一種5G工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用研究

姜元山，劉 霞，張光偉，陳德進(jìn)

（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 100048）

0 引 言

3G、4G開啟了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，在5G時(shí)代，移動(dòng)通信從互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，服務(wù)對(duì)象從人與人通信拓展到人與物、物與物通信，將與經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域深度融合，引發(fā)生產(chǎn)、生活方式的深刻變革。預(yù)計(jì)到2025年，垂直行業(yè)物的連接數(shù)量將達(dá)到900億。不同于現(xiàn)在的公眾市場(chǎng)對(duì)大帶寬、高速率的需求，垂直行業(yè)應(yīng)用需求更加多樣化，5G靈活、高效、融合、開放的特性將能滿足不同業(yè)務(wù)的快速部署需求，是發(fā)展產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場(chǎng)的關(guān)鍵。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新基建中信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中引入5G工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元會(huì)帶來新型應(yīng)用模式和全新工業(yè)生態(tài)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G升級(jí)改造可以分為兩種，一種是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中存量網(wǎng)絡(luò)的5G升級(jí)改造，另外一種為工業(yè)企業(yè)在部署全新工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，將5G技術(shù)作為其關(guān)鍵技術(shù)之一導(dǎo)入。 當(dāng)前5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合還處于起步探索階段，存量網(wǎng)絡(luò)的5G升級(jí)改造是目前5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合的主要方式。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)存量網(wǎng)絡(luò)的5G技術(shù)改造中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)終端的5G升級(jí)方式有3種：5G CPE（Customer Premise Equipment）、5G DTU（Data Transfer Unit）和5G模組。5G模組需要與行業(yè)終端深度融合，適用于全新設(shè)計(jì)的行業(yè)終端；5G CPE適用于存量行業(yè)終端中具備WiFi接入能力的終端，而在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，WiFi的接入約占工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入份額的5%，5G應(yīng)用場(chǎng)景有限。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)存量接入中有線接入占比超90%，要想讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中大量的存量有線接入行業(yè)終端具備5G能力，5G DTU是現(xiàn)階段性價(jià)比較高的替代方案。

5G工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元即5G DTU，是專用于將有線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有線數(shù)據(jù)，并通過5G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備。5G DTU具有組網(wǎng)迅速靈活、建設(shè)周期短、成本低、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、安全保密性能好、鏈路支持永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)、用戶使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 5G DTU研究與實(shí)現(xiàn)

1.1 概述

5G DTU的主要功能是把遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過無線方式傳送回后臺(tái)中心。一套完整的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括：DTU、客戶設(shè)備、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)中心。在前端，DTU和客戶設(shè)備通過串行接口或者網(wǎng)口相連。DTU通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)中心建立連接。建立連接后，前端設(shè)備和后臺(tái)中心就可以通過DTU進(jìn)行無線數(shù)據(jù)雙向傳輸。

5G DTU可廣泛應(yīng)用于油田、電力、環(huán)保、LED信息發(fā)布、物流、水文、氣象等領(lǐng)域。DTU和行業(yè)設(shè)備相連，然后與后臺(tái)建立無線通信連接。在互聯(lián)網(wǎng)日益發(fā)展的今天，DTU的使用也越來越廣泛，它為各行業(yè)以及各行業(yè)之間的信息、產(chǎn)業(yè)融合提供了幫助。

1.2 5G DTU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5G DTU需要高效的上下行傳輸速率以及更加緊湊的體積與天線設(shè)計(jì)。針對(duì)礦區(qū)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等應(yīng)用，DTU需要更高的設(shè)備保護(hù)、豐富的接口類型，及更優(yōu)的信號(hào)隔離度。由于5G終端天線數(shù)量較多，常見的DTU形態(tài)包括內(nèi)置天線型、外置天線型。

內(nèi)置天線的DTU結(jié)構(gòu)更加緊湊，殼體通常采用透波材料，因其熱阻較高，導(dǎo)致整機(jī)散熱較差，如圖1所示。

圖1 內(nèi)置天線的5G DTU產(chǎn)品

外置天線的DTU具有更加靈活的應(yīng)用方式，可以根據(jù)需求更換不同性能指標(biāo)的天線，也可以適用于主機(jī)必須安裝在密封箱體內(nèi)的場(chǎng)景，如圖2所示。

圖2 外置聚合天線的5G DTU

根據(jù)使用場(chǎng)景，DTU還可分為室內(nèi)型、室外型和野外型。其中，室外型主要安裝于室外通信箱等不直接暴露的場(chǎng)景，產(chǎn)品應(yīng)具有較好的環(huán)境適應(yīng)性能力；野外型DTU直接暴露在野外環(huán)境中，還應(yīng)具備較好的防雨淋和抗風(fēng)能力。

按照安裝形式，DTU可分為桌面型和上架型。桌面型DTU可以靈活嵌入其他設(shè)備或安裝于工業(yè)導(dǎo)軌上；上架型DTU主要應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)柜內(nèi)，常用尺寸通常為1U、2U、3U和4U等。

1.3 5G DTU硬件架構(gòu)

為適應(yīng)工業(yè)場(chǎng)景電源供電，5G DTU應(yīng)配備DC 470等直插式電源接口，支持寬電壓輸入。POE供電也是常用的工業(yè)場(chǎng)景供電方式，適用于遠(yuǎn)距離供電。其中，USB供電作為其他供電方式的補(bǔ)充，優(yōu)先級(jí)低于主供電接口，當(dāng)主電源接入后，USB接口僅進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)

為適應(yīng)工業(yè)場(chǎng)景的IP化趨勢(shì)，適配5G空口速率，5G DTU應(yīng)配備千兆以上網(wǎng)口，兼容2.5G網(wǎng)口，以充分發(fā)揮5G的大帶寬優(yōu)勢(shì)。

RS 232/485作為串行數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此5G DTU支持232/485總線。

為直觀、快速判斷5G DTU的工作狀態(tài)，5G DTU具備相應(yīng)狀態(tài)指示燈；為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，保障產(chǎn)品使用，5G DTU應(yīng)具有復(fù)位按鈕，用于緊急情況下復(fù)位終端。

5G DTU具有Nano SIM卡，可擴(kuò)展支持eSIM。DTU可選支持GNSS和A-GNSS的能力。為滿足5G上下行MIMO需求，5G DTU天線應(yīng)保證2T4R。5G DTU的平均功耗不高于10 W，峰值功耗不高于15 W。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求，5G DTU應(yīng)能在溫度-40～+85 ℃、濕度5%RH～95%RH范圍內(nèi)正常工作。

1.4 5G DTU軟件架構(gòu)

系統(tǒng)整體分為3個(gè)層次：DSP層、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層、業(yè)務(wù)處理層。

DSP層（灰色）是5G基帶，與Linux系統(tǒng)通過內(nèi)部高速總線交互，通過AT命令獲取或設(shè)置參數(shù)等。

系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層（藍(lán)色）是系統(tǒng)核心，包含引導(dǎo)程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)等?？蓪?shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及其他操作能力。

業(yè)務(wù)處理層（綠色）包含WebUI、TR069網(wǎng)管、組網(wǎng)、FTP升級(jí)、DMZ、端口映射、USB數(shù)據(jù)通信、MPTCP等業(yè)務(wù)模塊。

軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)

2 5G DTU在油田智慧油井接入5G專網(wǎng)的應(yīng)用

采油廠啟動(dòng)生產(chǎn)信息化建設(shè)，因前期建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，部分管理區(qū)的油水井站信息化建設(shè)需完善。采油廠生產(chǎn)信息化網(wǎng)絡(luò)遵循“有線無線結(jié)合、公網(wǎng)傳輸輔助”的原則建設(shè)，但存在光纜施工難度大、綜合成本高；無線網(wǎng)橋遮擋影響，電磁干擾，故障率高；4G上行速率低，多路易擁堵等問題。

為滿足油田采油廠區(qū)現(xiàn)有油井工作狀態(tài)采集任務(wù)條件，并實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制啟井、停井、聲光報(bào)警、調(diào)速等功能，采用由中國(guó)聯(lián)通提出的5G無線通信技術(shù)替代無線網(wǎng)橋方案，如圖5所示。

圖5 智慧油井5G解決方案

傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)匯聚后通過中國(guó)聯(lián)通5G DTU接入5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸鏈路的核心節(jié)點(diǎn)。廠區(qū)內(nèi)5G基站通過IPRAN網(wǎng)絡(luò)連接聯(lián)通MEC，MEC下沉部署到聯(lián)通機(jī)房。5G基站及MEC與聯(lián)通SA核心網(wǎng)連接，對(duì)用戶進(jìn)行鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)、策略控制，同時(shí)與網(wǎng)管對(duì)接，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維。主要有如下方面的信息化改造：

（1）首次用5G替代網(wǎng)橋、有線遠(yuǎn)程控制采油裝備；

（2）通過5G承載PLC專用工業(yè)協(xié)議和高清視頻，同時(shí)保障大帶寬和低時(shí)延高可靠；

（3）覆蓋生產(chǎn)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制、安防監(jiān)控等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景；

（4）采油廠5G全覆蓋，對(duì)油井?dāng)?shù)據(jù)回傳；

（5）實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)毫秒級(jí)低時(shí)延，圖像信號(hào)速率為100 Mb/s上行帶寬；

（6）保障采油區(qū)生產(chǎn)管理、遠(yuǎn)程操作、安全巡查。

油井采集圖如圖6所示。

圖6 油井采集圖

通過油氣生產(chǎn)過程全面可視化、生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)全面感知、生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和高效運(yùn)行指揮，及5G網(wǎng)絡(luò)將視頻監(jiān)控與各類作業(yè)數(shù)據(jù)回傳至采油廠的生產(chǎn)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地閉環(huán)，極大提升了生產(chǎn)效率、數(shù)據(jù)安全和管理水平。

3 結(jié) 語

行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端是5G與垂直行業(yè)融合的重要切入點(diǎn)。工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元（5G DTU）作為5G網(wǎng)絡(luò)與行業(yè)設(shè)備的連接載體，可以直接對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行5G升級(jí)改造，降低終端的研發(fā)成本。產(chǎn)品覆蓋多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建定制化能力，助力突破行業(yè)終端能力邊界，為新媒體、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、公共安全、無人機(jī)、機(jī)器人、車聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)垂直行業(yè)的數(shù)字化、智能化升級(jí)賦能。

本文介紹了一種5G工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元的實(shí)現(xiàn)方案，適配智慧油田采油數(shù)據(jù)采集的嚴(yán)酷環(huán)境，基于5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大帶寬數(shù)據(jù)回傳，降低了油田后期的監(jiān)控維護(hù)成本，多場(chǎng)景數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)連接，打破了信息孤島模式，數(shù)據(jù)利用程度得到有效提高。