0 引言

    隨著國(guó)家智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力業(yè)務(wù)對(duì)通信信道提出了全新、更高的要求。目前智能電網(wǎng)中遠(yuǎn)程通信主要采用光纖和無(wú)線方式。光纖由于受成本、地域等因素的限制，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)配用電通信接入網(wǎng)的全覆蓋。無(wú)線方式作為光纖通信的有力補(bǔ)充手段，正承載著越來(lái)越多的電力通信業(yè)務(wù)。目前無(wú)線方式主要有無(wú)線公網(wǎng)和無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)兩種方式。無(wú)線公網(wǎng)前期投資少、建設(shè)周期短、業(yè)務(wù)部署和開(kāi)展快，但隨著配用電系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)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(jí)無(wú)保障等問(wèn)題。現(xiàn)有的電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)如230數(shù)傳電臺(tái)、1 800 MHz無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)存在速率低、覆蓋能力較弱、建網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)成本較高、與電力業(yè)務(wù)結(jié)合能力一般等諸多問(wèn)題，限制了它們?cè)谥悄茈娋W(wǎng)中進(jìn)一步的發(fā)展和推廣。新型LTE230無(wú)線通信系統(tǒng)充分利用低頻段覆蓋距離遠(yuǎn)以及4G LTE先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有大容量、廣覆蓋、高效率、高安全性等特點(diǎn)，在電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注^[1]。

1 系統(tǒng)分析

    LTE230電力無(wú)線通信系統(tǒng)可直接部署在230 MHz電力專(zhuān)用40個(gè)授權(quán)頻點(diǎn)上，符合國(guó)家對(duì)低頻段的技術(shù)升級(jí)改造政策，當(dāng)前LTE230電力無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)已經(jīng)在北京東城區(qū)^[1]、江蘇揚(yáng)州^[2]、浙江海鹽^[3]等多處開(kāi)展了試點(diǎn)工作，為電力通信專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)提供了良好的借鑒意義和示范作用。這些試驗(yàn)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和圖1都基本類(lèi)似。在圖1中，業(yè)務(wù)平臺(tái)、監(jiān)控中心及eOMC網(wǎng)管系統(tǒng)為L(zhǎng)TE230系統(tǒng)的主站平臺(tái)；EPC為核心網(wǎng), eNodeB230為基站;基站和終端通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，終端類(lèi)型主要有四種：配電終端、負(fù)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(duì)通信速率要求較低的小帶寬業(yè)務(wù)，最后一種承載對(duì)通信速率要求較高的大帶寬業(yè)務(wù)。這種小帶寬與大帶寬業(yè)務(wù)并存，小帶寬業(yè)務(wù)為主^[1]是智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)的一個(gè)重要特點(diǎn)。

    當(dāng)前這些LTE230試驗(yàn)網(wǎng)終端解決方案基本都是采用業(yè)界通用的CPU和DSP，外加FPGA和DDR存儲(chǔ)器的板級(jí)方案實(shí)現(xiàn)的，且針對(duì)小帶寬業(yè)務(wù)和大帶寬業(yè)務(wù)采用不同的軟硬件平臺(tái)，這種終端實(shí)現(xiàn)方式存在成本高、功耗大、軟硬件維護(hù)工作量大等問(wèn)題，極大地限制了LTE230電力無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)的進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具有高性能、低成本、低功耗的LTE230無(wú)線通信基帶芯片（簡(jiǎn)稱(chēng)LTE230芯片），并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展芯片終端產(chǎn)品的應(yīng)用研究，對(duì)于推進(jìn)電力無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

2 芯片設(shè)計(jì)

    針對(duì)智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)大、小帶寬的特點(diǎn)，在芯片設(shè)計(jì)須同時(shí)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(jí)AMBA總線架構(gòu):一級(jí)為64位的高帶寬AXI總線、二級(jí)為32位高性能AHB總線、三級(jí)為32位低速APB外設(shè)總線。

    AXI總線是一個(gè)矩陣式結(jié)構(gòu)，采用全聯(lián)通模式。AXI總線上主要的模塊有：DSP核、系統(tǒng)DMA、中頻IF Enginee、Turbo Decoder硬件加速器、2組嵌入式大容量存儲(chǔ)器eDRAM。

    AHB總線的設(shè)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(shè)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(shí)器Timer、串口UART、I2C控制器、看門(mén)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(guān)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(shí)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(duì)低速的eDRAM存儲(chǔ)器之間讀寫(xiě)操作的訪問(wèn)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(guò)軟件指令、外部中斷及SCU的控制，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求快速的在不同的功耗管理之間進(jìn)行切換，從而滿足系統(tǒng)待機(jī)、DRX周期、低速及全速運(yùn)行等場(chǎng)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(chǔ)器eDRAM，eDRAM接口時(shí)序簡(jiǎn)單，讀寫(xiě)延遲小,無(wú)需復(fù)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(chǔ)方式，沒(méi)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(shè)計(jì)時(shí)，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(shè)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(wèn)延遲，提高了系統(tǒng)的性能。此外eDRAM提供了正常讀寫(xiě)、Standby、Self Refresh和power down多種功耗模式，可根據(jù)系統(tǒng)場(chǎng)景來(lái)切換。

    230 MHz頻段系統(tǒng)資源呈無(wú)規(guī)則、梳狀結(jié)構(gòu)，頻點(diǎn)分布離散。芯片獨(dú)有的中頻模塊接收來(lái)自前端射頻芯片出來(lái)的數(shù)據(jù)，由于頻譜的不連續(xù)性，中頻模塊將會(huì)進(jìn)行兩級(jí)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(duì)應(yīng)頻點(diǎn)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(shí)發(fā)送中斷通知DSP來(lái)做進(jìn)一步處理。上行鏈路和下行鏈路相似，但是一個(gè)相反的過(guò)程。同時(shí)中頻模塊采用乘法器時(shí)分復(fù)用的高階數(shù)字濾波器，可對(duì)帶外的干擾信號(hào)進(jìn)行很好的抑制，以很小電路面積來(lái)保證系統(tǒng)的性能。由于芯片支持的TDD模式，收發(fā)不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，故中頻模塊可在自身收發(fā)時(shí)序控制下采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)，動(dòng)態(tài)地開(kāi)關(guān)上下行數(shù)據(jù)鏈路的時(shí)鐘，以達(dá)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(yùn)算量很大；同時(shí)由于LTE230須支持40個(gè)離散頻點(diǎn)，依靠DSP軟譯碼的方式對(duì)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(jìn)行多個(gè)頻點(diǎn)、多個(gè)碼塊的譯碼操作，其間無(wú)須DSP干預(yù)。

3 芯片應(yīng)用

    針對(duì)電力大、小帶寬業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，應(yīng)用LTE230芯片，可開(kāi)發(fā)兩類(lèi)終端產(chǎn)品：LTE通信模塊(LTE Communication Module，簡(jiǎn)稱(chēng)LCM）和用戶終端設(shè)備（Customer Premises Equipment，簡(jiǎn)稱(chēng)CPE）^[1]。LCM終端強(qiáng)調(diào)的是低功耗、低成本、小體積，CPE終端側(cè)重的是高性能。

    LCM硬件平臺(tái)如圖3所示，提供UART業(yè)務(wù)物理接口，支持的頻點(diǎn)通常為1~8個(gè)，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(yuǎn)程控制通信等低速率的無(wú)線通信需求。

    CPE硬件平臺(tái)如圖4所示，配備UART、10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)物理接口，最大支持40個(gè)頻點(diǎn)，上、下等峰值速率分別為1.76 Mb/s和0.71 Mb/s，主要用于承載視頻監(jiān)控等高速數(shù)據(jù)傳輸。

    實(shí)際應(yīng)用中，90%以上的終端數(shù)量是LCM，成本和功耗是一個(gè)重要的考慮因素，在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)盡量簡(jiǎn)單，采用LTE230芯片+射頻RF芯片的方案。LTE230芯片的一個(gè)串口用于調(diào)試，另一個(gè)串口用來(lái)和電力終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。操作系統(tǒng)和基帶處理軟件在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)通過(guò)BootCode從片外SPI Flash存儲(chǔ)器加載到芯片內(nèi)部的TCM和eDRAM存儲(chǔ)器中。LTE230 的DSP運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nucleus，且其基帶處理除物理層(PHY)時(shí)域部分 (含載波聚合)是用中頻模塊硬件電路實(shí)現(xiàn)的，其余的物理層的頻域處理和比特級(jí)/符號(hào)級(jí)處理、協(xié)議層的媒體訪問(wèn)控制(MAC)和無(wú)線資源控制(RRC)^[4]、網(wǎng)絡(luò)層的TCP/IP協(xié)議、射頻前端收發(fā)配置以及芯片內(nèi)外大量設(shè)備的管理都是用DSP軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    在高性能的CPE平臺(tái)中，支持的數(shù)據(jù)速率高，單DSP方案無(wú)法提高足夠的處理能力，故在LCM平臺(tái)的基礎(chǔ)上，外加一個(gè)高性能低功耗的基于ARM Cortex M3的 MCU(考慮到市場(chǎng)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(zhuān)注于基帶物理層的處理，協(xié)議層和網(wǎng)絡(luò)層的處理由MCU來(lái)完成。MCU和DSP運(yùn)行相同實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)SPI控制器交換物理層傳輸信道(Transport Channels)^[4]的數(shù)據(jù)。MCU內(nèi)嵌大容量Flash存儲(chǔ)器，可用來(lái)存儲(chǔ)MCU及DSP的整個(gè)軟件系統(tǒng)，無(wú)需外接SPI Flash存儲(chǔ)器。在系統(tǒng)初始化時(shí)，MCU可在DSP的BootCode配合下，通過(guò)SPI接口將DSP所需軟件下載到LTE230芯片的TCM和eDRAM存儲(chǔ)器中。

4 結(jié)論

    基于LTE230無(wú)線通信基帶芯片的LCM和CPE的軟硬件平臺(tái)已進(jìn)行了初步的原型驗(yàn)證，結(jié)果表明，在成本、功耗、軟硬系統(tǒng)維護(hù)及升級(jí)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(tái)和基于“TI OMAP處理器+FPGA+DDR”的CPE終端平臺(tái)，有著明顯的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)加速智能電網(wǎng)中LTE230電力無(wú)線通信系統(tǒng)的建設(shè)有著重要的參考意義。

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