基于19.2 kbps軟件調制解調器的數傳網系統提速

李 力，魯 奕

（1.上海協同科技股份有限公司，上海 200063；2.上海理工大學 光電和計算機學院，上海 200093）

為提高電能利用效率、促進電力資源優化配置、保障用電秩序，國家發展和改革委員會、工業和信息化部等六部委于2010年11月發布《電力需求側管理辦法》?！峨娏π枨髠裙芾磙k法》規定，電網企業應加強對電力用戶用電信息的采集、分析，為電力用戶實施電力需求側管理提供技術支撐和信息服務。

230MHz無線電力負荷管理系統（以下簡稱“系統”）是供電企業用于實施電力需求側管理的主要技術支撐，承擔著對用電現場的各種用電信息的實時采集與用電管理任務，不僅具有全面的采集功能，而且還具備遠方控制功能。系統通過230MHz無線電臺實現系統主站與用電側終端之間的大量數據和命令的傳遞，因此，系統的數據傳輸效率直接影響到系統所能容納的終端數量以及系統功能的正常發揮。探索速度更快、性能更好的調制解調技術應用于系統是非常必要和有意義的。

1 230MHz無線電力負荷管理系統現狀

230MHz無線電力負荷管理系統主要興建于20世紀90年代，隨著我國國民經濟的持續快速發展，電力用戶數出現了成倍增長，系統被不斷擴容，全國網內終端數量已超過50萬套。另一方面，隨著供用電管理和服務要求的不斷提高，系統功能也日益擴展，數據采集和傳輸量倍增，而系統的數傳速率雖然也由最初的600 bps提高到了1 200 bps、2 400 bps，但仍然都處于低速組網，各地系統日常數據巡測大都處于超負荷運行狀態，如：天津、長沙、昆明、鞍山等系統每日對終端抄表數據的巡測一般都要從凌晨開始到當天中午甚至下午才能結束，已無法達到巡測任務每日上午8：00前結束的系統設計要求。低速的數傳技術和組網已遠遠不能滿足系統應用的要求，并成為系統發展的最主要瓶頸。

2 19.2 kbps軟件調制解調器性能及特點

超短波無線智能調制解調器MD192（以下簡稱“MD192”）是采用先進的DSP技術實現的能夠在超短波無線窄帶話音信道上進行高速數據傳輸的高度集成化、軟件化和智能化的一款調制解調器［1］，原理如圖1所示。

圖1 MD192調制解調器原理

采用MD192實現在230MHz無線窄帶話音信道上的高速數傳方案，與采用一般的微處理器加專用調制解調芯片（如：FX589）的GMSK調制解調器方案相比，具有以下5個優點。

（1）對電臺的要求低，無需改裝電臺。采用了8電平CPFSK調制，降低了對帶寬的要求，也就降低了對電臺的要求，同時借助自適應均衡算法［1］，對低端頻率響應進行補償校正，即使對于未采用2點調制的一般電臺，也能可靠地進行高速數據傳輸，而不需要對電臺進行改裝。

（2）具有更強的糾錯性能：①采用了超強前向糾錯GF（256）Reed-Solomon碼和交織算法的結合［1］，在惡劣的通信環境中仍能可靠通信；②采用快速自適應均衡技術，消除了在傳輸中由于多徑、群延時引起的波形失真、混疊，以獲得最佳的接收性能。

（3）傳輸速率最高達19.2 kbps，且能實現9.6 kbps到19.2 kbps的無縫過渡。同時支持4.8/9.6/19.2 kbps 3檔速率，僅需通過AT指令設置就能更換，不需任何的額外成本。

（4）具有傳輸速率自適應功能，可實現同一傳輸網內多速率共存，組網方便。通信網中的主站或各個子站可以根據實際的通信環境或者遠近采用不同的通信速率：對于距離遠、場強弱的點采用9.6 kbps或更低的4.8 kbps，以保證通信的可靠性；對于場強強的可采用19.2 kbps，節省通信時間。

（5）具有更強的可擴展性和兼容性，滿足系統未來的升級需求。通用的硬件結構平臺設計，使得升級非常簡單，僅需在線更新軟件程序即可。

3 系統提速方案

在電力負荷管理系統中一個完整的命令應答過程及其各段時間消耗如圖2所示。一般系統主站發送的數據召測命令報文的長度為幾十個字節，終端應答報文的長度有長有短，一般不超過255個字節。

圖2 完整的命令應答過程及其各段時間消耗

假設系統每臺終端單日數據傳送主臺平均需要10幀報文，即10個命令應答過程，召測命令報文平均長20字節，應答報文平均長128字節，系統傳輸速率為1 200 bps，根據系統設置的實際傳輸參數，經計算得到系統召測單臺終端的日數據所耗費的時間及各處理階段的占比如表1所示。

表1 1 200 bps系統召測單臺終端日數據所耗時間

如只提升速率，由1 200 bps提升到19.2 kbps，其他不變，則經計算可以得到19.2 kbps的一組耗時數據，如表2所示。

表2 19.2 kbps系統召測單臺終端日數據所耗時間

分析表2可以發現，T2降到了0.85 s，降幅達93.75%，但T降幅僅有49.8%，僅節省了約一半時間。因為當系統傳輸速率提升到19.2 kbps后，傳輸過程耗時占比發生了很大變化，T2所占比例由原來的53.1%降到6.6%，說明此時傳輸速率已經不是主要矛盾。要進一步降低總耗時T，必須解決好其它3個階段的時間消耗，主要是信道建立時間T1。

19.2 kbps高速數傳網及系統提速方案必須針對上述4種耗時成因分別采取相應的技術方案予以降耗提速，從系統整體上提升數傳效率。

針對T1：①將信道建立時間的控制權交給調制解調器軟件直接控制，提高控制時間的精確性，降低因無法精準控制而帶來的信道建立時間不合理放大的問題；②采取組合幀技術，將10幀報文傳輸所需的10次信道建立時間降為1次。

針對T2：采用19.2 kbps軟件調制解調器MD192提高傳輸速率。

針對T3：①采取系統廣播啟動終端預處理方式，通過事先組織好傳輸報文，縮短終端響應時間；②采取組合幀技術，將原10幀響應次數降為1幀響應。

針對T4：采用多線程并行技術優化系統主站軟件，使數傳控制和報文處理等流程平行運行，縮短主站處理時間；同時采取的組合幀技術，也將處理次數合并為了1次。

整個系統提速方案的提速效果如表3所示。

4 天津系統1∶50提速試驗

該提速方案在天津現行系統中得到了試驗。為確保天津現行系統的正常運行，提速試驗項目在天津市北辰地區新建了一個1∶50的獨立運行系統。試驗系統仍使用原系統的通信頻點（234.550/227.550 MHz），由獨立運行的主站軟件系統、19.2 kbps高速數傳基站和50臺經提速改造的原有終端（即將原1 200 bps調制解調器更換為MD192）組成。新建主站系統通過局域網與原系統互連，新系統天線仍架設在原系統天線鐵塔上，且高度與原系統天線保持一致。同時，為保證現行系統數據采集的獨立性和完整性，也為現行系統配備了一套與試驗系統相同的高速數傳基站，提供現行系統對提速改造后的終端采集?，F行系統和試驗系統獨立運行、錯時采集、互不干擾，系統組網方式如圖3所示。

表3 系統降耗提速措施及其效果估算表

速率提升必然伴隨著數傳靈敏度的下降和誤碼率的提高，這是一直困擾著窄帶無線數傳發展的難題，數傳靈敏度在實際系統中的具體體現就是系統的覆蓋能力。因此在選取試驗系統的50臺終端時，充分考慮了終端到主臺的距離、位置及信號場強等的合理配比，使試驗結果更具普遍性和實際意義。

目前國內230MHz無線中高速數傳系統組網所要求的終端上行信號場強值均在20 dBμv/m以上，為了測試本提速方案的實際覆蓋能力，特地選取了上行場強值低于20 dBμv/m的8戶終端，其中包括3戶在原1 200 bps速率系統中數傳幾乎不通的站點。試驗系統50戶終端的上行場強值分布情況統計如表4所示，距主臺距離分布情況統計如表5所示。

表4 50戶終端的上行場強值分布情況統計

表5 50戶終端距主臺距離分布情況統計

試驗系統建成運行后，經實測得到了各終端與主臺間的鏈路方式及傳輸速率情況，記錄統計結果如表6所示。

表6 50戶終端與主臺間的鏈路方式及傳輸速率統計

作為提速方案的效果評價，對試驗系統的終端日數據巡測任務的執行時間進行了實測，并通過對比原1 200 bps系統的執行時間，獲得本提速方案的綜合實際效果數據，如表7所示。

表7的數據顯示：系統對主臺直通的48戶終端進行了1次日數據巡測，耗時344 s，傳輸報文幀成功率99.67%，46戶數據完整傳輸主站，有2戶數據未完整傳輸，通過2次補測后將這2戶的數據補全，補測共耗時37 s；系統對終端轉發的1戶終端（見表6中的說明③）進行了1次巡測，耗時40 s，但數據未測完整，通過一次補測后完成，耗時23 s。

從表6知道主臺直通的共有49戶，其中一戶因無采樣數據，未納入巡測范圍內，所以直通的巡測實際為48戶，其中47戶的速率為19.2 kbps，1戶為9.6 kbps。由于有2種速率，在巡測中試驗主站必須要對主臺（北辰主臺，見圖3）的傳輸速率進行升速和降速的控制，速率轉換之間還需要幾秒的保護隔離時間，且日數據巡測任務根據系統數據采集要求需要7個循環完成，再加上巡測開始時的數據庫操作和程序線程準備的幾秒時間，經計算統計在整個巡測耗時中有118 s為日數據巡測任務流程的固定耗時。所以，去除固定耗時后的時間為226 s，平均每戶耗時為4.71 s。

原系統（天津城東北辰電力負荷管理系統）有596戶裝有終端，采用單一的1 200 bps速率傳輸。每天對這些終端的日數據巡測任務的執行情況（不包括補測）為：巡測耗時約為10 h，平均每戶耗時為60.4 s。

由于巡測總耗時中包含了與終端臺數成正比的可變耗時和固定耗時2部分，本方案對這2部分耗時都采取了優化措施，因此，必須根據上述試驗系統的平均每戶耗時和固定耗時來推算596戶的巡測耗時情況（不包括補測）來做一個總耗時對比，結果如下：巡測耗時約為4.71 s×596+118 s=2 925.16 s；平均每戶耗時為2 925.16 s÷596≈4.91 s，對比原耗時60.4 s降低了91.9%。

因此在系統傳輸能力方面，本提速方案使系統的巡測速度提高到原來的10倍以上。在不增加其它資源的前提下，原系統終端戶數容量通過本提速方案被擴到原來的10倍。

表7 試驗系統對49戶終端的日數據巡測任務執行時間統計

另外，在系統覆蓋能力方面，原系統596戶終端的70%的上行場強不小于25 dBμv/m，系統對終端日數據的巡測經補測后的戶數據完整率在97%以上；試驗系統終端的上行場強及位置分布情況見表4和表5，基本符合并體現了原系統的情況，而運行實測的情況是經補測戶數據完整率達100%，說明本方案的系統覆蓋能力未因傳輸速率提高16倍而下降，能滿足對原系統的全覆蓋。

5 結論

基于19.2 kbps軟件調制解調器的230MHz無線窄帶數傳網系統提速方案在技術上、工程上的創新特點和推廣優勢主要有以下幾點：

（1）在我國的230MHz無線電力負荷管理系統中，采用了國內首創的窄帶8電平CPFSK制式19.2 kbps軟件調制解調器技術，在窄帶話音信道上完美實現了高速數傳?；贒SP的基帶信號帶寬壓縮、波形處理技術，使模擬電臺的頻響、帶寬不再成為高速數傳的瓶頸；軟件超強的前向糾錯和交織算法，保證了高速傳輸的數傳靈敏度，在-104 dBm靈敏度的情況下誤碼率優于10-6；傳輸速率的自適應，兼顧到了惡劣信道環境下的成功率，使高速系統的覆蓋能力達到甚至優于原低速系統。

（2）主站軟件采取了組合幀、報文預組織等技術和措施，實現了系統傳輸流程的整體優化。

（3）可在原1 200 bps模擬電臺上通過更換調制解調器提速到19.2 kbps，而無須更換整個電臺，大大節約了系統的提速成本。

（4）調制解調器的全軟件化，使今后的軟件升級和提速可實現遠程化，解決現行系統改造升級中遇到的既耗時又耗力的大規模現場施工這一最大難題。

［1］ 陳亮，楊吉斌，張雄偉.信號處理算法的實時DSP實現［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［2］ 魏東興，唐洪，張安清.通信中的自適應信號處理［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［3］ 吳湛擊.現代糾錯編碼與調制理論及應用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.