面对水质监测浮标的700M 5G 通信系统设计

张 琦，毕 杨

（西安航空学院电子工程学院，陕西西安 710077）

随着无线通信技术的快速发展，原有4G 网络存在诸多不足。水质监测浮标在密集部署后数据量暴增，数据无法及时传输，运维成本随之增高[1]。目前水利检测普遍尚未普及5G 应用。随着5G 网络在智慧环保领域中的推广[2]，且在无线频谱重耕后，原有监测浮标通信模块面临无网可用的局面[3]。5G 凭借eMBB、uRLLC、mMTC 三大技术的特性，成为赋能垂直行业数字化转型的重要技术[4]。5G 对行业市场带来的价值，将加速推进5G 产业链成熟，促进各行业基于5G 通信技术在多个场景应用的创新[5]。

水利部大力推广“数字水利”“智慧水文”等水文水资源行业信息化发展规划，推动传统水文水资源监测技术与5G 技术的融合应用，促进产业信息化水平的提升[6]。“5G+智慧水文”信息化项目将5G、云计算、大数据、数字孪生等新技术融合到水利专业设备检测数据采集中，有效助力智慧水文信息化的发展[7]。

通过对业内水质监测浮标通信模块的研究，认为现有通信模块不能满足未来无线通信的网络部署，而700M 5G 通信网络非常适用普遍位于偏远地区覆盖的水质监测浮标应用[8]，因此，提出支持5G 通信模块的浮标设计。

1 总体方案设计

1.1 黄金频段700M的优点

NR(New Radio)主流频谱是3.5 GHz，低频段为2.6 GHz、2.1 GHz、1.8 GHz、700 MHz[9]。3.5 GHz 和2.6 GHz 频谱的无线网络作为容量层，联通和电信采用2.1 GHz 的频谱作为深度覆盖层，移动与广电采用700 MHz 的频谱作为广覆盖层。700M 频谱的优势在于频点低，波长为分米级，具有衍射穿透能力强、信号覆盖范围广的特点，能为运营商节约巨额网络部署投资，根据行业分析只需建设50 万个基站就能覆盖全国。截止2023 年2 季度我国已经完成68 万个700M 的5G 基站，覆盖全国90%以上村庄，实现偏远地区的无线网络覆盖，为5G 在物联网领域的应用做好准备。

700M 频谱（703-733/758-788 MHz）在现有国内可部署的5G 频谱中频率最低。700M 频谱波长λ达到0.43 m，相对与3.5 G（λ=0.081 m）或者2.6 G（λ=0.11 m），波长优势明显，一个波长基本能穿透所有墙壁，更能在地形复杂的条线下得到折射、绕射和穿透增益。

700M 频谱无线电波覆盖大。以上行边缘速率为3 Mbps 为标准，700M 频段视距传播距离可达6.2 km，约为2.6 G 的2 倍，是3.5 G 的4 倍，是4.9 G的7 倍[10]。

700M 基站的功率损耗更小。一个700M 基站在同等功耗下可替代十几个其他高频段5G 基站的覆盖面积，单位面积耗电更少，降低运营成本。

5G 基站具有更先进的调制方式。按照载波特征的不同，调制方式可实现16QAM、64QAM 和256QAM 的配置，在信道环境较好的情况下，使用高阶QAM 能够显著提升传输速率[11]。

因此，更小的建设成本和维护成本是700M 频段覆盖的先天优势[12]。只要在水域附近有700M 的5G基站，就能对江川湖泊和近陆海域进行实时的水质监测，精准分析水质状态。

1.2 浮标通信模块的应用

无线水质监测浮标是实时水质监测系统的仪器载体设备，采用太阳能电池板和免维护蓄电池为仪器提供能源保障，可以安装水质监测仪器、数据采集器和无线数据传输模块，通过无线网络将监测数据实时传输到监测中心。将浮标部署在水域监控点后不需人工操作，就能够保证监测数据的实时性、准确性与系统的可靠性。

无线水质监测浮标上部分为太阳能板及指示灯安装区。指示灯在整体设备的最上方，自带太阳能板，靠光线强度控制指示灯闪烁（光线黑暗时，指示灯间歇性闪烁，闪烁频率满足行业相关规定）。下部分为仪表、数据采集等安装区。其中仪表安装孔位安装监测探头。正中间为电力系统和数据采集控制器安装区，可以根据加载的电池数量和数据采集传输模块的大小确定尺寸。整体外观如图1 所示。

图1 无线水质监测浮标外观

结合700M 无线网络的部署，对于水质检测浮标通信模块的设计要考虑如下几点：系统设计、终端芯片选型及应用设计。

1.3 水质浮标的系统设计

在700M NR 移动网络覆盖区域，浮标系统中配置5G 模块需安装带有5G 通信业务的SIM 卡，在管理中心进行配置，实现数据的远程传输。当信息中心接收数据后，在有无线互联网覆盖区域，通过笔记本电脑、手机或其他通信工具，都可以在线实时查看数据[13]，也可根据需要提供定时短信上报服务，或在数据异常情况下提供短信报警服务。

相比前几代通信模块的水质浮标，采用700M 5G 模块的无线系统具有更好的上传和下载速率及覆盖适应能力。借鉴物联网在其他行业的应用[14]，在浮标数据采集控制器中集成5G 芯片模组，将采集水质分析仪中的数据转发上传至无线侧，通过NR 无线系统反馈至网络，并在进入互联网中建立的VPN隧道后[15]回传至数据管理中心，如图2 所示。

图2 水质浮标工作组网图

1.4 浮标整体设计

浮标整体设计逻辑分三部分：供电模块、数据采集模块、无线通信模块，如图3 所示。

图3 水质浮标逻辑设计

供电系统负责浮标的电力来源，分太阳能板和锂电池组两部分，电源模块向整套系统提供12 V 直流电。根据不同型号浮标的尺寸，太阳能板从20～40 W可供选择，锂电池设计在20～60 AH 进行配置，在阴雨天续航能力能够达到大于10 天×24 h/天。

数据采集模块主要包含外挂式水质分析仪，支持多参数在线分析，可用于长期野外实时监测温度、深度、PH 等多个参数。这些参数被上传至数据集中处理器，集中数据处理模块负责将各个参数的数据进行整合、缓存、存储，为数据包上传做好准备。

无线通信模块主要包含5G 主控与基带、射频、天线部分。主控部分通过控制面管理通信系统，业务数据流通过用户面传递。基带模块主要功能包括信道编码、数字信号处理、调制和解调及接口模块。

射频部分将基带信号与高频信号进行转换，完成高低频信号的转变和能量变化，在基础信号和无线空口信号之间进行转化。

天线部分设计为1T2R 模式，即单发双收的2 端口天线，既保障了下行有双流的传输速率，更能保障充分的上行传输能力。

关于整套5G 通信模块，主要关注的是浮标通过数据采集模块，将水质分析仪采集到的模拟数据通过集中数据处理后转化成数字信息，在5G 无线通信模块上通过天线在空口发给基站。

1.5 通信模块数据描述

在通信系统中，用户平面负责传输业务数据，控制平面负责控制PDU会话以及终端和网络之间的连接。

该系统中，在上行信道通过PUCCH 来承载混合自动重传请求，并确认HARQ-ACK 码本信息、调度请求和信道状态等上行控制信息。相比于LTE 系统，NR 中更为灵活的时域资源调度以及上下行配比，将导致更多下行传输需要在同一个PUCCH 上进行HARQ-ACK 反馈。针对NR 新特性定义的信道状态反馈机制，也导致有更多的信道状态，反馈比特需要在PUCCH上传输，所以NR要比LTE有更大的PUCCH承载容量。

在下行信道上，通过PDCCH 承载下行调度许可DL Grant、上行调度许可UL Grant 等动态信息。NR的PDCCH 控制资源集合CORESET 为单位配置资源，CORESET 占用的PRB 个数以及PRB 位置均可根据网络部署情况灵活进行选择，不必占满整个系统带宽，也不限于系统带宽内的特定位置，CORESET 的时频资源可以灵活配置，避免了PDCCH 在小区之间的持续干扰，提供了抑制小区之间干扰的有效手段。

通信模块在接收解调PDSCH 和传输PUSCH 之前需要先确定传输块大小TBS，才能正确的设置信道编解码的参数，再进行编解码。TBS 与资源分配量、调制阶数和编码速率有关。NR 资源分配方式灵活，除了频域资源可变外，时域资源数量也可变化。NR 中TBS 确定的方法为终端提供资源分配信息，计算中间信息比特个数Ninfo，再对Ninfo进行量化，以确定最终的TBS。

由此可见，相比于4G LTE 通信，5G NR 的通信方式频谱效率更高，时频域资源的利用更加灵活，对水质浮标的通信效率有显著提升。

1.6 关于700M 5G芯片的选型

5G 芯片的应用类型多样，主要有手机、FWA(固定无线接入)和CPE(客户前置设备)、工业路由器和网关、车载路由器和5G 物联网模组应用，设备选择5G 物联网行业的芯片需要考虑满足其功能和成本。

在5G 芯片领域，春藤V510 为完整的国产自主研发芯片，且价格合理。就现阶段而言，这款芯片具有较低的用户开发门槛，有利于开发各类产品形态，可快速投入量产。选择春藤V510的主要原因有：1）单芯片支持全网各种通信制式。2）包括700M 在内的全球主流频段。3）已经广泛应用于智慧能源、车联网、工业物联网、远程医疗、智慧教育、高清视频、智慧城市及家庭娱乐等垂直行业。

基于5G 的物联网应用场景普遍对成本较敏感。早期5G 物联网产业链并不完善，使5G 行业应用位于物联网金字塔顶部，造成商用规模不足与成本偏高，难以快速达到市场普及预期。随着700M 5G 移动广电网络建设的部署与主要芯片模组的逐步完善，使得5G 物联网开始向金字塔的下部延伸拓展。

700M 的5G 芯片还有进一步降低成本的空间。一方面，中国现阶段在芯片自给率上仅有10%左右，每年进口芯片的花费为超过2 000 亿美元。在十四五规划的大战略下，会有更多力量投入到国产芯片的研发和生产上，预计2025 年国产芯片自给率达到50%，让国内行业逐渐摆脱国外厂家的高价格束缚，减低行业用户成本。另一方面，随着行业用户在物联网方面的需求更加明确，芯片厂家会研发出成本低且更符合具体需求场景的5G 芯片，从而精简设计、降低硬件成本。

2 验证结果与分析

国内700M 的商用带宽资源为30M，按照设计的框架，实验环境模拟700M 网络下的吞吐量和相关指标。700M 需要工作在FDD 制式下，对于NR 子载波间隔为15 kHz，对应160 个PRB，时隙为1 ms；对于单个OFDM 符号，DM-RS 在每个PRB 中占12 RE。

对于下行，PDSCH 分配160 个PRB，若每个时隙都有一个OFDM 符号PDCCH，则PDSCH 占14 个符号，PDSCH 数据层数是2。若每个时隙都有PUCCH且占两个PRB，则PUSCH 占158 个PRB，PUSCH 占14 个OFDM 符号，PUSCH 数据层数是1。从设计理论上来看，无线物理资源的分配能够充分保证空口的数据传输能力。

在与设备商合作的移动通信实验室中完成模拟样机的测试，实验进行了NR 700M 和FDD-LTE 2.1G的上/下行性能对比测试。图4 是在移动通信实验室构建的700M NR 测试环境。

图4 700M NR测试环境

表1 为700M 频谱下5G 模拟样机和4G 通信模块在NR 与LTE 在可用的最大带宽上/下行吞吐量在基站近点位置的测试对比数据，RSRP 为-70 dB。表2为中点对比数据，RSRP 为-90 dB。

表1 近点上下行数据对比

表2 中点数据对比

由表2 可以看到中点上下行数据数据测试结果到，NR 对比LTE 在速率上有绝对的优势。首先，频谱利用率大幅提高，对比30 M 和20 M 的带宽资源下，带宽资源增加了1.5 倍，但是上下行速率均提高2倍以上，频谱效率明显提高。其次，对于调制方式，无论在近点还是中点，NR 均可以采用256QAM 调制方式，调制编码MCS 最大应为27 号，更好的调制方式保证了更高的空口速率。

3 结束语

中国移动和广电网络共建700M 的5G 网络,对于物联网推广有积极意义，目前运营商主要关注手机终端的5G 渗透率的提升，以增加网络覆盖为主。该文的创新性在于明确提出700M 频段应用在物联网覆盖场景的优势，并将传统水利环保产业和新兴通信技术、频谱规划相结合。期待通过该文提出的新观点，触发更多其他行业领域与运营商能采用700M 频谱做为业务网络。

在环境保护领域以外，5G NR 通信网络还将在各行各业有更加广泛的应用和推广，将形成丰富的智能应用场景，构建基于5G 的应用场景和互联网产业生态，在智能环保、智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧医疗等重点领域发挥巨大作用[16]。让国民经济的发展能够更高效、更便捷、更健康，推进网络强国建设，加快建设数字经济、数字社会、数字政府，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革。推进5G 技术在生态保护领域的应用有巨大战略意义。