基于5G技术的高可靠数据传输终端的设计

吴必造，杨亚军，张辛波

（中移物联网有限公司 解决方案部，重庆401120）

0 引言

随着国家全力推进5G网络建设，截止到2020年9月，国内已经建成了超过48万个的5G基站，5G用户超过6 000万，5G网络终端连接数量已经超过一亿[1-2]。随着5G网络的发展，5G行业的应用也应运而生，5G行业得到了蓬勃发展。

5G已成为引领融合创新、激发新型信息消费的新动力，成为促进产业升级、驱动经济持续增长的新引擎。5G的三大典型应用场景为eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（海量机器通信）和 uRLLC（超低时延超高可靠）[3]，尤其对于垂直行业应用领域，比如远程医疗、远程工业控制、无人驾驶等都对高带宽和低时延提出了非常高的要求[4]。而传统数据传输终端，多采用2G/4G网络进行数据传输，相较于5G网络存在带宽不够、延时高等缺陷，对远程工控、无人驾驶等对实时性、稳定性以及带宽要求较高的工业领域并不适用。

本文在5G网络的基础上，采用模块化组合结构设计了一款终端数据采集设备，即5G-DTU，它集成了路由模块、5G模块以及扩展板模块，可以通过有线或者WiFi连接传感器或其他数据采集设备[5]，数据经过打包后通过5G网络上传至中国移动OneNET云平台[6]。本文设计的5G-DTU可用于要求低延时的车联网的数据传输，要求高可靠性的工业物联网数据传输，以及要求高传输带宽的高清视频数据传输等。

1 5G-DTU的硬件设计

5G-DTU各部分采用模块化组合结构，各子模块间采用TE的连接器互联，可根据具体的应用需要灵活配置，具有扩展性。

整体硬件架构如图1所示。5G-DTU的硬件主要由三个功能子模块（主处理器模块、无线路由子模块和5G通信子模块）和一个电源子模块组成。主处理器模块负责控制及数据处理；无线路由子模块负责提供路由及WiFi接入；5G通信子模块负责提供大带宽、高速的数据流量；电源子模块主要负责为整个终端的各个功能模块提供能够正常工作的电压及电流。外部恒压供电电压为12 V或24 V，电池供电电压为7.4 V。

图1 整体硬件功能框图

1.1 主处理器模块

主处理器模块负责进行控制和数据处理功能。主处理器的芯片选用Rockchip公司的RK1808处理器，该处理器采用1.6 GHz双核64位Cortex-A35架构，能最大程度兼顾性能、功耗和运算精度。RK1808芯片还有丰富的外设接口，便于应用扩展。

1.2 无线路由模块

无线路由功能模块主要提供路由和WiFi热点功能，5G-DTU的无线路由模块采用MTK的MT7621DAT芯片设计方案，即MT7621DAT采用主频为880 MHz、MIPS1004kc的双核心架构，且该架构支持128 MB的DDR2内存，并有丰富的外设接口。

WiFi射频芯片分别采用2.4 GHz的MT7603和5 GHz的MT7613。同时实现了2.4 G&5 G双频千兆WiFi热点功能，且能同时兼容IEEE 802.11n和IEEE802.11ac协议。此外，为了提高频谱的利用率，且提高有限的无线频带中的数据传输率，在两个射频芯片上分别外接2路2.4 GHz天线和5 GHz天线，实现2×2的多输入多输出。

1.3 5G通信模块

5G通信模块负责提供5G网络的大带宽、高速数据流量服务。5G-DTU的5G通信模块采用中移物联网有限公司开发的F03X工业级通信模组[7]。

F03X是工业级多模5G通信模组，可提供稳定的GNSS定位服务，用于视频监控、VR/AR、工业互联网等行业。其接口丰富，便于扩展。5G通信模块外部接口有 8路天线接口（支持 8×8MIMO或 4×4MIMO两种模式）以及SIM卡接口，可提供5G网络的高速数据流量。它的数据下行速率大于2 Gb/s，上行速率能够达到1.2 Gb/s。主处理器模块通过连接一个千兆以太网切换开关可以控制选择网络输入方式为5G网络输入还是千兆以太网输入，为用户提供多种入网选择，提高网络连接的可靠性。

1.4 电源模块

5G-DTU的供电方式有两种，分别为外部直流供电和电池供电。外部直流供电模式的输入电压为24 V，电池供电模式的输入电压为 6.8 V～8.6 V（两节可充电锂电池串联）。电源模块中使用了一个充电管理芯片对供电方式进行切换和选择，并为锂电池进行充电。

当采用外部24 V直流供电模式时，通过DC-DC芯片降压到5 V为核心处理器供电，然后再将5 V输出电压通过DC-DC芯片降压给其余芯片供电。当采用锂电池供电方案时，先将电池输出电压（6.8 V～8.6 V）通过DC-DC降压到5 V输出，为核心处理器供电，然后再将5 V输出电压通过DC-DC芯片降压给其余芯片供电。

2 5G-DTU的软件设计

5G-DTU的软件流程图如图2所示。为了便于理解，以一次发送数据的过程为例对软件的实现流程进行详细说明：（1）读取设备采集信息配置，根据具体应用的不同，被采集设备与5G-DTU连接的物理接口可以是CAN口、485串口、WiFi或有线 LAN口的一种或多种。（2）判断设备采集周期是否已经到达，若采集周期未到则一直等待中。（3）采集周期到，就开启对应硬件接口模块的初始化，初始化完毕后向南向设备发起采集命令。（4）设备数据采集到5G-DTU后，需根据具体业务将数据进行边缘化处理，比如根据温湿度数据范围直接本地控制空调的开或关，不需经过云端处理决策。（5）边缘化处理后，若有设备数据存在异常，需要进行异常告警处理。（6）将正常待处理数据进行打包，然后按照约定协议上传至云端平台。

图2 5G-DTU的软件流程图

设备上电后，电源模块依次给主处理器模块、无线路由模块以及通信模块上电。上电后可选择有线连接入网或5G模块拨号上网，即通过GE口（无线路由的WAN口）提供公网给路由模块。具备上网功能后，主处理器采集传感器设备数据，辅处理器模块协助主处理器模块做出对应的处理。然后将采集到的数据按照自定义协议进行封装打包，通过5G模组提供的网络能力上传至指定的云平台中国移动OneNET平台。

以工程车辆挖掘机车载5G-DTU为例，主处理器模块采集车载设备CAN口的数据，比如挖斗动臂上升下降、铲斗打开收缩等；主处理器模块通过自定义串口协议，对辅处理器模块发送数据采集命令，辅处理器模块启动AI/DI的数据采集，比如点火、熄火、油门等。无线路由模块通过LAN口或WiFi接入IP摄像头，采集视频数据；对于一些移动设备，不便于通过LAN口有线接入的，可以通过WiFi接入，比如AGV车，可以传输行车轨迹等数据。然后将上述采集到的数据按照自定义协议进行封装打包，通过5G模组提供的网络能力上传至指定的云平台中国移动OneNET平台。

5G-DTU的软件在功能上可分为4个功能独立的部分，分别是主控模块软件、路由模块软件、5G上网模块软件和扩展板软件。下面分别对各模块的基本功能和软件设计思路进行描述。

2.1 主控软件设计

主控模块是5G-DTU的信号控制和处理中枢，其通过向其他模块发送控制指令，控制各类数据的采集、处理、转发，协调各模块的工作。主控模块的软件是基于Linux平台开发的[8]。通过控制路由模块、5G模块和扩展板模块可实现如下功能：（1）定位功能：通过串口连接北斗/GPS模组，可实现5GDTU的设备定位。（2）数据采集功能：通过扩展板的预留接口可以外接温度、湿度、重力传感器进行数据采集。（3）外设功能：CAN总线可以接车载设备，RS485和RS232可以接工业现场设备实现下挂设备功能。（4）5G通信：通过控制 5G通信模块，进行5G上网配置，实现5G网络数据通信功能。（5）视频采集功能：通过路由模块的GE口有线接入IP摄像头或无线WiFi接入摄像头可采集视频，同时主处理器内置AI能力，具备多种AI算法，可实现人脸检测等功能。

2.2 路由软件

路由软件基于OpenWRT操作系统开发，为5GDTU提供路由基础能力和路由应用能力，基础能力包括IPv4、IPv6等基础网络能力，应用能力包括拨号程序、IP客户端、VPN客户端等能力。路由模块的入网方式有如下两种：（1）通过5G模组F03X拨号，然后通过路由WAN口为路由模块提供网络输入；（2）通过WAN口连接外部的有线网络。由于5G网络的广域覆盖、热点高容量、大连接、低时延、高可靠性等特点，在实际场景中多采用5G拨号入网的模式，而有线入网主要是留给运维和开发人员使用。同时路由模块还对外提供5.8 G和2.4 G两个频段的WiFi网络，为无线终端如无线摄像头和无线传感器等提供无线网络接入。手机和PC授权用户也可连接路由模块提供的WiFi网络对5G-DTU进行配置和上传数据。

路由软件的开发主要分为如下几个步骤：（1）驱动开发与适配：实现2.4 G和5 G WiFi芯片的驱动开发；（2）路由功能模块：实现 IP地址分配、DNS域名解析、网络安全、WAN侧功能、报文转发、无线管理等功能；（3）页面配置模块：实现路由相关参数、WiFi相关参数、用户名及密码等参数的配置。

2.3 5G上网软件

5G模块主要负责5G网络的接入。上电后，5G模块可自动拨号上网，通过GE口（无线路由的WAN口）提供公网给路由模块，路由模块具备上网功能后，可为无线传感器等5G-DTU的外设以及授权用户提供WiFi无线接入和LAN口有线接入两种入网方式。5G网络相比于4G具有连续广域覆盖、热点高容量、大连接、低时延、高可靠性等特点。5G网络相比WiFi具有连续覆盖、抗干扰性好以及稳定性好等优点。因此在户外环境或者对稳定性要求较高的车联网以及工控领域中，使用5G模式进行数据传输更加高效和可靠。

2.4 扩展板软件

扩展板提供了丰富的模拟和数字信号的接口，主要负责模拟信号和数字信号采集工作。扩展板软件基于STM32系列单片机开发，包含16路数字信号和3路模拟信号接口。通过预留接口外接传感器可以采集温度、湿度以及视屏等数字或者模拟信号，然后交给主控软件处理。

3 性能测试

本节首先测试了5G-DTU和4G-DTU的传输延时以及传输带宽，然后对5G-DTU的稳定性和抗干扰性进行了测试，由于稳定性测试报告由第三方专业检测机构出具，内容涉及商业机密，因此文中只对测试项目以及结果进行展示。

3.1 数据传输测试

测试环境：同一实验室环境下，准备5G-DTU和4G-DTU各一台、PC一台、网速管家PC端软件。

测试过程：在实验室环境下，5G-DTU上电，通过LAN口有线连接PC，运行PC端软件网速管家，云端测试选择“重庆”，然后开始测试；用同样的方式对4G-DTU开展测试；最后将两组数据分别截图记录，如图3、图 4所示，以便做对比分析。

图3 5G-DTU的测试结果

图4 4G-DTU的测试结果

在同一实验室同一基站下进行带宽和延时测试。图 3为 5G设备数据（下行 706.5 Mb/s，上行76.39 Mb/s，ping延迟 14 ms），图 4为 4G 设备数据（下行 26.77 Mb/s，上行 4.97 Mb/s，ping 延迟 25 ms）。通过对比可发现，5G设备的带宽远远高于4G设备带宽，延迟也存在明显优势。

3.2 可靠性测试

为证明5G-DTU的可靠性，委托了重庆某研究院对5G-DTU进行检测，检测标准参照国标执行[9-19]。检测温度为 18.9~22.0℃；湿度为 54.2~57.5%RH；大气压为97.9~99.2 kPa。测试结果如表1所示。

表1 5G-DTU的可靠性测试项目和结果

高可靠性主要通过无风扇设计、防雷击保护、防潮防湿、宽压输入、电磁兼容等指标体现，目前已通过第三方的完整测试。共通过实验测试20项，不合格0项，因此检测结果为合格。综上，通过第三方检测证明了5G-DTU的高可靠性。

4 结论

结合F03X工业级5G通信模组的5G-DTU终端数据采集模块，实现了稳定的GNSS定位服务、高速的数据流量、低延时快速接入等优点，解决了传统的终端数据采集模块时延大、带宽小等缺点，且外部封装防水防火，锂电池供电适用于复杂的户外环境。最后通过测试证明了5G-DTU的高带宽、低延时和高可靠性。本文设计的5G-DTU具有很好的工程实用价值，可用于智慧工厂、工业互联网等垂直行业的终端数据采集和传输。