基于4G技术的双模双卡单待负控终端研发

作者/ 王鹏 傅子明 刘攸坚 广东电网有限责任公司佛山供电局(广东 佛山 528000)

摘要：针对目前用电现场负荷管理终端通信过程存在链路节点多，易受外界干扰等问题，本研究采用了基于4G技术的双模双卡单待负控终端技术，从根本上对终端的功能进行补充和完善，通过对系统硬件的设计，提高了终端上行通信的可靠性、上线率以及高通信速率。结果表明，改进后的系统性能远远高于传统系统性能，极大地满足了实际需求。

引言

目前用电现场负荷管理终端主要是基于GPRS无线公网通讯与计量自动化主站通信，通信过程存在链路节点多，易受外界干扰等弊端[1-3]。随着城市发展建设，各通讯运营商之间竞争激烈，通讯环境愈加复杂多样化，2G通信信号不稳定，尤其是在城市密集区，不同的网络变化多端，工作人员需要频繁到现场更换不同运营商的SIM卡，以使终端能在特定运营商网络通畅时保持上线。通信问题成为影响数据采集的关键问题。现状是国内市场暂无此类产品研究，国内厂商、研究机构暂未有此技术方面的研究。

国内技术方向、技术水平和关键技术：电力负荷管理终端多制式公网通信自适应接口连接在电力负荷管理终端主板电路与公网通信子板电路之间，实现公网通信子板电路与主板电路之间的插拔式连接，可在电力负荷管理终端电路中实现不同制式的公网通信模块的互换。其可不用更换终端，仅更换通信模块，即可实现不同制式网络的互换^[4]。该种方法相当于由人工进行网络的选择和切换。

目前，终端采用的通信方式存在一定的局限性，在未来图像、视频等多媒体传输以及更加丰富数据应用情况下，现有2G通信技术难以满足数据传输的需要，势必需要采用通信速率更快更可靠的通信技术^[5-6]。因此，本研究采用基于4G技术的双模双卡单待负控终端，能解决上述出现的问题。

1 现有系统的结构及其局限性

1.1 现有系统的局限性

本系统针对现大量存在并运行的通信模块以及今后南网统一标准的终端及模块，开展2个方向的研究：

(1)针对存量终端(已统一上行通信模块结构尺寸)，由于无法修改终端嵌入式软件，可在上行通信模块内部，终端与通信模块之间增加一片单片机，用以控制和管理4G通信模块，自动选择优质网络，并转发终端与主站间的通信数据。通过该手段可在不更改现场终端的条件下对终端进行升级，以实现本项目的设计目标。

(2)针对全新招标的设备，可对现有的终端技术要求和通信协议进行增补，技术要求方面增加多模双卡的内容定义，并对通信网络的智能选择做出要求;通信协议方面需增加网络质量信息的内容，包括实时召测和定时任务，增加对4G高速通信的软硬件支持^[6-7]。

此方案是从根本上对终端的功能进行补充和完善，提高终端上行通信的可靠性、上线率以及高通信速率。

1.2 现有终端系统及其存在的问题

现有的终端设计框图如图1所示。

现有终端系统大体包括MCU单片机模块、下行通信模块、计量模块、电源模块、控制通信模块、上行通行模块和LCD模块。其中上行通信模块与MCU单片机之间采用UART模式进行数据交换。

现有终端存在的问题：目前根据现有技术条件设计的终端，由图1的硬件框架可以看出，该方案虽然设计简单，成本较低，但是终端的处理能力和接口速度难以满足实际需要^[8]。而根据4G网络的高速通讯的特性(LTE FDD Cat 6 (300Mbps DL, 50Mbps UL))，对终端的处理能力和接口速度须有更高的要求，因此需要终端设计方案重新进行研究。

本研究主要从两个方面进行改进：

(1)系统的整体处理能力;(2)与上行信道的接口速度需要提高。

2 系统整体设计

本研究根据4G通信和多模双卡通信的特点，对大客户负控终端上行通信模块部分电路进行重新设计，并且编写底层驱动软件，满足模块供电、信号检测及自动切换的需要;对上行模块的架构进行重新设计，满足双天线同时通信互不干扰，并研发一整套基于4G通信技术的多模双卡单待的负荷管理终端。各模块可与核心板通讯，同时也可以单独选择任一运营商来保证系统的稳定性和可靠性^[9-10]。

2.1 改进后的系统结构

改进后的终端设计框图如图2所示。由图2可知，改进后的系统采用高速处理器，上行通信与核心板之间采用USB模式连接。

2.2 系统主要模块的设计

终端设计性能：

(1)采用高性能处理器，运行频率高达1G，处理能力强，为高速处理大量数据提供支持，如视频等多媒体数据;

(2)上行通信模块接口改用高速的USB接口，最高传输速率达480Mbps，支持4G模块的高速数据通信;

(3)采用更高速的以太网接口，最高传输速率达1Gbps，为未来的视频监控等高速、大数据量设备提供支持。

现有上行通信模块设计框图