230MHz无线专网终端芯片的设计技术研究

陈立志，张　宏，张树华，苏　华，顾焕之，张维忠，龚　静

（1.国网新疆电力公司，乌鲁木齐　830011；2.国网乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐　830011；3.北京智芯微电子科技有限公司，国家电网公司重点实验室，北京　100192；4.国网九江供电公司，九江　332000；5.国网昌吉供电公司，昌吉　831100）

230MHz无线专网终端芯片的设计技术研究

陈立志1，张宏2，张树华3，苏华4，顾焕之5，张维忠5，龚静5

（1.国网新疆电力公司，乌鲁木齐830011；2.国网乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐830011；3.北京智芯微电子科技有限公司，国家电网公司重点实验室，北京100192；4.国网九江供电公司，九江332000；5.国网昌吉供电公司，昌吉831100）

针对230MHz频段不连续的问题，本文定制开发了适用于230MHz无线专网的基带芯片，并着重介绍了230MHz无线专网架构，列举了芯片开发使用的关键技术，并给出了芯片的实测指标。

智能电网；无线通信；LTE230；TD-LTE；电力通信

1　引言

国家电网公司在今年启动了无线专网［1］的建设工作，在综合接入网平台建设中，明确指出了在天津、唐山等17个地市公司建设1.8G LTE无线专网，在苏州、无锡、嘉兴3个地市公司建设230MHz LTE无线专网。其中，230MHz无线专网几乎在每个省局都有试点，这次是针对230MHz无线专网技术的深化应用。国网旨在通过试点，确定1.8G与230MHz的优劣与互补性，从而确定后续无线专网采用的技术。

在无线通信领域中，核心基带芯片是否成熟，能否商用是制约电力无线通信产业发展的重要因素。1.8G公网的LTE基带芯片的开发厂家众多，国产的如海思、中兴微电子、联芯科技等，国外芯片更是比比皆是，如高通。但在230MHz无线专网，受制于频段的特性，通用的LTE无线基带芯片无法直接转移频段使用，需要根据230MHz频段的特性，进行针对性的研发，从而大幅度降低终端产品的成本，满足LTE230宽带通信系统产业化的要求。

2　230MHz无线专网

2.1230MHz频谱特性

223-235MHz，可用于遥测、遥控、数据传输，目前主要被电力、能源、军队、气象、地震、水利、地矿、轻工、建设等行业使用。在230MHz低频段，具有天然覆盖远的优势，能够大大降低组网成本，满足电力用户分散的需求，在空旷区域可以达到30km；占用1MHz频宽，上行峰值速率可达到1.76Mb/s、下行峰值速率可达到0.71Mb/s。

图1　230MHz频谱分布图

1.8G目前可以申请5MHz，230MHz原来国家无委会只分配了1MHz给电力，但目前在浙江无委给分配了5MHz，福建、重庆、江苏工信部门目前也明文通知将3.5MHz给电力使用，承诺一年后增加到5MHz。因此，两种技术从带宽上看，230MHz原来的带宽劣势正在逐步扭转。

2.2230MHz无线专网架构

LTE230［2］系统如图2所示，网络有应用层、核心层、接入层、终端组成，分别对应核心网EPC、基站设备eNodeB、终端模块，传输距离最远为30，带宽达到1.76Mb/s，采用了载波聚合、OFDM技术、64QAM高阶调制等LTE核心技术，频谱效率大于2.5b/s/Hz，与数传电台相比，提高了3～4倍。

图2　230MHz无线专网结构

3　230MHz终端模块

TD-LTE230集采模块是一种针对230MHz频段开发的宽带无线接入通信系统终端设备，数据传输高速稳定、频谱利用率高，该产品物理层采用了OFDM、载波聚合、AMC等关键技术，协议标准采用230MHz TDD协议规范［3］，可以满足数据传输、负荷控制、视频传输的实时性、高效性、稳定性和可靠性要求。

TD-LTE230集采模块是根据宽带无线接入通信系统协议自主研发的设备，通过空口与通信系统中的另外一个网元基站交互业务和控制数据。

TD-LTE230集采模块采用成熟的模块化设计，硬件分为BRU模块和载板，BRU模块是整个终端产品的核心部分，载板主要功能是适应不同的结构和接口，两板之间通过接插件连接。如图3所示，BRU模块是整个产品的核心部分，其中BB是基带处理单元，产品的所有物理层、业务面、控制面软件都在BB模块上实现；RF是射频单元，上行方向主要完成基带信号的数模转换、滤波、上变频、功率放大等功能，下行方向主要完成空口射频信号的低噪声放大、下变频、滤波、模数转换等。

图3　终端模块组成

4　终端模块通信芯片设计

4.1芯片主要规格

该芯片支持5个子带，频宽为5×25kHz，支持的速率可以达到200kb/s。芯片由DSP、内部eDRAM、总线、cache、外设、中频处理单元组成。如图4所示。

图4　芯片整体结构

4.2芯片关键技术

4.2.1230MHz频段不连续

在芯片中，RF芯片将230M信号搬移到中频段，通过内部的中频处理电路，利用多级nco技术，把230MHz的不连续频谱进行统一处理，形成连续的频谱。

4.2.2内置2MB存储器

在芯片设计过程中，为了降低外围的BOM成本，把板级的SRAM集成到芯片内部。通过仔细评估，5个子带的信号速率，缓存采用2MB就能够支撑。

4.2.3软件无线电

在现代无线移动通信领域，特别是第四代移动通信领域，由于软件无线电技术可将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将AD转换器尽量靠近RF射频前端，利用DSP的强大处理能力和软件的灵活性实现信道分离、调制解调、信道编码译码等工作，从而可为第四代移动通信系统的升级提供一个良好的无缝解决方案。

5　系统测试

5.1应用场景

电力无线通信系统建设如图5所示，可以覆盖国家电力行业发电、输电、变电、配电、用电等多个环节，基于此基带芯片的应用开发可以满足电力系统的安全自主可控的要求，推动并引领电力无线通信产业技术升级，为建设坚强智能电网、保障电力系统和国家信息安全、促进经济社会又好又快发展提供强有力的技术支撑和产品保障。包括10kV通信接入网和0.4kV通信接入网两部分，业务覆盖配电自动化及用户用电信息采集两个系统。

表1　芯片性能图

图5　电力无线通信系统建设

5.2系统性能指标

终端模块经过了多地试点，如昆山用电信息采集［4］、昌吉配网自动化等场景，其性能指标如表1所示。

6　结束语

本芯片的设计规格切实符合电力市场的应用需求，其功能与性能均满足电力无线通信的要求，是国内惟一一款针对230MHz频段研发的具有自主知识产权的芯片，其设计的性能指标适用于配网自动化和用电信息采集系统。作为国家战略新兴产业的智能电网和高性能芯片设计的重要结合产品，国内首款TD-LTE 230MHz电力无线宽带通信基带芯片的研发具有非常重要的战略和现实意义。■

［1］刘振亚.智能电网技术［M］.北京：中国电力出版社，2010

［2］王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2010

［3］易睿得.LTE系统原理及应用［M］.北京：电子工业出版社，2012

［4］国家电网公司.Q/GDW 373-2009电力用户用电信息采集系统功能规范［S］.北京：中国电力出版社，2009

Custom LTE Baseband Chip in 230MHz Power Wireless Network

Chen Lizhi1，Zhang Hong2，Zhang Shuhua3，Su Hua4，Gu Huanzhi5，Zhang Weizhong5，Gong Jing5
（1.State Grid electric power company，Wulumuqi，Xinjiang，830011，China；2.State grid Wulumuqi electric power company，Wulumuqi，Xinjiang，830011，China；3.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology，Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.，Ltd.，Beijing，100192，China；4.State Grid Jiujiang power supply company，JiuJiang，Jiangxi Province，332000，China；5.State Grid Changji power supply company，Changji，Xinjiang，831100，China）

The 230MHz band is discontinuous，the custom baseband chip is designed for the power wireless network.The article introduces the architecture of power wireless network and design method of the baseband chip，lists the key technology.The measured parameters of the chip are given.

Smart Grid；wireless communication；LTE230；TD-LTE；electricity communication

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.09.003

TN915.85，TN92文献标示码：A

1672-7274（2016）09-0009-04

陈立志，男，1980年2月生，工程师，主要从事智能电网科技项目管理工作。

张宏，男，1987年10月生，助理工程师，主要从事智能电网营销工作。

张树华，男，1980年11月生，高级工程师，主要从事电力通信系统与芯片设计工作。

苏华，男，1976年5月生，注册电气工程师，主要从事继电保护与配网自动化工作。

顾焕之，男，1986年4月生，电气助理工程师，主要从事电力通信工程建设与系统维护。

张维忠，男，1983年2月生，助理工程师，主要从事电力通信工程建设。

龚静，女，1989年8月生，助理工程师，主要从事电力系统维护。