基于5G 技術的無線通信系統設計

劉 曉

（石家莊市軌道交通集團有限責任公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

隨著社會經濟的不斷發展，我國傳統的3G 和4G 網絡在網絡速率和信號覆蓋等方面已無法滿足社會經濟發展的基本需求。基于該背景，5G技術應運而生，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 網絡并不像傳統網絡一樣僅用于手機服務，在家庭和辦公網絡服務領域也具有較強的競爭力，在物聯網、智能建造以及自動化等領域得到了應用。通過探究基于5G 技術的無線通信系統設計，以期進一步完善現有的5G 通信系統，為相關研究人員提供參考。

1 5G 無線通信系統架構設計

基于5G 技術的無線通信系統可分為2 個部分，即核心網與接入網。核心網主要由用戶平面和控制平面所組成，發揮會話管理與移動管理功能。5G 核心網與5G接入網通過下一代（Next Generation，NG）接口連接，實現控制面和用戶面功能。5G 無線接入網之間通過Xn接口連接，實現控制面和用戶面功能[1]。基于5G 技術的無線通信系統組成如圖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 技術的無線通信系統組成

通過國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）的報告可看出，當前5G 無線通信已明確支持3 大場景的應用，分別為低時延高可靠通信（ultra-Reliable & Low-Latency Communication，uRLLC）、大規模機器類通信（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 無線通信已經為自動化、云計算、智能機器人以及增強現實（Augmented Reality，AR）等領域提供了十分可靠的技術支持。例如，在系統架構中，可基于支持eMBB 將生產設備進行無線連接，不僅能降低原本布置電纜所耗費的工作量與成本，還大大提升了生產線的效率，為工業自動化、遠程監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，為滿足當前業務開展中對設備響應速度、大流量以及高帶寬的需求，可借助mMTC 實現網絡傳輸速度的提升，為超高清視頻實時傳輸和實時設備管理提供相應的技術支持。以智能變電站巡檢機器人為例，在機器人通信系統設計中，為完成遠程操控與高效的遠程信息傳輸，需確保所使用的基于電力線通信技術（Power Line Communication，PLC）的通信系統能夠同時兼容Wi-Fi 與5G。同時，需要設計大于等于100 Mb/s 的網絡帶寬，以滿足站內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據信息可以實時傳輸。此外，可以利用海量物聯網通信技術，滿足低功耗、快傳輸的應用場景要求。

在工業建造智能化和傳統制造業轉型升級的背景下，5G 技術已經被廣泛應用于各個工業場景，能在保持原有電路交換方式的基礎上，實現對全新網絡節點的使用。借助終端接口，可將數據中心的客戶信息傳輸至基于5G 技術的無線通信系統，在對數據進行處理與分析的基礎上，將各分組數據傳輸至基站。若基站收到終端所傳輸的分組數據，則可以在5G 技術骨干網的支持下，將數據傳輸至各服務節點，再由管理系統將數據傳輸至技術終端。基于5G 技術的無線通信系統設計架構如圖2 所示。

圖2 基于5G 技術的無線通信系統設計架構

2 基于5G 技術的無線通信系統組網部署及硬件設計

2.1 5G 網元與接口

2.1.1 5G 移動通信整體網絡架構

5G 網絡功能之間的信息交互可以基于2 種方式表示，即基于服務表示和基于點對點表示。在實際部署時，也可以采用2 種方式相結合的表達方式。5G 無線接入網的基站網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 標準確定了分組數據匯聚協議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）上移便于形成數據錨點，便于支持用產面的雙連接/多連接。

2.1.2 5G 主要網元功能

5G 系統核心網和接入網網元主要功能可分為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據包路由與轉發、連接到移動通信網絡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絡附加存儲（Network Attached Storage，NAS）移動性管理、終止運行無線電接入網（Radio Access Network，RAN）網絡接口、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 系統接口功能與協議

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 接口指接入網與核心網之間的接口。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 接口指接入網內部基站與基站之間的接口，其協議棧與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 硬件架構與設計

2.2.1 無線傳輸網搭建

為完成無線傳輸網的搭建，選用OpenWrt 系統創建無線局域網，并利用RT5350 模塊實現設備終端與局域網之間的無線連接，從而依托RT5350 模塊傳輸視頻流和數據信息。

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，則可根據傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）實現格式的自動轉化，然后再借助互聯網在手機終端發送信息，這樣便能將視頻編碼數據傳輸至智能移動終端，實現可視化監控。

2.3 感知檢測模塊

感知檢測模塊主要由多種傳感器組成，其中環境傳感器可細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境指標發送至終端設備。

2.3.1 環境溫濕度檢測

環境溫濕度檢測主要借助傳感器DHT11 實現。其作為當前應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，本次選用HCSR0 模塊。在實際應用中，為確保距離信息檢測的準確性，需將測距精度設置為3 mm，測距范圍設置為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信號輸入端。

2.4 數據存儲模塊

數據存儲模塊主要用于程序指令的記憶和數據信息的存儲，具體功能包括數據預處理、數據清洗以及數據轉換等，用于對原始數據進行處理和準備。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和數據庫存儲技術實現大規模數據的可靠存儲和快速讀取。數據挖掘模塊采用多種算法和技術，包括關聯規則挖掘、聚類分析、分類識別以及時序預測等技術[6]。數據展示模塊可以將挖掘出來的數據以多種形式展示出來，包括圖表、報表等形式。

3 系統實驗結果

為確保系統實驗的嚴謹性，專門構建了仿真應用情景，將所設計的5G 無線通信系統應用于布滿桌椅和各種電子設備的室內環境，通過開展數據通信實驗，對系統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，以串口監視的方式完成數據信息的發送與接收，并將各項數據統一轉換為16 進制進行顯示。將實驗距離設定為30.0 m，以單字節發送與接收的形式展開試驗，然后以多字節的形式進行接收。

實驗結果顯示，串口發送端與接收端的數據信息在內容和格式上完全保持一致，表明在正常的通信環境下，該系統能夠實現穩定運行，并保障數據傳輸的完整性，能夠有效保持通信性能與數據傳輸性能的穩定性，基本滿足設計要求。

4 結 論

5G 技術的發展帶來了創造性的變革，為數字信息領域的互聯提供了重要的技術支撐。未來，5G 技術將會與云計算、大數據等技術相融合，在工業制造和物流運輸等領域進一步發揮作用。文章所設計的5G 無線通信系統能有效解決傳統系統模式下所存在的數據丟包、傳輸性能不佳以及穩定性較差等問題，充分展現了5G 技術的實效性與應用潛力。