0 引言

    隨著國家智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力業(yè)務(wù)對通信信道提出了全新,、更高的要求,。目前智能電網(wǎng)中遠(yuǎn)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(wǎng)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(wù),。目前無線方式主要有無線公網(wǎng)和無線專網(wǎng)兩種方式,。無線公網(wǎng)前期投資少、建設(shè)周期短,、業(yè)務(wù)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。現(xiàn)有的電力無線專網(wǎng)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(wǎng)和運營成本較高,、與電力業(yè)務(wù)結(jié)合能力一般等諸多問題,，限制了它們在智能電網(wǎng)中進(jìn)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(yuǎn)以及4G LTE先進(jìn)技術(shù)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(wǎng)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)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(quán)頻點上,，符合國家對低頻段的技術(shù)升級改造政策,，當(dāng)前LTE230電力無線通信專網(wǎng)已經(jīng)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(wǎng)建設(shè)提供了良好的借鑒意義和示范作用。這些試驗網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和圖1都基本類似,。在圖1中,，業(yè)務(wù)平臺、監(jiān)控中心及eOMC網(wǎng)管系統(tǒng)為LTE230系統(tǒng)的主站平臺,；EPC為核心網(wǎng), eNodeB230為基站;基站和終端通過無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，終端類型主要有四種：配電終端、負(fù)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(wù),，最后一種承載對通信速率要求較高的大帶寬業(yè)務(wù),。這種小帶寬與大帶寬業(yè)務(wù)并存，小帶寬業(yè)務(wù)為主^[1]是智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)的一個重要特點,。

    當(dāng)前這些LTE230試驗網(wǎng)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(wù)和大帶寬業(yè)務(wù)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(wǎng)的進(jìn)一步的推廣和應(yīng)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(chǔ)上開展芯片終端產(chǎn)品的應(yīng)用研究,，對于推進(jìn)電力無線通信專網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義,。

2 芯片設(shè)計

    針對智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)大、小帶寬的特點,，在芯片設(shè)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(jié)構(gòu)

    芯片整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用三級AMBA總線架構(gòu):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(shè)總線。

    AXI總線是一個矩陣式結(jié)構(gòu),，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(shè)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(shè)備主要包括SPI_HOSTIF、射頻配置接口SPI_RFCFG,、以太網(wǎng)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(guān)鍵技術(shù)

    芯片內(nèi)部集成了高性能的DSP處理器，DSP采用哈佛結(jié)構(gòu),，可同時支持4 MAC操作,；DSP核內(nèi)嵌高速TCM和Cache，可有效平滑高速DSP內(nèi)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(nèi)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(yīng)用場景需求快速的在不同的功耗管理之間進(jìn)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(nèi)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(fù)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(shè)計時,，考慮系統(tǒng)內(nèi)存帶寬的需求,，采用兩組片內(nèi)eDRAM的方式，芯片內(nèi)的主設(shè)備如DSP,，若其指令和數(shù)據(jù)分別存放在不同的eDRAM內(nèi),，則可并行讀取指令和數(shù)據(jù),，大大縮短了內(nèi)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(jié)構(gòu),，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(jìn)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(yīng)頻點的數(shù)據(jù),，經(jīng)中頻內(nèi)置的DMA模塊經(jīng)總線送到eDRAM中,，同時發(fā)送中斷通知DSP來做進(jìn)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(fù)用的高階數(shù)字濾波器，可對帶外的干擾信號進(jìn)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(jìn)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(qū)動的時鐘門控技術(shù),，動態(tài)地開關(guān)上下行數(shù)據(jù)鏈路的時鐘，以達(dá)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(nèi)置了硬件加速器Turbo Decoder,。Turbo Decoder支持鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，可在一次配置后進(jìn)行多個頻點、多個碼塊的譯碼操作,，其間無須DSP干預(yù),。

3 芯片應(yīng)用

    針對電力大、小帶寬業(yè)務(wù)的特點,，應(yīng)用LTE230芯片,，可開發(fā)兩類終端產(chǎn)品：LTE通信模塊(LTE Communication Module,，簡稱LCM）和用戶終端設(shè)備（Customer Premises Equipment，簡稱CPE）^[1],。LCM終端強調(diào)的是低功耗,、低成本、小體積,，CPE終端側(cè)重的是高性能,。

    LCM硬件平臺如圖3所示，提供UART業(yè)務(wù)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(yuǎn)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(yīng)以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)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(yīng)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(diào)試,，另一個串口用來和電力終端進(jìn)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)層的TCP/IP協(xié)議,、射頻前端收發(fā)配置以及芯片內(nèi)外大量設(shè)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(chǔ)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(jié)論

    基于LTE230無線通信基帶芯片的LCM和CPE的軟硬件平臺已進(jìn)行了初步的原型驗證,，結(jié)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(wǎng)中LTE230電力無線通信系統(tǒng)的建設(shè)有著重要的參考意義,。

參考文獻(xiàn)

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