230 MHz電力無線專網通信終端設計與應用*

王興濤，趙訓威，孫孝波，付海旋，李金安

(國網信息通信產業集團有限公司信通研究院，北京 102211)

0 引 言

終端通信接入網是國家電網公司建設堅強智能電網的網絡層重要組成部分，是電力業務終端和設備連通電網骨干網和業務主站的主要橋梁，其中，除了電信運營商公網和電力載波通信之外，電力無線專網是終端通信接入網的重要網絡之一，可打通電網通信“最后一公里”和有效覆蓋偏遠地區的有效手段[1-3]。目前，電力無線專網可使用230 MHz和1 800 MHz兩種頻段，工業和信息化部無線電管理局授權國家電網公司使用230 MHz頻段資源后，原則上不再批復1 800 MHz頻率資源。相比1 800 MHz頻段，230 MHz電力無線專網與電力業務需求緊密結合，為電力系統定制開發，具備廣覆蓋優勢，能夠降低組網運維成本，同時具備寬帶傳輸能力。國家電網公司已經制定了“IoT-G(Internet of Things-Grid) 230 MHz”和“LTE-G(Long Term Evolution-Grid) 230 MHz”兩套電力無線通信系統企業標準，并在多個網省公司開展230 MHz電力無線專網建設和電力業務承載測試驗證，結果充分驗證了電力無線專網可作為配電自動化、計量自動化，以及精準負荷控制等業務的有效通信方式[4-6]。國外電力通信網建設起步較早，澳大利亞采用WiMAX系統建立電力專網承載多種電力業務；美國采用窄帶集群疊加LTE技術建設電力安全無線專網，在700 MHz頻段規劃建設，并可與相鄰頻段商用網絡漫游，作為電力無線專網的補充；歐洲國家也在開展LTE電力無線專網的頻譜分配、寬帶技術和商業模式的研究與應用[7-8]。文獻[9-10]開展了1 800 MHz電力無線專網遠程通信終端研制與測試驗證;文獻[11]設計了LTE-G 230 MHz無線專網終端芯片，并開展了終端研制應用;文獻[12]提出了一種LTE-G 230電力設備透傳接入技術和通信終端研制。

230 MHz頻段是國家無線電管理委員會規定作為遙測、遙控和數據傳輸使用的頻段，目前主要被能源、軍隊、水利、地礦等行業使用。該頻段總帶寬為12 MHz，劃分為480個頻點，每個頻點帶寬為25 kHz，其中有280個離散頻點共7 MHz資源授權國家電網公司使用。IoT-G 230 MHz技術在網絡結構、空口技術等方面基本與NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技術一致，但由于該頻段的管理特殊性，系統可配置帶寬較為特殊，導致物理層幀結構與NB-IoT和LTE技術有較大差異。根據每個頻點占用25 kHz，IoT-G 230 MHz技術基于離散頻譜設計了特殊的無線幀結構，通過離散頻譜聚合技術實現230 MHz電力頻譜全帶寬，任意頻點載波聚合，滿足多樣的電力業務要求。

目前針對IoT-G 230 MHz電力無線專網的遠程通信終端研發處于起步階段，本文根據配用電業務需求，設計實現了IoT-G 230 MHz電力無線專網遠程通信終端，可兼容不同電力業務流程和通信接口；選取電網用電信息采集業務，完成了業務設備的通信接入和功能適配；通過性能測試和掛網試點，驗證了該終端運行的可靠性與業務承載能力。

1 遠程通信終端設計

1.1 硬件設計

根據功能劃分，遠程通信終端由數據處理單元、通信模組和電源模塊三部分組成，如圖1所示，數據處理單元與通信模組之間通過TTL串口交互，電源模塊經過電平轉換后給各部分供電。

圖1 硬件總體設計框圖

(1)數據處理單元

與電力業務設備和通信模組連接通信，提供RS232業務串口、RS485業務串口、業務網口，以及RS232調試串口等對外接口。業務串口和調試串口共用一個9針接口，使用同一個9針接口的不同引腳對外通信，以便于現場安裝與運維。根據標準規范中“嵌入式終端”和“外置式終端”的型式和需求不同，調整對外接口的類型與數量。內部使用ARM處理器、嵌入式實時多任務μC/OS III操作系統，以及LWIP協議棧，實現多任務處理機制，兼容多種電力業務設備的不同工作模式。

(2)通信模組

采用成熟的IoT-G 230 MHz商用模組，具備離散窄帶聚合的無線數據通信功能。通信模組通過TTL串口與數據處理單元進行交互，提供TTL調試串口、身份識別卡(Subscriber Identification Module,SIM)卡座，以及230 MHz無線專網天線等對外接口。

(3)電源模塊

采用直流12 V輸入供電，設計正負極防接反功能，內置電磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)防護模塊，實現EMC 4級防護，直流12 V經電源轉換模塊可轉換為直流5 V等其他所需電壓。

外置式終端和嵌入式終端硬件電路如圖2和圖3所示。

圖2 外置式終端硬件電路

圖3 嵌入式終端硬件電路

1.2 定時同步算法優化

電力無線專網通用主同步序列產生方法中，需要用到序列的頻域特性，由于子帶資源的限制，每個子帶僅包含11個子載波，需要對Zadoff-Chu(ZC)序列在頻域中進行分段，并針對各分段分別做傅里葉變換得到時域數據。該方法計算復雜，造成ZC序列特性變差。本文采用將ZC序列直接映射為主同步信號的時域信號，使用接收到的時域數據與本地序列做互相關。

首先設計主同步信號，應滿足三個要求。

(1)主同步信號由ZC序列生成，見公式(1)：

(1)

表1 扇區ID與ZC序列u參數的關系

(3)利用上一步生成的ZC序列作為主同步信號的基帶時域信號，將該序列的最后15點數據添加到序列的頭部，作為循環前綴。同步子帶時域中的數據排列順序如圖4所示。

圖4 時域數據排列順序

圖5和圖6為本文改進的主同步序列產生方法和無線專網通用方法的仿真結果對比，可見本文設計的算法更加簡化，計算量小，可得到更優的序列自相關與互相關特性。

圖5 自相關特性仿真對比圖

圖6 互相關特性仿真對比圖

同時，已有電力無線專網定時同步算法采用相關值方法，本地保存的主同步信號與接收信號進行互相關運算取最大值，根據相關值的最大值得到定時同步的位置，對于小區邊緣的終端，如果附近有較大干擾，該方法會存在誤檢的情況。本文采用求相關值序列的方法，結合峰均比的計算，濾掉干擾信號，最終確定定時同步的位置，通過計算峰均比，避免了由于干擾過大導致誤同步，提高定時同步的可靠性，具體流程如下：

Step1 以128 kHz采樣率接收數據，為了克服噪聲影響，可將多個無線幀數據進行合并，將多個無線幀相關值的絕對值進行求和取平均，這樣可以獲得更好的檢測性能，這里建議為4個無線幀。

Step2 在時域中對數據進行自動增益控制(Auto Gain Control,AGC)操作，首先將需要計算長度的數據的實部和虛部絕對值求和，其次將求和結果進行移位操作，使移位后的結果在合理范圍內，移位的位數作為AGC的移位因子，最后根據AGC移位因子統一對需要進行AGC處理的數據進行移位操作，實現時域數據的AGC。

Step3 對AGC操作后的數據與3個主同步碼(Primary Synchronization Code,PSC)進行互相關計算，可根據ZC序列的對稱特性簡化計算量。

Step4 將4個無線幀中各點對應的相關值的絕對值逐幀對應相加，最后得到每個預存PSC碼對應的相關值序列。

Step5 對相關值序列進行分段，并搜索每個分段中相關值的最大值，記錄該最大值的位置索引。

Step6 以每個分段相關值的最大值為中心，以分段長度取AGC操作后的數據，計算每個分段數據的峰均比，并搜索分段峰均比的最大值，該峰均比值最大值所在分段對應的相關值最大值的位置索引即為同步位置，對應的扇區ID即為小區扇區ID。

1.3 應用軟件設計

終端數據處理單元運行μC/OS III實時多任務操作系統，應用軟件可以根據不同電力業務需求，采用多任務模塊化設計，快速開發軟件功能[13]。針對用電信息采集業務，集中器連接遠程通信終端，通過基站及核心網，登陸業務主站，終端軟件總體設計如圖7所示。

圖7 應用軟件設計

“主控任務”與集中器交互，識別工作模式，并管理其他任務；“工作模式任務”判別集中器的工作模式，包括“國網模式”和“點對點協議(Point to Point Protocol,PPP)模式”，國網模式根據Q/GDW 1376.3-2013標準規范可分為透明模式和非透明模式，與通信模組之間建立Socket鏈接。PPP模式則建立以太網上的點對點協議(Point-to-Point Protocol Over Ethernet,PPPoE)服務器，與通信模組之間建立PPP撥號鏈接，執行數據透傳模式，終端移植LWIP協議棧，提供Socket和PPP功能；“升級任務”與通信模組交互，通過空口實現終端固件遠程升級；“輸入/輸出任務”可控制模組啟動與重啟，以及終端狀態指示燈開閉等操作，同時模組可直接控制狀態指示燈；“看門狗任務”實時監控各個任務的運行狀態，任何一個任務出現異常，則重啟終端并上報錯誤日志到主站。

2 通信性能測試

通信性能測試和試點驗證地點選取國網湖南省電力有限公司(國網湖南電力)計量中心，位于湖南長沙仙姑嶺區域，該區域共有3座IoT-G 230 MHz基站，測試點由二號小區覆蓋，用電信息采集終端客戶直接指定計量中心實驗室。根據現場無線專網實際建設情況，測試組網拓撲圖如圖8所示。

圖8 測試環境網絡拓撲圖

根據業務隔離要求，小區帶寬配置為5 MHz，配電、精控，以及用采三種業務按照1∶1∶8的比例分配資源(精控業務資源池共配置頻點20×25 kHz，配電業務資源池配置頻點20×25 kHz，用采業務配置頻點160×25 kHz)。國網湖南電力計量中心測試點位的參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power,RSRP)為-75～-60 dBm，信干噪比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio,SINR)為12～25 dB，測試區域無線環境良好，8載波終端在此環境下的上行理論峰值速率可達229 kb/s，下行理論峰值速率可達139 kb/s。通信性能測試結果如表2所示，滿足《230 MHz離散多載波電力無線通信系統 第4部分：IoT-G 230 MHz技術規范》的要求[14-15]。

表2 通信性能測試結果

3 終端試點驗證

基于通信性能測試的網絡環境，開展終端對用電信息采集業務的規約功能和適配性測試，主要包括基本功能、一次抄收成功率、遙控正確率和數據召測響應時間測試。試點使用國網湖南電力計量中心的WT-F100用電信息采集系統，搭建二跳采集系統，集中器下掛6塊單向費控智能電表、2塊三相四線費控智能電表，如圖9所示。電力業務設備和遠程通信終端均位于計量中心實驗室，兩者通過以太網口連接。

圖9 終端業務接入測試環境

遠程通信終端插入SIM卡，上電開機進入空閑狀態，正確配置通信終端和230 MHz無線專網系統側的相關參數，完成網絡承載激活過程，并成功接入用電信息采集業務主站。試點過程中遠程通信終端通信穩定可靠，無掉線中斷現象；業務主站數據抄收與遙控均無異常，上線運行效果良好；遠程通信終端能夠有效適應現場環境，結果如表3所示，滿足《230 MHz離散多載波電力無線通信系統 第4部分：IoT-G 230 MHz技術規范》的要求。

表3 終端試點驗證結果

4 結束語

本文基于230 MHz電力無線專網，開展了IoT-G 230 MHz電力無線專網遠程通信終端的設計與實現，在軟硬件設計與算法優化的基礎上研制了嵌入式和外置式遠程通信終端，針對用電信息采集業務測試了終端通信性能，并完成了電力業務掛網試點驗證。測試和試點結果表明，本文設計的遠程通信終端滿足230 MHz電力無線專網的通信需求，能夠承載用電信息采集業務。后續將繼續開展其他性能指標的測試，以及配電自動化的業務規約和功能適配性測試，驗證遠程通信終端在各類電力業務的承載能力。