0 引言

    随着国家智能电网的发展，电力业务对通信信道提出了全新、更高的要求。目前智能电网中远程通信主要采用光纤和无线方式。光纤由于受成本、地域等因素的限制，难以实现对配用电通信接入网的全覆盖。无线方式作为光纤通信的有力补充手段，正承载着越来越多的电力通信业务。目前无线方式主要有无线公网和无线专网两种方式。无线公网前期投资少、建设周期短、业务部署和开展快，但随着配用电系统规模的扩大，逐渐暴露出采集成功率低、存在信息安全隐患、不同电力用户优先级无保障等问题。现有的电力无线专网如230数传电台、1 800 MHz无线宽带通信系统存在速率低、覆盖能力较弱、建网和运营成本较高、与电力业务结合能力一般等诸多问题，限制了它们在智能电网中进一步的发展和推广。新型LTE230无线通信系统充分利用低频段覆盖距离远以及4G LTE先进技术的优势，具有大容量、广覆盖、高效率、高安全性等特点，在电力无线专网领域受到越来越多的关注^[1]。

1 系统分析

    LTE230电力无线通信系统可直接部署在230 MHz电力专用40个授权频点上，符合国家对低频段的技术升级改造政策，当前LTE230电力无线通信专网已经在北京东城区^[1]、江苏扬州^[2]、浙江海盐^[3]等多处开展了试点工作，为电力通信专网建设提供了良好的借鉴意义和示范作用。这些试验网的结构和图1都基本类似。在图1中，业务平台、监控中心及eOMC网管系统为LTE230系统的主站平台；EPC为核心网, eNodeB230为基站;基站和终端通过无线的方式进行数据传输，终端类型主要有四种：配电终端、负控终端、用电信息采集终端（集中器、采集器、智能电表）和视频监控终端。前三种终端承载对通信速率要求较低的小带宽业务，最后一种承载对通信速率要求较高的大带宽业务。这种小带宽与大带宽业务并存，小带宽业务为主^[1]是智能电网配用电业务的一个重要特点。

    当前这些LTE230试验网终端解决方案基本都是采用业界通用的CPU和DSP，外加FPGA和DDR存储器的板级方案实现的，且针对小带宽业务和大带宽业务采用不同的软硬件平台，这种终端实现方式存在成本高、功耗大、软硬件维护工作量大等问题，极大地限制了LTE230电力无线通信专网的进一步的推广和应用。因此，开发具有高性能、低成本、低功耗的LTE230无线通信基带芯片（简称LTE230芯片），并在此基础上开展芯片终端产品的应用研究，对于推进电力无线通信专网的产业化具有重要意义。

2 芯片设计

    针对智能电网配用电业务大、小带宽的特点，在芯片设计须同时考虑高性能和低成本两种终端的需要。

2.1 芯片结构

    芯片整体结构如图2所示，采用三级AMBA总线架构:一级为64位的高带宽AXI总线、二级为32位高性能AHB总线、三级为32位低速APB外设总线。

    AXI总线是一个矩阵式结构，采用全联通模式。AXI总线上主要的模块有：DSP核、系统DMA、中频IF Enginee、Turbo Decoder硬件加速器、2组嵌入式大容量存储器eDRAM。

    AHB总线的设备主要包括中断控制器DSP INTC、BootROM、SPI Flash控制器SPI_FLSCTRL，以及中频、Turbo Decoder和DMA的寄存器配置接口。

    APB总线上的设备主要包括SPI_HOSTIF、射频配置接口SPI_RFCFG、以太网接口SPI_MAC、定时器Timer、串口UART、I2C控制器、看门狗WDT、GPIO模块、系统控制单元 SCU、PWM模块。APB总上的各种SPI控制器及串口都支持DMA模式。

2.2 关键技术

    芯片内部集成了高性能的DSP处理器，DSP采用哈佛结构，可同时支持4 MAC操作；DSP核内嵌高速TCM和Cache，可有效平滑高速DSP内核和相对低速的eDRAM存储器之间读写操作的访问延迟，使系统整体性能较优。DSP内嵌功耗管理模块PSU(Power Scaling Unit)，支持多种功耗管理模式，通过软件指令、外部中断及SCU的控制，可根据应用场景需求快速的在不同的功耗管理之间进行切换，从而满足系统待机、DRX周期、低速及全速运行等场景下的功耗和性能要求。

    芯片内置高密度大容量的嵌入式存储器eDRAM，eDRAM接口时序简单，读写延迟小,无需复杂的控制器,面积只有普通SRAM的1/3；另外相比于外置DDR的存储方式，没有IO的功耗损失，BOM成本也较低，故在性能、功耗和成本上都有很好的兼顾。在芯片设计时，考虑系统内存带宽的需求，采用两组片内eDRAM的方式，芯片内的主设备如DSP，若其指令和数据分别存放在不同的eDRAM内，则可并行读取指令和数据，大大缩短了内存访问延迟，提高了系统的性能。此外eDRAM提供了正常读写、Standby、Self Refresh和power down多种功耗模式，可根据系统场景来切换。

    230 MHz频段系统资源呈无规则、梳状结构，频点分布离散。芯片独有的中频模块接收来自前端射频芯片出来的数据，由于频谱的不连续性，中频模块将会进行两级混频、下采样及滤波操作，从射频接收的数据中抽取出对应频点的数据，经中频内置的DMA模块经总线送到eDRAM中，同时发送中断通知DSP来做进一步处理。上行链路和下行链路相似，但是一个相反的过程。同时中频模块采用乘法器时分复用的高阶数字滤波器，可对带外的干扰信号进行很好的抑制，以很小电路面积来保证系统的性能。由于芯片支持的TDD模式，收发不会同时进行，故中频模块可在自身收发时序控制下采用数据流驱动的时钟门控技术，动态地开关上下行数据链路的时钟，以达到减少功耗的目的。

    LTE230采用和4G LTE相同的物理层信道编解码方式，其物理层下行共享信道PDSCH采用的是Turbo码，Turbo译码算法运算量很大；同时由于LTE230须支持40个离散频点，依靠DSP软译码的方式对MIPS要求太高，故芯片中内置了硬件加速器Turbo Decoder。Turbo Decoder支持链表的数据结构，可在一次配置后进行多个频点、多个码块的译码操作，其间无须DSP干预。

3 芯片应用

    针对电力大、小带宽业务的特点，应用LTE230芯片，可开发两类终端产品：LTE通信模块(LTE Communication Module，简称LCM）和用户终端设备（Customer Premises Equipment，简称CPE）^[1]。LCM终端强调的是低功耗、低成本、小体积，CPE终端侧重的是高性能。

    LCM硬件平台如图3所示，提供UART业务物理接口，支持的频点通常为1~8个，有效数据速率一般为几十千比特每秒到一百多千比特每秒，可满足窄带数传、远程控制通信等低速率的无线通信需求。

    CPE硬件平台如图4所示，配备UART、10/100 M自适应以太网等业务物理接口，最大支持40个频点，上、下等峰值速率分别为1.76 Mb/s和0.71 Mb/s，主要用于承载视频监控等高速数据传输。

    实际应用中，90%以上的终端数量是LCM，成本和功耗是一个重要的考虑因素，在硬件实现时尽量简单，采用LTE230芯片+射频RF芯片的方案。LTE230芯片的一个串口用于调试，另一个串口用来和电力终端进行数据交换。操作系统和基带处理软件在系统启动时通过BootCode从片外SPI Flash存储器加载到芯片内部的TCM和eDRAM存储器中。LTE230 的DSP运行实时操作系统Nucleus，且其基带处理除物理层(PHY)时域部分 (含载波聚合)是用中频模块硬件电路实现的，其余的物理层的频域处理和比特级/符号级处理、协议层的媒体访问控制(MAC)和无线资源控制(RRC)^[4]、网络层的TCP/IP协议、射频前端收发配置以及芯片内外大量设备的管理都是用DSP软件来实现。

    在高性能的CPE平台中，支持的数据速率高，单DSP方案无法提高足够的处理能力，故在LCM平台的基础上，外加一个高性能低功耗的基于ARM Cortex M3的 MCU(考虑到市场上MCU的成熟度及内嵌Flash工艺的特殊性，芯片未集成MCU)。LTE230芯片专注于基带物理层的处理，协议层和网络层的处理由MCU来完成。MCU和DSP运行相同实时操作系统，通过SPI控制器交换物理层传输信道(Transport Channels)^[4]的数据。MCU内嵌大容量Flash存储器，可用来存储MCU及DSP的整个软件系统，无需外接SPI Flash存储器。在系统初始化时，MCU可在DSP的BootCode配合下，通过SPI接口将DSP所需软件下载到LTE230芯片的TCM和eDRAM存储器中。

4 结论

    基于LTE230无线通信基带芯片的LCM和CPE的软硬件平台已进行了初步的原型验证，结果表明，在成本、功耗、软硬系统维护及升级便利性等方面，相比于现有的基于“ADI DSP+FPGA+DDR”的LCM终端平台和基于“TI OMAP处理器+FPGA+DDR”的CPE终端平台，有着明显的优势，这对加速智能电网中LTE230电力无线通信系统的建设有着重要的参考意义。

参考文献

[1] 李金友，闫磊，齐欢，等.基于LTE230系统的电力无线通信专网研究与实践[J].电气技术，2014(1)：132-134.

[2] 蔡斌，李雪平，祝峰.LTE230无线宽带通信网络在扬州配网自动化中的研究与应用[J].中国无线电，2013(11)：38-41.

[3] 吴文绍.TD-LTE230无线宽带系统在县电力公司中的应用[J].电力信息化，2012，10（11）：58-62.

[4] 3GPP TS36.201 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；LTE Physical Layer-General Description[S].2009.