基于華為MH5000模組的5G車載通信板設(shè)計與實現(xiàn)

覃 旺

（廣州鐵科智控有限公司，廣州 510380）

地鐵列車車載檢修人員需在每日地鐵運(yùn)營結(jié)束后登乘列車，利用電腦讀取車載單元當(dāng)日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、診斷，確保車載單元的一切指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)，保證列車的次日正常運(yùn)行。由于列車登乘高度高、列車數(shù)量多、車載數(shù)據(jù)量大、車載數(shù)據(jù)讀取和解析復(fù)雜，檢修人員每晚的工作危險性大、勞動強(qiáng)度高、工作壓力大，且面對日間列車運(yùn)行出現(xiàn)的問題，往往不能及時找到問題原因，導(dǎo)致次日運(yùn)行重復(fù)出現(xiàn)，影響運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。

為降低檢修員工的檢修風(fēng)險，減輕檢修壓力，提高車載數(shù)據(jù)分析處理效率，快速定位列車故障點(diǎn)，控制運(yùn)營維護(hù)成本，列車數(shù)據(jù)自動回傳是必然的選擇。要解決數(shù)據(jù)自動回傳的問題，必須先打通車地通信傳輸通道。

1 現(xiàn)有車地通信技術(shù)現(xiàn)狀缺陷

目前，在軌道交通領(lǐng)域，車地通信主要采用Wi-Fi、LTE-M（LTE-Machine to Machine），以 及 毫 米 波、EUHT（Enhanced Ultra High Throughput）等手段。各通信方式的部署方式、優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

1.1 Wi-Fi

部署方式：一般車頭、車尾各部署一套或幾套車載無線訪問節(jié)點(diǎn)（AP），分為兩套互相獨(dú)立的A網(wǎng)、B網(wǎng)，車載AP之間通過車載交換網(wǎng)絡(luò)互連，實現(xiàn)冗余；軌旁每隔一定距離部署軌旁AP，AP覆蓋區(qū)有一定重疊，無線控制器（AC）通過地面骨干網(wǎng)絡(luò)將軌旁AP統(tǒng)一管理、統(tǒng)一配置，整條線路實現(xiàn)一張網(wǎng)全覆蓋[1-3]。

缺點(diǎn)：成本高，要實現(xiàn)全線路覆蓋，需在軌旁每隔幾百米部署接收AP，加上后臺AC，其固定投資費(fèi)用較大；小區(qū)切換過程中鏈路不穩(wěn)定，存在丟包；易受到外界電磁干擾。

1.2 LTE-M

部署方式：車頭、車尾部署專用車載通信終端（TAU），通過車載網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)冗余；軌旁每隔一定距離部署無線基站（RRU)，通過漏纜實現(xiàn)信號覆蓋，最終匯聚到核心網(wǎng)，實現(xiàn)CBTC數(shù)據(jù)可靠傳輸[4-6]。

缺點(diǎn)：部署成本高，需單獨(dú)部署一套LTE網(wǎng)絡(luò)，無法利用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，成本高昂；信道帶寬小，一般不超過20 Mbit/s，只能保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)，無法保證車載監(jiān)控等大容量數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 毫米波

部署方式：以華為Airflash轉(zhuǎn)儲設(shè)備為例，其車頭、車尾部署專用TAU，軌旁部署基站（RBS），采用60 GHz公有頻段通信。數(shù)據(jù)首先通過車載網(wǎng)關(guān)匯聚，通過TAU發(fā)到RBS，再通過軌旁網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺服務(wù)器[7]。

缺點(diǎn)：部署成本高，RBS、TAU價格昂貴，且需要部署專用軌旁網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，投資巨大，無法全線路部署，僅能部署在折返線、停車場等少數(shù)幾個地點(diǎn)，在有限的通信時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)落地操作；通用性差，TAU只支持POE供電，無法直接接入業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需定制專用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行適配，增加成本。

1.4 EUHT

部署方式：部署方式類似Wi-Fi[8-11]，在此不詳細(xì)闡述。

缺點(diǎn)：部署成本高，部署設(shè)備數(shù)量與Wi-Fi相當(dāng)，但EUHT相比成熟的Wi-Fi技術(shù)，在全線路部署成本更大；抗干擾性差，與Wi-Fi存在同頻干擾，在地鐵復(fù)雜的電磁環(huán)境中，可能造成通信鏈路不穩(wěn)定。

2 5G車載通信板硬件設(shè)計

2.1 設(shè)計目的

針對上述4種通信方式的弊端，為提高地鐵運(yùn)營效率，降低設(shè)備部署成本，采用運(yùn)營商5G SA通道是一個性價比較高的選擇。本文基于華為MH5000模組，針對性開發(fā)一款5G車載通信板，利用運(yùn)營商5G SA通道，解決車載數(shù)據(jù)自動下載問題。其應(yīng)用示意如圖1所示。

由安裝于車載機(jī)柜的5G車載通信板定時讀取車載系統(tǒng)的日常運(yùn)行數(shù)據(jù)。5G車載通信板獲取數(shù)據(jù)后，再通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端的數(shù)據(jù)服務(wù)器，最終通過服務(wù)器的數(shù)據(jù)解析軟件對車載運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析。

2.2 設(shè)計指標(biāo)

考慮5G通道上下行帶寬配比，以及車載業(yè)務(wù)視頻數(shù)據(jù)量大、其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較小的特點(diǎn)，對通信性能指標(biāo)的要求是：靜止?fàn)顟B(tài)下，按每路1 080P攝像頭碼流速率為8 Mbit/s計算，至少覆蓋8路高清視頻流上傳；運(yùn)動狀態(tài)下，按每路720P攝像頭碼流速率為2 Mbit/s計算，至少覆蓋8路標(biāo)清視頻流上傳。

由于列車可通過軌旁應(yīng)答器精確定位，通信板定位功能僅作為列車定位的輔助功能，要求其指標(biāo)滿足北斗規(guī)定的民用定位精度即可。具體相關(guān)指標(biāo)分配如下。

1）通信性能

靜止?fàn)顟B(tài)：下行速率≥400 Mbit/s，上行速率≥ 75 Mbit/s，端到端時延≤ 25 ms；

運(yùn)動狀態(tài)：在不超過160 km/h速度條件下，下行速率≥ 200 Mbit/s，上行速率≥ 50 Mbit/s，端到端時延≤100 ms。

2）定位精度：定位精度＜10 m，支持北斗、GPS。

2.3 硬件總體架構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)采用Qualcomm IPQ4029+華為MH5000-31模塊為最小系統(tǒng)搭建而成，采用單板機(jī)結(jié)構(gòu)。板載硬件結(jié)構(gòu)主要包括：CPU核心模塊、5G模組、PHY芯片和GPS模塊。其中5G模組主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線傳輸；GPS模塊負(fù)責(zé)獲取、輸出定位信息；PHY芯片工作在物理層，是板卡對外的以太網(wǎng)通信接口；CPU核心模塊通過PHY芯片對車載數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過5G模組與基站進(jìn)行無線通信，讀取定位芯片的位置信息，監(jiān)控電源、5G模組、GPS芯片、PHY芯片等狀態(tài)，以及工作指示燈控制、串口調(diào)試等。

2.4 天線設(shè)計

地鐵列車車載環(huán)境較為擁擠，設(shè)備繁多，要求天線安裝結(jié)構(gòu)必須體積小、防震動，易維護(hù)。為適應(yīng)車載安裝環(huán)境，將4根5G天線、1根GPS天線整合在一個安裝結(jié)構(gòu)中，形成一個帽狀天線盒。天線盒底部固定3M膠防震，同時配以固定螺栓，固定到司機(jī)駕駛臺上。

天線盒采用高透波率的材料，以及合理的罩內(nèi)天線布局，可保證5G車載通信板在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，接收到的信號符合MH5000模組的信噪比要求[12-13]。天線盒示意如圖3所示。

3 主要電路模塊

本文給出電源模塊、CPU核心模塊、5G模塊、以太網(wǎng)接口模塊、GPS模塊等主要功能部分的電路設(shè)計參考，并做簡單介紹。

3.1 電源模塊

電源模塊是通信板正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。列車車載供電電壓一般采用DC110 V，為保證操作安全，以及消除直接將強(qiáng)電引到電路板上可能產(chǎn)生的EMC風(fēng)險，通信板從機(jī)箱電源轉(zhuǎn)接板接入DC12 V電壓，額定電流3 A，額定功耗36 W。電源功耗預(yù)留23.3%作為安全冗余，其電源分配拓?fù)淙鐖D4所示。

3.2 CPU核心模塊

如圖5所示，CPU核心模塊主要包括CPU、DDR、Flash以及必要的外圍電路。CPU作為整個板卡的控制核心，對各個子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、管理；同時，由于以太網(wǎng)接口模塊和5G模塊無法進(jìn)行直接通信，需要通過CPU進(jìn)行接口適配，要求CPU具備較高的性能。本方案選擇IPQ4029 四核A7，主頻可達(dá)717 MHz；內(nèi)存芯片采用臺灣南亞NT5CC128M16I，提供 2 GB 的存儲容量 ；Flash芯片采用鎂光MT29F1G08ABAEAWP，提供1 GB的存儲空間。

3.3 5G模塊

如圖6所示，5G模塊主要包括MH5000-31模組、SIM卡和天線陣列接口。MH5000-31模組通過USB3.0接口與CPU互聯(lián)，USB3.0作為高達(dá)5 Gbit/s的高速數(shù)據(jù)接口，能覆蓋1路千兆以太網(wǎng)業(yè)務(wù)容量，實現(xiàn)有線網(wǎng)口側(cè)和無線空口側(cè)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。

3.4 以太網(wǎng)接口模塊

如圖7所示，以太網(wǎng)接口模塊主要包括PHY芯片、變壓器、M12端子。PHY芯片采用QCA8075，支持1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-Te，對外提供10/100/1 000自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口；PHY芯片與CPU通過SGMII接口互聯(lián)，提供1.25 Gbit/s高速傳輸通道，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過CPU傳輸?shù)?G模組。

3.5 GPS模塊

如圖8所示，GPS芯片選用SL871GPS模塊，支持北斗、GPS、GLONASS、QZSS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。CPU通過串口與SL871GPS互聯(lián)，實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)讀取以及控制指令下發(fā)。

4 實地測試

為驗證5G車載通信板在實際條件下是否滿足車載數(shù)據(jù)傳輸要求，2020年夏，在廣州地鐵某試車線，選擇某臺車部署5G車載通信板以及天線，成功將車載信號數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，實現(xiàn)車載信號數(shù)據(jù)的自動下載，并成功地獲取列車定位信息。其裝車效果如圖9所示。

4.1 測試內(nèi)容

本次測試，利用5G車載通信板作為數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)先通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端的中轉(zhuǎn)服務(wù)器，再通過中轉(zhuǎn)服務(wù)器發(fā)送到軌旁的測試電腦。測試步驟如下。

1）利用5G車載通信板獲取業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信號數(shù)據(jù)并上傳至云服務(wù)器，并通過測試電腦測出5G車載通信板在行車條件下的通信帶寬以及鏈路穩(wěn)定性；

2）利用測試電腦的網(wǎng)絡(luò)測試軟件，測試5G車載通信板上下行極限帶寬、時延和抖動；

3）測試5G車載通信板在行車環(huán)境下的定位精度。

4.2 實測結(jié)果

在試車線正常行車環(huán)境下，云服務(wù)器通過5G車載通信板能正常接收到車載信號數(shù)據(jù)。測試記錄如表1、2所示。

表1 5G車載通信板試車線通信性能（SA制式）測試記錄Tab.1 Test records on the performance of communication (SA mode) of the 5G board on the test line

表2 5G車載通信板試車線GPS性能測試記錄Tab.2 Test records on the GPS performance of the 5G board on the test line

4.3 實驗結(jié)論

根據(jù)試車線測試結(jié)果，可以看到5G車載通信板打通了車地通道，實現(xiàn)列車信號日志自動上傳到云服務(wù)器的功能。在靜止、運(yùn)動時，上下行速率，時延，丟包率和抖動均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，明顯優(yōu)于當(dāng)前地鐵的LTE-M網(wǎng)絡(luò)（LTE-M網(wǎng)絡(luò)速率在5～20 Mbit/s之間）。

5 結(jié)束語

本文針對廣州地鐵當(dāng)前的痛點(diǎn)問題所設(shè)計開發(fā)的5G車載通信板，利用5G運(yùn)營商SA通道實現(xiàn)車載信號數(shù)據(jù)自動下載，基本達(dá)到設(shè)計要求。下一步的優(yōu)化方向是將5G車載通信板與運(yùn)營商的邊緣計算相結(jié)合，即利用運(yùn)營商部署的邊緣服務(wù)器代替云服務(wù)器，使數(shù)據(jù)處理過程更貼近前端，進(jìn)一步提高車地通道的安全性以及數(shù)據(jù)解析的實時性。