傳、遠程控制通信等低速率的無線通信需求。
在高性能的CPE平臺中，支持的數(shù)據(jù)速率高，單DSP方案無法提高足夠的處理能力，故在LCM平臺的基礎上，外加一個高性能低功耗的基于ARM Cortex M3的 MCU(考慮到市場上MCU的成熟度及內(nèi)嵌Flash工藝的特殊性，芯片未集成MCU)。LTE230芯片專注于基帶物理層的處理，協(xié)議層和網(wǎng)絡層的處理由MCU來完成。MCU和DSP運行相同實時操作系統(tǒng)，通過SPI控制器交換物理層傳輸信道(Transport Channels)的數(shù)據(jù)。MCU內(nèi)嵌大容量Flash存儲器，可用來存儲MCU及DSP的整個軟件系統(tǒng)，無需外接SPI Flash存儲器。在系統(tǒng)初始化時，MCU可在DSP的BootCode配合下，通過SPI接口將DSP所需軟件下載到LTE230芯片的TCM和eDRAM存儲器中。
4 結(jié)論
基于LTE230無線通信基帶芯片的LCM和CPE的軟硬件平臺已進行了初步的原型驗證，結(jié)果表明，在成本、功耗、軟硬系統(tǒng)維護及升級便利性等方面，相比于現(xiàn)有的基于“ADI DSP+FPGA+DDR”的LCM終端平臺和基于“TI OMAP處理器+FPGA+DDR”的CPE終端平臺，有著明顯的優(yōu)勢，這對加速智能電網(wǎng)中LTE230電力無線通信系統(tǒng)的建設有著重要的參考意義。
