面對水質監測浮標的700M 5G 通信系統設計

張 琦，畢 楊

（西安航空學院電子工程學院，陜西西安 710077）

隨著無線通信技術的快速發展，原有4G 網絡存在諸多不足。水質監測浮標在密集部署后數據量暴增，數據無法及時傳輸，運維成本隨之增高[1]。目前水利檢測普遍尚未普及5G 應用。隨著5G 網絡在智慧環保領域中的推廣[2]，且在無線頻譜重耕后，原有監測浮標通信模塊面臨無網可用的局面[3]。5G 憑借eMBB、uRLLC、mMTC 三大技術的特性，成為賦能垂直行業數字化轉型的重要技術[4]。5G 對行業市場帶來的價值，將加速推進5G 產業鏈成熟，促進各行業基于5G 通信技術在多個場景應用的創新[5]。

水利部大力推廣“數字水利”“智慧水文”等水文水資源行業信息化發展規劃，推動傳統水文水資源監測技術與5G 技術的融合應用，促進產業信息化水平的提升[6]。“5G+智慧水文”信息化項目將5G、云計算、大數據、數字孿生等新技術融合到水利專業設備檢測數據采集中，有效助力智慧水文信息化的發展[7]。

通過對業內水質監測浮標通信模塊的研究，認為現有通信模塊不能滿足未來無線通信的網絡部署，而700M 5G 通信網絡非常適用普遍位于偏遠地區覆蓋的水質監測浮標應用[8]，因此，提出支持5G 通信模塊的浮標設計。

1 總體方案設計

1.1 黃金頻段700M的優點

NR(New Radio)主流頻譜是3.5 GHz，低頻段為2.6 GHz、2.1 GHz、1.8 GHz、700 MHz[9]。3.5 GHz 和2.6 GHz 頻譜的無線網絡作為容量層，聯通和電信采用2.1 GHz 的頻譜作為深度覆蓋層，移動與廣電采用700 MHz 的頻譜作為廣覆蓋層。700M 頻譜的優勢在于頻點低，波長為分米級，具有衍射穿透能力強、信號覆蓋范圍廣的特點，能為運營商節約巨額網絡部署投資，根據行業分析只需建設50 萬個基站就能覆蓋全國。截止2023 年2 季度我國已經完成68 萬個700M 的5G 基站，覆蓋全國90%以上村莊，實現偏遠地區的無線網絡覆蓋，為5G 在物聯網領域的應用做好準備。

700M 頻譜（703-733/758-788 MHz）在現有國內可部署的5G 頻譜中頻率最低。700M 頻譜波長λ達到0.43 m，相對與3.5 G（λ=0.081 m）或者2.6 G（λ=0.11 m），波長優勢明顯，一個波長基本能穿透所有墻壁，更能在地形復雜的條線下得到折射、繞射和穿透增益。

700M 頻譜無線電波覆蓋大。以上行邊緣速率為3 Mbps 為標準，700M 頻段視距傳播距離可達6.2 km，約為2.6 G 的2 倍，是3.5 G 的4 倍，是4.9 G的7 倍[10]。

700M 基站的功率損耗更小。一個700M 基站在同等功耗下可替代十幾個其他高頻段5G 基站的覆蓋面積，單位面積耗電更少，降低運營成本。

5G 基站具有更先進的調制方式。按照載波特征的不同，調制方式可實現16QAM、64QAM 和256QAM 的配置，在信道環境較好的情況下，使用高階QAM 能夠顯著提升傳輸速率[11]。

因此，更小的建設成本和維護成本是700M 頻段覆蓋的先天優勢[12]。只要在水域附近有700M 的5G基站，就能對江川湖泊和近陸海域進行實時的水質監測，精準分析水質狀態。

1.2 浮標通信模塊的應用

無線水質監測浮標是實時水質監測系統的儀器載體設備，采用太陽能電池板和免維護蓄電池為儀器提供能源保障，可以安裝水質監測儀器、數據采集器和無線數據傳輸模塊，通過無線網絡將監測數據實時傳輸到監測中心。將浮標部署在水域監控點后不需人工操作，就能夠保證監測數據的實時性、準確性與系統的可靠性。

無線水質監測浮標上部分為太陽能板及指示燈安裝區。指示燈在整體設備的最上方，自帶太陽能板，靠光線強度控制指示燈閃爍（光線黑暗時，指示燈間歇性閃爍，閃爍頻率滿足行業相關規定）。下部分為儀表、數據采集等安裝區。其中儀表安裝孔位安裝監測探頭。正中間為電力系統和數據采集控制器安裝區，可以根據加載的電池數量和數據采集傳輸模塊的大小確定尺寸。整體外觀如圖1 所示。

圖1 無線水質監測浮標外觀

結合700M 無線網絡的部署，對于水質檢測浮標通信模塊的設計要考慮如下幾點：系統設計、終端芯片選型及應用設計。

1.3 水質浮標的系統設計

在700M NR 移動網絡覆蓋區域，浮標系統中配置5G 模塊需安裝帶有5G 通信業務的SIM 卡，在管理中心進行配置，實現數據的遠程傳輸。當信息中心接收數據后，在有無線互聯網覆蓋區域，通過筆記本電腦、手機或其他通信工具，都可以在線實時查看數據[13]，也可根據需要提供定時短信上報服務，或在數據異常情況下提供短信報警服務。

相比前幾代通信模塊的水質浮標，采用700M 5G 模塊的無線系統具有更好的上傳和下載速率及覆蓋適應能力。借鑒物聯網在其他行業的應用[14]，在浮標數據采集控制器中集成5G 芯片模組，將采集水質分析儀中的數據轉發上傳至無線側，通過NR 無線系統反饋至網絡，并在進入互聯網中建立的VPN隧道后[15]回傳至數據管理中心，如圖2 所示。

圖2 水質浮標工作組網圖

1.4 浮標整體設計

浮標整體設計邏輯分三部分：供電模塊、數據采集模塊、無線通信模塊，如圖3 所示。

圖3 水質浮標邏輯設計

供電系統負責浮標的電力來源，分太陽能板和鋰電池組兩部分，電源模塊向整套系統提供12 V 直流電。根據不同型號浮標的尺寸，太陽能板從20～40 W可供選擇，鋰電池設計在20～60 AH 進行配置，在陰雨天續航能力能夠達到大于10 天×24 h/天。

數據采集模塊主要包含外掛式水質分析儀，支持多參數在線分析，可用于長期野外實時監測溫度、深度、PH 等多個參數。這些參數被上傳至數據集中處理器，集中數據處理模塊負責將各個參數的數據進行整合、緩存、存儲，為數據包上傳做好準備。

無線通信模塊主要包含5G 主控與基帶、射頻、天線部分。主控部分通過控制面管理通信系統，業務數據流通過用戶面傳遞。基帶模塊主要功能包括信道編碼、數字信號處理、調制和解調及接口模塊。

射頻部分將基帶信號與高頻信號進行轉換，完成高低頻信號的轉變和能量變化，在基礎信號和無線空口信號之間進行轉化。

天線部分設計為1T2R 模式，即單發雙收的2 端口天線，既保障了下行有雙流的傳輸速率，更能保障充分的上行傳輸能力。

關于整套5G 通信模塊，主要關注的是浮標通過數據采集模塊，將水質分析儀采集到的模擬數據通過集中數據處理后轉化成數字信息，在5G 無線通信模塊上通過天線在空口發給基站。

1.5 通信模塊數據描述

在通信系統中，用戶平面負責傳輸業務數據，控制平面負責控制PDU會話以及終端和網絡之間的連接。

該系統中，在上行信道通過PUCCH 來承載混合自動重傳請求，并確認HARQ-ACK 碼本信息、調度請求和信道狀態等上行控制信息。相比于LTE 系統，NR 中更為靈活的時域資源調度以及上下行配比，將導致更多下行傳輸需要在同一個PUCCH 上進行HARQ-ACK 反饋。針對NR 新特性定義的信道狀態反饋機制，也導致有更多的信道狀態，反饋比特需要在PUCCH上傳輸，所以NR要比LTE有更大的PUCCH承載容量。

在下行信道上，通過PDCCH 承載下行調度許可DL Grant、上行調度許可UL Grant 等動態信息。NR的PDCCH 控制資源集合CORESET 為單位配置資源，CORESET 占用的PRB 個數以及PRB 位置均可根據網絡部署情況靈活進行選擇，不必占滿整個系統帶寬，也不限于系統帶寬內的特定位置，CORESET 的時頻資源可以靈活配置，避免了PDCCH 在小區之間的持續干擾，提供了抑制小區之間干擾的有效手段。

通信模塊在接收解調PDSCH 和傳輸PUSCH 之前需要先確定傳輸塊大小TBS，才能正確的設置信道編解碼的參數，再進行編解碼。TBS 與資源分配量、調制階數和編碼速率有關。NR 資源分配方式靈活，除了頻域資源可變外，時域資源數量也可變化。NR 中TBS 確定的方法為終端提供資源分配信息，計算中間信息比特個數Ninfo，再對Ninfo進行量化，以確定最終的TBS。

由此可見，相比于4G LTE 通信，5G NR 的通信方式頻譜效率更高，時頻域資源的利用更加靈活，對水質浮標的通信效率有顯著提升。

1.6 關于700M 5G芯片的選型

5G 芯片的應用類型多樣，主要有手機、FWA(固定無線接入)和CPE(客戶前置設備)、工業路由器和網關、車載路由器和5G 物聯網模組應用，設備選擇5G 物聯網行業的芯片需要考慮滿足其功能和成本。

在5G 芯片領域，春藤V510 為完整的國產自主研發芯片，且價格合理。就現階段而言，這款芯片具有較低的用戶開發門檻，有利于開發各類產品形態，可快速投入量產。選擇春藤V510的主要原因有：1）單芯片支持全網各種通信制式。2）包括700M 在內的全球主流頻段。3）已經廣泛應用于智慧能源、車聯網、工業物聯網、遠程醫療、智慧教育、高清視頻、智慧城市及家庭娛樂等垂直行業。

基于5G 的物聯網應用場景普遍對成本較敏感。早期5G 物聯網產業鏈并不完善，使5G 行業應用位于物聯網金字塔頂部，造成商用規模不足與成本偏高，難以快速達到市場普及預期。隨著700M 5G 移動廣電網絡建設的部署與主要芯片模組的逐步完善，使得5G 物聯網開始向金字塔的下部延伸拓展。

700M 的5G 芯片還有進一步降低成本的空間。一方面，中國現階段在芯片自給率上僅有10%左右，每年進口芯片的花費為超過2 000 億美元。在十四五規劃的大戰略下，會有更多力量投入到國產芯片的研發和生產上，預計2025 年國產芯片自給率達到50%，讓國內行業逐漸擺脫國外廠家的高價格束縛，減低行業用戶成本。另一方面，隨著行業用戶在物聯網方面的需求更加明確，芯片廠家會研發出成本低且更符合具體需求場景的5G 芯片，從而精簡設計、降低硬件成本。

2 驗證結果與分析

國內700M 的商用帶寬資源為30M，按照設計的框架，實驗環境模擬700M 網絡下的吞吐量和相關指標。700M 需要工作在FDD 制式下，對于NR 子載波間隔為15 kHz，對應160 個PRB，時隙為1 ms；對于單個OFDM 符號，DM-RS 在每個PRB 中占12 RE。

對于下行，PDSCH 分配160 個PRB，若每個時隙都有一個OFDM 符號PDCCH，則PDSCH 占14 個符號，PDSCH 數據層數是2。若每個時隙都有PUCCH且占兩個PRB，則PUSCH 占158 個PRB，PUSCH 占14 個OFDM 符號，PUSCH 數據層數是1。從設計理論上來看，無線物理資源的分配能夠充分保證空口的數據傳輸能力。

在與設備商合作的移動通信實驗室中完成模擬樣機的測試，實驗進行了NR 700M 和FDD-LTE 2.1G的上/下行性能對比測試。圖4 是在移動通信實驗室構建的700M NR 測試環境。

圖4 700M NR測試環境

表1 為700M 頻譜下5G 模擬樣機和4G 通信模塊在NR 與LTE 在可用的最大帶寬上/下行吞吐量在基站近點位置的測試對比數據，RSRP 為-70 dB。表2為中點對比數據，RSRP 為-90 dB。

表1 近點上下行數據對比

表2 中點數據對比

由表2 可以看到中點上下行數據數據測試結果到，NR 對比LTE 在速率上有絕對的優勢。首先，頻譜利用率大幅提高，對比30 M 和20 M 的帶寬資源下，帶寬資源增加了1.5 倍，但是上下行速率均提高2倍以上，頻譜效率明顯提高。其次，對于調制方式，無論在近點還是中點，NR 均可以采用256QAM 調制方式，調制編碼MCS 最大應為27 號，更好的調制方式保證了更高的空口速率。

3 結束語

中國移動和廣電網絡共建700M 的5G 網絡,對于物聯網推廣有積極意義，目前運營商主要關注手機終端的5G 滲透率的提升，以增加網絡覆蓋為主。該文的創新性在于明確提出700M 頻段應用在物聯網覆蓋場景的優勢，并將傳統水利環保產業和新興通信技術、頻譜規劃相結合。期待通過該文提出的新觀點，觸發更多其他行業領域與運營商能采用700M 頻譜做為業務網絡。

在環境保護領域以外，5G NR 通信網絡還將在各行各業有更加廣泛的應用和推廣，將形成豐富的智能應用場景，構建基于5G 的應用場景和互聯網產業生態，在智能環保、智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧醫療等重點領域發揮巨大作用[16]。讓國民經濟的發展能夠更高效、更便捷、更健康，推進網絡強國建設，加快建設數字經濟、數字社會、數字政府，以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革。推進5G 技術在生態保護領域的應用有巨大戰略意義。