基于19.2 kbps軟件調(diào)制解調(diào)器的數(shù)傳網(wǎng)系統(tǒng)提速

李 力，魯 奕

（1.上海協(xié)同科技股份有限公司，上海 200063；2.上海理工大學(xué) 光電和計算機學(xué)院，上海 200093）

為提高電能利用效率、促進(jìn)電力資源優(yōu)化配置、保障用電秩序，國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等六部委于2010年11月發(fā)布《電力需求側(cè)管理辦法》?！峨娏π枨髠?cè)管理辦法》規(guī)定，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)加強對電力用戶用電信息的采集、分析，為電力用戶實施電力需求側(cè)管理提供技術(shù)支撐和信息服務(wù)。

230MHz無線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”）是供電企業(yè)用于實施電力需求側(cè)管理的主要技術(shù)支撐，承擔(dān)著對用電現(xiàn)場的各種用電信息的實時采集與用電管理任務(wù)，不僅具有全面的采集功能，而且還具備遠(yuǎn)方控制功能。系統(tǒng)通過230MHz無線電臺實現(xiàn)系統(tǒng)主站與用電側(cè)終端之間的大量數(shù)據(jù)和命令的傳遞，因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率直接影響到系統(tǒng)所能容納的終端數(shù)量以及系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。探索速度更快、性能更好的調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)是非常必要和有意義的。

1 230MHz無線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

230MHz無線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)主要興建于20世紀(jì)90年代，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，電力用戶數(shù)出現(xiàn)了成倍增長，系統(tǒng)被不斷擴容，全國網(wǎng)內(nèi)終端數(shù)量已超過50萬套。另一方面，隨著供用電管理和服務(wù)要求的不斷提高，系統(tǒng)功能也日益擴展，數(shù)據(jù)采集和傳輸量倍增，而系統(tǒng)的數(shù)傳速率雖然也由最初的600 bps提高到了1 200 bps、2 400 bps，但仍然都處于低速組網(wǎng)，各地系統(tǒng)日常數(shù)據(jù)巡測大都處于超負(fù)荷運行狀態(tài)，如：天津、長沙、昆明、鞍山等系統(tǒng)每日對終端抄表數(shù)據(jù)的巡測一般都要從凌晨開始到當(dāng)天中午甚至下午才能結(jié)束，已無法達(dá)到巡測任務(wù)每日上午8：00前結(jié)束的系統(tǒng)設(shè)計要求。低速的數(shù)傳技術(shù)和組網(wǎng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)應(yīng)用的要求，并成為系統(tǒng)發(fā)展的最主要瓶頸。

2 19.2 kbps軟件調(diào)制解調(diào)器性能及特點

超短波無線智能調(diào)制解調(diào)器MD192（以下簡稱“MD192”）是采用先進(jìn)的DSP技術(shù)實現(xiàn)的能夠在超短波無線窄帶話音信道上進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母叨燃苫?、軟件化和智能化的一款調(diào)制解調(diào)器［1］，原理如圖1所示。

圖1 MD192調(diào)制解調(diào)器原理

采用MD192實現(xiàn)在230MHz無線窄帶話音信道上的高速數(shù)傳方案，與采用一般的微處理器加專用調(diào)制解調(diào)芯片（如：FX589）的GMSK調(diào)制解調(diào)器方案相比，具有以下5個優(yōu)點。

（1）對電臺的要求低，無需改裝電臺。采用了8電平CPFSK調(diào)制，降低了對帶寬的要求，也就降低了對電臺的要求，同時借助自適應(yīng)均衡算法［1］，對低端頻率響應(yīng)進(jìn)行補償校正，即使對于未采用2點調(diào)制的一般電臺，也能可靠地進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，而不需要對電臺進(jìn)行改裝。

（2）具有更強的糾錯性能：①采用了超強前向糾錯GF（256）Reed-Solomon碼和交織算法的結(jié)合［1］，在惡劣的通信環(huán)境中仍能可靠通信；②采用快速自適應(yīng)均衡技術(shù)，消除了在傳輸中由于多徑、群延時引起的波形失真、混疊，以獲得最佳的接收性能。

（3）傳輸速率最高達(dá)19.2 kbps，且能實現(xiàn)9.6 kbps到19.2 kbps的無縫過渡。同時支持4.8/9.6/19.2 kbps 3檔速率，僅需通過AT指令設(shè)置就能更換，不需任何的額外成本。

（4）具有傳輸速率自適應(yīng)功能，可實現(xiàn)同一傳輸網(wǎng)內(nèi)多速率共存，組網(wǎng)方便。通信網(wǎng)中的主站或各個子站可以根據(jù)實際的通信環(huán)境或者遠(yuǎn)近采用不同的通信速率：對于距離遠(yuǎn)、場強弱的點采用9.6 kbps或更低的4.8 kbps，以保證通信的可靠性；對于場強強的可采用19.2 kbps，節(jié)省通信時間。

（5）具有更強的可擴展性和兼容性，滿足系統(tǒng)未來的升級需求。通用的硬件結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計，使得升級非常簡單，僅需在線更新軟件程序即可。

3 系統(tǒng)提速方案

在電力負(fù)荷管理系統(tǒng)中一個完整的命令應(yīng)答過程及其各段時間消耗如圖2所示。一般系統(tǒng)主站發(fā)送的數(shù)據(jù)召測命令報文的長度為幾十個字節(jié)，終端應(yīng)答報文的長度有長有短，一般不超過255個字節(jié)。

圖2 完整的命令應(yīng)答過程及其各段時間消耗

假設(shè)系統(tǒng)每臺終端單日數(shù)據(jù)傳送主臺平均需要10幀報文，即10個命令應(yīng)答過程，召測命令報文平均長20字節(jié)，應(yīng)答報文平均長128字節(jié)，系統(tǒng)傳輸速率為1 200 bps，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的實際傳輸參數(shù)，經(jīng)計算得到系統(tǒng)召測單臺終端的日數(shù)據(jù)所耗費的時間及各處理階段的占比如表1所示。

表1 1 200 bps系統(tǒng)召測單臺終端日數(shù)據(jù)所耗時間

如只提升速率，由1 200 bps提升到19.2 kbps，其他不變，則經(jīng)計算可以得到19.2 kbps的一組耗時數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 19.2 kbps系統(tǒng)召測單臺終端日數(shù)據(jù)所耗時間

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，T2降到了0.85 s，降幅達(dá)93.75%，但T降幅僅有49.8%，僅節(jié)省了約一半時間。因為當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率提升到19.2 kbps后，傳輸過程耗時占比發(fā)生了很大變化，T2所占比例由原來的53.1%降到6.6%，說明此時傳輸速率已經(jīng)不是主要矛盾。要進(jìn)一步降低總耗時T，必須解決好其它3個階段的時間消耗，主要是信道建立時間T1。

19.2 kbps高速數(shù)傳網(wǎng)及系統(tǒng)提速方案必須針對上述4種耗時成因分別采取相應(yīng)的技術(shù)方案予以降耗提速，從系統(tǒng)整體上提升數(shù)傳效率。

針對T1：①將信道建立時間的控制權(quán)交給調(diào)制解調(diào)器軟件直接控制，提高控制時間的精確性，降低因無法精準(zhǔn)控制而帶來的信道建立時間不合理放大的問題；②采取組合幀技術(shù)，將10幀報文傳輸所需的10次信道建立時間降為1次。

針對T2：采用19.2 kbps軟件調(diào)制解調(diào)器MD192提高傳輸速率。

針對T3：①采取系統(tǒng)廣播啟動終端預(yù)處理方式，通過事先組織好傳輸報文，縮短終端響應(yīng)時間；②采取組合幀技術(shù)，將原10幀響應(yīng)次數(shù)降為1幀響應(yīng)。

針對T4：采用多線程并行技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)主站軟件，使數(shù)傳控制和報文處理等流程平行運行，縮短主站處理時間；同時采取的組合幀技術(shù)，也將處理次數(shù)合并為了1次。

整個系統(tǒng)提速方案的提速效果如表3所示。

4 天津系統(tǒng)1∶50提速試驗

該提速方案在天津現(xiàn)行系統(tǒng)中得到了試驗。為確保天津現(xiàn)行系統(tǒng)的正常運行，提速試驗項目在天津市北辰地區(qū)新建了一個1∶50的獨立運行系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)仍使用原系統(tǒng)的通信頻點（234.550/227.550 MHz），由獨立運行的主站軟件系統(tǒng)、19.2 kbps高速數(shù)傳基站和50臺經(jīng)提速改造的原有終端（即將原1 200 bps調(diào)制解調(diào)器更換為MD192）組成。新建主站系統(tǒng)通過局域網(wǎng)與原系統(tǒng)互連，新系統(tǒng)天線仍架設(shè)在原系統(tǒng)天線鐵塔上，且高度與原系統(tǒng)天線保持一致。同時，為保證現(xiàn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的獨立性和完整性，也為現(xiàn)行系統(tǒng)配備了一套與試驗系統(tǒng)相同的高速數(shù)傳基站，提供現(xiàn)行系統(tǒng)對提速改造后的終端采集?，F(xiàn)行系統(tǒng)和試驗系統(tǒng)獨立運行、錯時采集、互不干擾，系統(tǒng)組網(wǎng)方式如圖3所示。

表3 系統(tǒng)降耗提速措施及其效果估算表

速率提升必然伴隨著數(shù)傳靈敏度的下降和誤碼率的提高，這是一直困擾著窄帶無線數(shù)傳發(fā)展的難題，數(shù)傳靈敏度在實際系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)就是系統(tǒng)的覆蓋能力。因此在選取試驗系統(tǒng)的50臺終端時，充分考慮了終端到主臺的距離、位置及信號場強等的合理配比，使試驗結(jié)果更具普遍性和實際意義。

目前國內(nèi)230MHz無線中高速數(shù)傳系統(tǒng)組網(wǎng)所要求的終端上行信號場強值均在20 dBμv/m以上，為了測試本提速方案的實際覆蓋能力，特地選取了上行場強值低于20 dBμv/m的8戶終端，其中包括3戶在原1 200 bps速率系統(tǒng)中數(shù)傳幾乎不通的站點。試驗系統(tǒng)50戶終端的上行場強值分布情況統(tǒng)計如表4所示，距主臺距離分布情況統(tǒng)計如表5所示。

表4 50戶終端的上行場強值分布情況統(tǒng)計

表5 50戶終端距主臺距離分布情況統(tǒng)計

試驗系統(tǒng)建成運行后，經(jīng)實測得到了各終端與主臺間的鏈路方式及傳輸速率情況，記錄統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

表6 50戶終端與主臺間的鏈路方式及傳輸速率統(tǒng)計

作為提速方案的效果評價，對試驗系統(tǒng)的終端日數(shù)據(jù)巡測任務(wù)的執(zhí)行時間進(jìn)行了實測，并通過對比原1 200 bps系統(tǒng)的執(zhí)行時間，獲得本提速方案的綜合實際效果數(shù)據(jù)，如表7所示。

表7的數(shù)據(jù)顯示：系統(tǒng)對主臺直通的48戶終端進(jìn)行了1次日數(shù)據(jù)巡測，耗時344 s，傳輸報文幀成功率99.67%，46戶數(shù)據(jù)完整傳輸主站，有2戶數(shù)據(jù)未完整傳輸，通過2次補測后將這2戶的數(shù)據(jù)補全，補測共耗時37 s；系統(tǒng)對終端轉(zhuǎn)發(fā)的1戶終端（見表6中的說明③）進(jìn)行了1次巡測，耗時40 s，但數(shù)據(jù)未測完整，通過一次補測后完成，耗時23 s。

從表6知道主臺直通的共有49戶，其中一戶因無采樣數(shù)據(jù)，未納入巡測范圍內(nèi)，所以直通的巡測實際為48戶，其中47戶的速率為19.2 kbps，1戶為9.6 kbps。由于有2種速率，在巡測中試驗主站必須要對主臺（北辰主臺，見圖3）的傳輸速率進(jìn)行升速和降速的控制，速率轉(zhuǎn)換之間還需要幾秒的保護(hù)隔離時間，且日數(shù)據(jù)巡測任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集要求需要7個循環(huán)完成，再加上巡測開始時的數(shù)據(jù)庫操作和程序線程準(zhǔn)備的幾秒時間，經(jīng)計算統(tǒng)計在整個巡測耗時中有118 s為日數(shù)據(jù)巡測任務(wù)流程的固定耗時。所以，去除固定耗時后的時間為226 s，平均每戶耗時為4.71 s。

原系統(tǒng)（天津城東北辰電力負(fù)荷管理系統(tǒng)）有596戶裝有終端，采用單一的1 200 bps速率傳輸。每天對這些終端的日數(shù)據(jù)巡測任務(wù)的執(zhí)行情況（不包括補測）為：巡測耗時約為10 h，平均每戶耗時為60.4 s。

由于巡測總耗時中包含了與終端臺數(shù)成正比的可變耗時和固定耗時2部分，本方案對這2部分耗時都采取了優(yōu)化措施，因此，必須根據(jù)上述試驗系統(tǒng)的平均每戶耗時和固定耗時來推算596戶的巡測耗時情況（不包括補測）來做一個總耗時對比，結(jié)果如下：巡測耗時約為4.71 s×596+118 s=2 925.16 s；平均每戶耗時為2 925.16 s÷596≈4.91 s，對比原耗時60.4 s降低了91.9%。

因此在系統(tǒng)傳輸能力方面，本提速方案使系統(tǒng)的巡測速度提高到原來的10倍以上。在不增加其它資源的前提下，原系統(tǒng)終端戶數(shù)容量通過本提速方案被擴到原來的10倍。

表7 試驗系統(tǒng)對49戶終端的日數(shù)據(jù)巡測任務(wù)執(zhí)行時間統(tǒng)計

另外，在系統(tǒng)覆蓋能力方面，原系統(tǒng)596戶終端的70%的上行場強不小于25 dBμv/m，系統(tǒng)對終端日數(shù)據(jù)的巡測經(jīng)補測后的戶數(shù)據(jù)完整率在97%以上；試驗系統(tǒng)終端的上行場強及位置分布情況見表4和表5，基本符合并體現(xiàn)了原系統(tǒng)的情況，而運行實測的情況是經(jīng)補測戶數(shù)據(jù)完整率達(dá)100%，說明本方案的系統(tǒng)覆蓋能力未因傳輸速率提高16倍而下降，能滿足對原系統(tǒng)的全覆蓋。

5 結(jié)論

基于19.2 kbps軟件調(diào)制解調(diào)器的230MHz無線窄帶數(shù)傳網(wǎng)系統(tǒng)提速方案在技術(shù)上、工程上的創(chuàng)新特點和推廣優(yōu)勢主要有以下幾點：

（1）在我國的230MHz無線電力負(fù)荷管理系統(tǒng)中，采用了國內(nèi)首創(chuàng)的窄帶8電平CPFSK制式19.2 kbps軟件調(diào)制解調(diào)器技術(shù)，在窄帶話音信道上完美實現(xiàn)了高速數(shù)傳?；贒SP的基帶信號帶寬壓縮、波形處理技術(shù)，使模擬電臺的頻響、帶寬不再成為高速數(shù)傳的瓶頸；軟件超強的前向糾錯和交織算法，保證了高速傳輸?shù)臄?shù)傳靈敏度，在-104 dBm靈敏度的情況下誤碼率優(yōu)于10-6；傳輸速率的自適應(yīng)，兼顧到了惡劣信道環(huán)境下的成功率，使高速系統(tǒng)的覆蓋能力達(dá)到甚至優(yōu)于原低速系統(tǒng)。

（2）主站軟件采取了組合幀、報文預(yù)組織等技術(shù)和措施，實現(xiàn)了系統(tǒng)傳輸流程的整體優(yōu)化。

（3）可在原1 200 bps模擬電臺上通過更換調(diào)制解調(diào)器提速到19.2 kbps，而無須更換整個電臺，大大節(jié)約了系統(tǒng)的提速成本。

（4）調(diào)制解調(diào)器的全軟件化，使今后的軟件升級和提速可實現(xiàn)遠(yuǎn)程化，解決現(xiàn)行系統(tǒng)改造升級中遇到的既耗時又耗力的大規(guī)?，F(xiàn)場施工這一最大難題。

［1］ 陳亮，楊吉斌，張雄偉.信號處理算法的實時DSP實現(xiàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］ 魏東興，唐洪，張安清.通信中的自適應(yīng)信號處理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］ 吳湛擊.現(xiàn)代糾錯編碼與調(diào)制理論及應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2008.