基于5G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)設(shè)計

劉 曉

（石家莊市軌道交通集團有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國傳統(tǒng)的3G 和4G 網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)速率和信號覆蓋等方面已無法滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的基本需求?；谠摫尘?，5G技術(shù)應(yīng)運而生，由于其具有高速率、廣覆蓋、低時延以及低功耗等特點，使得5G 網(wǎng)絡(luò)并不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一樣僅用于手機服務(wù)，在家庭和辦公網(wǎng)絡(luò)服務(wù)領(lǐng)域也具有較強的競爭力，在物聯(lián)網(wǎng)、智能建造以及自動化等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。通過探究基于5G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)設(shè)計，以期進一步完善現(xiàn)有的5G 通信系統(tǒng)，為相關(guān)研究人員提供參考。

1 5G 無線通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于5G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)可分為2 個部分，即核心網(wǎng)與接入網(wǎng)。核心網(wǎng)主要由用戶平面和控制平面所組成，發(fā)揮會話管理與移動管理功能。5G 核心網(wǎng)與5G接入網(wǎng)通過下一代（Next Generation，NG）接口連接，實現(xiàn)控制面和用戶面功能。5G 無線接入網(wǎng)之間通過Xn接口連接，實現(xiàn)控制面和用戶面功能[1]?；?G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)組成如圖1 所示其中，gNB 是5G 基站，ng-eNB 是4G 升級后支持部分5G 功能的基站。

圖1 基于5G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)組成

通過國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）的報告可看出，當(dāng)前5G 無線通信已明確支持3 大場景的應(yīng)用，分別為低時延高可靠通信（ultra-Reliable & Low-Latency Communication，uRLLC）、大規(guī)模機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）以及增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB），也正是如此，使得5G 無線通信已經(jīng)為自動化、云計算、智能機器人以及增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）等領(lǐng)域提供了十分可靠的技術(shù)支持。例如，在系統(tǒng)架構(gòu)中，可基于支持eMBB 將生產(chǎn)設(shè)備進行無線連接，不僅能降低原本布置電纜所耗費的工作量與成本，還大大提升了生產(chǎn)線的效率，為工業(yè)自動化、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及智能管理等提供時延低和可靠度高的通信保障。此外，為滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)開展中對設(shè)備響應(yīng)速度、大流量以及高帶寬的需求，可借助mMTC 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的提升，為超高清視頻實時傳輸和實時設(shè)備管理提供相應(yīng)的技術(shù)支持。以智能變電站巡檢機器人為例，在機器人通信系統(tǒng)設(shè)計中，為完成遠(yuǎn)程操控與高效的遠(yuǎn)程信息傳輸，需確保所使用的基于電力線通信技術(shù)（Power Line Communication，PLC）的通信系統(tǒng)能夠同時兼容Wi-Fi 與5G。同時，需要設(shè)計大于等于100 Mb/s 的網(wǎng)絡(luò)帶寬，以滿足站內(nèi)所有機器人的信號傳輸需求，確保機器人所搜集的視頻信息和數(shù)據(jù)信息可以實時傳輸。此外，可以利用海量物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，滿足低功耗、快傳輸?shù)膽?yīng)用場景要求。

在工業(yè)建造智能化和傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的背景下，5G 技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)場景，能在保持原有電路交換方式的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對全新網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的使用。借助終端接口，可將數(shù)據(jù)中心的客戶信息傳輸至基于5G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，在對數(shù)據(jù)進行處理與分析的基礎(chǔ)上，將各分組數(shù)據(jù)傳輸至基站。若基站收到終端所傳輸?shù)姆纸M數(shù)據(jù)，則可以在5G 技術(shù)骨干網(wǎng)的支持下，將數(shù)據(jù)傳輸至各服務(wù)節(jié)點，再由管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至技術(shù)終端?；?G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于5G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

2 基于5G 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)組網(wǎng)部署及硬件設(shè)計

2.1 5G 網(wǎng)元與接口

2.1.1 5G 移動通信整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G 網(wǎng)絡(luò)功能之間的信息交互可以基于2 種方式表示，即基于服務(wù)表示和基于點對點表示。在實際部署時，也可以采用2 種方式相結(jié)合的表達方式。5G 無線接入網(wǎng)的基站網(wǎng)元功能拆分為集中單元（Centralized Unit，CU）和分布單元（Distributed Unit，DU）[2]。劃分CU、DU 的方法有8 種，從高層到底層集中化程度更大，要求傳輸帶寬更大、時延更低。目前采用高層功能劃分方案：3GPP 標(biāo)準(zhǔn)確定了分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）上移便于形成數(shù)據(jù)錨點，便于支持用產(chǎn)面的雙連接/多連接。

2.1.2 5G 主要網(wǎng)元功能

5G 系統(tǒng)核心網(wǎng)和接入網(wǎng)網(wǎng)元主要功能可分為3個方面，即用戶面功能（User Plane Function，UPF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）以及訪問和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）。

用戶面功能包括基于N 接口切換過程中的數(shù)據(jù)包路由與轉(zhuǎn)發(fā)、連接到移動通信網(wǎng)絡(luò)的外部電源分配單元（Power Distribution Unit，PDU）會話點、5G 基站（the Next Generation Node B，gNodeB）間切換本地移動錨點。

會話管理功能包括會話的建立、修改以及刪除，控制用戶面功能[3]。

訪問和移動性管理功能包括網(wǎng)絡(luò)附加存儲（Network Attached Storage，NAS）移動性管理、終止運行無線電接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）網(wǎng)絡(luò)接口、NAS 信令及信令的加密和完整性保護、注冊管理以及為UE 和SMF 之間的SM 消息提供傳輸。

2.1.3 5G 系統(tǒng)接口功能與協(xié)議

由于5G 接口類型較多，這里僅針對NG 接口、E1 接口、Xn 接口、F1 接口以及Uu 接口進行分析。其中，NG 接口指接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的接口。NG接口組成如圖3 所示。

圖3 NG 接口組成

E1 接口指CU-C 與CU-U 之間的接口，只有控制面接口（E1-C）。Xn 接口指接入網(wǎng)內(nèi)部基站與基站之間的接口，其協(xié)議棧與NG 接口類似。在CU/DU分離的情況下，Xn-C 是CU-C 之間的接口，Xn-U是CU-U 之間的接口。F1 接口指CU 與DU 之間的接口，有控制面接口（F1-C）和用戶面接口（F1-U）。Uu 接口指終端與基站之間的接口[4]。

2.2 硬件架構(gòu)與設(shè)計

2.2.1 無線傳輸網(wǎng)搭建

為完成無線傳輸網(wǎng)的搭建，選用OpenWrt 系統(tǒng)創(chuàng)建無線局域網(wǎng)，并利用RT5350 模塊實現(xiàn)設(shè)備終端與局域網(wǎng)之間的無線連接，從而依托RT5350 模塊傳輸視頻流和數(shù)據(jù)信息。

2.2.2 視頻傳輸

通過攝像頭所采集的視頻信息，可由RT5350 模塊進行分析與處理，如對視頻格式和地址信息進行識別、對視頻流進行自動打包處理等。視頻信息通過處理后，則可根據(jù)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）實現(xiàn)格式的自動轉(zhuǎn)化，然后再借助互聯(lián)網(wǎng)在手機終端發(fā)送信息，這樣便能將視頻編碼數(shù)據(jù)傳輸至智能移動終端，實現(xiàn)可視化監(jiān)控。

2.3 感知檢測模塊

感知檢測模塊主要由多種傳感器組成，其中環(huán)境傳感器可細(xì)分為溫濕度傳感器和超聲波傳感器。借助此模塊，可將檢測到的各項環(huán)境指標(biāo)發(fā)送至終端設(shè)備。

2.3.1 環(huán)境溫濕度檢測

環(huán)境溫濕度檢測主要借助傳感器DHT11 實現(xiàn)。其作為當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的一款傳感器，主要依托各引腳進行連接，還可以外接單片機和移動電源等設(shè)備。

2.3.2 距離信息檢測

距離信息檢測主要借助超聲波傳感器實現(xiàn)，本次選用HCSR0 模塊。在實際應(yīng)用中，為確保距離信息檢測的準(zhǔn)確性，需將測距精度設(shè)置為3 mm，測距范圍設(shè)置為3 ～400 cm[5]。該模塊主要包括電源、回響信號輸出地接口以及觸發(fā)信號輸入端。

2.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊主要用于程序指令的記憶和數(shù)據(jù)信息的存儲，具體功能包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)清洗以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等，用于對原始數(shù)據(jù)進行處理和準(zhǔn)備。該模塊本身由多個存儲單元組成，對容量和存取速度的要求較高，文章采用分布式文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的可靠存儲和快速讀取。數(shù)據(jù)挖掘模塊采用多種算法和技術(shù)，包括關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、聚類分析、分類識別以及時序預(yù)測等技術(shù)[6]。數(shù)據(jù)展示模塊可以將挖掘出來的數(shù)據(jù)以多種形式展示出來，包括圖表、報表等形式。

3 系統(tǒng)實驗結(jié)果

為確保系統(tǒng)實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，專門構(gòu)建了仿真應(yīng)用情景，將所設(shè)計的5G 無線通信系統(tǒng)應(yīng)用于布滿桌椅和各種電子設(shè)備的室內(nèi)環(huán)境，通過開展數(shù)據(jù)通信實驗，對系統(tǒng)的實際效能進行測驗。

在測驗開展中，首先分別需要在0.1 m、1.0 m、30.0 m 的距離條件下對無線通信模塊展開通信試驗，以串口監(jiān)視的方式完成數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與接收，并將各項數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為16 進制進行顯示。將實驗距離設(shè)定為30.0 m，以單字節(jié)發(fā)送與接收的形式展開試驗，然后以多字節(jié)的形式進行接收。

實驗結(jié)果顯示，串口發(fā)送端與接收端的數(shù)據(jù)信息在內(nèi)容和格式上完全保持一致，表明在正常的通信環(huán)境下，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運行，并保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，能夠有效保持通信性能與數(shù)據(jù)傳輸性能的穩(wěn)定性，基本滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

5G 技術(shù)的發(fā)展帶來了創(chuàng)造性的變革，為數(shù)字信息領(lǐng)域的互聯(lián)提供了重要的技術(shù)支撐。未來，5G 技術(shù)將會與云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相融合，在工業(yè)制造和物流運輸?shù)阮I(lǐng)域進一步發(fā)揮作用。文章所設(shè)計的5G 無線通信系統(tǒng)能有效解決傳統(tǒng)系統(tǒng)模式下所存在的數(shù)據(jù)丟包、傳輸性能不佳以及穩(wěn)定性較差等問題，充分展現(xiàn)了5G 技術(shù)的實效性與應(yīng)用潛力。