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如图3所示。

2.3 模块的设计

加上成本等因素综合考虑，单模块方案更适合后续的大规模推广：

(1)采用多模通讯模块，可同时支持现有的三家运营商，支持双卡盲插自动识别，兼容性强;

(2)单模块设计，对终端电源设计要求较低，相对于GPRS模块无大改动，天线设计也无需考虑同频干扰，设计简单;

(3)采用主集天线和分集天线双天线设计，提高信噪比和接收灵敏度，适应信号恶劣的现场环境，提高终端上线率。

a.多模通讯模块

4G多模全网通讯技术在手机上应用已有一段时间，所谓的全网制式分别为TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA1X/EVDO和GSM/EDGE/GPRS，通过该技术，可以使现有的负荷管理终端可以接入国内三大运营商的移动通信网络，大大提高了终端对移动网络的适应性，但目前业界只有高通(Qualcomm)公司推出了完整方案，多应用于商业级手持设备[11]。

工业级应用对模块的EMC(电磁兼容)性能、高低温性能等要求均比较高，需要采用专为电力设备开发的工业级通讯模块才能满足负控终端的使用要求[12-13]。经过对多个品牌通讯模块的性能测试，本课题中选用Neoway公司的“N1”4G LTE全网通讯模块进行进一步研究及测试，双模块和单模块整体设计框图如图4和图5所示。

b.CPU模块

本系统的CPU采用ARM公司生产的Cortex-A系列处理器，适用于具有高计算要求、运行丰富操作系统以及提供交互媒体和图形体验的应用领域。从最新技术的移动Internet必备设备(如手机和超便携的上网本或智能本)到汽车信息娱乐系统和下一代数字电视系统。也可以用于其他移动便携式设备，还可以用于数字电视、机顶盒、企业网络、打印机和服务器解决方案。这一系列的处理器具有高效低耗等特点，比较适合配置于各种移动平台。已广泛应用于各种嵌入式工业设备。

ARM Cortex™-A5 处理器是能效最高、成本最低的处理器，能够向最广泛的设备提供 Internet 访问：从入门级智能手机、低成本手机和智能移动终端到普遍采用的嵌入式、消费类和工业设备。

Cortex-A5 处理器可为现有ARM926EJ-S™和ARM1176JZ-S™处理器设计提供很有价值的迁移途径。它可以获得比ARM1176JZ-S更好的性能，比 ARM926EJ-S更好的功效和能效，以及100%的Cortex-A兼容性^[14-15]。

c.天线模块

本系统采用主集天线和分集天线双天线设计。

分集接收技术是一项主要的抗衰落技术，可以大大提高多径衰落信道传输下的可靠性，在实际的移动通信系统中，终端常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，分集接收技术被认为是明显有效而且经济的抗衰落技术。

分集的基本思想是将接收到的多径信号分离成不相关的(独立的)多路信号，然后把这些多路信号分离信号的能量按一定的规则合并起来，使接收到的有用信号能量最大，进而提高接收信号的信噪比。因此，分集接收包括两个方面的内容：一是把接收的多径信号分离出来使其互不相关，二是将分离出来的多径信号恰当合并，以获得最大信噪比。

d.结构设计部分的改进

由于现有的标准尺寸SIM卡的卡槽占用面积较大，导致目前的模块盒设计空间无法满足同时安装两张SIM卡的需要，将现行使用的标准尺寸的SIM卡更换为体积更小的Nano SIM卡。通过这样对SIM卡的改进，同时安装两张Nano SIM卡所占用的面积相对于现有的安装一张标准尺寸的SIM卡所占用的面积不会增加太多，可减低通信模块盒结构设计的改造难度。

单模块和双模块条件下，系统性能对比如表1所示。

2.3 新旧系统性能的对比

改进前后系统性能的对比如表2所示。由以上数据对比可知：改进后的系统运行速度、运算能力、上行接口、上行速率、以太网接口的性能得到极大的提高，大大满足实际需求。

3 总结

本研究采用多模双卡单待的模式，实时检测SIM卡状态，监测三网的信号强度及与后台主站的实时通讯情况，如果主网络不能拨上号或与主站通讯不成功的时候，及时切换到待机网络拨号连接主站。可以使终端在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，良好覆盖地理位置复杂的地区和场所，提供双向、高速、安全的数据通信通道。双网络之间互为备份，无需人工切换模块制式，完全自适应，基于4G技术特点通信速率高、稳定性强、抗干扰能力强。同时，本项目使用了在计量自动化终端领域应用4G移动通信系统的高性能天线技术和多模全网通信技术，提高终端通信速率和可靠性。此外，本系统还可以广泛应用于林业、城市监管、水利、近海岸地形测绘、地质灾害调查、国家安全等遥感遥测领域。