张秋雁+田青

摘 要 随着城市化建设进程加快，计量自动化系统中安装在移动信号盲区的终端设备普遍存在，移动运营商又不能及时处理这个信号盲区，终端设备始终不能上线，造成终端上线率、采集成功率、数据准确率等计量自动化系统重要考核指标不高，影响到计量自动化系统的实用化水平。文中提出了一种基于直序扩频技术的无线公网远程中继方法，用于解决信号盲区内计量终端上线问题，对于提高计量自动化系统的实用化水平、提升电力营销自动化水平具有重要意义。

【关键词】计量终端 信号盲区 无线公网 中继方法

近几年来，南方电网各省公司集中采购了大量作为二级物质的各类计量自动化终端，大力推进计量自动化系统的建设，提升了电力营销自动化水平，为实现智能电网提供了坚实基础。

目前，南方电网各省计量自动化系统采集终端远程无线上传通道大多采用GPRS/CDMA方式，在现场运行的终端中有一部分安装在移动信号盲区的地下室或城郊结合部，由于移动信号在这些地区较弱甚至没有，移动运营商又不能及时处理这个信号盲区，造成终端上线率，采集信息成功率、数据准确率等计量自动化系统重要考核指标不高，影响到计量自動化系统的实用化水平。

1 直序扩频通信方式

直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式，英文全称Direct Sequence Spread Spectrum，简称直扩方式（DS方式）。

直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，是一种可靠安全的工业应用方案，其原理框图见图1和图2所示。

根据香农定律：C=B*log2（1+S/N），在信道容量C一定时，可在不同的信号带宽B和信噪比S/N之进行取舍，用不同的信号带宽和相应的信噪比来实现传输，即信号带宽越宽，可传信噪比越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠通信。将信号的频谱扩展， 可实现低信噪比信号传输，保证信号传输有较好的抗干扰性和较高的保密性。

基于以上系统原理，直序扩频通信方式特点有：

1.1 抗频率陷落

直序扩频通信方式信号传输时，带宽和信号频谱宽，由于传输引起的部分频谱的衰落不会导致信号频谱出现严重衰落。

1.2 抗多径干扰

由于直序扩频通信系统中采用的伪码通常具有很好的自相关特性，不同路径传输来的信号很容易被分离开，并可在时间和相位上重新对齐，形成几路叠加，以大幅度地改善系统的性能。因而扩频系统对多径干扰可以变害为利，这是任何其它系统不易做到的。

1.3 同步时间长

直序扩频通信系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也越高，因而同步时间变长。

1.4 抗干扰，截获能力强

信号经过扩频调制后频谱被扩展，使信号的功率谱密度降低，信号完全淹没在噪声中，对其它同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，所以有非常高的隐蔽性，特别适合保密通信。

1.5 易实现多址通信

不同的扩频码是正交或接近正交的，相互影响很小，可以把不同的扩频码作为用户的地址码，容易实现码分多址（CDMA）通信。

直序扩频通信系统采用相关解扩，在接收端，接收信号经过放大混频后，经过与发射端相同且同步的PN 码进行相关解扩，由扩频信号恢复出窄带信号，再对窄带信号进行相干解调，就得到原始信息序列。

2 无线信号中继方式研究

目前，一般解决处于无线通信信号盲区的计量自动化终端上线的方式有两种： 采用高增益天线或移动信号放大方式来处理。高增益天线是使用一组高增益屏蔽线将终端的GPRS/CDMA模块信号天线延长到有信号区域，但是由于高增益天线本身价格不菲，现场安装施工困难，并且存在通信距离有限、通信效果不稳定等诸多不足，只能适用于部分较为简单的终端安装环境。

对于采用移动信号放大方式解决信号覆盖问题，大多针对地下室等信号被屏蔽区域的覆盖，采用直放站作为信号源，但通信线缆、泄漏电缆等的敷设施工工期长、成本高，如需电力部门自身投资建设将花费较大；如果依赖移动运营商来解决，需重新进行规划谈判，同时不能得到及时响应，也不一定能整改到位。

2.1 无线公网远程中继

无线公网远程中继为使用中继传输的方式，通过加装中继设备（DTU）将无线公网信号中继到信号盲区的计量终端设备，使使计量终端设备获得通讯信号，完成登陆主站上线操作，同时又可不改变现有已经实施的系统、终端、表计等各类设备的拓扑结构，不用改变其他任何设备原有配置和属性，以便于现场操作。无线公网远程中继系统结构见图3所示。

部署在信号盲区计量终端旁的本地中继设备使用RJ45等接口完成与计量终端的通信，部署在无线公网信号区域内远端中继设备使用GPRS等通信方式完成与计量自动化主站通信。

目前现场常用的无线公网信号中继方式有：有线中继、电力线载波中继、无线通信中继等方式。

2.2 有线中继

有线中继为使用以太网双绞线、RS485等通信线的方式，将远端中继设备所接收到的无线公网信号传输到公网信号盲区内的计量终端。实现计量终端获取无线公网信号，完成与计量自动化主站通信。

受双绞线及RS485线通信距离限制，双绞线通信距离通常不能超过200米，RS485在使用双芯屏蔽线的情况下，通信距离不超过1000米，同时需敷设专门的通信线，施工难度较大。有线中继适用于小区地下停车场等应用场景，这类信号盲区距离信号覆盖区域距离较近的场景，同时有规范的强电井可进行通信线缆敷设。

2.3 电力线载波中继

电力线载波中继为使用电力线载波实现中继方式，完成本地中继设备与远端中继设备间的数据通信，实现远端中继设备所接收到的无线公网信号能被中继到本地中继设备，并被传输到公网信号盲区内的计量终端设备，从而实现计量终端设备的上行信号被中继到远端中继设备，并通过GPRS等通信方式发送到计量自动化主站。

受电力线通信特点限制，信号传输必须有直接连通的电力线作为传输介质，否则电力线载波信号无法传输；同时电力线载波通信容易受当前线路所带的用户用电影响，容易受到线路和负载的干扰。电力线载波中继适用于小区底下停车场等应用场景，这类信号盲区距离信号覆盖区域距离较近的场景，同时供电线路结构清晰。

2.4 无线中继

无线中继为使用无线通信为中继方式，完成本地中继设备与远端中继设备间的数据通信，实现远端中继设备所接收到的无线公网信号能被中继到本地中继设备，并被传输到公网信号盲区内的计量终端设备，从而计量终端设备的上行信号被中继到远端中继设备，并通过GPRS等通信方式发送到计量自动化主站。

有线中继方式下需要敷设通信电缆，电力线载波中继方式下载波信号容易受到干扰、且远端中继设备与本地中继设备必须处于同一供电台区，无线中继方式克服了以上弱点，因此得到一定的推广应用。但受无线电发射功率约束，及无线通信特点限制，民用无线电发生功率必须满足国家相关标准，同时无线通信易受到建筑物遮挡、多径、传输陷落等因素影响，对传输效果造成一定的影响，无线中继适用于城乡结合部等这类信号盲区距离信号覆盖区域距离较远的平面化供电应用场景，同时无线公网信号覆盖区域与无线公网信号盲区间没有严重遮挡物的情景。

3 直序扩频自学习无线公网远程中继

3.1 中继设备结构

本文提出一种无线公网中继设备，以ARM单片机为核心处理，依托自身丰富的外设接口，进行对应的通信接口适配即可与外设通信的无线公网中继设备模型，其功能结构如图4所示。本地中继设备（DTU）及远程中继设备（ETU）采用相同的硬件配置，通过软件参数配置即可完成工作模式设置。

利用直序扩频无线通信的技术特点，将其作为本地中继设备与远程中继设备间的中继通信方式，实现远距离中继通信，同时能在恶劣通信环境下实现稳定中继通信。

3.2 自学习机制研究

3.2.1 终端设备自学习

目前南方电网计量自动化系统现场所采用的终端较多，涉及到众多的设备厂家，不同生产厂家的设备均存在一定的差异，如何解决众多厂家的不同类型终端的无线公网信号中继获取操作，一直困扰着计量自动化现场工作人员。

本文提出一种通过标准的硬件接口配合自适应软件接口的方式，进行不同设备厂家的设备自适应学习方式。对于配备RJ45接口的计量自动化终端设备，本地中继设备使用标准RJ45接口与计量终端数据交互，对于不配备RJ45接口的终端设备，本地中继设备使用标准RS485接口与其进行数据交互。通过软件识别所连接计量终端的设备类型、软件版本、所适用的协议规约类型等，完成计量终端设备的自学习操作。

3.2.2 无线公网信号自学习

受移动运营商信号覆盖建设的影响，不同区域内各移动数据业务运营商信号覆盖情况均不相同，目前三家主要移动数据业务运营商所能提供的信号制式有7种之多（GSM、WCDMA、CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、TD-LTE、FDD-LTE），共18个频段：TD-LTE（B38/B39/B40/B41）、FDD-LTE（B1/B3/B7）、TD-SCDMA（B34/B39）、WCDMA（850/900/1900/2100）、CDMA（800）、GSM（850/900/1800/1900）。

本文通过使用支持多SIM卡的7模全网通4G标准远程通信模块，软件自适应无线公网覆盖区域内移动数据业务运营商信号制式，从而实现多运营商多信号制式自学习自适应，完成与计量自动化主站通信。

3.2.3 工作方式自适应

无线公网中继设备部署于计量终端设备旁，不同类型的计量终端设备所适用的额定电压等级有所不同：100V、220V、380V等，受现场取电方式的约束，中继设备需自适应所连接的计量终端设备的额定电压等级。

本文通过使用宽范围开关电源的方式，以宽范围输入、固定电压输出的方式，完成不同计量终端设备的额定电压自适应操作。

3.3 中继设备工作方式

公网无线中继设备在进行设计操作时，成套部署，为防止与相邻部署的无线中继设备的相互串扰，导致控制及数据收发操作异常，使用物理键盘设置工作组的方式进行工作组设置，每对设备使用所设置的地址作为直序扩频因子，不同组之间因扩频码不一致，对于非本组间的无线信号，无法进行解扩。

同时直序扩频通信技术允许信道内信噪比可以很低，即在同一区域内部署多套无线公网中继设备，相互之间均不相互干扰，实现码分多址（CMDA）通信。同一区域内所能允许同时工作的设备对数由地址配置单元的位长决定，本文所提出的无线公网中继模型中，采用10位地址码的方式，即同一区域内最多允许1024对中继设备同时工作。

4 结束语

本文通过提出一种基于直序扩频通信技术的无线公网信号中继器模型，利用直序扩频优异的性能，以解决无线公网信号盲区内计量自动化终端设备的无线公网信号获取问题，实现与计量自动化主站的通信。同时提出了一种基于地址配置的码分多址同时方式，以解决同一区域内多套中继设备同时运行时的相互干扰问题，通过使用支持多SIM卡的4G全網通数据模块实现对不同移动无线运营商的信号制式的兼容。

该模型结构简单，通过标准硬件加软件自适应的方式，完成各类计量终端设备的自适应自学习操作，适应各种无线盲区能力强，同时成本较低，在解决无线公网信号盲区内计量终端上线问题，具有很高的推广应用价值，

参考文献

[1]吴慎山，万霞，吴东芳.扩频通信的发展与应用研究[J].河南师范大学学报（自然科学版），2008（09）.

[2]赵薇薇等.直序扩频通信系统的研究与SystemView仿真[J]-现代电子技术，2008（13）.

[3]雷煜卿，李建岐，侯宝素.面向智能电网的配用电通信网络研究[J].电网技术，2011（12）.

[4]毛波静，罗强，何湘宁等.多模混合通信技术研究及应用[J].电子技术应用与软件工程，2016（06）.

[5]何彬.直接序列扩频数据通信系统的设计[J].装甲兵工程学院学报，2001（09）.