基于5G技術(shù)的高可靠數(shù)據(jù)傳輸終端的設(shè)計(jì)

吳必造，楊亞軍，張辛波

（中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司 解決方案部，重慶401120）

0 引言

隨著國(guó)家全力推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，截止到2020年9月，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成了超過(guò)48萬(wàn)個(gè)的5G基站，5G用戶超過(guò)6 000萬(wàn)，5G網(wǎng)絡(luò)終端連接數(shù)量已經(jīng)超過(guò)一億[1-2]。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，5G行業(yè)的應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生，5G行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。

5G已成為引領(lǐng)融合創(chuàng)新、激發(fā)新型信息消費(fèi)的新動(dòng)力，成為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的新引擎。5G的三大典型應(yīng)用場(chǎng)景為eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量機(jī)器通信）和 uRLLC（超低時(shí)延超高可靠）[3]，尤其對(duì)于垂直行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，比如遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程工業(yè)控制、無(wú)人駕駛等都對(duì)高帶寬和低時(shí)延提出了非常高的要求[4]。而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸終端，多采用2G/4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相較于5G網(wǎng)絡(luò)存在帶寬不夠、延時(shí)高等缺陷，對(duì)遠(yuǎn)程工控、無(wú)人駕駛等對(duì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性以及帶寬要求較高的工業(yè)領(lǐng)域并不適用。

本文在5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用模塊化組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，即5G-DTU，它集成了路由模塊、5G模塊以及擴(kuò)展板模塊，可以通過(guò)有線或者WiFi連接傳感器或其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備[5]，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)打包后通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)上傳至中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)[6]。本文設(shè)計(jì)的5G-DTU可用于要求低延時(shí)的車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，要求高可靠性的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，以及要求高傳輸帶寬的高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

1 5G-DTU的硬件設(shè)計(jì)

5G-DTU各部分采用模塊化組合結(jié)構(gòu)，各子模塊間采用TE的連接器互聯(lián)，可根據(jù)具體的應(yīng)用需要靈活配置，具有擴(kuò)展性。

整體硬件架構(gòu)如圖1所示。5G-DTU的硬件主要由三個(gè)功能子模塊（主處理器模塊、無(wú)線路由子模塊和5G通信子模塊）和一個(gè)電源子模塊組成。主處理器模塊負(fù)責(zé)控制及數(shù)據(jù)處理；無(wú)線路由子模塊負(fù)責(zé)提供路由及WiFi接入；5G通信子模塊負(fù)責(zé)提供大帶寬、高速的數(shù)據(jù)流量；電源子模塊主要負(fù)責(zé)為整個(gè)終端的各個(gè)功能模塊提供能夠正常工作的電壓及電流。外部恒壓供電電壓為12 V或24 V，電池供電電壓為7.4 V。

圖1 整體硬件功能框圖

1.1 主處理器模塊

主處理器模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理功能。主處理器的芯片選用Rockchip公司的RK1808處理器，該處理器采用1.6 GHz雙核64位Cortex-A35架構(gòu)，能最大程度兼顧性能、功耗和運(yùn)算精度。RK1808芯片還有豐富的外設(shè)接口，便于應(yīng)用擴(kuò)展。

1.2 無(wú)線路由模塊

無(wú)線路由功能模塊主要提供路由和WiFi熱點(diǎn)功能，5G-DTU的無(wú)線路由模塊采用MTK的MT7621DAT芯片設(shè)計(jì)方案，即MT7621DAT采用主頻為880 MHz、MIPS1004kc的雙核心架構(gòu)，且該架構(gòu)支持128 MB的DDR2內(nèi)存，并有豐富的外設(shè)接口。

WiFi射頻芯片分別采用2.4 GHz的MT7603和5 GHz的MT7613。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了2.4 G&5 G雙頻千兆WiFi熱點(diǎn)功能，且能同時(shí)兼容IEEE 802.11n和IEEE802.11ac協(xié)議。此外，為了提高頻譜的利用率，且提高有限的無(wú)線頻帶中的數(shù)據(jù)傳輸率，在兩個(gè)射頻芯片上分別外接2路2.4 GHz天線和5 GHz天線，實(shí)現(xiàn)2×2的多輸入多輸出。

1.3 5G通信模塊

5G通信模塊負(fù)責(zé)提供5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、高速數(shù)據(jù)流量服務(wù)。5G-DTU的5G通信模塊采用中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司開(kāi)發(fā)的F03X工業(yè)級(jí)通信模組[7]。

F03X是工業(yè)級(jí)多模5G通信模組，可提供穩(wěn)定的GNSS定位服務(wù)，用于視頻監(jiān)控、VR/AR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)。其接口豐富，便于擴(kuò)展。5G通信模塊外部接口有 8路天線接口（支持 8×8MIMO或 4×4MIMO兩種模式）以及SIM卡接口，可提供5G網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)流量。它的數(shù)據(jù)下行速率大于2 Gb/s，上行速率能夠達(dá)到1.2 Gb/s。主處理器模塊通過(guò)連接一個(gè)千兆以太網(wǎng)切換開(kāi)關(guān)可以控制選擇網(wǎng)絡(luò)輸入方式為5G網(wǎng)絡(luò)輸入還是千兆以太網(wǎng)輸入，為用戶提供多種入網(wǎng)選擇，提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。

1.4 電源模塊

5G-DTU的供電方式有兩種，分別為外部直流供電和電池供電。外部直流供電模式的輸入電壓為24 V，電池供電模式的輸入電壓為 6.8 V～8.6 V（兩節(jié)可充電鋰電池串聯(lián)）。電源模塊中使用了一個(gè)充電管理芯片對(duì)供電方式進(jìn)行切換和選擇，并為鋰電池進(jìn)行充電。

當(dāng)采用外部24 V直流供電模式時(shí)，通過(guò)DC-DC芯片降壓到5 V為核心處理器供電，然后再將5 V輸出電壓通過(guò)DC-DC芯片降壓給其余芯片供電。當(dāng)采用鋰電池供電方案時(shí)，先將電池輸出電壓（6.8 V～8.6 V）通過(guò)DC-DC降壓到5 V輸出，為核心處理器供電，然后再將5 V輸出電壓通過(guò)DC-DC芯片降壓給其余芯片供電。

2 5G-DTU的軟件設(shè)計(jì)

5G-DTU的軟件流程圖如圖2所示。為了便于理解，以一次發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程為例對(duì)軟件的實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：（1）讀取設(shè)備采集信息配置，根據(jù)具體應(yīng)用的不同，被采集設(shè)備與5G-DTU連接的物理接口可以是CAN口、485串口、WiFi或有線 LAN口的一種或多種。（2）判斷設(shè)備采集周期是否已經(jīng)到達(dá)，若采集周期未到則一直等待中。（3）采集周期到，就開(kāi)啟對(duì)應(yīng)硬件接口模塊的初始化，初始化完畢后向南向設(shè)備發(fā)起采集命令。（4）設(shè)備數(shù)據(jù)采集到5G-DTU后，需根據(jù)具體業(yè)務(wù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣化處理，比如根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)范圍直接本地控制空調(diào)的開(kāi)或關(guān)，不需經(jīng)過(guò)云端處理決策。（5）邊緣化處理后，若有設(shè)備數(shù)據(jù)存在異常，需要進(jìn)行異常告警處理。（6）將正常待處理數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后按照約定協(xié)議上傳至云端平臺(tái)。

圖2 5G-DTU的軟件流程圖

設(shè)備上電后，電源模塊依次給主處理器模塊、無(wú)線路由模塊以及通信模塊上電。上電后可選擇有線連接入網(wǎng)或5G模塊撥號(hào)上網(wǎng)，即通過(guò)GE口（無(wú)線路由的WAN口）提供公網(wǎng)給路由模塊。具備上網(wǎng)功能后，主處理器采集傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)，輔處理器模塊協(xié)助主處理器模塊做出對(duì)應(yīng)的處理。然后將采集到的數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議進(jìn)行封裝打包，通過(guò)5G模組提供的網(wǎng)絡(luò)能力上傳至指定的云平臺(tái)中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)。

以工程車輛挖掘機(jī)車載5G-DTU為例，主處理器模塊采集車載設(shè)備CAN口的數(shù)據(jù)，比如挖斗動(dòng)臂上升下降、鏟斗打開(kāi)收縮等；主處理器模塊通過(guò)自定義串口協(xié)議，對(duì)輔處理器模塊發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，輔處理器模塊啟動(dòng)AI/DI的數(shù)據(jù)采集，比如點(diǎn)火、熄火、油門(mén)等。無(wú)線路由模塊通過(guò)LAN口或WiFi接入IP攝像頭，采集視頻數(shù)據(jù)；對(duì)于一些移動(dòng)設(shè)備，不便于通過(guò)LAN口有線接入的，可以通過(guò)WiFi接入，比如AGV車，可以傳輸行車軌跡等數(shù)據(jù)。然后將上述采集到的數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議進(jìn)行封裝打包，通過(guò)5G模組提供的網(wǎng)絡(luò)能力上傳至指定的云平臺(tái)中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)。

5G-DTU的軟件在功能上可分為4個(gè)功能獨(dú)立的部分，分別是主控模塊軟件、路由模塊軟件、5G上網(wǎng)模塊軟件和擴(kuò)展板軟件。下面分別對(duì)各模塊的基本功能和軟件設(shè)計(jì)思路進(jìn)行描述。

2.1 主控軟件設(shè)計(jì)

主控模塊是5G-DTU的信號(hào)控制和處理中樞，其通過(guò)向其他模塊發(fā)送控制指令，控制各類數(shù)據(jù)的采集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)調(diào)各模塊的工作。主控模塊的軟件是基于Linux平臺(tái)開(kāi)發(fā)的[8]。通過(guò)控制路由模塊、5G模塊和擴(kuò)展板模塊可實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）定位功能：通過(guò)串口連接北斗/GPS模組，可實(shí)現(xiàn)5GDTU的設(shè)備定位。（2）數(shù)據(jù)采集功能：通過(guò)擴(kuò)展板的預(yù)留接口可以外接溫度、濕度、重力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。（3）外設(shè)功能：CAN總線可以接車載設(shè)備，RS485和RS232可以接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)下掛設(shè)備功能。（4）5G通信：通過(guò)控制 5G通信模塊，進(jìn)行5G上網(wǎng)配置，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能。（5）視頻采集功能：通過(guò)路由模塊的GE口有線接入IP攝像頭或無(wú)線WiFi接入攝像頭可采集視頻，同時(shí)主處理器內(nèi)置AI能力，具備多種AI算法，可實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)等功能。

2.2 路由軟件

路由軟件基于OpenWRT操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，為5GDTU提供路由基礎(chǔ)能力和路由應(yīng)用能力，基礎(chǔ)能力包括IPv4、IPv6等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力，應(yīng)用能力包括撥號(hào)程序、IP客戶端、VPN客戶端等能力。路由模塊的入網(wǎng)方式有如下兩種：（1）通過(guò)5G模組F03X撥號(hào)，然后通過(guò)路由WAN口為路由模塊提供網(wǎng)絡(luò)輸入；（2）通過(guò)WAN口連接外部的有線網(wǎng)絡(luò)。由于5G網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、大連接、低時(shí)延、高可靠性等特點(diǎn)，在實(shí)際場(chǎng)景中多采用5G撥號(hào)入網(wǎng)的模式，而有線入網(wǎng)主要是留給運(yùn)維和開(kāi)發(fā)人員使用。同時(shí)路由模塊還對(duì)外提供5.8 G和2.4 G兩個(gè)頻段的WiFi網(wǎng)絡(luò)，為無(wú)線終端如無(wú)線攝像頭和無(wú)線傳感器等提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入。手機(jī)和PC授權(quán)用戶也可連接路由模塊提供的WiFi網(wǎng)絡(luò)對(duì)5G-DTU進(jìn)行配置和上傳數(shù)據(jù)。

路由軟件的開(kāi)發(fā)主要分為如下幾個(gè)步驟：（1）驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)與適配：實(shí)現(xiàn)2.4 G和5 G WiFi芯片的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)；（2）路由功能模塊：實(shí)現(xiàn) IP地址分配、DNS域名解析、網(wǎng)絡(luò)安全、WAN側(cè)功能、報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)、無(wú)線管理等功能；（3）頁(yè)面配置模塊：實(shí)現(xiàn)路由相關(guān)參數(shù)、WiFi相關(guān)參數(shù)、用戶名及密碼等參數(shù)的配置。

2.3 5G上網(wǎng)軟件

5G模塊主要負(fù)責(zé)5G網(wǎng)絡(luò)的接入。上電后，5G模塊可自動(dòng)撥號(hào)上網(wǎng)，通過(guò)GE口（無(wú)線路由的WAN口）提供公網(wǎng)給路由模塊，路由模塊具備上網(wǎng)功能后，可為無(wú)線傳感器等5G-DTU的外設(shè)以及授權(quán)用戶提供WiFi無(wú)線接入和LAN口有線接入兩種入網(wǎng)方式。5G網(wǎng)絡(luò)相比于4G具有連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、大連接、低時(shí)延、高可靠性等特點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)相比WiFi具有連續(xù)覆蓋、抗干擾性好以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因此在戶外環(huán)境或者對(duì)穩(wěn)定性要求較高的車聯(lián)網(wǎng)以及工控領(lǐng)域中，使用5G模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸更加高效和可靠。

2.4 擴(kuò)展板軟件

擴(kuò)展板提供了豐富的模擬和數(shù)字信號(hào)的接口，主要負(fù)責(zé)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)采集工作。擴(kuò)展板軟件基于STM32系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)，包含16路數(shù)字信號(hào)和3路模擬信號(hào)接口。通過(guò)預(yù)留接口外接傳感器可以采集溫度、濕度以及視屏等數(shù)字或者模擬信號(hào)，然后交給主控軟件處理。

3 性能測(cè)試

本節(jié)首先測(cè)試了5G-DTU和4G-DTU的傳輸延時(shí)以及傳輸帶寬，然后對(duì)5G-DTU的穩(wěn)定性和抗干擾性進(jìn)行了測(cè)試，由于穩(wěn)定性測(cè)試報(bào)告由第三方專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具，內(nèi)容涉及商業(yè)機(jī)密，因此文中只對(duì)測(cè)試項(xiàng)目以及結(jié)果進(jìn)行展示。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

測(cè)試環(huán)境：同一實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，準(zhǔn)備5G-DTU和4G-DTU各一臺(tái)、PC一臺(tái)、網(wǎng)速管家PC端軟件。

測(cè)試過(guò)程：在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，5G-DTU上電，通過(guò)LAN口有線連接PC，運(yùn)行PC端軟件網(wǎng)速管家，云端測(cè)試選擇“重慶”，然后開(kāi)始測(cè)試；用同樣的方式對(duì)4G-DTU開(kāi)展測(cè)試；最后將兩組數(shù)據(jù)分別截圖記錄，如圖3、圖 4所示，以便做對(duì)比分析。

圖3 5G-DTU的測(cè)試結(jié)果

圖4 4G-DTU的測(cè)試結(jié)果

在同一實(shí)驗(yàn)室同一基站下進(jìn)行帶寬和延時(shí)測(cè)試。圖 3為 5G設(shè)備數(shù)據(jù)（下行 706.5 Mb/s，上行76.39 Mb/s，ping延遲 14 ms），圖 4為 4G 設(shè)備數(shù)據(jù)（下行 26.77 Mb/s，上行 4.97 Mb/s，ping 延遲 25 ms）。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，5G設(shè)備的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4G設(shè)備帶寬，延遲也存在明顯優(yōu)勢(shì)。

3.2 可靠性測(cè)試

為證明5G-DTU的可靠性，委托了重慶某研究院對(duì)5G-DTU進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)標(biāo)執(zhí)行[9-19]。檢測(cè)溫度為 18.9~22.0℃；濕度為 54.2~57.5%RH；大氣壓為97.9~99.2 kPa。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 5G-DTU的可靠性測(cè)試項(xiàng)目和結(jié)果

高可靠性主要通過(guò)無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)、防雷擊保護(hù)、防潮防濕、寬壓輸入、電磁兼容等指標(biāo)體現(xiàn)，目前已通過(guò)第三方的完整測(cè)試。共通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試20項(xiàng)，不合格0項(xiàng)，因此檢測(cè)結(jié)果為合格。綜上，通過(guò)第三方檢測(cè)證明了5G-DTU的高可靠性。

4 結(jié)論

結(jié)合F03X工業(yè)級(jí)5G通信模組的5G-DTU終端數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的GNSS定位服務(wù)、高速的數(shù)據(jù)流量、低延時(shí)快速接入等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)延大、帶寬小等缺點(diǎn)，且外部封裝防水防火，鋰電池供電適用于復(fù)雜的戶外環(huán)境。最后通過(guò)測(cè)試證明了5G-DTU的高帶寬、低延時(shí)和高可靠性。本文設(shè)計(jì)的5G-DTU具有很好的工程實(shí)用價(jià)值，可用于智慧工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)的終端數(shù)據(jù)采集和傳輸。