基于華為MH5000模組的5G車載通信板設計與實現

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營結束后登乘列車，利用電腦讀取車載單元當日的運行數據，并進行分析、診斷，確保車載單元的一切指標在規定范圍內，保證列車的次日正常運行。由于列車登乘高度高、列車數量多、車載數據量大、車載數據讀取和解析復雜，檢修人員每晚的工作危險性大、勞動強度高、工作壓力大，且面對日間列車運行出現的問題，往往不能及時找到問題原因，導致次日運行重復出現，影響運營服務質量。

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

1 現有車地通信技術現狀缺陷

目前，在軌道交通領域，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、優缺點分析如下。

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點（AP），分為兩套互相獨立的A網、B網，車載AP之間通過車載交換網絡互連，實現冗余；軌旁每隔一定距離部署軌旁AP，AP覆蓋區有一定重疊，無線控制器（AC）通過地面骨干網絡將軌旁AP統一管理、統一配置，整條線路實現一張網全覆蓋[1-3]。

缺點：成本高，要實現全線路覆蓋，需在軌旁每隔幾百米部署接收AP，加上后臺AC，其固定投資費用較大；小區切換過程中鏈路不穩定，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），通過車載網絡實現冗余；軌旁每隔一定距離部署無線基站（RRU)，通過漏纜實現信號覆蓋，最終匯聚到核心網，實現CBTC數據可靠傳輸[4-6]。

缺點：部署成本高，需單獨部署一套LTE網絡，無法利用運營商網絡，成本高昂；信道帶寬小，一般不超過20 Mbit/s，只能保證關鍵業務，無法保證車載監控等大容量數據傳輸。

1.3 毫米波

部署方式：以華為Airflash轉儲設備為例，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。數據首先通過車載網關匯聚，通過TAU發到RBS，再通過軌旁網絡發送到后臺服務器[7]。

缺點：部署成本高，RBS、TAU價格昂貴，且需要部署專用軌旁網絡進行數據匯聚，投資巨大，無法全線路部署，僅能部署在折返線、停車場等少數幾個地點，在有限的通信時間內進行數據落地操作；通用性差，TAU只支持POE供電，無法直接接入業務系統，需定制專用網關進行適配，增加成本。

1.4 EUHT

部署方式：部署方式類似Wi-Fi[8-11]，在此不詳細闡述。

缺點：部署成本高，部署設備數量與Wi-Fi相當，但EUHT相比成熟的Wi-Fi技術，在全線路部署成本更大；抗干擾性差，與Wi-Fi存在同頻干擾，在地鐵復雜的電磁環境中，可能造成通信鏈路不穩定。

2 5G車載通信板硬件設計

2.1 設計目的

針對上述4種通信方式的弊端，為提高地鐵運營效率，降低設備部署成本，采用運營商5G SA通道是一個性價比較高的選擇。本文基于華為MH5000模組，針對性開發一款5G車載通信板，利用運營商5G SA通道，解決車載數據自動下載問題。其應用示意如圖1所示。

由安裝于車載機柜的5G車載通信板定時讀取車載系統的日常運行數據。5G車載通信板獲取數據后，再通過運營商網絡發送到云端的數據服務器，最終通過服務器的數據解析軟件對車載運行數據進行計算和分析。

2.2 設計指標

考慮5G通道上下行帶寬配比，以及車載業務視頻數據量大、其他業務數據量較小的特點，對通信性能指標的要求是：靜止狀態下，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；運動狀態下，按每路720P攝像頭碼流速率為2 Mbit/s計算，至少覆蓋8路標清視頻流上傳。

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

1）通信性能

靜止狀態：下行速率≥400 Mbit/s，上行速率≥ 75 Mbit/s，端到端時延≤ 25 ms；

運動狀態：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

硬件結構如圖2所示，系統采用Qualcomm IPQ4029+華為MH5000-31模塊為最小系統搭建而成，采用單板機結構。板載硬件結構主要包括：CPU核心模塊、5G模組、PHY芯片和GPS模塊。其中5G模組主要負責數據的無線傳輸；GPS模塊負責獲取、輸出定位信息；PHY芯片工作在物理層，是板卡對外的以太網通信接口；CPU核心模塊通過PHY芯片對車載數據進行讀取，通過5G模組與基站進行無線通信，讀取定位芯片的位置信息，監控電源、5G模組、GPS芯片、PHY芯片等狀態，以及工作指示燈控制、串口調試等。

2.4 天線設計

地鐵列車車載環境較為擁擠，設備繁多，要求天線安裝結構必須體積小、防震動，易維護。為適應車載安裝環境，將4根5G天線、1根GPS天線整合在一個安裝結構中，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，固定到司機駕駛臺上。

天線盒采用高透波率的材料，以及合理的罩內天線布局，可保證5G車載通信板在5G網絡覆蓋范圍內，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、以太網接口模塊、GPS模塊等主要功能部分的電路設計參考，并做簡單介紹。

3.1 電源模塊

電源模塊是通信板正常運行的基礎。列車車載供電電壓一般采用DC110 V，為保證操作安全，以及消除直接將強電引到電路板上可能產生的EMC風險，通信板從機箱電源轉接板接入DC12 V電壓，額定電流3 A，額定功耗36 W。電源功耗預留23.3%作為安全冗余，其電源分配拓撲如圖4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，對各個子系統進行監控、管理；同時，由于以太網接口模塊和5G模塊無法進行直接通信，需要通過CPU進行接口適配，要求CPU具備較高的性能。本方案選擇IPQ4029 四核A7，主頻可達717 MHz；內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，USB3.0作為高達5 Gbit/s的高速數據接口，能覆蓋1路千兆以太網業務容量，實現有線網口側和無線空口側的數據中轉。

3.4 以太網接口模塊

如圖7所示，以太網接口模塊主要包括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自適應網絡接口；PHY芯片與CPU通過SGMII接口互聯，提供1.25 Gbit/s高速傳輸通道，將業務數據通過CPU傳輸到5G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協議標準。CPU通過串口與SL871GPS互聯，實現定位數據讀取以及控制指令下發。

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據傳輸要求，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，成功將車載信號數據上傳至云服務器，實現車載信號數據的自動下載，并成功地獲取列車定位信息。其裝車效果如圖9所示。

4.1 測試內容

本次測試，利用5G車載通信板作為數據采集端，數據先通過運營商網絡發送到云端的中轉服務器，再通過中轉服務器發送到軌旁的測試電腦。測試步驟如下。

1）利用5G車載通信板獲取業務系統的信號數據并上傳至云服務器，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定性；

2）利用測試電腦的網絡測試軟件，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境下的定位精度。

4.2 實測結果

在試車線正常行車環境下，云服務器通過5G車載通信板能正常接收到車載信號數據。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 實驗結論

根據試車線測試結果，可以看到5G車載通信板打通了車地通道，實現列車信號日志自動上傳到云服務器的功能。在靜止、運動時，上下行速率，時延，丟包率和抖動均達到設計指標，明顯優于當前地鐵的LTE-M網絡（LTE-M網絡速率在5～20 Mbit/s之間）。

5 結束語

本文針對廣州地鐵當前的痛點問題所設計開發的5G車載通信板，利用5G運營商SA通道實現車載信號數據自動下載，基本達到設計要求。下一步的優化方向是將5G車載通信板與運營商的邊緣計算相結合，即利用運營商部署的邊緣服務器代替云服務器，使數據處理過程更貼近前端，進一步提高車地通道的安全性以及數據解析的實時性。