230MHz無線專網(wǎng)終端芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)研究

陳立志，張　宏，張樹華，蘇　華，顧煥之，張維忠，龔　靜

（1.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊　830011；2.國網(wǎng)烏魯木齊供電公司，烏魯木齊　830011；3.北京智芯微電子科技有限公司，國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100192；4.國網(wǎng)九江供電公司，九江　332000；5.國網(wǎng)昌吉供電公司，昌吉　831100）

230MHz無線專網(wǎng)終端芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)研究

陳立志1，張宏2，張樹華3，蘇華4，顧煥之5，張維忠5，龔靜5

（1.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊830011；2.國網(wǎng)烏魯木齊供電公司，烏魯木齊830011；3.北京智芯微電子科技有限公司，國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192；4.國網(wǎng)九江供電公司，九江332000；5.國網(wǎng)昌吉供電公司，昌吉831100）

針對230MHz頻段不連續(xù)的問題，本文定制開發(fā)了適用于230MHz無線專網(wǎng)的基帶芯片，并著重介紹了230MHz無線專網(wǎng)架構(gòu)，列舉了芯片開發(fā)使用的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了芯片的實(shí)測指標(biāo)。

智能電網(wǎng)；無線通信；LTE230；TD-LTE；電力通信

1　引言

國家電網(wǎng)公司在今年啟動(dòng)了無線專網(wǎng)［1］的建設(shè)工作，在綜合接入網(wǎng)平臺建設(shè)中，明確指出了在天津、唐山等17個(gè)地市公司建設(shè)1.8G LTE無線專網(wǎng)，在蘇州、無錫、嘉興3個(gè)地市公司建設(shè)230MHz LTE無線專網(wǎng)。其中，230MHz無線專網(wǎng)幾乎在每個(gè)省局都有試點(diǎn)，這次是針對230MHz無線專網(wǎng)技術(shù)的深化應(yīng)用。國網(wǎng)旨在通過試點(diǎn)，確定1.8G與230MHz的優(yōu)劣與互補(bǔ)性，從而確定后續(xù)無線專網(wǎng)采用的技術(shù)。

在無線通信領(lǐng)域中，核心基帶芯片是否成熟，能否商用是制約電力無線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。1.8G公網(wǎng)的LTE基帶芯片的開發(fā)廠家眾多，國產(chǎn)的如海思、中興微電子、聯(lián)芯科技等，國外芯片更是比比皆是，如高通。但在230MHz無線專網(wǎng)，受制于頻段的特性，通用的LTE無線基帶芯片無法直接轉(zhuǎn)移頻段使用，需要根據(jù)230MHz頻段的特性，進(jìn)行針對性的研發(fā)，從而大幅度降低終端產(chǎn)品的成本，滿足LTE230寬帶通信系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的要求。

2　230MHz無線專網(wǎng)

2.1230MHz頻譜特性

223-235MHz，可用于遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸，目前主要被電力、能源、軍隊(duì)、氣象、地震、水利、地礦、輕工、建設(shè)等行業(yè)使用。在230MHz低頻段，具有天然覆蓋遠(yuǎn)的優(yōu)勢，能夠大大降低組網(wǎng)成本，滿足電力用戶分散的需求，在空曠區(qū)域可以達(dá)到30km；占用1MHz頻寬，上行峰值速率可達(dá)到1.76Mb/s、下行峰值速率可達(dá)到0.71Mb/s。

圖1　230MHz頻譜分布圖

1.8G目前可以申請5MHz，230MHz原來國家無委會只分配了1MHz給電力，但目前在浙江無委給分配了5MHz，福建、重慶、江蘇工信部門目前也明文通知將3.5MHz給電力使用，承諾一年后增加到5MHz。因此，兩種技術(shù)從帶寬上看，230MHz原來的帶寬劣勢正在逐步扭轉(zhuǎn)。

2.2230MHz無線專網(wǎng)架構(gòu)

LTE230［2］系統(tǒng)如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)有應(yīng)用層、核心層、接入層、終端組成，分別對應(yīng)核心網(wǎng)EPC、基站設(shè)備eNodeB、終端模塊，傳輸距離最遠(yuǎn)為30，帶寬達(dá)到1.76Mb/s，采用了載波聚合、OFDM技術(shù)、64QAM高階調(diào)制等LTE核心技術(shù)，頻譜效率大于2.5b/s/Hz，與數(shù)傳電臺相比，提高了3～4倍。

圖2　230MHz無線專網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3　230MHz終端模塊

TD-LTE230集采模塊是一種針對230MHz頻段開發(fā)的寬帶無線接入通信系統(tǒng)終端設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸高速穩(wěn)定、頻譜利用率高，該產(chǎn)品物理層采用了OFDM、載波聚合、AMC等關(guān)鍵技術(shù)，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用230MHz TDD協(xié)議規(guī)范［3］，可以滿足數(shù)據(jù)傳輸、負(fù)荷控制、視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、高效性、穩(wěn)定性和可靠性要求。

TD-LTE230集采模塊是根據(jù)寬帶無線接入通信系統(tǒng)協(xié)議自主研發(fā)的設(shè)備，通過空口與通信系統(tǒng)中的另外一個(gè)網(wǎng)元基站交互業(yè)務(wù)和控制數(shù)據(jù)。

TD-LTE230集采模塊采用成熟的模塊化設(shè)計(jì)，硬件分為BRU模塊和載板，BRU模塊是整個(gè)終端產(chǎn)品的核心部分，載板主要功能是適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)和接口，兩板之間通過接插件連接。如圖3所示，BRU模塊是整個(gè)產(chǎn)品的核心部分，其中BB是基帶處理單元，產(chǎn)品的所有物理層、業(yè)務(wù)面、控制面軟件都在BB模塊上實(shí)現(xiàn)；RF是射頻單元，上行方向主要完成基帶信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波、上變頻、功率放大等功能，下行方向主要完成空口射頻信號的低噪聲放大、下變頻、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。

圖3　終端模塊組成

4　終端模塊通信芯片設(shè)計(jì)

4.1芯片主要規(guī)格

該芯片支持5個(gè)子帶，頻寬為5×25kHz，支持的速率可以達(dá)到200kb/s。芯片由DSP、內(nèi)部eDRAM、總線、cache、外設(shè)、中頻處理單元組成。如圖4所示。

圖4　芯片整體結(jié)構(gòu)

4.2芯片關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1230MHz頻段不連續(xù)

在芯片中，RF芯片將230M信號搬移到中頻段，通過內(nèi)部的中頻處理電路，利用多級nco技術(shù)，把230MHz的不連續(xù)頻譜進(jìn)行統(tǒng)一處理，形成連續(xù)的頻譜。

4.2.2內(nèi)置2MB存儲器

在芯片設(shè)計(jì)過程中，為了降低外圍的BOM成本，把板級的SRAM集成到芯片內(nèi)部。通過仔細(xì)評估，5個(gè)子帶的信號速率，緩存采用2MB就能夠支撐。

4.2.3軟件無線電

在現(xiàn)代無線移動(dòng)通信領(lǐng)域，特別是第四代移動(dòng)通信領(lǐng)域，由于軟件無線電技術(shù)可將模擬信號的數(shù)字化過程盡可能地接近天線，即將AD轉(zhuǎn)換器盡量靠近RF射頻前端，利用DSP的強(qiáng)大處理能力和軟件的靈活性實(shí)現(xiàn)信道分離、調(diào)制解調(diào)、信道編碼譯碼等工作，從而可為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的升級提供一個(gè)良好的無縫解決方案。

5　系統(tǒng)測試

5.1應(yīng)用場景

電力無線通信系統(tǒng)建設(shè)如圖5所示，可以覆蓋國家電力行業(yè)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等多個(gè)環(huán)節(jié)，基于此基帶芯片的應(yīng)用開發(fā)可以滿足電力系統(tǒng)的安全自主可控的要求，推動(dòng)并引領(lǐng)電力無線通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)、保障電力系統(tǒng)和國家信息安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會又好又快發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和產(chǎn)品保障。包括10kV通信接入網(wǎng)和0.4kV通信接入網(wǎng)兩部分，業(yè)務(wù)覆蓋配電自動(dòng)化及用戶用電信息采集兩個(gè)系統(tǒng)。

表1　芯片性能圖

圖5　電力無線通信系統(tǒng)建設(shè)

5.2系統(tǒng)性能指標(biāo)

終端模塊經(jīng)過了多地試點(diǎn)，如昆山用電信息采集［4］、昌吉配網(wǎng)自動(dòng)化等場景，其性能指標(biāo)如表1所示。

6　結(jié)束語

本芯片的設(shè)計(jì)規(guī)格切實(shí)符合電力市場的應(yīng)用需求，其功能與性能均滿足電力無線通信的要求，是國內(nèi)惟一一款針對230MHz頻段研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片，其設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)適用于配網(wǎng)自動(dòng)化和用電信息采集系統(tǒng)。作為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的智能電網(wǎng)和高性能芯片設(shè)計(jì)的重要結(jié)合產(chǎn)品，國內(nèi)首款TD-LTE 230MHz電力無線寬帶通信基帶芯片的研發(fā)具有非常重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義?！?/p>

［1］劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2010

［2］王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2010

［3］易睿得.LTE系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012

［4］國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 373-2009電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2009

Custom LTE Baseband Chip in 230MHz Power Wireless Network

Chen Lizhi1，Zhang Hong2，Zhang Shuhua3，Su Hua4，Gu Huanzhi5，Zhang Weizhong5，Gong Jing5
（1.State Grid electric power company，Wulumuqi，Xinjiang，830011，China；2.State grid Wulumuqi electric power company，Wulumuqi，Xinjiang，830011，China；3.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology，Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.，Ltd.，Beijing，100192，China；4.State Grid Jiujiang power supply company，JiuJiang，Jiangxi Province，332000，China；5.State Grid Changji power supply company，Changji，Xinjiang，831100，China）

The 230MHz band is discontinuous，the custom baseband chip is designed for the power wireless network.The article introduces the architecture of power wireless network and design method of the baseband chip，lists the key technology.The measured parameters of the chip are given.

Smart Grid；wireless communication；LTE230；TD-LTE；electricity communication

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.09.003

TN915.85，TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）09-0009-04

陳立志，男，1980年2月生，工程師，主要從事智能電網(wǎng)科技項(xiàng)目管理工作。

張宏，男，1987年10月生，助理工程師，主要從事智能電網(wǎng)營銷工作。

張樹華，男，1980年11月生，高級工程師，主要從事電力通信系統(tǒng)與芯片設(shè)計(jì)工作。

蘇華，男，1976年5月生，注冊電氣工程師，主要從事繼電保護(hù)與配網(wǎng)自動(dòng)化工作。

顧煥之，男，1986年4月生，電氣助理工程師，主要從事電力通信工程建設(shè)與系統(tǒng)維護(hù)。

張維忠，男，1983年2月生，助理工程師，主要從事電力通信工程建設(shè)。

龔靜，女，1989年8月生，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)維護(hù)。