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摘 要：当电网面对地震、洪涝、泥石流等强自然灾害，电力设施遭到损毁，如何快速建立有效且覆盖范围广的通信网络，及时解决电力应急抢险人员、车辆现场调度指挥，快速排除电力故障对电力应急抢险具有重大意义。文章从电力抢修需求出发，分析当前电网应急无线通信技术，并针对电力应急通信应用现状及现场应用需求，提出了基于McLTE技术的便携式应急系统通信架构，并研究了与应急通信业务密切相关的关键技术，最后利用McLTE便携式系统实验网测试了语音、数据、视频业务的承载能力和网络性能。实验表明，McLTE便携式系统的多业务承载调度能力和通信网络的安全可靠性，对快速了解灾害现场情况、现场人员的调度指挥以及高效处理突发事件起到至关重要的作用。
关键词：电力应急；无线通信；McLTE技术；一体化；便携式架构
近年来，因自然灾害导致的电网大面积停电事故时有发生，一旦电力供应中断，社会公共服务无法正常运行，公众经济生活陷入瘫痪状态，给社会造成严重影响。因此，在电网遭受自然灾害毁坏时，建立高效的电力应急通信系统，是保障电网稳定运行的重要科技支撑。尤其在面对电力应急抢险环境是山区或地震、洪涝、泥石流等强烈自然灾害时，搭建具备快速部署特点的应急通信系统，实现灾区范围内的人员语音、调度、数据传输、视频监控等业务，对现场组织救灾及指挥调度工作具有重大意义。
无线通信技术因具有可扩展性强、覆盖范围广、接入灵活、能够快速提供服务等优点，近年来成为电力应急系统研究和应用的热点。目前国内电力系统主要采用的无线通信技术主要有专网和公网，无线专网和无线公网相比，其带宽资源有显著优势，能够同时支持多路高清视频数据回传；而利用公网通道时，业务的优先级和安全性难以得到保证。在某些地区公网无法提供覆盖和传输通道的情况下，无线专网更发挥了不可替代的作用。因此，文章主要研究如何采用无线专网解决电力应急抢险业务的传输问题。
目前，电力无线专网采用的技术体制主要包括230MHz无线通信系统、1.8GHz长期演进（Long Term Evolution，LTE）宽带无线通信系统以及全球微波互联接入（WorldwideInteroperability for Microwave Access，WiMAX）。由于230MHz无线通信系统可用频点不连续且仅有1 MHz带宽 ，无法满足应急通信视频业务的传输需求。而WiMAX技术短板明显，产业链单一，已不适用于在电网中推广应用。因此，文章提出McLTE宽带无线多媒体通信系统（Multimedia communication LTE，McLTE）构建应急通信网络，并以具备快速部署特点的McLTE便携式系统为研究重点。
技术原理
McLTE宽带多媒体集群通信系统是以第四代移动通信技术TD-LTE为核心，将TD-LTE的高速率、大带宽与数字集群技术中的资源共享、快速呼叫建立、指挥调度等特点进行融合，并融入了空分多址、动态信道分配、智能天线等一系列贴近行业应用的关键技术，能够同时提供高质量语音、专业级集群、指令调度，宽带数据传输，高清视频监控及调度为一体的新一代宽带多媒体数字集群通信系统。McLTE宽带多媒体集群通信系统包括：终端（UE）、无线接入子系统（eNodeB）、核心网络与集群控制子系统，如图1所示：
用户设备（UE）
用户设备（UE）主要实现以下功能：①传输信道的信道编码与译码、HARQ处理、加扰与调制、传输信道到指定的资源与天线端口的映射；②支持物理层过程：上行链路自适应、上行功率控制、上行定时控制；③支持逻辑信道到传输信道的映射；支持TM/AM/UM模式到逻辑信道的映射；支持压缩与解压缩；加密与解密；④支持群组业务所需要的逻辑信道和传输信道；⑤支持对系统信息、寻呼信息的接收；⑥支持接收群组相关的系统信息和寻呼信息；⑦支持RRC连接的建立、维护与释放；支持RB建立、配置、维护与释放；⑧支持群组业务RB的建立、配置、维护与释放；⑨支持安全功能；⑩支持移动性功能；支持测量与测量上报。
无线接入子系统
无线接入子系统由基站（eNodeB）组成，主要实现功能包括：①无线资源管理：无线承载控制，无线接入控制，连接移动性控制，UE的动态资源分配；②IP头压缩和数据加密；③用户面数据路由；④寻呼消息的调度与发送；⑤系统信息的调度和发送；⑥移动性所用的测量报告配置。
核心网络与集群控制子系统
核心网络与集群控制子系统包括核心網（含MME、X-GW、HSS、CC、PTT网元）、集群调度控制系统、网络管理软件等，完成以下功能：①实现移动性管理、接入控制、EPS会话管理等功能，负责给终端分配IP地址、执行QoS控制、提供和外部数据网络的接口等；②用户的签约管理功能；③集群组呼、单呼、紧急呼叫、话权管理、集群业务权限管理等调度业务逻辑控制功能；④当需要和外部网络进行语言呼叫互通时，具备语音接入网关或者中继网关功能；⑤对系统和网络进行管理。
McLTE便携式系统设计
McLTE便携式系统基于McLTE宽带多媒体集群通信系统开发，将McLTE架构中的空口接入、业务交换、用户管理等集于一体，实现本地无线覆盖、语音通话、集群调度、视频回传等功能。
硬件设计
McLTE便携式系统硬件主要包含主处理单元、核心网单元、功放单元、电源单元，交换单元、转接单元。主处理单元完成基带及射频小信号处理，核心网单元完成基站业务管理功能，功放单元完成射频收发切换及射频小信号放大，电源单元完成设备整机供电及电池与外部电源自动切换功能，交换单元完成以太网交换、无线AP接入功能，转接单元完成主处理单元与功放单元接口连接及必要电源供给，系统总体框架如图2所示：
（1）主处理单元。主处理单元主要完成以下功能：①完成主控、主时钟、传输、实现GPS/北斗/GLONASS同步方式；②完成MESH基带处理能力；③实现射频小信号的收发；④对内部各模块提供稳定可靠的电源。 根据实现功能不同，板卡划分为如下模块：①处理器及外设和接口模块；②基带处理单元；③FPGA逻辑单元；④辅助控制逻辑单元；⑤时钟单元；⑥电源单元；⑦AD/DA单元。
系统框图如图3所示所示。
（2）核心网单元。核心网单元主要包含工控板及工业级固态硬盘，完成基站业务管理，预装linux操作系统及X-GW、网络管理软件等。
（3）功放单元。功放单元主要完成收发射频小信号放大功能，功放单元发射与接收通道复用一个射频接口，发射和接收通道通过射频开关进行切换。主处理单元射频接口处的发射功率最大预算是2dBm，接收功率的最大预算是-45dBm。功放单元发射链路总的设计增益为39dB，包含两级驱动放大器的增益预算22dB，末级功放的增益预算17dB，天线口的额定输出功率可以达到40dBm。接收通道，天线最小的接收功率是-101dBm（20M带宽），经过大功率开关、两级低噪放、10dB衰减器、SAW滤波器、收发切换开关以后，接口功率达到-70dBm。
（4）电源单元。电源单元（PSB板）主要完成对主处理单元（MBD板）及功放单元（PAU板）提供电源，具体为将外部输入的直流28V转换为母线电压28V给MBD板，提供一路给PAU的可调节电源，可调电压范围为11～28V，提供一路12V/2A给外部设备供电，监控电池电压与模块输出电压，自动完成电源切换（有外接电时用外接电，无外接电时使用电池供电），并提供电源端口的浪涌保护和传导骚扰抑制功能。PSB板卡的主要接口如图4所示：
根据硬件功能的不同，PSB板可以划分为如下模块：①前面板输入接插件；②开关及控制单元；③各路电源输出接插件；④浪涌抑制单元；⑤防插反保护单元；⑥EMI抑制单元；⑦各路功率变换单元；⑧软切换控制单元。
PSB板系统框图如图5所示：
（5）交换单元。交换单元（SWB板）主要完成无线AP接入，网口交换功能；支持10M/100M自适应以太网口，支持802.11b/g/n，对内与MBD板采用网口形式连接，对外提供两个百兆网口，SWB板卡的主要接口如图6所示。
（6）转接单元。转接单元（CON板）主要完成MBD板及射频PAU板信号转接及电源转接功能，一面与MBD板对接，另一面与PAU板对接。对外提供一路3.3V/1A电源给交换板，提供一路5.5V/1.5A給PAU板。另外配合MBD板完成电池组信号电压采集功能。转接板与系统中其它板卡关系如图7所示所示：
软件设计
（1）控制面协议栈。宽带集群控制接口是在3GPPLTE标准空口的基础上，在RRC（RadioResource Control）层扩展了集群的RRC功能，在NAS（Non-AccessStratum）层之上扩展了集群的PNAS（Push to Talk Non-Access Stratum）协议，如图8所示。
（2）用户面协议栈。宽带集群的数据接口采用3GPP LTE的标准接口，如图9所示。
（3）逻辑信道映射。首先，下行逻辑信道映射，如图10所示。
DCCH：下行专有信道，供建立RRC连接的用户使用。包括集群的话权用户和申请话权的用户。具体包括：①终端状态上报消息；②集群听用户的测量报告。
TCCH：集群专用的点到多点下行信道，传输群组控制信息。具体包括：①本小区组呼的配置消息；②组呼邻区的配置消息；③组呼管理的NAS消息；④组呼释放消息。
TTCH：集群专用的点到多点下行信道，传输群组下行业务数据。
TPCCH：集群专用的下行信道，传输集群组呼和单呼的寻呼消息
其次，上行逻辑信道映射，如图11所示。
（4）设备软件部署。便携式系统的软件采用模块化软件设计，包括四个子系统：DSP、CPU、FPGA、射频子系统，如图12所示。
CPU软件：包括CPU平台软件和CPU业务软件。其中CPU平台软件完成各PPC处理器接口、BSP等设备驱动等功能，主要包括以下功能：①实现基于PPC的linux操作系统；②负责处理器各外部从属设备的配置和加载运行；③为业务软件提供控制及业务面数据分段与重组接口；④实现基于MCU的操作系统及提供配套驱动上层调用接口；⑤平台告警管理；⑥相关故障快速定位功能；⑦为业务层数据分析提供便捷的接口。
CPU业务软件完成LTE相关协议栈处理以及操作维护相关功能，主要包括以下功能：①LTE RRC层协议处理；②LTE GTPU层协议处理；③LTE PDCP层协议处理；④版本管理、告警管理、配置管理、性能管理等操作维护功能；⑤传输相关功能；⑥集群相关协议处理。
DSP软件：包括DSP平台软件和DSP业务软件。其中DSP平台软件向下对DSP硬件进行设备管理，向上对业务软件层提供使用硬件资源的统一接口，剥离业务软件和具体硬件的耦合。
DSP平台软件，主要包括了以下功能：①硬件设备资源管理及驱动程序；②通用调试工具；③统一接口封装；④实时操作系统。
DSP业务软件主要完成LTE基带相关协议栈处理，主要包括以下功能：①LTE RLC协议层处理；②LTE MAC协议层处理；③LTE PHY协议层处理。
FPGA：实现系统定时同步、高速接口适配、数字中频处理及预失真等功能。
射频子系统：完成上下行数据处理（如DDC、DUC、DPD、CFR等），以及接口控制。完成射频信号收发，功率放大、收发切换以及信号滤波等功能。
（5）网管软件架构。便携式集群宽带系统的网管软件采用分层的软件设计架构，其中综合网管平台为各网元的网管系统提供统一的通信接口及公共处理功能，屏蔽硬件差异和网管系统业务处理之间的耦合性。同时，抽象出各网管网管系统对于告警管理、配置管理、版本管理、性能管理、动态管理、安全管理的共性特性，采用面向对象的方式设计网管软件各功能模块的共性部分，采用继承及多态的特性，实现各网元网管功能的特性部分，提高网管系统的可扩展性和可移植性（见图13）。 方案验证
为验证McLTE 宽带无线通信系统对电力应急通信业务的支撑能力，在云南普洱供电局思茅区建设了无线专网研究试点，并搭建McLTE便携式系统验证测试环境。验证测试环境主要由便携式系统、便携式系统网管、测试终端等构成，主要验证内容包括便携式系统网络性能和电力应急场景中语音通话、集群调度、视频回传等业务能力。验证测试网络系统结构如图14所示：
普洱供电局McLTE便携式系统验证测试设定两个场景，分别为应急指挥中心和应急指挥现场。应急指挥中心设在普洱供电局思茅分局，应急指挥现场设定在思茅城区，指挥中心通过卫星链路在指挥中心观看现场视频，进行语音调度、视频查看。具体部署设备如表1所示：
考虑到电力应急通信应用场景主要以上行业务为主，将McLTE便携式系统上下行时隙比设置为3：1。系统使用1795～1805MHz的无线专网频段，10M频宽测试。测试内容包括网络吞吐量测试、网络时延测试、网络覆盖效果测试以及业务能力测试。
网络吞吐量测试
（1）单终端下行吞吐量测试。将系统带宽配置为10M上行/下行子帧配比0（子帧配置：DSUUUDSUUU）、常规长度CP、特殊子帧配置7（DwPTS：GP：UpPTS=10：2：2）；下行传输模式设为TM3，开启AMC、HARQ和MIMO自适应等功能，配置CFI=3之后，将手持终端置于测试小区不同位置，连接路测软件，开机接入网络，iperf下行灌包，保持三分钟，终端侧记录下行吞吐量平均值，RSRP，SINR，bler，基站侧记录下行调度的MCS，RB等参数，如表2所示。
（2）单终端上行吞吐量测试。测试条件同上，iperf上行灌包，保持三分钟，终端侧记录下行吞吐量平均值，RSRP，SINR，bler，基站侧记录下行调度的MCS，RB等参数，如表3所示。
网络时延
在本次测试最远点进行ping包测试，以验证终端回传业务时的网络最大时延，分别ping包32字节，1024字节，记录2种不同大小包的ping包时延，每次ping100包，同样大小的包测试3次，ping包平均时延小于55ms。
（1）32字节ping测试，测试结果如表4所示。
（2）1024字节ping测试，测试结果如表5所示。
網络覆盖效果
（1）单小区覆盖测试（下行）。测试条件同上，将CPE测试终端置于测试路线上的近点，连接路测软件，测试终端开机接入，连接PDN服务器进行FTP下载业务；测试终端沿预定测试路线以30km/h向小区边缘行驶，逐步接近小区边缘，实时记录FTP下载速率、SINR、RSRP、RB、MCS、BLER等信息，如图15～19所示。
（2）单小区覆盖测试（上行）。测试条件同上，连接PDN服务器进行FTP上传业务；测试终端沿预定测试路线以30km/h向小区边缘行驶，逐步接近小区边缘，实时记录FTP下载速率、上行SINR、RSRP，RB，MCS，BLER等信息，如图20～图22所示。
业务性能
（1）语音单呼。使用2部手持终端，一部放置在应急指挥中心，一部放置在应急指挥现场，应急指挥现场终端以30km/h的速度向小区边缘移动，逐步接近小区边缘，实时记录RSRP，SINR，如图23所示。
（2）视频单呼。调整视频模式为流畅，两部终端之间发起视频单呼，接通后视频清晰无卡顿；一部终端以30km/h的速度向小区边缘移动；测试车辆沿测试路线行驶，逐步接近小区边缘，实时记录RSRP，SINR，如图24所示。
（3）语音、视频组呼。测试条件同上，将三部手持终端置于应急指挥现场，另外一部手持终端置于应急指挥中心。指挥中心手持终端发起语音组呼，应急指挥现场三部终端收到呼叫并成功建立连接，语音清晰流畅；指挥中心终端发起视频组呼，组内用户能够接收呼叫并成功建立连接，可以听到讲话方的语音，同时还可以看到讲话方的图像且视频流畅。
（4）视频监控业务。将4部手持终端置于不同地理位置采集视频，将采集的视频同时传输至调度台，并将1台高清摄像机采集到的视频数据通过调度台分发到4部手持终端上。在测试过程中，上传视频的手持终端始终保持5km/h的移动速度。测试结果表明，同时上传4路720P高清视频业务时，系统运行稳定，画面清晰流畅且无马赛克，端到端时延不超过1s。测试结果截图如图25所示。
结束语
文章在分析当前电力无线应急通信技术应用的同时，考虑了电力应急场景下的业务需求，提出了一种基于McLTE技术的便携式应急通信系统架构，并在云南省普洱市思茅区无线专网试点区域搭建验证测试环境，对McLTE便携式系统的网络性能和业务承载能力进行了验证。实验表明，McLTE便携式系统网络带宽大、覆盖范围广、数据传输速率高、时延小，能够快速构建承载多种业务的宽带多媒体集群网络，可以为电力抢险灾区救援工作组提供集群语音、数据及视频通信功能，有效解决了灾害现场抢救人员、车辆的指挥调度问题。McLTE便携式系统为电力行业应急抢险提供了重要的科技支撑，系统具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1]胡仁辉.移动通信技术在城市轨道交通中的应用[J].工程技术研究，2016，（5）：61+70.
[2]谢刚强.现代通信技术在高速铁路中的应用[J].工程技术研究，2016，（8）：56+59.
[3]李炳林.WiMAX技术在电力应急通信中的应用[J].电力系统通信，2009，30（10）：53–56.
[4]李延，孙科，贾强.McLTE系统在配电网中的研究与应用[J].供用电，2016，11（4）：17-21.
[5]徐长福，王小波，周超，等.面向应急通信的LTE电力无线专网应用研究[J].电力信息通信技术，2015，13（1）：27-31.
[6]孙建平，林长锥.基于TD-LTE的智能配电网终端通信技术研究[J].电力系统通信，2012，33（7）：80-83.
关键词：电力应急；无线通信；McLTE技术；一体化；便携式架构
近年来，因自然灾害导致的电网大面积停电事故时有发生，一旦电力供应中断，社会公共服务无法正常运行，公众经济生活陷入瘫痪状态，给社会造成严重影响。因此，在电网遭受自然灾害毁坏时，建立高效的电力应急通信系统，是保障电网稳定运行的重要科技支撑。尤其在面对电力应急抢险环境是山区或地震、洪涝、泥石流等强烈自然灾害时，搭建具备快速部署特点的应急通信系统，实现灾区范围内的人员语音、调度、数据传输、视频监控等业务，对现场组织救灾及指挥调度工作具有重大意义。
无线通信技术因具有可扩展性强、覆盖范围广、接入灵活、能够快速提供服务等优点，近年来成为电力应急系统研究和应用的热点。目前国内电力系统主要采用的无线通信技术主要有专网和公网，无线专网和无线公网相比，其带宽资源有显著优势，能够同时支持多路高清视频数据回传；而利用公网通道时，业务的优先级和安全性难以得到保证。在某些地区公网无法提供覆盖和传输通道的情况下，无线专网更发挥了不可替代的作用。因此，文章主要研究如何采用无线专网解决电力应急抢险业务的传输问题。
目前，电力无线专网采用的技术体制主要包括230MHz无线通信系统、1.8GHz长期演进（Long Term Evolution，LTE）宽带无线通信系统以及全球微波互联接入（WorldwideInteroperability for Microwave Access，WiMAX）。由于230MHz无线通信系统可用频点不连续且仅有1 MHz带宽 ，无法满足应急通信视频业务的传输需求。而WiMAX技术短板明显，产业链单一，已不适用于在电网中推广应用。因此，文章提出McLTE宽带无线多媒体通信系统（Multimedia communication LTE，McLTE）构建应急通信网络，并以具备快速部署特点的McLTE便携式系统为研究重点。
技术原理
McLTE宽带多媒体集群通信系统是以第四代移动通信技术TD-LTE为核心，将TD-LTE的高速率、大带宽与数字集群技术中的资源共享、快速呼叫建立、指挥调度等特点进行融合，并融入了空分多址、动态信道分配、智能天线等一系列贴近行业应用的关键技术，能够同时提供高质量语音、专业级集群、指令调度，宽带数据传输，高清视频监控及调度为一体的新一代宽带多媒体数字集群通信系统。McLTE宽带多媒体集群通信系统包括：终端（UE）、无线接入子系统（eNodeB）、核心网络与集群控制子系统，如图1所示：
用户设备（UE）
用户设备（UE）主要实现以下功能：①传输信道的信道编码与译码、HARQ处理、加扰与调制、传输信道到指定的资源与天线端口的映射；②支持物理层过程：上行链路自适应、上行功率控制、上行定时控制；③支持逻辑信道到传输信道的映射；支持TM/AM/UM模式到逻辑信道的映射；支持压缩与解压缩；加密与解密；④支持群组业务所需要的逻辑信道和传输信道；⑤支持对系统信息、寻呼信息的接收；⑥支持接收群组相关的系统信息和寻呼信息；⑦支持RRC连接的建立、维护与释放；支持RB建立、配置、维护与释放；⑧支持群组业务RB的建立、配置、维护与释放；⑨支持安全功能；⑩支持移动性功能；支持测量与测量上报。
无线接入子系统
无线接入子系统由基站（eNodeB）组成，主要实现功能包括：①无线资源管理：无线承载控制，无线接入控制，连接移动性控制，UE的动态资源分配；②IP头压缩和数据加密；③用户面数据路由；④寻呼消息的调度与发送；⑤系统信息的调度和发送；⑥移动性所用的测量报告配置。
核心网络与集群控制子系统
核心网络与集群控制子系统包括核心網（含MME、X-GW、HSS、CC、PTT网元）、集群调度控制系统、网络管理软件等，完成以下功能：①实现移动性管理、接入控制、EPS会话管理等功能，负责给终端分配IP地址、执行QoS控制、提供和外部数据网络的接口等；②用户的签约管理功能；③集群组呼、单呼、紧急呼叫、话权管理、集群业务权限管理等调度业务逻辑控制功能；④当需要和外部网络进行语言呼叫互通时，具备语音接入网关或者中继网关功能；⑤对系统和网络进行管理。
McLTE便携式系统设计
McLTE便携式系统基于McLTE宽带多媒体集群通信系统开发，将McLTE架构中的空口接入、业务交换、用户管理等集于一体，实现本地无线覆盖、语音通话、集群调度、视频回传等功能。
硬件设计
McLTE便携式系统硬件主要包含主处理单元、核心网单元、功放单元、电源单元，交换单元、转接单元。主处理单元完成基带及射频小信号处理，核心网单元完成基站业务管理功能，功放单元完成射频收发切换及射频小信号放大，电源单元完成设备整机供电及电池与外部电源自动切换功能，交换单元完成以太网交换、无线AP接入功能，转接单元完成主处理单元与功放单元接口连接及必要电源供给，系统总体框架如图2所示：
（1）主处理单元。主处理单元主要完成以下功能：①完成主控、主时钟、传输、实现GPS/北斗/GLONASS同步方式；②完成MESH基带处理能力；③实现射频小信号的收发；④对内部各模块提供稳定可靠的电源。 根据实现功能不同，板卡划分为如下模块：①处理器及外设和接口模块；②基带处理单元；③FPGA逻辑单元；④辅助控制逻辑单元；⑤时钟单元；⑥电源单元；⑦AD/DA单元。
系统框图如图3所示所示。
（2）核心网单元。核心网单元主要包含工控板及工业级固态硬盘，完成基站业务管理，预装linux操作系统及X-GW、网络管理软件等。
（3）功放单元。功放单元主要完成收发射频小信号放大功能，功放单元发射与接收通道复用一个射频接口，发射和接收通道通过射频开关进行切换。主处理单元射频接口处的发射功率最大预算是2dBm，接收功率的最大预算是-45dBm。功放单元发射链路总的设计增益为39dB，包含两级驱动放大器的增益预算22dB，末级功放的增益预算17dB，天线口的额定输出功率可以达到40dBm。接收通道，天线最小的接收功率是-101dBm（20M带宽），经过大功率开关、两级低噪放、10dB衰减器、SAW滤波器、收发切换开关以后，接口功率达到-70dBm。
（4）电源单元。电源单元（PSB板）主要完成对主处理单元（MBD板）及功放单元（PAU板）提供电源，具体为将外部输入的直流28V转换为母线电压28V给MBD板，提供一路给PAU的可调节电源，可调电压范围为11～28V，提供一路12V/2A给外部设备供电，监控电池电压与模块输出电压，自动完成电源切换（有外接电时用外接电，无外接电时使用电池供电），并提供电源端口的浪涌保护和传导骚扰抑制功能。PSB板卡的主要接口如图4所示：
根据硬件功能的不同，PSB板可以划分为如下模块：①前面板输入接插件；②开关及控制单元；③各路电源输出接插件；④浪涌抑制单元；⑤防插反保护单元；⑥EMI抑制单元；⑦各路功率变换单元；⑧软切换控制单元。
PSB板系统框图如图5所示：
（5）交换单元。交换单元（SWB板）主要完成无线AP接入，网口交换功能；支持10M/100M自适应以太网口，支持802.11b/g/n，对内与MBD板采用网口形式连接，对外提供两个百兆网口，SWB板卡的主要接口如图6所示。
（6）转接单元。转接单元（CON板）主要完成MBD板及射频PAU板信号转接及电源转接功能，一面与MBD板对接，另一面与PAU板对接。对外提供一路3.3V/1A电源给交换板，提供一路5.5V/1.5A給PAU板。另外配合MBD板完成电池组信号电压采集功能。转接板与系统中其它板卡关系如图7所示所示：
软件设计
（1）控制面协议栈。宽带集群控制接口是在3GPPLTE标准空口的基础上，在RRC（RadioResource Control）层扩展了集群的RRC功能，在NAS（Non-AccessStratum）层之上扩展了集群的PNAS（Push to Talk Non-Access Stratum）协议，如图8所示。
（2）用户面协议栈。宽带集群的数据接口采用3GPP LTE的标准接口，如图9所示。
（3）逻辑信道映射。首先，下行逻辑信道映射，如图10所示。
DCCH：下行专有信道，供建立RRC连接的用户使用。包括集群的话权用户和申请话权的用户。具体包括：①终端状态上报消息；②集群听用户的测量报告。
TCCH：集群专用的点到多点下行信道，传输群组控制信息。具体包括：①本小区组呼的配置消息；②组呼邻区的配置消息；③组呼管理的NAS消息；④组呼释放消息。
TTCH：集群专用的点到多点下行信道，传输群组下行业务数据。
TPCCH：集群专用的下行信道，传输集群组呼和单呼的寻呼消息
其次，上行逻辑信道映射，如图11所示。
（4）设备软件部署。便携式系统的软件采用模块化软件设计，包括四个子系统：DSP、CPU、FPGA、射频子系统，如图12所示。
CPU软件：包括CPU平台软件和CPU业务软件。其中CPU平台软件完成各PPC处理器接口、BSP等设备驱动等功能，主要包括以下功能：①实现基于PPC的linux操作系统；②负责处理器各外部从属设备的配置和加载运行；③为业务软件提供控制及业务面数据分段与重组接口；④实现基于MCU的操作系统及提供配套驱动上层调用接口；⑤平台告警管理；⑥相关故障快速定位功能；⑦为业务层数据分析提供便捷的接口。
CPU业务软件完成LTE相关协议栈处理以及操作维护相关功能，主要包括以下功能：①LTE RRC层协议处理；②LTE GTPU层协议处理；③LTE PDCP层协议处理；④版本管理、告警管理、配置管理、性能管理等操作维护功能；⑤传输相关功能；⑥集群相关协议处理。
DSP软件：包括DSP平台软件和DSP业务软件。其中DSP平台软件向下对DSP硬件进行设备管理，向上对业务软件层提供使用硬件资源的统一接口，剥离业务软件和具体硬件的耦合。
DSP平台软件，主要包括了以下功能：①硬件设备资源管理及驱动程序；②通用调试工具；③统一接口封装；④实时操作系统。
DSP业务软件主要完成LTE基带相关协议栈处理，主要包括以下功能：①LTE RLC协议层处理；②LTE MAC协议层处理；③LTE PHY协议层处理。
FPGA：实现系统定时同步、高速接口适配、数字中频处理及预失真等功能。
射频子系统：完成上下行数据处理（如DDC、DUC、DPD、CFR等），以及接口控制。完成射频信号收发，功率放大、收发切换以及信号滤波等功能。
（5）网管软件架构。便携式集群宽带系统的网管软件采用分层的软件设计架构，其中综合网管平台为各网元的网管系统提供统一的通信接口及公共处理功能，屏蔽硬件差异和网管系统业务处理之间的耦合性。同时，抽象出各网管网管系统对于告警管理、配置管理、版本管理、性能管理、动态管理、安全管理的共性特性，采用面向对象的方式设计网管软件各功能模块的共性部分，采用继承及多态的特性，实现各网元网管功能的特性部分，提高网管系统的可扩展性和可移植性（见图13）。 方案验证
为验证McLTE 宽带无线通信系统对电力应急通信业务的支撑能力，在云南普洱供电局思茅区建设了无线专网研究试点，并搭建McLTE便携式系统验证测试环境。验证测试环境主要由便携式系统、便携式系统网管、测试终端等构成，主要验证内容包括便携式系统网络性能和电力应急场景中语音通话、集群调度、视频回传等业务能力。验证测试网络系统结构如图14所示：
普洱供电局McLTE便携式系统验证测试设定两个场景，分别为应急指挥中心和应急指挥现场。应急指挥中心设在普洱供电局思茅分局，应急指挥现场设定在思茅城区，指挥中心通过卫星链路在指挥中心观看现场视频，进行语音调度、视频查看。具体部署设备如表1所示：
考虑到电力应急通信应用场景主要以上行业务为主，将McLTE便携式系统上下行时隙比设置为3：1。系统使用1795～1805MHz的无线专网频段，10M频宽测试。测试内容包括网络吞吐量测试、网络时延测试、网络覆盖效果测试以及业务能力测试。
网络吞吐量测试
（1）单终端下行吞吐量测试。将系统带宽配置为10M上行/下行子帧配比0（子帧配置：DSUUUDSUUU）、常规长度CP、特殊子帧配置7（DwPTS：GP：UpPTS=10：2：2）；下行传输模式设为TM3，开启AMC、HARQ和MIMO自适应等功能，配置CFI=3之后，将手持终端置于测试小区不同位置，连接路测软件，开机接入网络，iperf下行灌包，保持三分钟，终端侧记录下行吞吐量平均值，RSRP，SINR，bler，基站侧记录下行调度的MCS，RB等参数，如表2所示。
（2）单终端上行吞吐量测试。测试条件同上，iperf上行灌包，保持三分钟，终端侧记录下行吞吐量平均值，RSRP，SINR，bler，基站侧记录下行调度的MCS，RB等参数，如表3所示。
网络时延
在本次测试最远点进行ping包测试，以验证终端回传业务时的网络最大时延，分别ping包32字节，1024字节，记录2种不同大小包的ping包时延，每次ping100包，同样大小的包测试3次，ping包平均时延小于55ms。
（1）32字节ping测试，测试结果如表4所示。
（2）1024字节ping测试，测试结果如表5所示。
網络覆盖效果
（1）单小区覆盖测试（下行）。测试条件同上，将CPE测试终端置于测试路线上的近点，连接路测软件，测试终端开机接入，连接PDN服务器进行FTP下载业务；测试终端沿预定测试路线以30km/h向小区边缘行驶，逐步接近小区边缘，实时记录FTP下载速率、SINR、RSRP、RB、MCS、BLER等信息，如图15～19所示。
（2）单小区覆盖测试（上行）。测试条件同上，连接PDN服务器进行FTP上传业务；测试终端沿预定测试路线以30km/h向小区边缘行驶，逐步接近小区边缘，实时记录FTP下载速率、上行SINR、RSRP，RB，MCS，BLER等信息，如图20～图22所示。
业务性能
（1）语音单呼。使用2部手持终端，一部放置在应急指挥中心，一部放置在应急指挥现场，应急指挥现场终端以30km/h的速度向小区边缘移动，逐步接近小区边缘，实时记录RSRP，SINR，如图23所示。
（2）视频单呼。调整视频模式为流畅，两部终端之间发起视频单呼，接通后视频清晰无卡顿；一部终端以30km/h的速度向小区边缘移动；测试车辆沿测试路线行驶，逐步接近小区边缘，实时记录RSRP，SINR，如图24所示。
（3）语音、视频组呼。测试条件同上，将三部手持终端置于应急指挥现场，另外一部手持终端置于应急指挥中心。指挥中心手持终端发起语音组呼，应急指挥现场三部终端收到呼叫并成功建立连接，语音清晰流畅；指挥中心终端发起视频组呼，组内用户能够接收呼叫并成功建立连接，可以听到讲话方的语音，同时还可以看到讲话方的图像且视频流畅。
（4）视频监控业务。将4部手持终端置于不同地理位置采集视频，将采集的视频同时传输至调度台，并将1台高清摄像机采集到的视频数据通过调度台分发到4部手持终端上。在测试过程中，上传视频的手持终端始终保持5km/h的移动速度。测试结果表明，同时上传4路720P高清视频业务时，系统运行稳定，画面清晰流畅且无马赛克，端到端时延不超过1s。测试结果截图如图25所示。
结束语
文章在分析当前电力无线应急通信技术应用的同时，考虑了电力应急场景下的业务需求，提出了一种基于McLTE技术的便携式应急通信系统架构，并在云南省普洱市思茅区无线专网试点区域搭建验证测试环境，对McLTE便携式系统的网络性能和业务承载能力进行了验证。实验表明，McLTE便携式系统网络带宽大、覆盖范围广、数据传输速率高、时延小，能够快速构建承载多种业务的宽带多媒体集群网络，可以为电力抢险灾区救援工作组提供集群语音、数据及视频通信功能，有效解决了灾害现场抢救人员、车辆的指挥调度问题。McLTE便携式系统为电力行业应急抢险提供了重要的科技支撑，系统具有广阔的发展前景。
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