基于直序擴(kuò)頻通信的無線公網(wǎng)自學(xué)習(xí)遠(yuǎn)程中繼研究

張秋雁+田青

摘 要 隨著城市化建設(shè)進(jìn)程加快，計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)中安裝在移動(dòng)信號(hào)盲區(qū)的終端設(shè)備普遍存在，移動(dòng)運(yùn)營商又不能及時(shí)處理這個(gè)信號(hào)盲區(qū)，終端設(shè)備始終不能上線，造成終端上線率、采集成功率、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率等計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)重要考核指標(biāo)不高，影響到計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用化水平。文中提出了一種基于直序擴(kuò)頻技術(shù)的無線公網(wǎng)遠(yuǎn)程中繼方法，用于解決信號(hào)盲區(qū)內(nèi)計(jì)量終端上線問題，對于提高計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用化水平、提升電力營銷自動(dòng)化水平具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】計(jì)量終端 信號(hào)盲區(qū) 無線公網(wǎng) 中繼方法

近幾年來，南方電網(wǎng)各省公司集中采購了大量作為二級(jí)物質(zhì)的各類計(jì)量自動(dòng)化終端，大力推進(jìn)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)，提升了電力營銷自動(dòng)化水平，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

目前，南方電網(wǎng)各省計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)采集終端遠(yuǎn)程無線上傳通道大多采用GPRS/CDMA方式，在現(xiàn)場運(yùn)行的終端中有一部分安裝在移動(dòng)信號(hào)盲區(qū)的地下室或城郊結(jié)合部，由于移動(dòng)信號(hào)在這些地區(qū)較弱甚至沒有，移動(dòng)運(yùn)營商又不能及時(shí)處理這個(gè)信號(hào)盲區(qū)，造成終端上線率，采集信息成功率、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率等計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)重要考核指標(biāo)不高，影響到計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用化水平。

1 直序擴(kuò)頻通信方式

直接序列擴(kuò)頻是高安全性高抗擾性的一種無線序列型號(hào)傳輸方式，英文全稱Direct Sequence Spread Spectrum，簡稱直擴(kuò)方式（DS方式）。

直接序列擴(kuò)頻通過利用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)在軍事通信和機(jī)密工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，是一種可靠安全的工業(yè)應(yīng)用方案，其原理框圖見圖1和圖2所示。

根據(jù)香農(nóng)定律：C=B*log2（1+S/N），在信道容量C一定時(shí)，可在不同的信號(hào)帶寬B和信噪比S/N之進(jìn)行取舍，用不同的信號(hào)帶寬和相應(yīng)的信噪比來實(shí)現(xiàn)傳輸，即信號(hào)帶寬越寬，可傳信噪比越低，甚至在信號(hào)被噪聲淹沒的情況下也可以實(shí)現(xiàn)可靠通信。將信號(hào)的頻譜擴(kuò)展， 可實(shí)現(xiàn)低信噪比信號(hào)傳輸，保證信號(hào)傳輸有較好的抗干擾性和較高的保密性。

基于以上系統(tǒng)原理，直序擴(kuò)頻通信方式特點(diǎn)有：

1.1 抗頻率陷落

直序擴(kuò)頻通信方式信號(hào)傳輸時(shí)，帶寬和信號(hào)頻譜寬，由于傳輸引起的部分頻譜的衰落不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)頻譜出現(xiàn)嚴(yán)重衰落。

1.2 抗多徑干擾

由于直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中采用的偽碼通常具有很好的自相關(guān)特性，不同路徑傳輸來的信號(hào)很容易被分離開，并可在時(shí)間和相位上重新對齊，形成幾路疊加，以大幅度地改善系統(tǒng)的性能。因而擴(kuò)頻系統(tǒng)對多徑干擾可以變害為利，這是任何其它系統(tǒng)不易做到的。

1.3 同步時(shí)間長

直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)隨著偽隨機(jī)碼字的加長，要求的同步精度也越高，因而同步時(shí)間變長。

1.4 抗干擾，截獲能力強(qiáng)

信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后頻譜被擴(kuò)展，使信號(hào)的功率譜密度降低，信號(hào)完全淹沒在噪聲中，對其它同頻段電臺(tái)的接收不會(huì)形成干擾，信號(hào)也就不容易被發(fā)現(xiàn)，所以有非常高的隱蔽性，特別適合保密通信。

1.5 易實(shí)現(xiàn)多址通信

不同的擴(kuò)頻碼是正交或接近正交的，相互影響很小，可以把不同的擴(kuò)頻碼作為用戶的地址碼，容易實(shí)現(xiàn)碼分多址（CDMA）通信。

直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)采用相關(guān)解擴(kuò)，在接收端，接收信號(hào)經(jīng)過放大混頻后，經(jīng)過與發(fā)射端相同且同步的PN 碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，由擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)出窄帶信號(hào)，再對窄帶信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，就得到原始信息序列。

2 無線信號(hào)中繼方式研究

目前，一般解決處于無線通信信號(hào)盲區(qū)的計(jì)量自動(dòng)化終端上線的方式有兩種： 采用高增益天線或移動(dòng)信號(hào)放大方式來處理。高增益天線是使用一組高增益屏蔽線將終端的GPRS/CDMA模塊信號(hào)天線延長到有信號(hào)區(qū)域，但是由于高增益天線本身價(jià)格不菲，現(xiàn)場安裝施工困難，并且存在通信距離有限、通信效果不穩(wěn)定等諸多不足，只能適用于部分較為簡單的終端安裝環(huán)境。

對于采用移動(dòng)信號(hào)放大方式解決信號(hào)覆蓋問題，大多針對地下室等信號(hào)被屏蔽區(qū)域的覆蓋，采用直放站作為信號(hào)源，但通信線纜、泄漏電纜等的敷設(shè)施工工期長、成本高，如需電力部門自身投資建設(shè)將花費(fèi)較大；如果依賴移動(dòng)運(yùn)營商來解決，需重新進(jìn)行規(guī)劃談判，同時(shí)不能得到及時(shí)響應(yīng)，也不一定能整改到位。

2.1 無線公網(wǎng)遠(yuǎn)程中繼

無線公網(wǎng)遠(yuǎn)程中繼為使用中繼傳輸?shù)姆绞剑ㄟ^加裝中繼設(shè)備（DTU）將無線公網(wǎng)信號(hào)中繼到信號(hào)盲區(qū)的計(jì)量終端設(shè)備，使使計(jì)量終端設(shè)備獲得通訊信號(hào)，完成登陸主站上線操作，同時(shí)又可不改變現(xiàn)有已經(jīng)實(shí)施的系統(tǒng)、終端、表計(jì)等各類設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不用改變其他任何設(shè)備原有配置和屬性，以便于現(xiàn)場操作。無線公網(wǎng)遠(yuǎn)程中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3所示。

部署在信號(hào)盲區(qū)計(jì)量終端旁的本地中繼設(shè)備使用RJ45等接口完成與計(jì)量終端的通信，部署在無線公網(wǎng)信號(hào)區(qū)域內(nèi)遠(yuǎn)端中繼設(shè)備使用GPRS等通信方式完成與計(jì)量自動(dòng)化主站通信。

目前現(xiàn)場常用的無線公網(wǎng)信號(hào)中繼方式有：有線中繼、電力線載波中繼、無線通信中繼等方式。

2.2 有線中繼

有線中繼為使用以太網(wǎng)雙絞線、RS485等通信線的方式，將遠(yuǎn)端中繼設(shè)備所接收到的無線公網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)焦W(wǎng)信號(hào)盲區(qū)內(nèi)的計(jì)量終端。實(shí)現(xiàn)計(jì)量終端獲取無線公網(wǎng)信號(hào)，完成與計(jì)量自動(dòng)化主站通信。

受雙絞線及RS485線通信距離限制，雙絞線通信距離通常不能超過200米，RS485在使用雙芯屏蔽線的情況下，通信距離不超過1000米，同時(shí)需敷設(shè)專門的通信線，施工難度較大。有線中繼適用于小區(qū)地下停車場等應(yīng)用場景，這類信號(hào)盲區(qū)距離信號(hào)覆蓋區(qū)域距離較近的場景，同時(shí)有規(guī)范的強(qiáng)電井可進(jìn)行通信線纜敷設(shè)。

2.3 電力線載波中繼

電力線載波中繼為使用電力線載波實(shí)現(xiàn)中繼方式，完成本地中繼設(shè)備與遠(yuǎn)端中繼設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端中繼設(shè)備所接收到的無線公網(wǎng)信號(hào)能被中繼到本地中繼設(shè)備，并被傳輸?shù)焦W(wǎng)信號(hào)盲區(qū)內(nèi)的計(jì)量終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)量終端設(shè)備的上行信號(hào)被中繼到遠(yuǎn)端中繼設(shè)備，并通過GPRS等通信方式發(fā)送到計(jì)量自動(dòng)化主站。

受電力線通信特點(diǎn)限制，信號(hào)傳輸必須有直接連通的電力線作為傳輸介質(zhì)，否則電力線載波信號(hào)無法傳輸；同時(shí)電力線載波通信容易受當(dāng)前線路所帶的用戶用電影響，容易受到線路和負(fù)載的干擾。電力線載波中繼適用于小區(qū)底下停車場等應(yīng)用場景，這類信號(hào)盲區(qū)距離信號(hào)覆蓋區(qū)域距離較近的場景，同時(shí)供電線路結(jié)構(gòu)清晰。

2.4 無線中繼

無線中繼為使用無線通信為中繼方式，完成本地中繼設(shè)備與遠(yuǎn)端中繼設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端中繼設(shè)備所接收到的無線公網(wǎng)信號(hào)能被中繼到本地中繼設(shè)備，并被傳輸?shù)焦W(wǎng)信號(hào)盲區(qū)內(nèi)的計(jì)量終端設(shè)備，從而計(jì)量終端設(shè)備的上行信號(hào)被中繼到遠(yuǎn)端中繼設(shè)備，并通過GPRS等通信方式發(fā)送到計(jì)量自動(dòng)化主站。

有線中繼方式下需要敷設(shè)通信電纜，電力線載波中繼方式下載波信號(hào)容易受到干擾、且遠(yuǎn)端中繼設(shè)備與本地中繼設(shè)備必須處于同一供電臺(tái)區(qū)，無線中繼方式克服了以上弱點(diǎn)，因此得到一定的推廣應(yīng)用。但受無線電發(fā)射功率約束，及無線通信特點(diǎn)限制，民用無線電發(fā)生功率必須滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)無線通信易受到建筑物遮擋、多徑、傳輸陷落等因素影響，對傳輸效果造成一定的影響，無線中繼適用于城鄉(xiāng)結(jié)合部等這類信號(hào)盲區(qū)距離信號(hào)覆蓋區(qū)域距離較遠(yuǎn)的平面化供電應(yīng)用場景，同時(shí)無線公網(wǎng)信號(hào)覆蓋區(qū)域與無線公網(wǎng)信號(hào)盲區(qū)間沒有嚴(yán)重遮擋物的情景。

3 直序擴(kuò)頻自學(xué)習(xí)無線公網(wǎng)遠(yuǎn)程中繼

3.1 中繼設(shè)備結(jié)構(gòu)

本文提出一種無線公網(wǎng)中繼設(shè)備，以ARM單片機(jī)為核心處理，依托自身豐富的外設(shè)接口，進(jìn)行對應(yīng)的通信接口適配即可與外設(shè)通信的無線公網(wǎng)中繼設(shè)備模型，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。本地中繼設(shè)備（DTU）及遠(yuǎn)程中繼設(shè)備（ETU）采用相同的硬件配置，通過軟件參數(shù)配置即可完成工作模式設(shè)置。

利用直序擴(kuò)頻無線通信的技術(shù)特點(diǎn)，將其作為本地中繼設(shè)備與遠(yuǎn)程中繼設(shè)備間的中繼通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離中繼通信，同時(shí)能在惡劣通信環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定中繼通信。

3.2 自學(xué)習(xí)機(jī)制研究

3.2.1 終端設(shè)備自學(xué)習(xí)

目前南方電網(wǎng)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場所采用的終端較多，涉及到眾多的設(shè)備廠家，不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備均存在一定的差異，如何解決眾多廠家的不同類型終端的無線公網(wǎng)信號(hào)中繼獲取操作，一直困擾著計(jì)量自動(dòng)化現(xiàn)場工作人員。

本文提出一種通過標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口配合自適應(yīng)軟件接口的方式，進(jìn)行不同設(shè)備廠家的設(shè)備自適應(yīng)學(xué)習(xí)方式。對于配備RJ45接口的計(jì)量自動(dòng)化終端設(shè)備，本地中繼設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口與計(jì)量終端數(shù)據(jù)交互，對于不配備RJ45接口的終端設(shè)備，本地中繼設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)RS485接口與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過軟件識(shí)別所連接計(jì)量終端的設(shè)備類型、軟件版本、所適用的協(xié)議規(guī)約類型等，完成計(jì)量終端設(shè)備的自學(xué)習(xí)操作。

3.2.2 無線公網(wǎng)信號(hào)自學(xué)習(xí)

受移動(dòng)運(yùn)營商信號(hào)覆蓋建設(shè)的影響，不同區(qū)域內(nèi)各移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)營商信號(hào)覆蓋情況均不相同，目前三家主要移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)營商所能提供的信號(hào)制式有7種之多（GSM、WCDMA、CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、TD-LTE、FDD-LTE），共18個(gè)頻段：TD-LTE（B38/B39/B40/B41）、FDD-LTE（B1/B3/B7）、TD-SCDMA（B34/B39）、WCDMA（850/900/1900/2100）、CDMA（800）、GSM（850/900/1800/1900）。

本文通過使用支持多SIM卡的7模全網(wǎng)通4G標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程通信模塊，軟件自適應(yīng)無線公網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)營商信號(hào)制式，從而實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營商多信號(hào)制式自學(xué)習(xí)自適應(yīng)，完成與計(jì)量自動(dòng)化主站通信。

3.2.3 工作方式自適應(yīng)

無線公網(wǎng)中繼設(shè)備部署于計(jì)量終端設(shè)備旁，不同類型的計(jì)量終端設(shè)備所適用的額定電壓等級(jí)有所不同：100V、220V、380V等，受現(xiàn)場取電方式的約束，中繼設(shè)備需自適應(yīng)所連接的計(jì)量終端設(shè)備的額定電壓等級(jí)。

本文通過使用寬范圍開關(guān)電源的方式，以寬范圍輸入、固定電壓輸出的方式，完成不同計(jì)量終端設(shè)備的額定電壓自適應(yīng)操作。

3.3 中繼設(shè)備工作方式

公網(wǎng)無線中繼設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)操作時(shí)，成套部署，為防止與相鄰部署的無線中繼設(shè)備的相互串?dāng)_，導(dǎo)致控制及數(shù)據(jù)收發(fā)操作異常，使用物理鍵盤設(shè)置工作組的方式進(jìn)行工作組設(shè)置，每對設(shè)備使用所設(shè)置的地址作為直序擴(kuò)頻因子，不同組之間因擴(kuò)頻碼不一致，對于非本組間的無線信號(hào)，無法進(jìn)行解擴(kuò)。

同時(shí)直序擴(kuò)頻通信技術(shù)允許信道內(nèi)信噪比可以很低，即在同一區(qū)域內(nèi)部署多套無線公網(wǎng)中繼設(shè)備，相互之間均不相互干擾，實(shí)現(xiàn)碼分多址（CMDA）通信。同一區(qū)域內(nèi)所能允許同時(shí)工作的設(shè)備對數(shù)由地址配置單元的位長決定，本文所提出的無線公網(wǎng)中繼模型中，采用10位地址碼的方式，即同一區(qū)域內(nèi)最多允許1024對中繼設(shè)備同時(shí)工作。

4 結(jié)束語

本文通過提出一種基于直序擴(kuò)頻通信技術(shù)的無線公網(wǎng)信號(hào)中繼器模型，利用直序擴(kuò)頻優(yōu)異的性能，以解決無線公網(wǎng)信號(hào)盲區(qū)內(nèi)計(jì)量自動(dòng)化終端設(shè)備的無線公網(wǎng)信號(hào)獲取問題，實(shí)現(xiàn)與計(jì)量自動(dòng)化主站的通信。同時(shí)提出了一種基于地址配置的碼分多址同時(shí)方式，以解決同一區(qū)域內(nèi)多套中繼設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)的相互干擾問題，通過使用支持多SIM卡的4G全網(wǎng)通數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)對不同移動(dòng)無線運(yùn)營商的信號(hào)制式的兼容。

該模型結(jié)構(gòu)簡單，通過標(biāo)準(zhǔn)硬件加軟件自適應(yīng)的方式，完成各類計(jì)量終端設(shè)備的自適應(yīng)自學(xué)習(xí)操作，適應(yīng)各種無線盲區(qū)能力強(qiáng)，同時(shí)成本較低，在解決無線公網(wǎng)信號(hào)盲區(qū)內(nèi)計(jì)量終端上線問題，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值，

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