第２３誊第３期 ２００８年９月 ｊｏｕｒｎａｌ安 ｏｆ徽 Ａｎｈｕｉ工 Ｕｎｉ程ｖｃｒ科ｓｉｔｙ ｏｆ技 Ｔｅｃｈｎｏｌ学 院ｏｇｖ ａｎｄ Ｓｃ学报 ｉｅｎｃｅ ＶｏＩ．２３．Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．，２００８ 文章编号：ｌ６７２—２４７７（２００８）０３—００７２—０４ ２ ３ ０ Ｍ专网通信系统的技改设计和实施 王巨灏 （合肥工业大学电气与自动化工程学院．安徽合肥２３０００９） 摘要：针对目前国内的２３０ Ｍ电力负荷管理无线专网遇到的通信速率瓶颈，提出了一种基于模拟电台的高速 数传解决方案．其通信速率可达９ ６００ ｂｐｓ，介绍了其调制方式和软件方面的技术突破，如通信速率自动识别、 数字中继等技术手段．测试结果表明网络通信成功率优于９８．５ ． 关键词：数传灵敏度；高斯最小频移键控；主站；中继站 中图分类号：ＴＮ９１３ 文献标识码：Ａ 白上世纪８Ｏ年代全国第一个电力负荷控制系统在郑州建成以来，电力负荷管理系统（以下简称负控 系统）在实现负荷控制、远方抄表、防窃电、线损分析等方面发挥了巨大的作用．目前许多地区系统网内的 终端数量已达上万台．在２００３年以前，国内各系统采用的都是２３０ Ｍ无线数传电台通信（以下简称２３０ Ｍ 专网），由于２３０ Ｍ频率资源有限，按照目前的系统规模、数据量要求、通信速率，信道资源已接近满负荷， 这种状况已经成为制约负控系统的进一步发展的瓶颈．随着个人移动通信的发展，在２００３年之后， ＧＰＲＳ、ＣＤＭＡ等公网通信已经逐步进入到负控系统中来，大有取代２３０ Ｍ专网之势．其实２３０ Ｍ专网还 是有许多独特优势的，如数据传输的实时性、准确性、安全性等，这也是大用户仍然采用专网通信的主要原 因．在２３０ Ｍ频率资源有限的情况下，解决信道资源不足的唯一可行的方法只有提高通信速率． 本文将介绍一种跨越２ ４００ ｂｐｓ速率而且是自主研发的适合于中国国情的基于模拟通话台的９ ６００ ｂｐｓ高速数传电台及其技术关键． １ ９ ６００ ｂｐｓ高速数传电台技术特点 目前用于数据传输的电台分成两类：一种是利用普通模拟话音电台加上调制解调器完成数传功能（以 下简称模拟数传电台）；另一种是真正的数字电台（以下简称数字电台），如美国的ＭＤＳ数字电台，它采用 了ＤＳＰ、ＣＰＦＳＫ数字调制解调、信道编码、前向纠错、ＶＩＴＥＲＢＩ泽码等先进技术，但其价格昂贵．基于模拟 通话台的９ ６００ ｂｐｓ高速数传电台的技术特点则在于在模拟话音台的基础上实现了高速的数据传输，并且 保证了数传的准确和安全，另外还保留了话音台的通话功能．这两种电台的比较如表１所示．国内的２３０ Ｍ专网一直沿用模拟数传电台的方式． ． 表１模拟数传电台和数宇电台优缺点的比较 纵观数传电台从６００ ｂｐｓ到９ ６００ ｂｐｓ的发展演变，从根本上是由调制方式的改变推动了通信速率的 提高．早期的６ｏｏ／１ ２００ ｂｐｓ调制解调器都是采用ＦＳＫ（频移键控）的调制方式．２ ４００ ｂｐｓ调制解调器则采 用ＭＳＫ（最小频移键控）的调制方式．在ＦＳＫ方式中，相邻码元的频率不变或者跳变一个固定值．在两个 相邻的频率跳变的码元之间，其相位通常是不连续的．而ＭＳＫ是相位始终保持连续不变的一种调制，这 样可以把调制频谱降低以提高信道效率．但无论是ＦＳＫ还是ＭＳＫ，都是用两个特征频率表示数字信号ｌ 和０，传输的速率越快，要求特征频率越高，特征频率越高，要求带宽也就越宽，而受普通话音电台的带宽 收稿日期：２００８一Ｏ７～Ｏ３ 作者简介：王巨灏（１９７３一），男，江苏苏州人，工程师 第３期 王巨灏：２３０Ｍ专通信系统的技改设计和实施 ，２ ４００ ｂｐｓ传输速率已接近其极限．这也就是传输速率无法突破的根本原因． ９ ６００ ｂｐｓ高速调制解调器采用的是ＧＭＳＫ（高斯最小频移键控）的调制方式，这种调制方式是在最小 移频键控（ＭＳＫ）调制器之前插入高斯低通预调制滤波器，进一步减小了调制频谱，降低了频率转换速度， 减少了向相邻信道辐射的能量．经过预调制后的信号包络无陡峭边沿，具有比较集中的功率频谱，带外辐 射及占有带宽均大为减小，这使得数传速率的突破成为可能ｌ＿ｌｊ．在ＧＭＳＫ方式中，对应某一码元，信号的 频偏不仅和该码元有关，而且和相邻码元有关．所以ＧＭＳＫ信号没有固定的特征频率，其频率范围在数百 至数千赫兹范围内变化，属于话音电台的带宽范围之内． 实验证明，和原先的低速率的调制方式相比，在传输９ ６００ ｂｐｓ的ＧＭＳＫ信号时对信道的信噪比要求 更高，为提高数传灵敏度，在调制解调单元中还需引人ＣＲＣ校验＋前项纠错（ＦＥＣ）的纠错算法，并在进行 纠错编码之后和解码之前插入交织编码，使信道突发干扰产生的误码能分散剑不同的码组中，有利于纠 错．这种处理方法虽然引入一定量的冗余码，但对数传灵敏度的提升是明显的． 数传灵敏度是衡量数传电台性能的关键性指标，表２所示是改装后的模拟数传电台和进１２１数字电台 关于数传灵敏度的比较，可见其数传灵敏度已基本等同． 表２模拟数传电台和数字电台优关于数传灵敏度的比较 注：测试条件为ｌ×１０６ＢＥＲ ２ ２３０ Ｍ无线专网改造方案及实施 ２３０ Ｍ々网一般有两种组网模式．对于距离较近、通信条件较好的终端一般采用主站一终端的图１模 式；对于距离较远的终端一般则采用链路一中继一终端的图２模式． 霞ｊ 一． ］盲一 ～］ ］ 、 、 圉｛ ． ｊ √ 、 ； 。＼圃 幽ｌ 主站一终端组网模式示惹图 图２ 链路一中继一终端组网模式示恿图 由于２３０ Ｍ专网的升级改造是分批进行的，在建设新的通信信道的同时又要保证原有网络的正常运 行．这在系统升级改造中是必然会遇到的，而且新旧系统并存的状况会持续很长的时问．如苏州负控系统 目前就存在着１ ２００／２ ４００／９ ６００ ｂｐｓ多种速率调制方式并存的情况，尽管早在２００２年就进行了１ ２００升 ２ ４００的提速改造，但到目前为止系统内的ｌ ２００ ｂｐｓ的终端还有２ ５００台套．对于２３０ Ｍ＝鲁网的升级，一般 的做法可另外增没一套主站、链路一中继站设备．这样３种速率并存的设备投入将会增大３倍．这种方案 实现起来简单，但缺点是投入成本很大，而且一旦改造完毕，多余的没备就会被『木Ｊ置，造成很大的浪费．为 此提出了１ ２００／２ ４００／９ ６００ ｂｐｓ ３种速率共用一套信道设备的专网升级解决方案．方案如图３和图４所 示． 可见此方案的设备投入仅为原方案的１／３，技术特点是实现了中继传输的数字化，有效的解决了模拟 信号经过中继接力后信号衰减，影响通信成功率的难题．下面介绍方案中克服两个技术难点的具体处理方 法． （１）主站／链路没备串口速率自适应的实现．目前实现波特率自动检测并自适应的设计方法有许多种， 但一般需要添加较多的冗余码，反应动作慢，影响通信速度．下面介绍的自适应波特率检测方法实现起来 ・７４・ 安徽工程科技学院学报 ］回ａ｝２ ｉ 割 国 南 睫鎏』｛巴牛 囡 巨 串口速率自适应 搬事节缮’ 图４改造后的链路一中继一终端组网模式 简单，而且握手时间非常短．具体方法是上位机在发 送有效数据之前先发送一个同步字节０ｘｆ０，并用１１ 位偶校验异步通信，ＵＰ一位起始位，８位数据位，一位 偶校验，一位停止位．波形信号如图５所示． 如果能检测信号线的下降沿，并触发定时器累计 时间，则因低电平占了５个ｂｉｔ时间．低电平维持时间 将为： ４ １６７ｕｓ， 一（１／波特率）×５．于是可得了、。 。。＝ ＝２ ０８３ ＵＳ，ｒｒ９㈣一５２１ ＵＳ．据此可以快速区分三种波特率，并控制电子开关以选择调制解调 卜——— ■———＿叫 起始位＿＼ 停止位、 图５奇偶校验波形信号图 器的通道．由于专网通信采用一问一答的方式，电子开关状态将保持收到下一个下行信号的同步字节为 止，以便终端回码的解调． 另外，链路一中继模式的中继站则无法采用此方法，而是靠增加６个字节的同步头来区分３种通信速 率．这样虽然增加了更多的冗余字节，但由于通过中继的终端数量毕竟较少，所以基本不影响系统总体通 信速率． （２）数字中继的实现．在原２３０ Ｍ专网中中继的工作模式为模拟方式，通过中继接力后的终端通信成 功率始终不如直接在主站下的终端．信号在通过中继时提高了信号强度的同时，也引入了噪声和畸变．故 在系统改造中引入了数字中继的概念．其工作模式为射频一音频一数字一数字一音频一射频．并插入了解 调和调制的环节．这样通过中继接力后的信号是被中继还原了的信号．经实际使用，这种模式通信成功率 可由原来的只有２Ｏ ～３Ｏ 提升到１００ ．数字中继还需要解决好数据的延迟的问题，即数字中继无法象 模拟中继那样做到收发同步，如果把数据全部接收后再发送，一是数据延迟太大，二是数据缓存不足．处理 方法是：先接收１２个字节作为缓冲，然后边收边发，缓存循环使用，直至发送字节等于接收字节，停止发 送．这样处理，数据延时最大为仅为１１０ ｍｓ（（１／１ ２００）×１１×１２））左右，实际使用中感觉不到延时，可传输 数Ｋ字节而不会缓存溢出． ３应用实例 苏州负控系统是全国最大的２３０ Ｍ专网系统，目前网内终端总数量已突破了２万５千台套，信道资源 严重不足．在改造之前０点开始的自动任务巡测时间过长，严重影响了用电管理的实时监测．经９ ６００ ｂｐｓ 的升级改造．首先针对网内ｌ ２００ ｂｐｓ速率的终端，改造只更换调制解调器，仍然使用原来的电台，大大节 约了成本．截止２００７年１２月底，苏州负控系统网内９ ６００ ｂｐｓ终端数量为１０ ０８２台套，２ ４００ ｂｐｓ终端数量 为１２ ６３９台套，１ ２００ ｂｐｓ终端数量为２ ７３９台套，分别占系统终端总数量的３９．６％、４９．６ 和ｌＯ．８ ． 为了量化９ ６００／２ ４００／１ ２００ｂｐｓ的实际空中速度的比较，我们做了对比实验． 实验条件：测试字节长度为８０６字节；计算机至电台通信方式为１１位异步通信；ＲｔｓＯｎ时间为１００ ｍｓ；ＲｔｓＯｆｆ时间为３０ ｍｓ． 实验方法：从计算机开始发送到电台发送结束计时． 实验设备；系统内使用的Ｔａｉｔ２０００电台配置各速率调制解调器． 测试结果：９ ６００电台花费时间为１．７４ Ｓ；２ ４００电台花费时间为４．９ Ｓ；２００电台花费时问为８．１ Ｓ． 从实验结果可得３种调制解调器的实际通信速率比为ｌ：１．６５：４．６５；而不是理论值１：２：８，其原因 第３期 王巨灏：２３０Ｍ专通信系统的技改设计和实施 ・ ７５ ・ 是 为电台的启动时间－不１ｌ结束刚‘问（ＲｔｓＯｎ、ＲｔｓＯｆｆ）大家是等同的，另外１ ２００没有纠错字节，２ ４００和 ９ ６００添加的纠错宁节数不同，所以导致理论值和实际值的偏差．在实际系统使用中，ｒ｝Ｉ于系统的通信时间 问隔固定等原 ，３种通信速率的比值还要更为接近一些． ４ 结 语 ９ ６００改造对信道通信效率的提升是明显的．０点巡测时间在ＡＭ８：３０之前就能完成．数据中继中数 据延时仅为０．１ Ｓ，电台花费时ｆｂｊ从ｌ ２００时的大约８ Ｓ缩短为９ ６００的１．７ Ｓ．改造后系统的运行情况良 好，通信成功率大于９８．５ ． 参考文献： ［１］Ｊｏｈｎ Ｇ．Ｐｒｏａｋｉｓ．数字通信［Ｍ］．４版．北京：电子工业出版社．２００３． ［２３ Ａｌａｎ Ｖ．（）ｐｐｅｎｈｅｉｍ Ａｌａｎ Ｓ．Ｗｉｌｌｓｋｙ Ｓ．Ｈａｒｏｌｄ Ｎａｗａｂ．Ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．２ｎｄ Ｅｄｉｔ．北京：电子工业出版社． ２００２． ［３］ 张庆辉．串行通信波特率自动检测方法及软件实现［Ｊ］．微计算机信息，２００２，（１２）：３６—３７ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｎｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｆｏｒｍ ｏｎ ２ ３ ０ Ｍ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｒｉｖａｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ ＷＡＮＧ Ｊｕ—ｈａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｅ．Ｅｎｇｎ．＆Ａｕｔｏ．．Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｈｅｆｅｉ ２３０００９．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ２３０Ｍ ｐｏｗｅｒ ｌｏａｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｒｉｖａｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ，ｌｏｗｃｏｓｔ，ｓｉｍｕ— ｌａｔｅｄ ｒａｄｉｏ ｓｔａｒｉｏｎｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ ｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ９６００ｂｐｓ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｉｔｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｕｃｈ ａｓ ａｕｔｏ— ｍａｔｉｃ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｌａｙ ｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＳＵｅ— ｔｅｓｓ ｒａｔｅ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｓ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ９８．５ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ＧＭＳＫ；ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ；ｒｅｌａｙ ｓｔａｔｉｏｎ
