0 引言

    隨著國家智能電網的發(fā)展，電力業(yè)務對通信信道提出了全新,、更高的要求,。目前智能電網中遠程通信主要采用光纖和無線方式。光纖由于受成本,、地域等因素的限制,，難以實現(xiàn)對配用電通信接入網的全覆蓋。無線方式作為光纖通信的有力補充手段,，正承載著越來越多的電力通信業(yè)務,。目前無線方式主要有無線公網和無線專網兩種方式。無線公網前期投資少,、建設周期短,、業(yè)務部署和開展快，但隨著配用電系統(tǒng)規(guī)模的擴大,，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)先級無保障等問題?，F(xiàn)有的電力無線專網如230數(shù)傳電臺,、1 800 MHz無線寬帶通信系統(tǒng)存在速率低、覆蓋能力較弱,、建網和運營成本較高,、與電力業(yè)務結合能力一般等諸多問題，限制了它們在智能電網中進一步的發(fā)展和推廣,。新型LTE230無線通信系統(tǒng)充分利用低頻段覆蓋距離遠以及4G LTE先進技術的優(yōu)勢,，具有大容量、廣覆蓋,、高效率,、高安全性等特點，在電力無線專網領域受到越來越多的關注^[1],。

1 系統(tǒng)分析

    LTE230電力無線通信系統(tǒng)可直接部署在230 MHz電力專用40個授權頻點上,，符合國家對低頻段的技術升級改造政策,，當前LTE230電力無線通信專網已經在北京東城區(qū)^[1]、江蘇揚州^[2],、浙江海鹽^[3]等多處開展了試點工作,，為電力通信專網建設提供了良好的借鑒意義和示范作用。這些試驗網的結構和圖1都基本類似,。在圖1中,，業(yè)務平臺、監(jiān)控中心及eOMC網管系統(tǒng)為LTE230系統(tǒng)的主站平臺,；EPC為核心網, eNodeB230為基站;基站和終端通過無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸,，終端類型主要有四種：配電終端、負控終端,、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,。前三種終端承載對通信速率要求較低的小帶寬業(yè)務,，最后一種承載對通信速率要求較高的大帶寬業(yè)務。這種小帶寬與大帶寬業(yè)務并存,，小帶寬業(yè)務為主^[1]是智能電網配用電業(yè)務的一個重要特點,。

    當前這些LTE230試驗網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存儲器的板級方案實現(xiàn)的,，且針對小帶寬業(yè)務和大帶寬業(yè)務采用不同的軟硬件平臺,，這種終端實現(xiàn)方式存在成本高、功耗大,、軟硬件維護工作量大等問題,，極大地限制了LTE230電力無線通信專網的進一步的推廣和應用。因此,，開發(fā)具有高性能,、低成本、低功耗的LTE230無線通信基帶芯片（簡稱LTE230芯片）,，并在此基礎上開展芯片終端產品的應用研究,，對于推進電力無線通信專網的產業(yè)化具有重要意義。

2 芯片設計

    針對智能電網配用電業(yè)務大,、小帶寬的特點,，在芯片設計須同時考慮高性能和低成本兩種終端的需要。

2.1 芯片結構

    芯片整體結構如圖2所示,，采用三級AMBA總線架構:一級為64位的高帶寬AXI總線,、二級為32位高性能AHB總線、三級為32位低速APB外設總線。

    AXI總線是一個矩陣式結構,，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器eDRAM,。

    AHB總線的設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總線上的設備主要包括SPI_HOSTIF,、射頻配置接口SPI_RFCFG、以太網接口SPI_MAC,、定時器Timer,、串口UART、I2C控制器,、看門狗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 關鍵技術

    芯片內部集成了高性能的DSP處理器,，DSP采用哈佛結構,，可同時支持4 MAC操作；DSP核內嵌高速TCM和Cache,，可有效平滑高速DSP內核和相對低速的eDRAM存儲器之間讀寫操作的訪問延遲,，使系統(tǒng)整體性能較優(yōu)。DSP內嵌功耗管理模塊PSU(Power Scaling Unit),，支持多種功耗管理模式,，通過軟件指令、外部中斷及SCU的控制,，可根據(jù)應用場景需求快速的在不同的功耗管理之間進行切換,，從而滿足系統(tǒng)待機、DRX周期,、低速及全速運行等場景下的功耗和性能要求,。

    芯片內置高密度大容量的嵌入式存儲器eDRAM，eDRAM接口時序簡單，讀寫延遲小,無需復雜的控制器,面積只有普通SRAM的1/3,；另外相比于外置DDR的存儲方式,，沒有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。在芯片設計時,，考慮系統(tǒng)內存帶寬的需求,，采用兩組片內eDRAM的方式，芯片內的主設備如DSP,，若其指令和數(shù)據(jù)分別存放在不同的eDRAM內,，則可并行讀取指令和數(shù)據(jù)，大大縮短了內存訪問延遲,，提高了系統(tǒng)的性能,。此外eDRAM提供了正常讀寫、Standby,、Self Refresh和power down多種功耗模式,，可根據(jù)系統(tǒng)場景來切換。

    230 MHz頻段系統(tǒng)資源呈無規(guī)則,、梳狀結構,，頻點分布離散。芯片獨有的中頻模塊接收來自前端射頻芯片出來的數(shù)據(jù),，由于頻譜的不連續(xù)性,，中頻模塊將會進行兩級混頻、下采樣及濾波操作,，從射頻接收的數(shù)據(jù)中抽取出對應頻點的數(shù)據(jù),，經中頻內置的DMA模塊經總線送到eDRAM中，同時發(fā)送中斷通知DSP來做進一步處理,。上行鏈路和下行鏈路相似,，但是一個相反的過程。同時中頻模塊采用乘法器時分復用的高階數(shù)字濾波器,，可對帶外的干擾信號進行很好的抑制,，以很小電路面積來保證系統(tǒng)的性能。由于芯片支持的TDD模式,，收發(fā)不會同時進行,，故中頻模塊可在自身收發(fā)時序控制下采用數(shù)據(jù)流驅動的時鐘門控技術，動態(tài)地開關上下行數(shù)據(jù)鏈路的時鐘,，以達到減少功耗的目的,。

    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譯碼算法運算量很大,；同時由于LTE230須支持40個離散頻點,，依靠DSP軟譯碼的方式對MIPS要求太高，故芯片中內置了硬件加速器Turbo Decoder,。Turbo Decoder支持鏈表的數(shù)據(jù)結構,，可在一次配置后進行多個頻點、多個碼塊的譯碼操作,，其間無須DSP干預,。

3 芯片應用

    針對電力大,、小帶寬業(yè)務的特點,，應用LTE230芯片，可開發(fā)兩類終端產品：LTE通信模塊(LTE Communication Module,，簡稱LCM）和用戶終端設備（Customer Premises Equipment,，簡稱CPE）^[1]。LCM終端強調的是低功耗,、低成本,、小體積，CPE終端側重的是高性能,。

    LCM硬件平臺如圖3所示,，提供UART業(yè)務物理接口，支持的頻點通常為1~8個,，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、遠程控制通信等低速率的無線通信需求,。

    CPE硬件平臺如圖4所示,，配備UART、10/100 M自適應以太網等業(yè)務物理接口,，最大支持40個頻點,，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,。

    實際應用中，90%以上的終端數(shù)量是LCM,，成本和功耗是一個重要的考慮因素,，在硬件實現(xiàn)時盡量簡單，采用LTE230芯片+射頻RF芯片的方案,。LTE230芯片的一個串口用于調試,，另一個串口用來和電力終端進行數(shù)據(jù)交換,。操作系統(tǒng)和基帶處理軟件在系統(tǒng)啟動時通過BootCode從片外SPI Flash存儲器加載到芯片內部的TCM和eDRAM存儲器中。LTE230 的DSP運行實時操作系統(tǒng)Nucleus,，且其基帶處理除物理層(PHY)時域部分 (含載波聚合)是用中頻模塊硬件電路實現(xiàn)的,，其余的物理層的頻域處理和比特級/符號級處理、協(xié)議層的媒體訪問控制(MAC)和無線資源控制(RRC)^[4],、網絡層的TCP/IP協(xié)議,、射頻前端收發(fā)配置以及芯片內外大量設備的管理都是用DSP軟件來實現(xiàn)。

    在高性能的CPE平臺中,，支持的數(shù)據(jù)速率高,，單DSP方案無法提高足夠的處理能力，故在LCM平臺的基礎上,，外加一個高性能低功耗的基于ARM Cortex M3的 MCU(考慮到市場上MCU的成熟度及內嵌Flash工藝的特殊性,，芯片未集成MCU)。LTE230芯片專注于基帶物理層的處理,，協(xié)議層和網絡層的處理由MCU來完成,。MCU和DSP運行相同實時操作系統(tǒng)，通過SPI控制器交換物理層傳輸信道(Transport Channels)^[4]的數(shù)據(jù),。MCU內嵌大容量Flash存儲器,，可用來存儲MCU及DSP的整個軟件系統(tǒng)，無需外接SPI Flash存儲器,。在系統(tǒng)初始化時,，MCU可在DSP的BootCode配合下，通過SPI接口將DSP所需軟件下載到LTE230芯片的TCM和eDRAM存儲器中,。

4 結論

    基于LTE230無線通信基帶芯片的LCM和CPE的軟硬件平臺已進行了初步的原型驗證,，結果表明，在成本,、功耗,、軟硬系統(tǒng)維護及升級便利性等方面，相比于現(xiàn)有的基于“ADI DSP+FPGA+DDR”的LCM終端平臺和基于“TI OMAP處理器+FPGA+DDR”的CPE終端平臺,，有著明顯的優(yōu)勢,，這對加速智能電網中LTE230電力無線通信系統(tǒng)的建設有著重要的參考意義。

參考文獻

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