基于19.2 kbps软件调制解调器的数传网系统提速

李 力，鲁 奕

（1.上海协同科技股份有限公司，上海 200063；2.上海理工大学 光电和计算机学院，上海 200093）

为提高电能利用效率、促进电力资源优化配置、保障用电秩序，国家发展和改革委员会、工业和信息化部等六部委于2010年11月发布《电力需求侧管理办法》。《电力需求侧管理办法》规定，电网企业应加强对电力用户用电信息的采集、分析，为电力用户实施电力需求侧管理提供技术支撑和信息服务。

230MHz无线电力负荷管理系统（以下简称“系统”）是供电企业用于实施电力需求侧管理的主要技术支撑，承担着对用电现场的各种用电信息的实时采集与用电管理任务，不仅具有全面的采集功能，而且还具备远方控制功能。系统通过230MHz无线电台实现系统主站与用电侧终端之间的大量数据和命令的传递，因此，系统的数据传输效率直接影响到系统所能容纳的终端数量以及系统功能的正常发挥。探索速度更快、性能更好的调制解调技术应用于系统是非常必要和有意义的。

1 230MHz无线电力负荷管理系统现状

230MHz无线电力负荷管理系统主要兴建于20世纪90年代，随着我国国民经济的持续快速发展，电力用户数出现了成倍增长，系统被不断扩容，全国网内终端数量已超过50万套。另一方面，随着供用电管理和服务要求的不断提高，系统功能也日益扩展，数据采集和传输量倍增，而系统的数传速率虽然也由最初的600 bps提高到了1 200 bps、2 400 bps，但仍然都处于低速组网，各地系统日常数据巡测大都处于超负荷运行状态，如：天津、长沙、昆明、鞍山等系统每日对终端抄表数据的巡测一般都要从凌晨开始到当天中午甚至下午才能结束，已无法达到巡测任务每日上午8：00前结束的系统设计要求。低速的数传技术和组网已远远不能满足系统应用的要求，并成为系统发展的最主要瓶颈。

2 19.2 kbps软件调制解调器性能及特点

超短波无线智能调制解调器MD192（以下简称“MD192”）是采用先进的DSP技术实现的能够在超短波无线窄带话音信道上进行高速数据传输的高度集成化、软件化和智能化的一款调制解调器［1］，原理如图1所示。

图1 MD192调制解调器原理

采用MD192实现在230MHz无线窄带话音信道上的高速数传方案，与采用一般的微处理器加专用调制解调芯片（如：FX589）的GMSK调制解调器方案相比，具有以下5个优点。

（1）对电台的要求低，无需改装电台。采用了8电平CPFSK调制，降低了对带宽的要求，也就降低了对电台的要求，同时借助自适应均衡算法［1］，对低端频率响应进行补偿校正，即使对于未采用2点调制的一般电台，也能可靠地进行高速数据传输，而不需要对电台进行改装。

（2）具有更强的纠错性能：①采用了超强前向纠错GF（256）Reed-Solomon码和交织算法的结合［1］，在恶劣的通信环境中仍能可靠通信；②采用快速自适应均衡技术，消除了在传输中由于多径、群延时引起的波形失真、混叠，以获得最佳的接收性能。

（3）传输速率最高达19.2 kbps，且能实现9.6 kbps到19.2 kbps的无缝过渡。同时支持4.8/9.6/19.2 kbps 3档速率，仅需通过AT指令设置就能更换，不需任何的额外成本。

（4）具有传输速率自适应功能，可实现同一传输网内多速率共存，组网方便。通信网中的主站或各个子站可以根据实际的通信环境或者远近采用不同的通信速率：对于距离远、场强弱的点采用9.6 kbps或更低的4.8 kbps，以保证通信的可靠性；对于场强强的可采用19.2 kbps，节省通信时间。

（5）具有更强的可扩展性和兼容性，满足系统未来的升级需求。通用的硬件结构平台设计，使得升级非常简单，仅需在线更新软件程序即可。

3 系统提速方案

在电力负荷管理系统中一个完整的命令应答过程及其各段时间消耗如图2所示。一般系统主站发送的数据召测命令报文的长度为几十个字节，终端应答报文的长度有长有短，一般不超过255个字节。

图2 完整的命令应答过程及其各段时间消耗

假设系统每台终端单日数据传送主台平均需要10帧报文，即10个命令应答过程，召测命令报文平均长20字节，应答报文平均长128字节，系统传输速率为1 200 bps，根据系统设置的实际传输参数，经计算得到系统召测单台终端的日数据所耗费的时间及各处理阶段的占比如表1所示。

表1 1 200 bps系统召测单台终端日数据所耗时间

如只提升速率，由1 200 bps提升到19.2 kbps，其他不变，则经计算可以得到19.2 kbps的一组耗时数据，如表2所示。

表2 19.2 kbps系统召测单台终端日数据所耗时间

分析表2可以发现，T2降到了0.85 s，降幅达93.75%，但T降幅仅有49.8%，仅节省了约一半时间。因为当系统传输速率提升到19.2 kbps后，传输过程耗时占比发生了很大变化，T2所占比例由原来的53.1%降到6.6%，说明此时传输速率已经不是主要矛盾。要进一步降低总耗时T，必须解决好其它3个阶段的时间消耗，主要是信道建立时间T1。

19.2 kbps高速数传网及系统提速方案必须针对上述4种耗时成因分别采取相应的技术方案予以降耗提速，从系统整体上提升数传效率。

针对T1：①将信道建立时间的控制权交给调制解调器软件直接控制，提高控制时间的精确性，降低因无法精准控制而带来的信道建立时间不合理放大的问题；②采取组合帧技术，将10帧报文传输所需的10次信道建立时间降为1次。

针对T2：采用19.2 kbps软件调制解调器MD192提高传输速率。

针对T3：①采取系统广播启动终端预处理方式，通过事先组织好传输报文，缩短终端响应时间；②采取组合帧技术，将原10帧响应次数降为1帧响应。

针对T4：采用多线程并行技术优化系统主站软件，使数传控制和报文处理等流程平行运行，缩短主站处理时间；同时采取的组合帧技术，也将处理次数合并为了1次。

整个系统提速方案的提速效果如表3所示。

4 天津系统1∶50提速试验

该提速方案在天津现行系统中得到了试验。为确保天津现行系统的正常运行，提速试验项目在天津市北辰地区新建了一个1∶50的独立运行系统。试验系统仍使用原系统的通信频点（234.550/227.550 MHz），由独立运行的主站软件系统、19.2 kbps高速数传基站和50台经提速改造的原有终端（即将原1 200 bps调制解调器更换为MD192）组成。新建主站系统通过局域网与原系统互连，新系统天线仍架设在原系统天线铁塔上，且高度与原系统天线保持一致。同时，为保证现行系统数据采集的独立性和完整性，也为现行系统配备了一套与试验系统相同的高速数传基站，提供现行系统对提速改造后的终端采集。现行系统和试验系统独立运行、错时采集、互不干扰，系统组网方式如图3所示。

表3 系统降耗提速措施及其效果估算表

速率提升必然伴随着数传灵敏度的下降和误码率的提高，这是一直困扰着窄带无线数传发展的难题，数传灵敏度在实际系统中的具体体现就是系统的覆盖能力。因此在选取试验系统的50台终端时，充分考虑了终端到主台的距离、位置及信号场强等的合理配比，使试验结果更具普遍性和实际意义。

目前国内230MHz无线中高速数传系统组网所要求的终端上行信号场强值均在20 dBμv/m以上，为了测试本提速方案的实际覆盖能力，特地选取了上行场强值低于20 dBμv/m的8户终端，其中包括3户在原1 200 bps速率系统中数传几乎不通的站点。试验系统50户终端的上行场强值分布情况统计如表4所示，距主台距离分布情况统计如表5所示。

表4 50户终端的上行场强值分布情况统计

表5 50户终端距主台距离分布情况统计

试验系统建成运行后，经实测得到了各终端与主台间的链路方式及传输速率情况，记录统计结果如表6所示。

表6 50户终端与主台间的链路方式及传输速率统计

作为提速方案的效果评价，对试验系统的终端日数据巡测任务的执行时间进行了实测，并通过对比原1 200 bps系统的执行时间，获得本提速方案的综合实际效果数据，如表7所示。

表7的数据显示：系统对主台直通的48户终端进行了1次日数据巡测，耗时344 s，传输报文帧成功率99.67%，46户数据完整传输主站，有2户数据未完整传输，通过2次补测后将这2户的数据补全，补测共耗时37 s；系统对终端转发的1户终端（见表6中的说明③）进行了1次巡测，耗时40 s，但数据未测完整，通过一次补测后完成，耗时23 s。

从表6知道主台直通的共有49户，其中一户因无采样数据，未纳入巡测范围内，所以直通的巡测实际为48户，其中47户的速率为19.2 kbps，1户为9.6 kbps。由于有2种速率，在巡测中试验主站必须要对主台（北辰主台，见图3）的传输速率进行升速和降速的控制，速率转换之间还需要几秒的保护隔离时间，且日数据巡测任务根据系统数据采集要求需要7个循环完成，再加上巡测开始时的数据库操作和程序线程准备的几秒时间，经计算统计在整个巡测耗时中有118 s为日数据巡测任务流程的固定耗时。所以，去除固定耗时后的时间为226 s，平均每户耗时为4.71 s。

原系统（天津城东北辰电力负荷管理系统）有596户装有终端，采用单一的1 200 bps速率传输。每天对这些终端的日数据巡测任务的执行情况（不包括补测）为：巡测耗时约为10 h，平均每户耗时为60.4 s。

由于巡测总耗时中包含了与终端台数成正比的可变耗时和固定耗时2部分，本方案对这2部分耗时都采取了优化措施，因此，必须根据上述试验系统的平均每户耗时和固定耗时来推算596户的巡测耗时情况（不包括补测）来做一个总耗时对比，结果如下：巡测耗时约为4.71 s×596+118 s=2 925.16 s；平均每户耗时为2 925.16 s÷596≈4.91 s，对比原耗时60.4 s降低了91.9%。

因此在系统传输能力方面，本提速方案使系统的巡测速度提高到原来的10倍以上。在不增加其它资源的前提下，原系统终端户数容量通过本提速方案被扩到原来的10倍。

表7 试验系统对49户终端的日数据巡测任务执行时间统计

另外，在系统覆盖能力方面，原系统596户终端的70%的上行场强不小于25 dBμv/m，系统对终端日数据的巡测经补测后的户数据完整率在97%以上；试验系统终端的上行场强及位置分布情况见表4和表5，基本符合并体现了原系统的情况，而运行实测的情况是经补测户数据完整率达100%，说明本方案的系统覆盖能力未因传输速率提高16倍而下降，能满足对原系统的全覆盖。

5 结论

基于19.2 kbps软件调制解调器的230MHz无线窄带数传网系统提速方案在技术上、工程上的创新特点和推广优势主要有以下几点：

（1）在我国的230MHz无线电力负荷管理系统中，采用了国内首创的窄带8电平CPFSK制式19.2 kbps软件调制解调器技术，在窄带话音信道上完美实现了高速数传。基于DSP的基带信号带宽压缩、波形处理技术，使模拟电台的频响、带宽不再成为高速数传的瓶颈；软件超强的前向纠错和交织算法，保证了高速传输的数传灵敏度，在-104 dBm灵敏度的情况下误码率优于10-6；传输速率的自适应，兼顾到了恶劣信道环境下的成功率，使高速系统的覆盖能力达到甚至优于原低速系统。

（2）主站软件采取了组合帧、报文预组织等技术和措施，实现了系统传输流程的整体优化。

（3）可在原1 200 bps模拟电台上通过更换调制解调器提速到19.2 kbps，而无须更换整个电台，大大节约了系统的提速成本。

（4）调制解调器的全软件化，使今后的软件升级和提速可实现远程化，解决现行系统改造升级中遇到的既耗时又耗力的大规模现场施工这一最大难题。

［1］ 陈亮，杨吉斌，张雄伟.信号处理算法的实时DSP实现［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［2］ 魏东兴，唐洪，张安清.通信中的自适应信号处理［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［3］ 吴湛击.现代纠错编码与调制理论及应用［M］.北京：人民邮电出版社，2008.