LTE230無線通信基帶芯片的設計與應用

周春良 ，張 峰 ，程 倫 ，樊文杰 ，王連成 ，周芝梅 ，唐曉柯

（1.北京南瑞智芯微電子科技有限公司，北京 100192；2.蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004；3.昆山市供電公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

隨著國家智能電網的發展，電力業務對通信信道提出了全新、更高的要求。目前智能電網中遠程通信主要采用光纖和無線方式。光纖由于受成本、地域等因素的限制，難以實現對配用電通信接入網的全覆蓋。無線方式作為光纖通信的有力補充手段，正承載著越來越多的電力通信業務。目前無線方式主要有無線公網和無線專網兩種方式。無線公網前期投資少、建設周期短、業務部署和開展快，但隨著配用電系統規模的擴大，逐漸暴露出采集成功率低、存在信息安全隱患、不同電力用戶優先級無保障等問題?，F有的電力無線專網如230數傳電臺、1 800 MHz無線寬帶通信系統存在速率低、覆蓋能力較弱、建網和運營成本較高、與電力業務結合能力一般等諸多問題，限制了它們在智能電網中進一步的發展和推廣。新型LTE230無線通信系統充分利用低頻段覆蓋距離遠以及4G LTE先進技術的優勢，具有大容量、廣覆蓋、高效率、高安全性等特點，在電力無線專網領域受到越來越多的關注[1]。

1 系統分析

LTE230電力無線通信系統可直接部署在230 MHz電力專用40個授權頻點上，符合國家對低頻段的技術升級改造政策，當前LTE230電力無線通信專網已經在北京東城區[1]、江蘇揚州[2]、浙江海鹽[3]等多處開展了試點工作，為電力通信專網建設提供了良好的借鑒意義和示范作用。這些試驗網的結構和圖1都基本類似。在圖1中，業務平臺、監控中心及eOMC網管系統為LTE230系統的主站平臺；EPC為核心網,eNodeB230為基站;基站和終端通過無線的方式進行數據傳輸，終端類型主要有四種：配電終端、負控終端、用電信息采集終端（集中器、采集器、智能電表）和視頻監控終端。前三種終端承載對通信速率要求較低的小帶寬業務，最后一種承載對通信速率要求較高的大帶寬業務。這種小帶寬與大帶寬業務并存，小帶寬業務為主[1]是智能電網配用電業務的一個重要特點。

圖1 LTE230無線通信系統

當前這些LTE230試驗網終端解決方案基本都是采用業界通用的CPU和DSP，外加FPGA和DDR存儲器的板級方案實現的，且針對小帶寬業務和大帶寬業務采用不同的軟硬件平臺，這種終端實現方式存在成本高、功耗大、軟硬件維護工作量大等問題，極大地限制了LTE230電力無線通信專網的進一步的推廣和應用。因此，開發具有高性能、低成本、低功耗的LTE230無線通信基帶芯片（簡稱LTE230芯片），并在此基礎上開展芯片終端產品的應用研究，對于推進電力無線通信專網的產業化具有重要意義。

2 芯片設計

針對智能電網配用電業務大、小帶寬的特點，在芯片設計須同時考慮高性能和低成本兩種終端的需要。

2.1 芯片結構

芯片整體結構如圖2所示，采用三級AMBA總線架構:一級為64位的高帶寬 AXI總線、二級為 32位高性能AHB總線、三級為32位低速APB外設總線。

圖2 芯片整體結構

AXI總線是一個矩陣式結構，采用全聯通模式。AXI總線上主要的模塊有：DSP核、系統DMA、中頻IF Enginee、Turbo Decoder硬件加速器、2組嵌入式大容量存儲器eDRAM。

AHB總線的設備主要包括中斷控制器DSP INTC、BootROM、SPI Flash控制器 SPI_FLSCTRL，以及中頻、Turbo Decoder和DMA的寄存器配置接口。

APB總線上的設備主要包括 SPI_HOSTIF、射頻配置接口SPI_RFCFG、以太網接口SPI_MAC、定時器 Timer、串口UART、I2C控制器、看門狗 WDT、GPIO模塊、系統控制單元 SCU、PWM模塊。APB總上的各種SPI控制器及串口都支持DMA模式。

2.2 關鍵技術

芯片內部集成了高性能的DSP處理器，DSP采用哈佛結構，可同時支持4 MAC操作；DSP核內嵌高速TCM和Cache，可有效平滑高速DSP內核和相對低速的eDRAM存儲器之間讀寫操作的訪問延遲，使系統整體性能較優。DSP內嵌功耗管理模塊 PSU(Power Scaling Unit)，支持多種功耗管理模式，通過軟件指令、外部中斷及SCU的控制，可根據應用場景需求快速的在不同的功耗管理之間進行切換，從而滿足系統待機、DRX周期、低速及全速運行等場景下的功耗和性能要求。

芯片內置高密度大容量的嵌入式存儲器eDRAM，eDRAM接口時序簡單，讀寫延遲小,無需復雜的控制器,面積只有普通SRAM的1/3；另外相比于外置DDR的存儲方式，沒有IO的功耗損失，BOM成本也較低，故在性能、功耗和成本上都有很好的兼顧。在芯片設計時，考慮系統內存帶寬的需求，采用兩組片內eDRAM的方式，芯片內的主設備如DSP，若其指令和數據分別存放在不同的eDRAM內，則可并行讀取指令和數據，大大縮短了內存訪問延遲，提高了系統的性能。此外eDRAM提供了正常讀寫、Standby、Self Refresh和 power down多種功耗模式，可根據系統場景來切換。

230 MHz頻段系統資源呈無規則、梳狀結構，頻點分布離散。芯片獨有的中頻模塊接收來自前端射頻芯片出來的數據，由于頻譜的不連續性，中頻模塊將會進行兩級混頻、下采樣及濾波操作，從射頻接收的數據中抽取出對應頻點的數據，經中頻內置的DMA模塊經總線送到eDRAM中，同時發送中斷通知DSP來做進一步處理。上行鏈路和下行鏈路相似，但是一個相反的過程。同時中頻模塊采用乘法器時分復用的高階數字濾波器，可對帶外的干擾信號進行很好的抑制，以很小電路面積來保證系統的性能。由于芯片支持的TDD模式，收發不會同時進行，故中頻模塊可在自身收發時序控制下采用數據流驅動的時鐘門控技術，動態地開關上下行數據鏈路的時鐘，以達到減少功耗的目的。

LTE230采用和4G LTE相同的物理層信道編解碼方式，其物理層下行共享信道PDSCH采用的是Turbo碼，Turbo譯碼算法運算量很大；同時由于LTE230須支持40個離散頻點，依靠DSP軟譯碼的方式對MIPS要求太高，故芯片中內置了硬件加速器Turbo Decoder。Turbo Decoder支持鏈表的數據結構，可在一次配置后進行多個頻點、多個碼塊的譯碼操作，其間無須DSP干預。

3 芯片應用

針對電力大、小帶寬業務的特點，應用LTE230芯片，可開發兩類終端產品：LTE通信模塊(LTE Communication Module，簡稱 LCM）和用戶終端設備（Customer Premises Equipment，簡稱 CPE）[1]。LCM 終端強調的是低功耗、低成本、小體積，CPE終端側重的是高性能。

LCM硬件平臺如圖3所示，提供UART業務物理接口，支持的頻點通常為1～8個，有效數據速率一般為幾十千比特每秒到一百多千比特每秒，可滿足窄帶數傳、遠程控制通信等低速率的無線通信需求。

圖3 LCM硬件平臺

CPE硬件平臺如圖4所示，配備 UART、10/100 M自適應以太網等業務物理接口，最大支持40個頻點，上、下等峰值速率分別為1.76 Mb/s和 0.71 Mb/s，主要用于承載視頻監控等高速數據傳輸。

圖4 CPE硬件平臺

實際應用中，90%以上的終端數量是LCM，成本和功耗是一個重要的考慮因素，在硬件實現時盡量簡單，采用LTE230芯片+射頻RF芯片的方案。LTE230芯片的一個串口用于調試，另一個串口用來和電力終端進行數據交換。操作系統和基帶處理軟件在系統啟動時通過BootCode從片外SPI Flash存儲器加載到芯片內部的TCM和eDRAM存儲器中。LTE230的DSP運行實時操作系統Nucleus，且其基帶處理除物理層(PHY)時域部分(含載波聚合)是用中頻模塊硬件電路實現的，其余的物理層的頻域處理和比特級/符號級處理、協議層的媒體訪問控制(MAC)和無線資源控制(RRC)[4]、網絡層的TCP/IP協議、射頻前端收發配置以及芯片內外大量設備的管理都是用DSP軟件來實現。

在高性能的CPE平臺中，支持的數據速率高，單DSP方案無法提高足夠的處理能力，故在LCM平臺的基礎上，外加一個高性能低功耗的基于ARM Cortex M3的MCU(考慮到市場上MCU的成熟度及內嵌Flash工藝的特殊性，芯片未集成MCU)。LTE230芯片專注于基帶物理層的處理，協議層和網絡層的處理由MCU來完成。MCU和DSP運行相同實時操作系統，通過SPI控制器交換物理層傳輸信道(Transport Channels)[4]的數據。MCU內嵌大容量Flash存儲器，可用來存儲MCU及DSP的整個軟件系統，無需外接SPI Flash存儲器。在系統初始化時，MCU可在DSP的BootCode配合下，通過SPI接口將DSP所需軟件下載到LTE230芯片的TCM和eDRAM存儲器中。

4 結論

基于LTE230無線通信基帶芯片的LCM和CPE的軟硬件平臺已進行了初步的原型驗證，結果表明，在成本、功耗、軟硬系統維護及升級便利性等方面，相比于現有的基于“ADI DSP+FPGA+DDR”的LCM終端平臺和基于“TI OMAP處理器+FPGA+DDR”的 CPE終端平臺，有著明顯的優勢，這對加速智能電網中LTE230電力無線通信系統的建設有著重要的參考意義。

[1]李金友，閆磊，齊歡，等.基于 LTE230系統的電力無線通信專網研究與實踐[J].電氣技術，2014(1)：132-134.

[2]蔡斌，李雪平，祝峰.LTE230無線寬帶通信網絡在揚州配網自動化中的研究與應用[J].中國無線電，2013(11)：38-41.

[3]吳文紹.TD-LTE230無線寬帶系統在縣電力公司中的應用[J].電力信息化，2012，10（11）：58-62.

[4]3GPP TS36.201 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；LTE Physical Layer-General Description[S].2009.