一種5G工業數據傳輸單元的實現及應用研究

姜元山，劉 霞，張光偉，陳德進

（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

0 引 言

3G、4G開啟了移動互聯網時代，在5G時代，移動通信從互聯網擴展到物聯網領域，服務對象從人與人通信拓展到人與物、物與物通信，將與經濟社會各領域深度融合，引發生產、生活方式的深刻變革。預計到2025年，垂直行業物的連接數量將達到900億。不同于現在的公眾市場對大帶寬、高速率的需求，垂直行業應用需求更加多樣化，5G靈活、高效、融合、開放的特性將能滿足不同業務的快速部署需求，是發展產業互聯網行業市場的關鍵。

工業互聯網是新基建中信息基礎設施的重要組成部分，在工業互聯網中引入5G工業數據傳輸單元會帶來新型應用模式和全新工業生態。工業互聯網的5G升級改造可以分為兩種，一種是工業互聯網中存量網絡的5G升級改造，另外一種為工業企業在部署全新工業互聯網時，將5G技術作為其關鍵技術之一導入。 當前5G與工業互聯網的融合還處于起步探索階段，存量網絡的5G升級改造是目前5G與工業互聯網融合的主要方式。

在工業互聯網存量網絡的5G技術改造中，工業互聯網行業終端的5G升級方式有3種：5G CPE（Customer Premise Equipment）、5G DTU（Data Transfer Unit）和5G模組。5G模組需要與行業終端深度融合，適用于全新設計的行業終端；5G CPE適用于存量行業終端中具備WiFi接入能力的終端，而在工業互聯網中，WiFi的接入約占工業互聯網接入份額的5%，5G應用場景有限。在工業互聯網存量接入中有線接入占比超90%，要想讓工業互聯網中大量的存量有線接入行業終端具備5G能力，5G DTU是現階段性價比較高的替代方案。

5G工業數據傳輸單元即5G DTU，是專用于將有線數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為有線數據，并通過5G通信網絡進行傳送的無線終端設備。5G DTU具有組網迅速靈活、建設周期短、成本低、網絡覆蓋范圍廣、安全保密性能好、鏈路支持永遠在線、按流量計費、用戶使用成本低等優點。

1 5G DTU研究與實現

1.1 概述

5G DTU的主要功能是把遠端設備的數據通過無線方式傳送回后臺中心。一套完整的數據傳輸系統包括：DTU、客戶設備、移動網絡、后臺中心。在前端，DTU和客戶設備通過串行接口或者網口相連。DTU通過移動網絡與后臺中心建立連接。建立連接后，前端設備和后臺中心就可以通過DTU進行無線數據雙向傳輸。

5G DTU可廣泛應用于油田、電力、環保、LED信息發布、物流、水文、氣象等領域。DTU和行業設備相連，然后與后臺建立無線通信連接。在互聯網日益發展的今天，DTU的使用也越來越廣泛，它為各行業以及各行業之間的信息、產業融合提供了幫助。

1.2 5G DTU結構設計

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計。針對礦區、工業現場等應用，DTU需要更高的設備保護、豐富的接口類型，及更優的信號隔離度。由于5G終端天線數量較多，常見的DTU形態包括內置天線型、外置天線型。

內置天線的DTU結構更加緊湊，殼體通常采用透波材料，因其熱阻較高，導致整機散熱較差，如圖1所示。

圖1 內置天線的5G DTU產品

外置天線的DTU具有更加靈活的應用方式，可以根據需求更換不同性能指標的天線，也可以適用于主機必須安裝在密封箱體內的場景，如圖2所示。

圖2 外置聚合天線的5G DTU

根據使用場景，DTU還可分為室內型、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景，產品應具有較好的環境適應性能力；野外型DTU直接暴露在野外環境中，還應具備較好的防雨淋和抗風能力。

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備或安裝于工業導軌上；上架型DTU主要應用于標準的機柜內，常用尺寸通常為1U、2U、3U和4U等。

1.3 5G DTU硬件架構

為適應工業場景電源供電，5G DTU應配備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場景供電方式，適用于遠距離供電。其中，USB供電作為其他供電方式的補充，優先級低于主供電接口，當主電源接入后，USB接口僅進行數據傳輸。硬件設計如圖3所示。

圖3 硬件設計

為適應工業場景的IP化趨勢，適配5G空口速率，5G DTU應配備千兆以上網口，兼容2.5G網口，以充分發揮5G的大帶寬優勢。

RS 232/485作為串行數據通信接口標準，廣泛應用于工業現場，因此5G DTU支持232/485總線。

為直觀、快速判斷5G DTU的工作狀態，5G DTU具備相應狀態指示燈；為應對復雜的應用場景，保障產品使用，5G DTU應具有復位按鈕，用于緊急情況下復位終端。

5G DTU具有Nano SIM卡，可擴展支持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。根據工業現場要求，5G DTU應能在溫度-40～+85 ℃、濕度5%RH～95%RH范圍內正常工作。

1.4 5G DTU軟件架構

系統整體分為3個層次：DSP層、系統驅動層、業務處理層。

DSP層（灰色）是5G基帶，與Linux系統通過內部高速總線交互，通過AT命令獲取或設置參數等。

系統驅動層（藍色）是系統核心，包含引導程序、內核和文件系統、驅動等。可實現工業現場數據轉換及其他操作能力。

業務處理層（綠色）包含WebUI、TR069網管、組網、FTP升級、DMZ、端口映射、USB數據通信、MPTCP等業務模塊。

軟件設計如圖4所示。

圖4 軟件設計

2 5G DTU在油田智慧油井接入5G專網的應用

采油廠啟動生產信息化建設，因前期建設標準較低，部分管理區的油水井站信息化建設需完善。采油廠生產信息化網絡遵循“有線無線結合、公網傳輸輔助”的原則建設，但存在光纜施工難度大、綜合成本高；無線網橋遮擋影響，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現有油井工作狀態采集任務條件，并實現上位機遠程控制啟井、停井、聲光報警、調速等功能，采用由中國聯通提出的5G無線通信技術替代無線網橋方案，如圖5所示。

圖5 智慧油井5G解決方案

傳感器采集的數據經數據匯聚后通過中國聯通5G DTU接入5G網絡傳輸，構成數據傳輸鏈路的核心節點。廠區內5G基站通過IPRAN網絡連接聯通MEC，MEC下沉部署到聯通機房。5G基站及MEC與聯通SA核心網連接，對用戶進行鑒權、計費、策略控制，同時與網管對接，進行網絡運維。主要有如下方面的信息化改造：

（1）首次用5G替代網橋、有線遠程控制采油裝備；

（2）通過5G承載PLC專用工業協議和高清視頻，同時保障大帶寬和低時延高可靠；

（3）覆蓋生產自動化、遠程控制、安防監控等多個應用場景；

（4）采油廠5G全覆蓋，對油井數據回傳；

（5）實現控制信號毫秒級低時延，圖像信號速率為100 Mb/s上行帶寬；

（6）保障采油區生產管理、遠程操作、安全巡查。

油井采集圖如圖6所示。

圖6 油井采集圖

通過油氣生產過程全面可視化、生產運行狀態全面感知、生產實時監控和高效運行指揮，及5G網絡將視頻監控與各類作業數據回傳至采油廠的生產監控中心，實現數據本地閉環，極大提升了生產效率、數據安全和管理水平。

3 結 語

行業物聯網終端是5G與垂直行業融合的重要切入點。工業數據傳輸單元（5G DTU）作為5G網絡與行業設備的連接載體，可以直接對現有設備進行5G升級改造，降低終端的研發成本。產品覆蓋多個應用場景，構建定制化能力，助力突破行業終端能力邊界，為新媒體、工業互聯網、公共安全、無人機、機器人、車聯網等多個垂直行業的數字化、智能化升級賦能。

本文介紹了一種5G工業數據傳輸單元的實現方案，適配智慧油田采油數據采集的嚴酷環境，基于5G網絡實現大帶寬數據回傳，降低了油田后期的監控維護成本，多場景數據實現連接，打破了信息孤島模式，數據利用程度得到有效提高。