基于4G技術(shù)的雙模雙卡單待負控終端研發(fā)

作者/ 王鵬 傅子明 劉攸堅 廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局(廣東 佛山 528000)

摘要：針對目前用電現(xiàn)場負荷管理終端通信過程存在鏈路節(jié)點多，易受外界干擾等問題，本研究采用了基于4G技術(shù)的雙模雙卡單待負控終端技術(shù)，從根本上對終端的功能進行補充和完善，通過對系統(tǒng)硬件的設計，提高了終端上行通信的可靠性、上線率以及高通信速率。結(jié)果表明，改進后的系統(tǒng)性能遠遠高于傳統(tǒng)系統(tǒng)性能，極大地滿足了實際需求。

引言

　　目前用電現(xiàn)場負荷管理終端主要是基于GPRS無線公網(wǎng)通訊與計量自動化主站通信，通信過程存在鏈路節(jié)點多，易受外界干擾等弊端[1-3]。隨著城市發(fā)展建設，各通訊運營商之間競爭激烈，通訊環(huán)境愈加復雜多樣化，2G通信信號不穩(wěn)定，尤其是在城市密集區(qū)，不同的網(wǎng)絡變化多端，工作人員需要頻繁到現(xiàn)場更換不同運營商的SIM卡，以使終端能在特定運營商網(wǎng)絡通暢時保持上線。通信問題成為影響數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)狀是國內(nèi)市場暫無此類產(chǎn)品研究，國內(nèi)廠商、研究機構(gòu)暫未有此技術(shù)方面的研究。

　　國內(nèi)技術(shù)方向、技術(shù)水平和關(guān)鍵技術(shù)：電力負荷管理終端多制式公網(wǎng)通信自適應接口連接在電力負荷管理終端主板電路與公網(wǎng)通信子板電路之間，實現(xiàn)公網(wǎng)通信子板電路與主板電路之間的插拔式連接，可在電力負荷管理終端電路中實現(xiàn)不同制式的公網(wǎng)通信模塊的互換。其可不用更換終端，僅更換通信模塊，即可實現(xiàn)不同制式網(wǎng)絡的互換^[4]。該種方法相當于由人工進行網(wǎng)絡的選擇和切換。

　　目前，終端采用的通信方式存在一定的局限性，在未來圖像、視頻等多媒體傳輸以及更加豐富數(shù)據(jù)應用情況下，現(xiàn)有2G通信技術(shù)難以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，勢必需要采用通信速率更快更可靠的通信技術(shù)^[5-6]。因此，本研究采用基于4G技術(shù)的雙模雙卡單待負控終端，能解決上述出現(xiàn)的問題。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其局限性

1.1 現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性

　　本系統(tǒng)針對現(xiàn)大量存在并運行的通信模塊以及今后南網(wǎng)統(tǒng)一標準的終端及模塊，開展2個方向的研究：

　　(1)針對存量終端(已統(tǒng)一上行通信模塊結(jié)構(gòu)尺寸)，由于無法修改終端嵌入式軟件，可在上行通信模塊內(nèi)部，終端與通信模塊之間增加一片單片機，用以控制和管理4G通信模塊，自動選擇優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡，并轉(zhuǎn)發(fā)終端與主站間的通信數(shù)據(jù)。通過該手段可在不更改現(xiàn)場終端的條件下對終端進行升級，以實現(xiàn)本項目的設計目標。

　　(2)針對全新招標的設備，可對現(xiàn)有的終端技術(shù)要求和通信協(xié)議進行增補，技術(shù)要求方面增加多模雙卡的內(nèi)容定義，并對通信網(wǎng)絡的智能選擇做出要求;通信協(xié)議方面需增加網(wǎng)絡質(zhì)量信息的內(nèi)容，包括實時召測和定時任務，增加對4G高速通信的軟硬件支持^[6-7]。

　　此方案是從根本上對終端的功能進行補充和完善，提高終端上行通信的可靠性、上線率以及高通信速率。

1.2 現(xiàn)有終端系統(tǒng)及其存在的問題

　　現(xiàn)有的終端設計框圖如圖1所示。

　　現(xiàn)有終端系統(tǒng)大體包括MCU單片機模塊、下行通信模塊、計量模塊、電源模塊、控制通信模塊、上行通行模塊和LCD模塊。其中上行通信模塊與MCU單片機之間采用UART模式進行數(shù)據(jù)交換。

　　現(xiàn)有終端存在的問題：目前根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件設計的終端，由圖1的硬件框架可以看出，該方案雖然設計簡單，成本較低，但是終端的處理能力和接口速度難以滿足實際需要^[8]。而根據(jù)4G網(wǎng)絡的高速通訊的特性(LTE FDD Cat 6 (300Mbps DL, 50Mbps UL))，對終端的處理能力和接口速度須有更高的要求，因此需要終端設計方案重新進行研究。

　　本研究主要從兩個方面進行改進：

　　(1)系統(tǒng)的整體處理能力;(2)與上行信道的接口速度需要提高。

2 系統(tǒng)整體設計

　　本研究根據(jù)4G通信和多模雙卡通信的特點，對大客戶負控終端上行通信模塊部分電路進行重新設計，并且編寫底層驅(qū)動軟件，滿足模塊供電、信號檢測及自動切換的需要;對上行模塊的架構(gòu)進行重新設計，滿足雙天線同時通信互不干擾，并研發(fā)一整套基于4G通信技術(shù)的多模雙卡單待的負荷管理終端。各模塊可與核心板通訊，同時也可以單獨選擇任一運營商來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性^[9-10]。

2.1 改進后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　改進后的終端設計框圖如圖2所示。由圖2可知，改進后的系統(tǒng)采用高速處理器，上行通信與核心板之間采用USB模式連接。

2.2 系統(tǒng)主要模塊的設計

　　終端設計性能：

　　(1)采用高性能處理器，運行頻率高達1G，處理能力強，為高速處理大量數(shù)據(jù)提供支持，如視頻等多媒體數(shù)據(jù);

　　(2)上行通信模塊接口改用高速的USB接口，最高傳輸速率達480Mbps，支持4G模塊的高速數(shù)據(jù)通信;

　　(3)采用更高速的以太網(wǎng)接口，最高傳輸速率達1Gbps，為未來的視頻監(jiān)控等高速、大數(shù)據(jù)量設備提供支持。

　　現(xiàn)有上行通信模塊設計框圖如圖3所示。

2.3 模塊的設計

　　加上成本等因素綜合考慮，單模塊方案更適合后續(xù)的大規(guī)模推廣：

　　(1)采用多模通訊模塊，可同時支持現(xiàn)有的三家運營商，支持雙卡盲插自動識別，兼容性強;

　　(2)單模塊設計，對終端電源設計要求較低，相對于GPRS模塊無大改動，天線設計也無需考慮同頻干擾，設計簡單;

　　(3)采用主集天線和分集天線雙天線設計，提高信噪比和接收靈敏度，適應信號惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，提高終端上線率。

　　a.多模通訊模塊

　　4G多模全網(wǎng)通訊技術(shù)在手機上應用已有一段時間，所謂的全網(wǎng)制式分別為TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA1X/EVDO和GSM/EDGE/GPRS，通過該技術(shù)，可以使現(xiàn)有的負荷管理終端可以接入國內(nèi)三大運營商的移動通信網(wǎng)絡，大大提高了終端對移動網(wǎng)絡的適應性，但目前業(yè)界只有高通(Qualcomm)公司推出了完整方案，多應用于商業(yè)級手持設備[11]。

　　工業(yè)級應用對模塊的EMC(電磁兼容)性能、高低溫性能等要求均比較高，需要采用專為電力設備開發(fā)的工業(yè)級通訊模塊才能滿足負控終端的使用要求[12-13]。經(jīng)過對多個品牌通訊模塊的性能測試，本課題中選用Neoway公司的“N1”4G LTE全網(wǎng)通訊模塊進行進一步研究及測試，雙模塊和單模塊整體設計框圖如圖4和圖5所示。

　　b.CPU模塊

　　本系統(tǒng)的CPU采用ARM公司生產(chǎn)的Cortex-A系列處理器，適用于具有高計算要求、運行豐富操作系統(tǒng)以及提供交互媒體和圖形體驗的應用領域。從最新技術(shù)的移動Internet必備設備(如手機和超便攜的上網(wǎng)本或智能本)到汽車信息娛樂系統(tǒng)和下一代數(shù)字電視系統(tǒng)。也可以用于其他移動便攜式設備，還可以用于數(shù)字電視、機頂盒、企業(yè)網(wǎng)絡、打印機和服務器解決方案。這一系列的處理器具有高效低耗等特點，比較適合配置于各種移動平臺。已廣泛應用于各種嵌入式工業(yè)設備。

　　ARM Cortex?-A5 處理器是能效最高、成本最低的處理器，能夠向最廣泛的設備提供 Internet 訪問：從入門級智能手機、低成本手機和智能移動終端到普遍采用的嵌入式、消費類和工業(yè)設備。

　　Cortex-A5 處理器可為現(xiàn)有ARM926EJ-S?和ARM1176JZ-S?處理器設計提供很有價值的遷移途徑。它可以獲得比ARM1176JZ-S更好的性能，比 ARM926EJ-S更好的功效和能效，以及100%的Cortex-A兼容性^[14-15]。

　　c.天線模塊

　　本系統(tǒng)采用主集天線和分集天線雙天線設計。

　　分集接收技術(shù)是一項主要的抗衰落技術(shù)，可以大大提高多徑衰落信道傳輸下的可靠性，在實際的移動通信系統(tǒng)中，終端常常工作在城市建筑群或其他復雜的地理環(huán)境中，分集接收技術(shù)被認為是明顯有效而且經(jīng)濟的抗衰落技術(shù)。

　　分集的基本思想是將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的(獨立的)多路信號，然后把這些多路信號分離信號的能量按一定的規(guī)則合并起來，使接收到的有用信號能量最大，進而提高接收信號的信噪比。因此，分集接收包括兩個方面的內(nèi)容：一是把接收的多徑信號分離出來使其互不相關(guān)，二是將分離出來的多徑信號恰當合并，以獲得最大信噪比。

　　d.結(jié)構(gòu)設計部分的改進

　　由于現(xiàn)有的標準尺寸SIM卡的卡槽占用面積較大，導致目前的模塊盒設計空間無法滿足同時安裝兩張SIM卡的需要，將現(xiàn)行使用的標準尺寸的SIM卡更換為體積更小的Nano SIM卡。通過這樣對SIM卡的改進，同時安裝兩張Nano SIM卡所占用的面積相對于現(xiàn)有的安裝一張標準尺寸的SIM卡所占用的面積不會增加太多，可減低通信模塊盒結(jié)構(gòu)設計的改造難度。

　　單模塊和雙模塊條件下，系統(tǒng)性能對比如表1所示。

2.3 新舊系統(tǒng)性能的對比

　　改進前后系統(tǒng)性能的對比如表2所示。由以上數(shù)據(jù)對比可知：改進后的系統(tǒng)運行速度、運算能力、上行接口、上行速率、以太網(wǎng)接口的性能得到極大的提高，大大滿足實際需求。

3 總結(jié)

　　本研究采用多模雙卡單待的模式，實時檢測SIM卡狀態(tài)，監(jiān)測三網(wǎng)的信號強度及與后臺主站的實時通訊情況，如果主網(wǎng)絡不能撥上號或與主站通訊不成功的時候，及時切換到待機網(wǎng)絡撥號連接主站?？梢允菇K端在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡中提供無線服務，良好覆蓋地理位置復雜的地區(qū)和場所，提供雙向、高速、安全的數(shù)據(jù)通信通道。雙網(wǎng)絡之間互為備份，無需人工切換模塊制式，完全自適應，基于4G技術(shù)特點通信速率高、穩(wěn)定性強、抗干擾能力強。同時，本項目使用了在計量自動化終端領域應用4G移動通信系統(tǒng)的高性能天線技術(shù)和多模全網(wǎng)通信技術(shù)，提高終端通信速率和可靠性。此外，本系統(tǒng)還可以廣泛應用于林業(yè)、城市監(jiān)管、水利、近海岸地形測繪、地質(zhì)災害調(diào)查、國家安全等遙感遙測領域。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第45頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。