一种5G工业数据传输单元的实现及应用研究

姜元山，刘 霞，张光伟，陈德进

（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

0 引 言

3G、4G开启了移动互联网时代，在5G时代，移动通信从互联网扩展到物联网领域，服务对象从人与人通信拓展到人与物、物与物通信，将与经济社会各领域深度融合，引发生产、生活方式的深刻变革。预计到2025年，垂直行业物的连接数量将达到900亿。不同于现在的公众市场对大带宽、高速率的需求，垂直行业应用需求更加多样化，5G灵活、高效、融合、开放的特性将能满足不同业务的快速部署需求，是发展产业互联网行业市场的关键。

工业互联网是新基建中信息基础设施的重要组成部分，在工业互联网中引入5G工业数据传输单元会带来新型应用模式和全新工业生态。工业互联网的5G升级改造可以分为两种，一种是工业互联网中存量网络的5G升级改造，另外一种为工业企业在部署全新工业互联网时，将5G技术作为其关键技术之一导入。 当前5G与工业互联网的融合还处于起步探索阶段，存量网络的5G升级改造是目前5G与工业互联网融合的主要方式。

在工业互联网存量网络的5G技术改造中，工业互联网行业终端的5G升级方式有3种：5G CPE（Customer Premise Equipment）、5G DTU（Data Transfer Unit）和5G模组。5G模组需要与行业终端深度融合，适用于全新设计的行业终端；5G CPE适用于存量行业终端中具备WiFi接入能力的终端，而在工业互联网中，WiFi的接入约占工业互联网接入份额的5%，5G应用场景有限。在工业互联网存量接入中有线接入占比超90%，要想让工业互联网中大量的存量有线接入行业终端具备5G能力，5G DTU是现阶段性价比较高的替代方案。

5G工业数据传输单元即5G DTU，是专用于将有线数据转换为IP数据或将IP数据转换为有线数据，并通过5G通信网络进行传送的无线终端设备。5G DTU具有组网迅速灵活、建设周期短、成本低、网络覆盖范围广、安全保密性能好、链路支持永远在线、按流量计费、用户使用成本低等优点。

1 5G DTU研究与实现

1.1 概述

5G DTU的主要功能是把远端设备的数据通过无线方式传送回后台中心。一套完整的数据传输系统包括：DTU、客户设备、移动网络、后台中心。在前端，DTU和客户设备通过串行接口或者网口相连。DTU通过移动网络与后台中心建立连接。建立连接后，前端设备和后台中心就可以通过DTU进行无线数据双向传输。

5G DTU可广泛应用于油田、电力、环保、LED信息发布、物流、水文、气象等领域。DTU和行业设备相连，然后与后台建立无线通信连接。在互联网日益发展的今天，DTU的使用也越来越广泛，它为各行业以及各行业之间的信息、产业融合提供了帮助。

1.2 5G DTU结构设计

5G DTU需要高效的上下行传输速率以及更加紧凑的体积与天线设计。针对矿区、工业现场等应用，DTU需要更高的设备保护、丰富的接口类型，及更优的信号隔离度。由于5G终端天线数量较多，常见的DTU形态包括内置天线型、外置天线型。

内置天线的DTU结构更加紧凑，壳体通常采用透波材料，因其热阻较高，导致整机散热较差，如图1所示。

图1 内置天线的5G DTU产品

外置天线的DTU具有更加灵活的应用方式，可以根据需求更换不同性能指标的天线，也可以适用于主机必须安装在密封箱体内的场景，如图2所示。

图2 外置聚合天线的5G DTU

根据使用场景，DTU还可分为室内型、室外型和野外型。其中，室外型主要安装于室外通信箱等不直接暴露的场景，产品应具有较好的环境适应性能力；野外型DTU直接暴露在野外环境中，还应具备较好的防雨淋和抗风能力。

按照安装形式，DTU可分为桌面型和上架型。桌面型DTU可以灵活嵌入其他设备或安装于工业导轨上；上架型DTU主要应用于标准的机柜内，常用尺寸通常为1U、2U、3U和4U等。

1.3 5G DTU硬件架构

为适应工业场景电源供电，5G DTU应配备DC 470等直插式电源接口，支持宽电压输入。POE供电也是常用的工业场景供电方式，适用于远距离供电。其中，USB供电作为其他供电方式的补充，优先级低于主供电接口，当主电源接入后，USB接口仅进行数据传输。硬件设计如图3所示。

图3 硬件设计

为适应工业场景的IP化趋势，适配5G空口速率，5G DTU应配备千兆以上网口，兼容2.5G网口，以充分发挥5G的大带宽优势。

RS 232/485作为串行数据通信接口标准，广泛应用于工业现场，因此5G DTU支持232/485总线。

为直观、快速判断5G DTU的工作状态，5G DTU具备相应状态指示灯；为应对复杂的应用场景，保障产品使用，5G DTU应具有复位按钮，用于紧急情况下复位终端。

5G DTU具有Nano SIM卡，可扩展支持eSIM。DTU可选支持GNSS和A-GNSS的能力。为满足5G上下行MIMO需求，5G DTU天线应保证2T4R。5G DTU的平均功耗不高于10 W，峰值功耗不高于15 W。根据工业现场要求，5G DTU应能在温度-40～+85 ℃、湿度5%RH～95%RH范围内正常工作。

1.4 5G DTU软件架构

系统整体分为3个层次：DSP层、系统驱动层、业务处理层。

DSP层（灰色）是5G基带，与Linux系统通过内部高速总线交互，通过AT命令获取或设置参数等。

系统驱动层（蓝色）是系统核心，包含引导程序、内核和文件系统、驱动等。可实现工业现场数据转换及其他操作能力。

业务处理层（绿色）包含WebUI、TR069网管、组网、FTP升级、DMZ、端口映射、USB数据通信、MPTCP等业务模块。

软件设计如图4所示。

图4 软件设计

2 5G DTU在油田智慧油井接入5G专网的应用

采油厂启动生产信息化建设，因前期建设标准较低，部分管理区的油水井站信息化建设需完善。采油厂生产信息化网络遵循“有线无线结合、公网传输辅助”的原则建设，但存在光缆施工难度大、综合成本高；无线网桥遮挡影响，电磁干扰，故障率高；4G上行速率低，多路易拥堵等问题。

为满足油田采油厂区现有油井工作状态采集任务条件，并实现上位机远程控制启井、停井、声光报警、调速等功能，采用由中国联通提出的5G无线通信技术替代无线网桥方案，如图5所示。

图5 智慧油井5G解决方案

传感器采集的数据经数据汇聚后通过中国联通5G DTU接入5G网络传输，构成数据传输链路的核心节点。厂区内5G基站通过IPRAN网络连接联通MEC，MEC下沉部署到联通机房。5G基站及MEC与联通SA核心网连接，对用户进行鉴权、计费、策略控制，同时与网管对接，进行网络运维。主要有如下方面的信息化改造：

（1）首次用5G替代网桥、有线远程控制采油装备；

（2）通过5G承载PLC专用工业协议和高清视频，同时保障大带宽和低时延高可靠；

（3）覆盖生产自动化、远程控制、安防监控等多个应用场景；

（4）采油厂5G全覆盖，对油井数据回传；

（5）实现控制信号毫秒级低时延，图像信号速率为100 Mb/s上行带宽；

（6）保障采油区生产管理、远程操作、安全巡查。

油井采集图如图6所示。

图6 油井采集图

通过油气生产过程全面可视化、生产运行状态全面感知、生产实时监控和高效运行指挥，及5G网络将视频监控与各类作业数据回传至采油厂的生产监控中心，实现数据本地闭环，极大提升了生产效率、数据安全和管理水平。

3 结 语

行业物联网终端是5G与垂直行业融合的重要切入点。工业数据传输单元（5G DTU）作为5G网络与行业设备的连接载体，可以直接对现有设备进行5G升级改造，降低终端的研发成本。产品覆盖多个应用场景，构建定制化能力，助力突破行业终端能力边界，为新媒体、工业互联网、公共安全、无人机、机器人、车联网等多个垂直行业的数字化、智能化升级赋能。

本文介绍了一种5G工业数据传输单元的实现方案，适配智慧油田采油数据采集的严酷环境，基于5G网络实现大带宽数据回传，降低了油田后期的监控维护成本，多场景数据实现连接，打破了信息孤岛模式，数据利用程度得到有效提高。