230MHz（精选7篇）
230MHz 篇1
0 引言
飞地系统是一种把GSM信号移频到低频频段中进行远距离传输的系统。GSM频段信号在近端有移频模块将频率移至3M带宽的230MHz频段, 在近端通过线性功放放大后经天线将信号发射出去, 在远端把信号还原于原GSM频段, 放大信号后覆盖。飞地系统可以很有效解决城市频率资源较为紧张的覆盖区和多丘陵、多山、森林等地区的信号问题。由于其传输频率工作比较低的频段, 电波的绕射能力比较强, 根据菲涅尔半径的计算公式菲涅尔半径的计算公式:R=0.5 (λD) 0.5其中λ为波长, D为两天线的距离, λ=3×108/f (m) 。由此公式, 我们可以看出, 当频率f固定时, 菲涅尔半径随着传输距离的增加而增大。同时, 当距离固定时, 菲涅尔半径随着频率的减小而增大。理论上230MHz的频率能克服超过天线70m高的障碍物。因此, 飞地系统可适合用于山区, 丘陵, 农村, 以及一些地震, 泥石流多发生地带。
对于使用在近端230MHz频段的功放, 跟GSM信号一样, 对功放的线性要求同样比较苛刻。功放为此系统的核心, 所以它的线性和稳定性直接决定着系统的工作质量。
1 功率放大器 (PA) 分析与设计
1.1 设计指标
本文以飞地系统的项目需要的微波功率放大器为实例, 集中讨论了PA分析和设计的过程.该放大器采用MW6S004N作为驱动放大管, MRF9060作为末级功放。设计的指标为:1) 工作频率为232MHz~235MHz;2) 1 d B压缩点输出功率为60 W;3) 功率增益35d B以上;4) IMD3 (三阶互调失真) 小于-52d Bc。
1.2 负载牵引法
由于厂家提供的MW6S004N对应于频率范围为500MHz~3000MHz的S参数不能直接用来作为本次设计时的最佳源阻抗和负载阻抗.同样MRF9060的930MHz~960MHz的输入输出阻抗不能作为设计的参数。所以本文采用负载牵引法来得到其在232MHz~235MHz的源阻抗和负载阻抗值。为了使2只功率放大管工作在最佳状态下, 并且充分发挥其潜力, 对其负载牵引特性进行测量或仿真是必需的。负载牵引法, 原理就是放大器在大信号电平激励下, 通过连续变换负载测试输出功率, 然后在SMITH阻抗圆图上画出等功率和等增益曲线。这样就可以选择适当的输出阻抗准确地设计功率放大器, 达到所需的增益和输出功率。负载牵引技术可以由实际测量系统和高频电路设计辅助软件两种方式实现, 但是搭建一个负载牵引测量系统的成本相当之大, 而且不易实现。本文采用ADS软件对上面所设计的功率放大器使用负载牵引 (Loadpull) 技术有规则的搜寻史密斯 (Smith) 圆图上的每个区域, 确定最佳负载的阻抗值。国内外对这一方面也做很多的研究工作。同时, 为了考虑到线性度和效率, 我们采用了双音频负载牵引, 这样就可以兼顾功率, 效率和线性.本文中用Agilent ADS软件来完成MW6S004N和MRF9060在232MHz~235MHz的源阻抗ZS和负载阻抗ZL的测试。负载牵引结果如图3所示, 同一条等高线代表的是相同的输出功率, 越趋向于中心点, 输出功率越大, 最中心点为最大输出功率, 这是一个不断收敛的过程。为综合考虑输出功率、效率和线性, 最终得出MW6S004N最佳负载阻抗值ZL=0.54-j2.67, ZS=1.24-j4.25。同理可得MRF9060的最佳阻抗为ZL=0.78-j5.34, ZL=0.32-j3.52下面我们就可以用得到的ZS和ZL来进行匹配网络设计。
1.3 优化输入/输出匹配网络
在设计输入阻抗匹配电路时需要考虑稳定、增益、增益平坦、输入驻波比等, 在输出匹配电路设计时需要考虑谐波抑制、输出驻波比、损耗等, 在设计输出匹配电路之前, 要仔细分析是按最大功率输出还是额度功率输出来选择输出阻抗参数, 以便于得到需要的输出功率。在设计中, 选择微带和电容组合的混合匹配电路, 电路结构为n个Γ型电路串联而成。满足最大增益的情况下, 输出为4 235d Bm。利用ADS的匹配优化, 最终得出微带与电容的组合匹配。
2. 功率放大器IM3和IM5的测试及优化
项目要求设计的功率放大器工作频段为230 MHz, 增益大于35 d B, 端口驻波比小于1.5, 输出功率大于41 d Bm, 增益平坦度为±0.5d B。为了达到设计要求, 采用两级放大形式, 前级放大器采用LDMOS场效应管MW6S004N, 中间进行电容匹配以及预留一个3 d B的阻衰减器, 用以调节两级放大管之间的驻波比, 衰减器要考虑驱动级的输出线性度。末级采用飞思卡尔公司的场效应晶体管MRF9060。
将匹配优化后的原理图另存后, 然后删除所有的控件, Term及电源, 用Port代替, 建立模型, 然后插入HB2Tone PAE_Pswp模板。在原理图中执行菜单命令。将所有的参数设置后, 进行仿真, 从得出的出书IM3和IM5图中, 我们可以根据需要适当的优化。最终将电路的原理设计完毕创建电路的印制电路板图了。
3 结论
本文采用ADS软件仿真优化设计了用于飞地系统的230MHz输出功率13W的功率放大器, 通过ADS负载牵引寻找出放大器的最佳源阻抗和负载阻抗、进行了放大器的输入输出匹配, 以及IM3和IM5的仿真, 最后倒出印刷电路板, 经过测试得出了正确的设计方案。
230MHz 篇2
关键词：无线通信,载波聚合,传输速率,频谱效率
0 引言
中低压通信接入网是电力骨干通信网的延伸,是实现电网智能化、配电自动化接入层业务、电动汽车充电设施、用电信息采集和双向互动营销的主要通信基础设施,是实现电网智能化的重要保障。智能电网的发展对中低压通信接入网的网络结构、覆盖范围、技术应用、带宽需求和业务管理等方面提出了更高的要求[1]。配用电通信接入网中应用的通信技术种类繁多,其中无线通信由于覆盖面广、施工难度低、组网灵活、维护容易等优势,是重要的通信方式之一。
目前,常用的无线通信方式有基于无线公网的通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)技术、码分多址(code division multiple access,CDMA)方式和使用电力行业专用230 MHz频率资源的无线电台方式。因为使用专用频率可以保证用户不受任何限制地部署一个通信专网,对该网络拥有完全自主的管理、调度、使用分配等功能,并且可以对市级网、省级网、国家网进行统一规划和建设。因此相较公网更可靠、安全、有效[2]。由于专用频谱资源有限,所以节省频率资源、提高频谱效率和传输速率非常必要。
要获取更高的传输速率,必须克服有限的无线频谱资源和恶劣的无线传输环境对无线通信造成的瓶颈[3]。目前频谱的固定分配方式使得可用范围内可供分配的频率资源寥寥无几。230 MHz频谱资源的总带宽为1 MHz,且分散在40个频点,虽然可以采用一些包括正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技术、多天线技术、自适应传输技术、中继技术等先进的无线传输与信号处理技术来提高频谱效率和改善传输性能。但是根据香农定理可知,在一定系统带宽下,系统所能达到的传输速率是有上限的。因此,在改进原有技术和引入新的先进技术的同时,还需要采用灵活有效的方式对系统带宽进行扩展。
载波聚合(carrier aggregation)方式能有效聚合有限的频谱资源,提升频谱利用率,适合于在有限的电力专用频谱资源上实现更高的频谱效率,克服当前无线电台传输速率低、实时性差、频谱效率低的缺点。
1 230 MHz电力专用频谱资源
目前在电力行业,230 MHz频段主要实现的是电力负荷控制功能。该频段共有40个子带,其中最低子带的频点为223.525 MHz,最高子带的频点为231.65 MHz。分布区间为8.15 MHz,每个离散的频点带宽为25 kHz。具体时隙结构如图1所示。
图1中,单频频段共包括10对单工频点,离散不等间隔地分布在228.025～230.000 MHz频段,频道间隔为25 kHz。
双频组网频段分布在223.025～228.000 MHz和230.025～235.000 MHz频段,收发频率间隔为7 MHz,频道间隔为25 kHz。230.025～235.000 MHz频段用于主台(主站或中央站),223.025～228.000 MHz频段用于属台(属台或终端站)。共计15对双工频点,这些频点均为离散不等间隔分布。
目前,该频段主要部署的是230 MHz数传电台。遵循国标GB/T 16611—1996《数传电台通用规范》,230 MHz数传电台数据传输网络独占一个频率资源,在同一频点上同时只能有一个设备发送数据[4],一般采用中心对远端多点的通信分配方式,采用轮询方式查询数据。所以数据的传输速率低,一般在300 bit/s至19.2 kbit/s之间,无法实现多媒体调度。另外,由于采用点对点通信模式,主站下监控点过多时,会带来很长的延迟。如访问一个站点需要0.5 s,轮询等待超时时间设定为3 s,系统有100个终端,那么在所有终端工作正常情况下轮询周期是0.5 s×100=50 s,如果有一台终端由于设备故障、频率干扰等原因导致传输失败,系统在此终端将等待3 s,轮询的最长周期会更长。
2业务需求
传统的单频点数传通道只能提供低速率的数据传输,而事实上在电力设备的监控和维护方面,对图像传送和视频传送业务有需求。常见的智能配用电通信业务及其带宽需求如下。
1)用电信息采集
对于居民用户(E类)的用电信息采集业务,按照每个集中器承载50个采集器,每个采集器承载10个电表(参考实际工程中用电信息采集的建设情况,考虑集中器最大承载电表数量)计算,集中器所需有效带宽在最全模式下为4.086 kbit/s,基本模式下为1.260 kbit/s。
2)配电自动化
配电自动化系统主要实现开关站、环网柜、箱式变电站、柱上开关、柱上变压器等设备信息的采集和控制[5]。
按照DL/T 634.5-101和DL/T634.5-104协议,标准传输速率是:2.4,4.8,9.6,19.2,38.4,56,64 kbit/s;《循环式远动规约》支持的波特率有:1.2,2.4,4.8,9.6 kbit/s。
3)应急抢修、检修及移动资产可视化管理
应急抢修、检修及移动资产可视化管理通常采用视频监控,如采用CIF格式(352×288像素),H.264编码,保证图像流畅每秒15帧,占用带宽约为512 kbit/s;如采用D1格式分辨率(720×576像素),则需占用带宽1.0～1.2 Mbit/s。
由以上分析可知,不同业务对带宽的需求各不相同,其中应急抢险、移动可视化业务需要的带宽较大;配电自动化的信息流量并不是很大,但是实时性要求很高;用电信息采集是数据量发展很快的业务类型,随着智能电网的发展,互动化、数字化将大大增加用电信息采集的数据流量。
传统的数传电台由于带宽较小,延时长,不能支持应急抢险、移动可视化、配电自动化等业务,也不能满足智能配用电业务日益增长的需求。因此需要合理利用230 MHz频谱资源,并提升该频段的传输速率和频谱效率。
3载波聚合
3.1 载波聚合原理
为满足国际电信同盟(ITU)提出的高级国际移动通信(international mobile telecommunications-advanced,IMT-Advanced)系统峰值速率达到下行1 Gbit/s、上行500 Mbit/s的需求,长期演进(long term evolution, LTE)技术的后续演进(即LTE-Advanced,简称LTE-A)对应提出了扩展传输带宽至100 MHz的设计目标[6]。从LTE到LTE-A系统的演进过程中,更宽频谱的需求已成为影响演进的最重要因素之一。如果仍然采用现有的频谱分配方式,在LTE-A系统现有的6个候选频点上很难找到足够的承载100 MHz带宽的整段频带[7]。因此,第三代合作伙伴计划(the 3rd generation partnership project,3GPP)提出了采用载波聚合技术来实现LTE-A系统的带宽扩展的需求。
载波聚合指聚合两个或更多的基本载波,满足更大的带宽需求[8]。载波聚合技术可以将离散的窄带信道看成一个成员载波,并将多个不连续分布的成员载波进行聚合,并统一分配给一个用户使用,这样可以产生大于原来窄带系统几倍的传输带宽,从而达到宽带传输的效果。
载波聚合的优点在于载波聚合是直接聚合多个成员载波,不需要重新设计物理信道和调制编码方案,因此也减少了对系统物理信道和调制编码方案的影响。
根据频谱的连续性,载波聚合方式一般分为连续载波聚合与非连续载波聚合。其中包含:单频段连续载波聚合A、单频段非连续载波聚合B、多频段非连续载波聚合C等3类主要场景。由于场景 A和B 中,聚合的基本载波相隔较近,聚合的复杂度会比较低,可能只需要一个射频单元。而场景C中聚合的基本载波相隔较远,聚合难度较大,但是具有较强的灵活性[9]。
230 MHz频段因为都是离散的频点,所以采用了单频段非连续载波聚合方式,如图2所示。
另外,LTE-A系统支持上下行非对称载波聚合,即上下行聚合的载波段数目可以不同。例如:用户设备下行传输需要40 MHz的带宽,系统聚合两个20 MHz的载波;而上行传输只需要20 MHz带宽,这时可以采用一个20 MHz载波,因为峰值速率高,峰均功率比(PAPR)低,控制信道开销小,分集增益更明显[10]。根据不同用户的不同需求,为其分配不同的带宽,可以增加用户的上下行数据传输速率,减少传输时延,提高系统的效率。
3.2 实现电路
随着数字中频技术的成熟,整个载波聚合的过程可以在中频通过数字电路来实现,文献[11,12,13,14]设计出载波聚合的实现电路,如图3所示。
图3是载波聚合的发送电路,每一个处理支路对应一个分量载波的生成。为了能够将多路数据合并为一路,子载波分量在完成了基带处理后,进行数模转换(DAC)和数字混频,数字混频可以将每个子带的基带信号搬移到它对应的频点;最后通过和路产生发送信号,并通过天线发送出去。其中基带处理器部分包括:卷积交织、调制、串并转换、傅里叶反变换(IFFT),以及插入循环前缀(cyclic prefix,CP)、上采样及滤波,如图4所示。
接收端在收到信号后,通过RF带通滤波器、混频,以及中频带通滤波、模数转换(ADC),最后进行基带处理来实现信号的提取。由于宽带接收机的中频带宽为223.025～235 MHz,共计约12 MHz,带宽较宽,功率较大,容易造成器件的饱和或损毁。如果对电网的40个频点分别接收,用40个模拟电路去接收40个频点,在中频滤波上只需要滤除25 kHz的频率范围,但是这样设计模拟电路会使模拟接收非常复杂,增加硬件成本。
根据230 MHz频段上的频谱分布,将可用频谱按照双工(主)、双工(从)、单工分为3个簇,第一簇(簇1)有15个频点,频率范围为:230.025～235.000 MHz;中间一簇(簇2)有10个频点,频率范围为:228.025～230.000 MHz;最后一簇(簇3)有15个频点,频率范围为:223.025～228.000 MHz。如图5所示。
将模拟部分分为3路接收,每路对应一簇,并对每路进行功率检测,接收机的分析带宽从12 MHz降为5 MHz,可以很大程度减少系统被强干扰信号阻塞的可能性,提高了模拟单元的可靠性。
由于智能配用电通信系统中的上行数据量远大于下行数据量,在子载波的分配上按照上行∶下行>1的比例进行分配,即将更多的资源分配给上行通道,能更好地提升系统效率。
3.3 性能分析
为了验证载波聚合的效果,本文对230 MHz频段载波聚合的传输速率进行估算。
按照3GPP TS36.211(物理信道和调制)中LTE物理资源的定义,见图6[15]。在时域上最小资源粒度为一个符号,在频域上最小粒度为子载波。子载波数与带宽有关:带宽越大,所包含的子载波越多。资源块(RB)是更大粒度的资源,包含时域Nsymb个连续符号和频域Nsymb个连续子载波。按照每个时隙传输的资源块数,可以估算出系统的传输速率。
传输速率的计算公式为:
式中:Nsymb为时域上一个时隙内的符号数;Nsc=NULRBN
在OFDM系统中,通常有3个主要的系数需要重点考虑:系统带宽W、业务数据速率R及多径时延扩展。对于低速并行的子载波而言,由于符号周期展宽,多径效应造成的时延扩展相对变小,当每个符号中插入一定的保护时间后,码间干扰就几乎可以忽略[16]。
根据符号周期Tsymbol=TOFDM+TCP,其中TOFDM为IFFT积分时间,TCP为保护时间。多径时延扩展直接决定了保护时间的大小,保护时间应至少是多径时延均方根τmax的2～4倍。在电力系统中,大部分移动终端都是固定安装的,因此τmax和TCP都很小,而且TCP≪TOFDM,它的影响可以忽略不计。另外,由于Δf=1/TOFDM,可以得出Tsymbol≈1/Δf。
根据电力系统的频谱特性,以25 kHz为一个子带(共计40个子带),由于需要保留一定的保护带宽,选择每个子带为22 kHz,计及相邻载波间隔Δf,则系统中的总的子载波数量为:
每个时隙内的符号数为:
子载波及其符号如表1所示。
表1中Tsymbol为符号周期,Δf表示相邻子载波间隔,Nsc为系统中总的子载波数量,Nsymb为每个时隙内的符号数。
根据3GPP 25.892协议,LTE建议的调制方式有正交相移键控调制(QPSK)、16进制正交振幅调制(16QAM)和64进制正交振幅调制(64QAM),使用的码率有:1/3,1/2,2/3,3/4,4/5。如果采用4/5码率的64QAM,当有640个有效资源块时,得到的最大传输速率为:
由于还有很多因素没有考虑进来,这只是一个大概的性能估计。从以上结果可以看出,载波聚合技术能显著提升系统的传输速率。
4 实验验证
为了进一步验证所提出的载波聚合的应用效果,在基于230 MHz电力专用频谱的新型电力无线宽带系统上进行实验验证。其实验室测试图如图7所示。
系统的技术指标如表2所示。
采用自适应调制编码(adaptive modulation and coding,AMC)技术,可以根据信道情况采用 QPSK,16QAM和64QAM等不同的调制编码方式,从而适应不同环境下的数据传输需要。低阶调制低码率可以容忍更高强度的干扰,但传输效率比较低;高阶调制高码率可以在信道条件比较好时获得更高的传输效率。系统在不同调制编码方式下在实验室环境中得到的上行传输速率均值如表3所示。
目前数传电台的最大传输速率为19.2 kbit/s,占用25 kHz的频带,其频谱效率为每赫兹0.768 bit/s;而通过聚合40个频点的载波聚合技术,占用了1 MHz频谱资源,峰值速率为上行1.76 Mbit/s,下行0.711 Mbit/s,最大频谱效率可达每赫兹2.47 bit/s,频谱效率提升了3.22倍。
5 结语
为了提高电力专用230 MHz频谱的频谱效率,本文提出将该频段上的40个离散频点进行载波聚合的思想。结合230 MHz频段的特点,本文通过数字电路实现载波聚合技术。通过对传输速率和频谱效率的计算和实验表明,载波聚合技术能有效提升频谱效率,为合理利用230 MHz频谱资源提出了一种很好的参考信息。
虽然系统实现了载波聚合功能,但较理想性能指标还有一定的距离,还需要在一些技术上做进一步的优化。在物理层设计中,需要优化频点分配和保护带宽的设计;在媒体访问控制(media access control,MAC)层和无线链路控制(radio link control,RLC)层设计中,要提高不同载波间的协调和调度性能;在控制信道设计上,需要更加合理地设计聚合载波的控制信道和信令。随着研究的不断深入,载波聚合技术一定会在提升电力频谱资源效率上发挥更大作用。
230MHz 篇3
国网天津市电力公司(以下简称“天津电力”)分别于2006 年和2010 年开始高压和低压用户用电信息采集系统建设,2011 年实现了高压和低压用户用电信息采集系统的整合,形成了覆盖整个天津地区电力用户的用电信息采集系统,其中35 k V及以上电压等级、10 k V电压等级且变压器容量为500 k VA及以上的大型专变用户使用数传电台组网方式的230 MHz无线专网与主站通信。基于230 MHz专网的数据传输具有实时性好、准确性高、安全性强等特点,运行初期230 MHz无线专网保持了较高的通信成功率,为天津电力电能量信息采集、有序用电等做出了巨大贡献。
随着经济的持续发展和业务量的增加,230 MHz无线专网用户数量和采集数据量增加较快,超出了系统的最大容量,出现了采集时间长、通信成功率低等问题,严重影响了用电信息采集系统的运行。如何对230 MHz无线专网进行合理优化,以满足日益增长的数据量需求,是目前亟待解决的问题。
本文介绍了用电信息采集系统230 MHz无线专网的构成,分析了天津电力230 MHz无线专网的运行情况及存在的问题,并提出了增加基站、分流终端的短期解决方案,以及进行升级改造、双信道组网的长期解决方案,以期提升天津电力230 MHz无线专网的性能,有利于系统的长远发展。
1 用电信息采集系统230 MHz无线专网简介
用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统。用电信息采集系统从逻辑上分为主站层、通信信道层和采集设备层,其中通信信道层是主站与采集设备之间的纽带,提供各种有线和无线通信信道,为主站和终端的信息交互提供链路基础[1],主要有230 MHz无线专网、GPRS/CDMA无线公网和光纤专网。用电信息采集系统逻辑构架如图1 所示。
230 MHz无线专网使用国家无线电管理委员会1991 年分配给电力负荷管理专用的无线频点(230 MHz频段的15 对双工频点和10 个单工频点),主要用于电力大型专用变压器用户用电信息采集和负荷控制[2]。
230 MHz无线专网系统由主站、基站、230 MHz无线信道以及采集终端组成,主站通信前置机通过串口服务器与基站电台通信,基站电台与终端电台利用天馈线发射的230 MHz无线电波实现信息的交互。230 MHz无线通信属于超短波无线通信,由于地面吸收大且电离层不能反射,因此其传输方式为点对点的直线传输,远距离传输时需要经中继站分段传输[3]。230 MHz无线专网系统结构示意如图2所示。
2 230 MHz无线专网运行情况及存在的问题分析
2.1 天津电力230 MHz无线专网运行情况
目前,天津电力用电信息采集系统230 MHz无线专网采用传统的230 MHz窄带通信,使用15对双工频点,基站电台和终端电台采用移频键控(Frequency Shift Keying,FSK)调制解调方式,无线传输速率为1 200 bit/s。
天津电力用电信息采集系统230 MHz无线专网覆盖了10 个地市公司,共计接入基站(中继站)20座,终端7 072 台。基站终端数量超过1 200 bit/s信道容量(600 台)的有8 座,其中东丽基站接入终端数量最多,为852 台。在运行中发现这些基站所在的230 MHz无线专网出现了数据采集时间过长、采集成功率低等问题,严重影响到了用户电费结算、有序用电等业务的顺利开展。
2.2 230 MHz无线专网存在的问题分析
2.2.1 巡测时间长
主站对终端数据的采集采用轮询方式[4],用电信息采集系统采集的数据项见表1 所列,采用1 200 bit/s通信速率时,通过计算可知采集1 台终端数据平均耗时约为70.2 s。以东丽基站为例,在通信成功率为100%、全部数据1 轮召测成功的情况下,完成所有852 台终端数据的轮询召测需要16.614 h。主站从0:05 开始第1 轮巡测,完成时间在17:00 左右,工作时间内信道一直被占用,各供电单位的安装调试、有序用电等工作必然受到限制。
在实际轮询过程中,如果主站与某台终端无法通信则会等待建立连接,当等待时间超过设置的轮询等待时间则跳过该终端进行其他终端的召测。事实上,如果主站无法在第1 轮巡测后完成所有终端的数据召测,则需要进行多轮数据补召,因此所需的时间远大于16.614 h,甚至到第2 天抄表时间开始前都无法完成所有数据的召测,从而导致采集成功率降低,线损增加。由此可见,巡测时间过长是230 MHz无线专网存在的主要问题。
2.2.2 系统容量不足
随着用电信息采集系统在互动化、电能质量在线监测等新型业务中的深入应用,召测数据的类型、数据量也将远多于表1 中的内容,召测工作无法在1 天内完成。在没有足够的巡测时间、频点资源有限的情况下,系统容量基本饱和,新增用户终端无法接入系统,严重制约了230 MHz无线专网的长远发展。由此可见,当前的系统容量已经无法满足天津电力各项业务的需求。
2.2.3 存在通信盲区或盲点
230 MHz无线专网基站覆盖范围在30 km左右,受地形地貌的影响,数据在传输过程中易受高山或高层建筑阻挡[5]。考虑到部分地区山区地形、高楼密集以及地域南北或东西狭长,存在230 MHz无线专网无法覆盖的地带,即盲区。
另外,230 MHz无线通信具有点对点直线传输的特点,要求所有终端天线朝向基站方向,中间不能有阻挡。在建设初期,基站天线塔的高度足以覆盖辖区内的所有终端,但随着辖区内高层建筑的不断增加,阻挡了部分终端与基站天线塔的直线连接,从而导致出现通信盲点。
主站无法对处在盲区或盲点的终端数据进行召测,采集成功率也随之降低。盲区或盲点也是制约230 MHz无线专网发展的一个重要因素。
3 解决方案
3.1 增加基站,分流终端,合理规划,频点复用
天津电力无线专网用电信息采集系统中超出1 200 bit/s信道容量(600 台)的基站数量有8 座,占基站总数的40%。可以在超标的基站覆盖范围内另建不同频点的基站,同时将部分终端改频到新基站下入网,分流终端,从而降低整体采集时间。
对于新增基站频点不足问题,可通过合理的小蜂窝组网、有效利用频点复用技术、增加信道的数量、扩大专网覆盖范围等手段,充分利用有限的资源获得最大的系统容量,同时也解决了盲区的问题。
基于上述方案,以东丽基站为例,该站点下852 台终端可分配一半到新基站下,东丽公司的数据采集时间可降低到8 h左右。
3.2 230 MHz无线专网升级改造
天津电力230 MHz无线专网基站和终端数传电台采用FSK调制解调方式,实现容易,抗噪声与抗衰减的性能较好[6],但是FSK只适合低速1 200 bit/s数据的传输,严重制约了用电信息采集系统数据业务的扩展和更新,需要改进调制解调方式以提高通信速率,进而降低巡测时间,提升系统容量。目前国内230 MHz无线专网已经实现了19 200 bit/s高速数传技术的应用[7,8],其通信速率、系统容量比传统的230 MHz无线专网系统提高了约10 倍,因此对天津电力230 MHz无线专网进行19 200 bit/s升级改造,将有效解决目前巡测时间长、系统容量不足的问题。
19 200 bit/s高速数传电台的调制解调方式有4-Level FSK硬件调制解调和8-Level连续相位频移键控(Continuous Phase Frequency Shift Keying,CPFSK)软件调制解调2 种。4-Level FSK硬件调制解调技术采用单工频点传输方式,应用独特流时序控制技术,支持7 级路由中继;8-Level CPFSK软件调制解调技术采用双工频点传输方式,以DSP数字信号处理器芯片为核心,支持在一块Modem板上实现多种调制解调制式,同时基于该技术通用性好的特点,可进一步提升到38 400 bit/s速率甚至更高。
对比这2 种制式的特点,考虑到升级改造的实用性和经济性,通用性好、兼容性高、技术延伸性强的8-Level CPFSK软件调制解调技术更适用于天津电力230 MHz无线专网。
3.3 以公网通信为辅助,实现双信道组网
随着终端安装数量的增加和系统业务的扩展,对于停电事件及时上报、高密度多种类曲线数据召测等业务,专网通信速率即使达到19 200 bit/s甚至38 400 bit/s,仍有可能无法满足要求。因此,可以考虑采用双通道方式进行组网,以230 MHz无线专网为主、以GPRS/CDMA/3G公网通信为辅,使终端具备双信道同时工作的能力。在双通道组网方式中,由实时性、保密性强的230 MHz无线专网完成负荷控制、参数下发、计量类数据的召测,由并发性强的无线公网完成曲线数据的召测、事件主动上报等任务,2 个信道相互独立、互不影响、互为备用,可降低系统的通信时长,增加系统接入终端的数量。此外,采用双信道组网,使处于盲区或盲点的用户可根据信号强度选择通信方式[9,10,11,12],从而有效消除通信盲区或盲点。
4 结语
本文介绍了用电信息采集系统230 MHz无线专网的构成,分析了天津电力230 MHz无线专网的运行情况及存在的问题,并提出了增加基站、分流终端的短期解决方案,以及进行升级改造、双信道组网的长期解决方案,最终得出结论如下:
1)增加基站、分流终端方案为传统解决方案,需要合理规划蜂窝,否则会产生同频蜂窝干扰现象,该方案可有效降低超标基站的轮询时间,但是对未超标基站的轮询时间没有效果,另外由于低速系统(1 200 bit/s)本身容量较小,随着未来终端的持续入网,改频后的基站容量很快会超出标准配置,因此该方案并没有在本质上提升系统的性能,只适用于在短期内解决超标基站所在的230 MHz无线专网中出现的问题;
2)升级改造方案在技术底层对230 MHz无线专网进行了升级改造,速率提升到19 200 bit/s,系统容量提高了约10 倍,从根本上解决了巡测时间长、系统容量不足的问题;
3)双信道组网方案作为升级改造方案的补充,在高速230 MHz无线专网的基础上增加无线公网作为辅助实现了双信道组网,有助于消除盲区或盲点,可进一步提高系统采集效率及容量,升级改造方案和双信道组网方案均有利于天津电力230 MHz无线专网的长远发展。
摘要：采用数传电台组网方式的230 MHz无线专网是用电信息采集系统的重要通信信道,其稳定性对系统的运行起到至关重要的作用。文章通过分析国网天津市电力公司230 MHz无线专网的运行情况,发现其存在数据巡测时间长、系统容量不足、基站覆盖区域有盲区或盲点等问题,并提出了增加基站、分流终端的短期解决方案,以及进行升级改造、双信道组网的长期解决方案,以期提升230 MHz无线专网的性能,有利于系统的长远发展和稳定运行。
关键词：230 MHz无线专网,用电信息采集系统,基站,终端
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230MHz 篇4
电力系统配电通信网目前采用有线和无线两种建设模式, 无线又分无线公网和无线专网两大类, 有线通信以EPON方式为主, 伴随着配网自动化的快速发展, 光纤的部署也在加快[1]。无线公网主要采用租用运营商GRPS电路方式[2], 适用于数量流量小, 通信光缆不便于覆盖的配网支路终端节点。但无线网络传输存在有信号盲区, 且信号会受到天气、遮挡、电磁波的干扰, 系统传输带宽低、可用性较低, 且采用公网方式, 其安全性较低, 不便于传输配电遥控等信号。
在EPON有线通信网络末端节点形成无线局域网, 利用电力频段230MHz的广覆盖特性, 原来通过GPRS方式通信的终端节点 (如故障指示器) 可以通过电力无线局域网接入电网EPON有线网络中, 从而形成一张完整的电力通信专网, 增强了电网的安全性。故本文提出以230MHz无线局域网来建设电力无线专网, 该网络具有高安全性等特点, 非常适合电力行业无线网络建设。
2 230MHz无线局域网
2.1频率资源
223-235MHz[3]可用于遥测、遥控、数据传输, 其中, 有360个频点由各地市无线电管理处自行审批。频点离散, 电力行业拥有40个授权频点 (如图1所示) , 是授权频点最多的行业, 很好地适应了电力系统的应用需求。230MHz的频谱不连续性是开发无线宽带系统过程中的棘手问题。
2.2网络架构
230 MHz无线局域网是基于蜂窝技术和230 MHz频率特点为电力行业深度定制的无线专网, 包括电力业务平台、EPON OLT、光纤线路、EPON ONU、230MHz网管设备、230MHz无线局域网基站设备以及230MHz无线终端, 230MHz无线终端可以内置或外置于电力行业终端设备 (配电终端、负控终端、集中器、采集器以及智能电表等) 。230MHz电力无线专网架构如图2所示。
3 230MHz无线局域网系统安全性分析
230MHz无线局域网通信系统具备强大的信息安全与加密功能, 可以根据电力场景进行深度定制, 能够提供多种物理隔离的解决方案, 保证全网安全可靠运行。
3.1安全解决方案
电力系统的信息安全传输是保障电网智能化工作的关键技术, 230MHz无线局域网通信系统利用3GPP标准规定的祖冲之加密算法以及加密认证, 在230MHz无线终端与230MHz无线微基站上采用国密通信算法, 与电网的密钥安全体系相对应, 从而保证了电力系统的信息传输的安全可靠。
3.2安全逻辑模型
230MHz无线局域网系统的安全层次模型如图3所示。本方案采用端到端的安全设计思想, 无线终端内置的安全芯片[4]和主站管理系统的加密机进行信息的由底层到高层的认证和加解密流程, 任何涉及到中间环节的信息监听和安全破坏, 都会被安全系统识别, 不会影响本系统的安全。
3.3安全流程
230MHz无线局域网系统采用国网主推的安全算法, 采用鉴权与加密方式确保系统安全, 如图4所示。
230MHz无线通信终端通信模块带有安全芯片且内置国密算法[5], 进行数据收发时, 启动鉴权操作, 进行正常数据收发。配电终端通信模块进行身份认证, 并解密数据, 判断信息的完整性、时效性及正确性, 并将有效数据提供给主站设备。配电终端上行数据可通过配电终端通信安全模块进行数据加密, 通过配网原有通信方式传输至主站, 主站通过密码机进行身份识别及解密, 将有效数据传输至主站设备, 保障数据传输的安全性。有效防止系统面临来自公共网络攻击的风险, 保障配电网络安全稳定运行。
4结束语
230MHz无线局域网通信系统充分利用EPON线路的回传特性, 通过无线方式组建了完整的电力专网, 并且使用了国网主推的安全认证体系, 说明该230MHz无线局域网具有高安全性, 对智能电网通信系统建设具有很好的参考意义。
参考文献
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230MHz 篇5
目前,各电力公司正在全面建设用电信息采集系统,实现全采集、全覆盖和全费控,系统建设已经进入攻坚阶段,大部分地区的用电信息已经实现了自动采集。但仍然存在着一些恶劣环境,包括复杂的城市地形、地下室以及偏远山区、农村等,电力的有线和无线专网无法到达,而GPRS公网信号比较弱或者不稳定,甚至没有,形成网络信号孤岛,无法承载用电信息采集业务的要求。
由于移动公网的网络覆盖广,无线公网成为集中器上行通信方式的主要选择,90% 以上的集中器采用GPRS通信方式上传到信息主站。因此对于这些网络信号孤岛问题,考虑通过实现GPRS通信方式是相对低成本的方案。目前可以通过延长天线馈线或者使用高增益天线、终端外移等技术手段解决GPRS信号不足问题。
1 现有解决 GPRS 信号不足方案简介
(1)地下室、受建筑物阻挡处 :通常的做法是使用高增益天线,或者延长天线馈线把天线外移,甚至可以把集中器外移,移到有信号的地方,只需在几十米内存在信号相对较强的地方即可,因为需要布线,施工相对复杂。
(2)偏远山区、农村信号弱覆盖地区 :偏远山区、农村存在几公里范围内信号很弱甚至无移动信号的情况,这种情况下一般无法安装集中器,还需要实行人工抄表 ;有些地方尝试使用卫星信号,因成本过高难以推广应用。
(3)基站交接处 :当集中器安装位置正好在基站交接处,GPRS信道自动选择信号强的基站,但由于基站的信号会不断的变化,特别是两个基站场强差不多的情况下,GPRS信号在这两个基站之间频繁切换,安装的集中器会频繁掉线,无法正常工作。这种情况下采用外移天线或外移集中器由于受信号衰减的影响,只能移动几十米,对解决信号不稳定没有实际意义。
以上的情况说明,现有的解决手段无法完全解决用电信息采集系统中遇到GPRS信号不足问题,主要原因是信号延长距离不足。对多年来基于230MHz无线通信技术在用电信息采集系统中的应用研究与探索,本文提出以230MHz数传电台为无线信号中继基础的GPRS信号延伸装置,以解决复杂或遍远环境中GPRS信号不足的问题。
2 230MHz无线中继GPRS信号延长器
2.1 230MHz无线信道简介
国家无线电管理委员会在1991年下发文件 [(1991) 国无管字5号 ],在关于电力负荷监控系统频率使用的批复中明确指出,230 MHz频段的15对双频频点和10个单频频点作为无线电力负荷管理系统的专用频点,其中,相邻频点间隔为50~150k Hz,带宽为25k Hz。230 MHz无线通信属于超短波无线通信,是利用223 ~ 231 MHz超短波频段电磁波进行的无线电通信。超短波通信由于地面吸收较大且电离层不能反射,只能靠直线方式传输,又被称为视距通信,最大传输距离约50 km。
230MHz无线信道通信系统的主要部分是数传电台,是借助DSP技术和无线电技术实现的数据传输设备。数传电台早期采用模拟电台加无线MODEM,通信速率,在1200bps以下,发展到目前的数字电台,采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。传输速率达19.2Kbps以上,具有场强测量、信道质量测量、登陆入网管理、误码统计、状态告警等功能,结构简图如图1所示。
2.2 GPRS 信号延长器的组成
本技术方案是把集中器的GPRS通信模块进行外移,通过230MHz无线数传电台的中继方式将原有的GPRS链路进行延伸,从而解决无线公网信号覆盖不足的问题。信号延长器的组成如图2所示。
GPRS信号延长器由终端替换模块、传输处理器、接收处理器三个部分组成,其中替换模块替代集中器上原有的GPRS通信模块,传输处理器和接收处理器各有一台内置230数传电台,以独立的无线方式提供无线信号中继,接收处理器则完成230MHz无线信号与GPRS信号的转换。
图3为GPRS信号延长器的传输处理器系统结构图,包含四种单元模块。电源单元 :负责为系统各部分提供所需的电源。230M无线通信单元 :负责与接收处理器建立230M无线通信的物理通道。控制单元 :负责驱动无线通信单元,对数据进行处理等。RS485本地通信单元 :负责通过RS485线与替换模块进行通信。
图4为GPRS信号延长器的接收处理器系统结构图,包含四种单元模块。电源单元 :负责为系统各部分提供所需的电源。230M无线通信单元 :负责与传输处理器建立230M无线通信的物理通道。控制单元 :负责驱动无线通信单元,对数据进行处理等。GPRS无线通信单元 :负责与移动基站进行通信。
2.3 GPRS 信号延长器的工作原理
在集中器把用电信息的相关数据采集处理后,替换模块把需要通过原GPRS通信模块 上传的数 据解析出 来,通过RS485接口发送给传输处理器。GPRS替换模块是延长器的关键部分,在实际使用过程中,必须用此模块提取集中器需要交换的数据,并兼容各个厂家的集中器。
传输处理器放置在集中器GPRS替换模块附近,通过RS485连接集中器的替换模块并交换数据,其内置的230高速数传电台与接收处理器进行数据交换。集中器GPRS替换模块和传输处理器实际为一个整体,其作为GPRS信号延长器的近端部分,都放置在GPRS信号不足的集中器安装地。
接收处理器放置在GPRS信号良好的地段,把原有的集中器GPRS模块安装在其上面,通过控制解析原集中器GPRS模块与用电信息采集系统进行数据交换,然后通过其内置的230高速数传电台与传输处理器进行数据交换,保证了近端部分能在GPRS信号不足的地方与其通信并最终通过自身连接上信息采集系统主站,从而达到“GPRS延长”的目的,最终解决集中器上行通信问题。
整体而言,GPRS信号延长器可分为近端部分和远端部分,其中近端部分放置在GPRS信号不足的地方,远端部分放置在有GPRS信号的地方。其中远端部分负责控制GPRS模块与主站通行,并通过230M无线数据传输与近端部分进行通信,而近端部分主要控制集中器并通过230MHz无线信号数据传输与远端部分通信。整个系统做到控制并远距离传输数据的功能,从而达到集中器能在GPRS信号不足地方正常工作。
GPRS信号延长器的对外接口和功能可概括如下表1所示。
3 设备应用特点
本设备方案以230MHz数传电台为信号中继基础,提出了一种解决偏远山区、农村及复杂环境下GPRS信号覆盖问题的装置,具有以下特点。
(1)实用性强 :本设备使用230MHz为信号中 继,属于电力 专用频段,无需额外申 请授权。设备 使用独立 电源供电,发射功率 可分5级软件设 置 :1W/3W/5W/7W/10W,采用超短波无线信道,穿透和绕射能力强,通信距离可以达到200m ~ 5km,能根据信号延伸距离的需要设置发射功率,节约能耗。
(2)通信效果好 : 采用窄带技术,具有较高的数传灵敏度。窄带230MHz数传采用4GFSK调制解调方式,通讯速率达19200bps,具有抗干扰能力强,传输距离远的特征。
(3)传输可靠性高 : 具有频道干扰规避的能力,在一个频道受到干扰时使用另一个频道通信 ; 使用了纠错算法,具有一定的抗突发干扰能力。
(4)安装、运维方便灵活 :使用GPRS信号延长器在解决GPRS信号不足问题的同时,有效规避了拉馈线、更换高增盖天线等复杂的额外操作 ; 同时解放了对集中器安装位置的限制,可以更好遵循电力企业的规划方案。
(5)网络稳定、方式灵活 : 信号延长器的传输处理器和接收处理器采用点对点通信,成套匹配使用,采用自适应跳频技术规避信道干扰,彻底避免单一频道可能被干扰的通信间题。支持多台设备同时、同地域正常运行,为同一地区大规模应用提供了可能。
4 实施效果
张家口地区地势西北高、东南低,阴山山脉横贯中部,将张家口市划分为坝上、坝下两大部分,地形复杂,高原、山区、丘陵地区无线信号覆盖严重不足,影响了用电信息采集覆盖率。2014年7月开始进行GPRS信号延长器的现场试验测试,试运行结果表明 :信号延长器兼容国网标准的集中器,在无明显阻挡的情况下,5km以内能够进行可靠的数据传输,满足GPRS信号长距离延伸的传输需要。
5 结语
本文提出一种基于230MHz无线数传电台中继的GPRS信号延伸装置。该装置包括替代集中器GPRS模块的替换模块、传输处理器与接收处理器,共同构成一个GPRS信号透传的传输延伸设备。设备具有安装、运维方便灵活,环境适用性强,网络稳定、方式灵活等特点,对于偏远山区、农村或者复杂环境下无线公网信号覆盖不足区域的用电信息采集系统建设具有很好的补充作用。本文给出的是适用于集中器的一个设备实例,方案技术同样适用于专变采集终端等具有GPRS通信功能的用电采集设备的信号延伸需求。
摘要：在用电信息采集系统广泛应用GPRS无线信号通道的情况下,存在部分用户环境下无线信号不足的问题,导致集中器与主站之间无法通信,制约了该项工作的开展。对多年来基于230MHz无线数传电台技术在用电信息采集系统中应用的研究,本文提出一种基于230MHz无线数传电台中继的GPRS信号延伸装置,给出解决GPRS无线信号不足的一种解决方案。
230MHz 篇6
230 MHz无线电台通信系统在电力负荷管理系统和用户用电信息采集系统中有着广泛的应用。然而,随着无线通信技术的发展,在不同时期投入应用的无线电台,虽然基本结构类似,但调制方式、波形结构、调制速率都有较大差别,不同的设备占用不同频段单独组网,独立运行,十分不利于系统的维护,而且,随着对高速通信电台设备需求的增加[1],使得通信系统结构更加复杂。
为了解决上述问题,本文基于GNU Radio系统提出了一种多信道、多传输速率、多调制方式的软件无线电多通道主站电台的系统结构。该系统在调制方式上与现有的无线电台设备全面兼容,覆盖整个电力系统230 MHz全双工频段,可以同时在多个频点运行,以不同的速率、调制方式进行通信,很好地保证了现有业务的正常运营。此外,基于软件无线电的系统具有极强的可配置性,为将来的业务拓展和设备升级提供了可靠保障,降低了系统的维护和升级成本。
1 230 MHz无线通信系统分析
230 MHz无线通信系统由主站电台和从站电台组成,主站采用全双工电台,从站采用半双工电台。无线电管理委员会将230 MHz频段的15对双频频点分配给电力系统专用[2],频点分配如表1所示。每个频点带宽为25 k Hz,相邻频点间隔为50~150 k Hz,15个接收/发送频点总带宽约为2 MHz,上下行频率间隔为7 MHz。
目前电力行业中使用的大部分是模拟调频电台,电台内增加调制解调模块后进行数据传输。早期的低速电台采用FSK,MSK等调制方式,传输速率为600~2 400 bps;高速电台采用GMSK调制方式,实现9 600 bps的信号收发。此外,部分地区运行着230 MHz频段的Mobitex系统,它直接采用GMSK调制,避免了第二级FM调制对信道资源的浪费,仅占用12.5 k Hz的射频带宽,实现了8 kbps数据传输。
2 GNU Radio主站电台总体设计
GNU Radio系统是一种运行于通用处理器(GPP)上的开放的软件无线电平台,并配以USRP(Universal Software Radio Peripheral)作为硬件射频前端。GNU(GNU’s Not Unix)是一个推进软件开放源代码的著名项目,由FSF(Free Software Foundation)提供支持。GNU Radio运行于Linux操作系统,其软件代码和硬件设计完全公开,其设计的核心思想是:基带信号处理过程由通用处理器而不是DSP实现;基带信号通过USB 2.0接口与USRP系统相连,由USRP上的FPGA实现数字上下变频,然后通过AD/DA芯片与射频子板连接;覆盖不同频段的射频子板将模拟信号变换到射频进行信号收发。
本文设计的多通道主站电台系统的系统结构如图1所示,由基带信号处理部分、USRP主板、230 MHz射频子板三个部分组成。
(1)基带信号处理部分
基带信号处理部分包括数据缓存、编解码、调制解调等模块。这部分的主要工作是基带信号处理模块和信号收发流图(Flow Graph)的设计。此外,可使用Wx Python跨平台GUI工具库编写人机交互界面,采用My SQL作为数据库系统。
(2)USRP主板
USRP主板实现了信号的中频处理,主要为数字上下变频操作。板载FPGA芯片采用了Altera公司生产的Cyclone系列芯片EP1C12Q240C8,设计开发工具为Quartus II 7.2,各模块逻辑采用Verilog语言描述。
(3)230 MHz射频子板
目前USRP配套的全双工子板没有覆盖到230 MHz频段,本文根据USRP主板与子板连接的接口说明,设计了收发频率覆盖200~250 MHz的射频子板。同时,由于子板输出功率过小,发送信号需外接至大功率天线设备输出。
3 GNU Radio主站电台基带信号处理
GNU Radio的基带信号处理编程基于C++和Python脚本语言的混合方式。C++执行效率较高,用于编写各种底层信号处理模块。Python是一种新型的脚本语言,用来编写连接各个信号处理模块的脚本,最终使之成为完整的信号收发流图。
3.1 GNU Radio基带信号处理模块设计
GNU Radio提供一个基带信号处理的底层模块库,含有100多种信号处理模块,如:滤波器,FFT变换、调制解调器、时频同步模块等[3]。
本系统同时支持多种无线通信电台,而不同电台的调制方式、信号速率可以不相同。通过分析可知,电台系统中基带信号所用的数字调制方式如FSK、MSK、GMSK等均属于恒包络调制方式,这些信号都可以通过FM调制器输出。
下面以GMSK调制模块为例简要说明GNU Radio信号处理模块的实现原理及实现方法。
从Python的角度来讲,GNU Radio提供了一种信号流图的抽象,用户可以方便地使用底层信号处理模块连接各种通信模块,最终组成完整的无线通信系统。首先从gnuradio包中导入gr和modulation_utils模块,并在__init__()方法的参数中定义模块中每符号的采样点个数、BT值和程序调试接口等。定义完这些参数之后,方法调用其父类gr_hier_block2的__init__()方法设定该模块的输入输出接口类型,本模块输入为要传输的数据字节,输出为GMSK的调制波形。
GMSK调制模块由三个底层信号处理模块构成,分别是字节到NRZ编码变换器,高斯滤波器和FM调制器(FM调制器模块需自行编写,系统提供的FM调制器输出为复采样信号,本调制器输出为实采样信号)。配置好这些模块之后,调用connect函数将这些模块连接,就形成了新的GMSK调制模块。其结构图如图2所示。其他调制方式如FSK、MSK调制模块与之十分类似,不再赘述。
通过Python语言构造信号处理模块非常灵活,大幅提高了代码的复用度。但由于底层模块库并不完备,在执行某些数据处理时还需采用C++语言编写对应的底层模块,如纠错编码、多相滤波发送、多相滤波接收等,编写底层模块的具体方法可参考文献[4]。
3.2 基带信号收发流图设计
本系统同时覆盖了230 MHz频段的15个双工频点,如果将这15个支路的信号分别通过独立的载波调制解调,系统将过于复杂。因此,本文采用了信道化收发机的系统结构,即一部收发机同时处理信道带宽内所有信道上的信号。
图3是主站电台信道化发射机基本调制原理框图。基带信号的处理分为了两部分工作:
第一步是由N个单通道基频发射机产生N个基带数字信号。对于普通数传电台,首先根据不同的基带调制方式(FSK、MSK、GMSK等)输出基带信号,再由FM基带正交调制器进行复合调制,调制完成后的基带信号数字谱带宽为25 k Hz。对于Mobitex电台,直接输出速率为8 kbps的GMSK基带正交信号,数字谱带宽为12.5 k Hz。
第二步将调制完成的各路基带信号进行插值滤波,并分别根据各路占用的不同频点,用移频因子ejωkt搬移到虚频点ωk(即射频频点相差230 MHz的基带频点)处,最后将所有支路上的信号整合,得到覆盖0~2 MHz的整合基带信号,其频谱结构如图4所示。在具体实现时,本文采用了基于多相结构的信道化发射机模型以提高计算效率和实时处理能力,实现细节请参阅文献[5]。
合路器输出的整合基带信号的复采样频率为6 MHz,精度为8 bit,这样每个复采样点占据2个字节,通过USB2.0接口传输到USRP,双向收发占用的USB带宽为24 MByte/s。在USRP中,基带信号再通过插值和滤波变换为固定速率的中频信号并送到D/A转换器转换为模拟信号,最后在射频子板转换为射频信号发射。
4 USRP主板FPGA配置
USRP主板上可支持两路信号并行收发,结构框图如图5所示,本文中只使用其中一路。FPGA芯片处于USRP主板中的核心位置,内部逻辑通过Verilog语言描述。它的主要功能是将ADC采来的中频信号进行数字下变频(DDC),并将基带信号进行插值滤波、速率匹配、输出到DAC进行数字上变频(DUC),同时还要控制子板信号收发,适配各路ADC,DAC与PC机之间的数据交换。
USRP提供了标准系统的Verilog代码供用户使用,但需要针对不同的信号带宽,信号精度和外插子板情况对Verilog文件进行改写并重新编译后,下载到FPGA中运行。
本系统中,AD采样输出的数据为两路12 bits、64 MSample/s的正交中频信号,FPGA要首先对其中有用的信号进行下变频。
数字下变频的第一步是对信号进行混频,这部分主要由乘法器和DCO组成。USRP采用坐标旋转数字计算(CORDIC)算法生成正弦和余弦信号[6],与常规的查表法不同,CORDIC算法不占用存储器空间,仅使用移位寄存器和加法器就可产生正余弦信号,具有很好的NCO的精度。
数字下变频的第二个环节是对混频后的信号进行抽取滤波,以便降低软件解调的计算复杂度。USRP使用了由一个4级CIC抽取滤波器和一个31阶半带滤波器组成的混合滤波器结构。CIC滤波器为整系数滤波器,滤波时无需乘法运算,而半带滤波器有一半系数为零,这样在滤波时大大减少了计算量[7]。滤波的同时,在CIC滤波器实现了4倍的数据抽取,在半带滤波器实现了2倍的数据抽取,这样就得到了带宽为2 MHz的两路8 bits,8 MSample/s的正交基带信号。
对于发送信号,FPGA将USB传输的低速率基带信号进行插值并滤波,变换为32 MSample/s的采样信号并输出到DAC单元的数字上变频模块中,最终以两路14 bits,128 MSample/s的速度转换为模拟信号。
5 230 MHz射频子板的实现
USRP的子板有很多种规格,分别针对了基带信号处理、广播电视接收、移动通信信号处理等领域。但由于在230 MHz频段没有可用的全双工子卡,本文根据USRP与子卡的接口说明,设计了针对230 MHz频段应用的全双工子卡,实现信号收发。其硬件实现结构如图6所示。
230 MHz子板采用AD8345和AD8348分别作为调制器和解调器。AD8345是ANALOG DEVICES公司推出的正交调制器,其工作频率为140~1000MHz,在数字通信系统中可用作中频调制器或直接上变频器。AD8348是ANALOG DEVICES公司推出的正交解调器,其工作频率为50~1000 MHz,解调带宽75 MHz,内部集成中频可变增益放大器。
AD8345和AD8348输入的本振频率是两块ADF4360-7锁相环输出的,本振频率分别为460 MHz和446 MHz。460 MHz的信号在ADF4360-7内部二分频输出至AD8345,446 MHz信号在AD8348内部进行二分频。芯片内部VCO的中心频率设为460 MHz,这个中心振荡频率值是由外部电感设置的,它们之间的对应关系为:
通过计算可得,外部电感的值为3.84 n H。子板系统中晶振输出的参考频率为10 MHz,通过SPI总线控制配置ADF4360中的14位R计数器值为200,再配置N计数器数值,就可以以50 k Hz的步长,覆盖420~500 MHz的频率范围。
此外,由于USRP的板载电源功率过小,子板的天线接口只能提供了100 MW的功率输出,而一般的230 MHz主站电台的功率为15 W左右,因此,还需要在另外加装高增益的外接天线。
6 结束语
本文提出了一种基于GNU Radio的多速率、多种调制方式、多信道的软件无线电主站电台的系统结构。该系统基于通用硬件平台,成本较低,既充分的利用了现有的无线电台资源,实现多种电台的全面兼容,又为将来的业务拓展和设备升级提供了保证。该系统使用纯软件的信号处理具有很大的灵活性,采用高级语言(C/C++、Python)进行系统开发,扩展性和可移植性强,开发周期短,并且随着CPU处理能力的不断提高以及软件技术的进步,系统性能还有进一步提升的空间。
参考文献
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230MHz 篇7
目前,缺乏针对电力230 MHz无线信号在居民楼内传播特性进行分析测试的研究。电力230 MHz无线通信系统应用研究多为通信系统设计、载波聚合及无线通信组网[1,2,3]。在电力无线通信应用现场的信道特性研究方面,文献[4]研究了某城市配用电无线宽带TD-LTE专网无线传播模型及其参数校正技术应用于大量建筑物存在情况下的城市电力无线通信,文献[5]研究了不同电力应用环境下无线信道特性参数对传感器网络生命周期的影响,文献[6]研究了电力环境信道噪声参数并有针对性地设计了纠错编码,文献[7]对450 MHz无线信号在室外传播特性进行了测量、分析并建立了信道模型。
本文从智能电表应用场景的实际情况出发,对电力230 MHz无线信号在高层居民楼的传播特性进行了研究,提出射线追踪法与室内几何散射模型相结合的信道模型分析方法,通过软件仿真和实际测量验证方法的可信性,为智能电表和集中器组成的用电信息采集系统在居民楼内的安装布局及信号处理提供一定的参考和借鉴。
1 传播信道模型
研究无线信号在某个特定环境中的传播特性主要依靠确定性信道模型。其中,基于几何光学的射线追踪法[8,9]是将发射天线视为点源,向各个方向均匀发出多条射线模拟信号发射,对发出的每一条射线进行传播路径追踪,在遇到阻碍物时,根据几何光学原理按反射、透射来进行路径追踪,直到该条路径信号被接收天线接收或满足退出追踪条件。由于从发射天线向四周空间发出的射线数量有限,无法保证在接收天线处得到所有到达的追踪路径射线,因此引入“接收球”的概念[10]进行补偿。根据射线与接收天线处设置的“接收球”相交来判定该射线是否到达接收天线,再根据发射天线处的射线密度来进行射线能量归一化处理,经过矢量叠加和传播路径衰减计算,实现信号传播特性预测。
虽然基于几何光学的射线追踪法和“接收球”概念在存储空间和运算量上相比其他算法具有一定的优势,但该方法是基于所有路径仅存在反射或透射传播的假设,某一条射线的归一化能量只存在与“接收球”相交或不相交两种情况,当无线信号传播空间中存在散射物体时,造成射线发散,归一化能量可能被“接收球”“部分”接收,最终使得计算结果出现误差。因此,在电力无线通信信号在居民楼电竖井中的传播信道模型需要在射线追踪法的基础上,引入室内几何散射模型[11],修正场景中散射体对信号传播的影响。
综合上述方法,建立无线信号信道传播模型:追踪从信号源发出的某一条射线,当遇到障碍物时,将根据障碍物的性质,进行反射/透射处理或进行散射处理,然后进行下一步追踪。因此,接收天线接收到的无线信号包括两部分,一部分是通过反射/透射传播的无线信号,另一部分是通过散射传播的无线信号,通过以下方程对信道进行建模:
式(1)中,ai表示信号经过反射/透射后的传播衰减,φi表示信号经过反射/透射后的到达角,bk表示信号经过散射后的传播衰减,θk表示信号经过散射后的到达角。
ai可以通过下式进行计算[12]
式(2)中,d表示信号传播距离,f表示信号频率,Lt表示信号在收发天线间穿过楼层地板(透射)时的衰减,由透射系数决定[13],Lr表示信号在通过四周墙体和地板反射时的衰减,由反射系数决定[14]。η1、η2分别表示电磁波在媒介1和媒介2中的波阻抗,φ1、φ2分别表示相对应的入射角和折射角,表示电磁波在障碍物中传播时的电长度,h表示可透射障碍物的厚度,εr表示障碍物复相对介电常数,φ2表示发生第一次折射的折射角,λ表示对应电磁波的波长。
对于式(1)中的散射传播信号传播衰减bk,可以通过基本黎曼和方法[15]进行计算
式(3)中,gθ(θk)=[pθ(θk)+pθ(-θk)]/2是到达角θk概率分布函数pθ(θ)的偶数部分,θk=π(k-0.5)/M,σ表示该条入射射线的功率,M表示进行散射计算区域中根据到达角分辩率计算得到的均匀分布的散射点数量。概率分布函数pθ(θ)可以通过下式计算得到:
式(4)中,以水平面中心为原点建立直角坐标系,L和W分别表示水平面长宽尺寸,接收天线位于(l,w)处。
2 仿真设置与仿真结果
2.1 场景参数设置及仿真实施过程
在某小区高层居民楼内进行实际测试,如图1所示,电竖井宽1.5 m,长2.5 m,单层楼高3.0 m,地面向上共14层,电竖井四周为钢筋混凝土材料,地面为普通混凝土材料。在电竖井内,有五条上下贯通的圆柱形管道,管道直径10 cm,间隔20 cm,在仿真场景中作为散射体考虑。将230 MHz微功率无线收发模块安装在距离电竖井门口1.2 m处墙上,安装高度1.5 m。由于需要和楼顶的终端设备连接,用于将整栋楼的数据通过楼顶的天线无线发送到小区配电室,将集中器安装在第14楼电竖井内。
按照此应用场景在仿真软件中建立场景模型,仿真230 MHz无线信号在电竖井内传播路径,计算230 MHz微功率无线收发模块在不同楼层时接收到的信号强度。钢筋混凝土和普通混凝土地面的复相对介电常数[16,17,18]分别为εr1=11.5-2.2j,εr2=6.4-2.0j。在射线追踪计算中,设置相邻发射射线间隔为0.25°,“接收球”的半径r与相邻射线夹角α、信号传播距离d相关,取。
对于反射和透射,当传播信号所剩余的信号强度约为原始信号强度的10-5时,停止射线追踪。将钢筋混凝土的相对介电常数εr1带入进行计算可知若无线信号从四周钢筋混凝土墙壁透射出电竖井再经过反射后透射回电竖井,信号衰减将超过上述设定追踪阈值。因此,为了简化仿真计算过程,假设四周钢筋混凝土墙壁只考虑信号反射,普通混凝土地面考虑信号反射和透射。
对于散射,根据前面的假设,只考虑一次散射传播过程,即当射线遇到散射障碍物时,则只追踪散射障碍物与接收天线间的传播路径,而不追踪其他散射路径。此外,每个散射障碍物被假设为是全向辐射元件,且都具有相同的反射系数。
2.2 仿真计算与实测结果对比
仿真结果如图3所示,圆形标注曲线为仿真结果,对比自由空间传播衰减(图3中三角形标注曲线),由于存在障碍物影响,230 MHz无线信号在居民楼电竖井中的传播衰减更大;对比没有考虑散射体影响的仿真结果(图3中正方形标注曲线),接收天线能够接收到更多的多径信号传播能量。
为了验证仿真结果,在上述高层居民楼内,利用一对230 MHz微功率无线收发模块进行实际接收信号强度测量。如图2所示,230 MHz微功率无线收发模块主要由射频前端、收发处理单元、控制单元、电源模块等组成。射频前端通过SMA接口连接天线用于无线信号收发,控制模块通过标准串口与电脑进行数据交互。无线信号调制方式为2 GFSK,信号中心频率230.000 MHz,频偏5 k Hz,码速率为4 800 bps,无线信号发射功率为20d Bm,接收灵敏度为-110 d Bm。在电竖井不同楼层进行无线信号通信并在接收端输出接收信号强度指示值(received signal strength indication,RSSI)至电脑界面。
在实测过程中,1~14层的微功率无线收发模块均能与集中器正常通信,在每一层楼进行多次测量,实际接收信号的功率值Pd Bm(d Bm)与微功率无线收发模块输出RSSI值之间的关系为[19]
式(5)中,RSSICOMP值为0x40。通过式(5)计算得到接收信号功率,经过归一化处理,将各楼层的接收信号功率求平均后进行拟合,结果如图3中星形标注曲线所示。
图3结果表明,相对于没有室内几何散射模型的仿真结果,结合射线追踪法和室内几何散射模型的仿真结果与实测结果更具有一致性(均方根误差相对更小)。个别点偏离拟合曲线,分析其原因为电竖井中部分楼道门的开放性、环境介电常数差异、个别楼层堆放其他杂物等原因引起。
2.3 均方根时延扩展计算
在电力无线信号实际应用中,需要考虑信号的有效覆盖范围,也即当智能电表微功率无线模块的信号发射功率一定时,需要研究信号在实际安装场景中的传播衰减及均方根时延扩展特性。研究信号的传播衰减特性,能够设计合理的设备通信距离,尤其是集中器相对各智能电表的距离;研究信道冲激响应有效持续时间(均方根时延扩展),能够设计合理的数据处理方式,避免多径信号干扰。由2.2节可见,仿真计算结果和实测结果保持一致,通过仿真结果,可以计算230 MHz电力无线通信信号在高层居民楼电竖井中的信道特征模型参数。均方根时延扩展τrms是信道研究的一个重要参数,它表示了信道冲激响应的有效持续时间,可以由各个多径分量的功率和到达时间计算得到[20]
式(6)中,an和τn分别表示不同多径分量的幅度和到达时延(相对第一径),G表示所有多径分量的总功率。接收信号均方根时延扩展的累积概率分布如图4所示,当累计概率达到0.5时,均方根延时扩展为6.3 ns,最大均方根时延扩展为17.28 ns。
3 结论
以高层居民楼电竖井无线信道为研究对象,本文采用射线追踪和室内几何散射模型相结合的方法,对230 MHz电力无线通信信号在该信道环境中的传播特性进行了仿真建模和计算,并对无线信号的实际传播性能进行了现场测量。仿真计算结果与实际测量结果保持一致,说明通过仿真软件建立的仿真模型科学有效,能够用于230 MHz无线信号在高层居民楼电竖井中传播特性的仿真模拟。
由仿真及实测结果可见,电力230 MHz无线通信信号在电竖井中传播时平均每一层楼引起的衰减约为8 d B,应合理设置集中器与智能电表间无线通信功率裕量,减少因衰减过大引起的无线通信链路中断等问题。同时,根据仿真计算得到的均方根时延扩展,应考虑系统相干带宽,避免接收信号失真和引起符号间干扰。
摘要：针对授权的电力系统230 MHz频段,对高层居民楼电竖井内无线传播信道特性进行研究。在仿真软件中建立应用场景模型,提出射线追踪与室内几何散射模型相结合的方法,对无线信号传播路径、到达角、信号强度等进行仿真计算,分析无线信号通过不同数量楼层时的传播特性,并在实际居民楼中对无线信号传播特性进行试验。对比结果表明,仿真结果与实测结果具有很强的关联性,每层楼平均传播衰减8 d B,最大均方根时延扩展17.28 ns。传播特性研究结果为在高层居民楼电竖井中部署230 MHz电力无线通信网络并进行网络性能优化提供了参考。