申利民,王先彪,張茂貴
(廣州鐵路職業(yè)技術學院 廣東 廣州 510430)
5G 開啟萬物互聯(lián)的數字化新時代,以支持快速演進的物聯(lián)網和移動互聯(lián)網,支持超大連接數、低功耗廣域覆蓋(智能抄表、智慧農場、物流、追蹤、車隊管理等)以及超高接入速率、極低時延(虛擬現(xiàn)實、無人駕駛、工業(yè)應用和控制、交通安全和控制)的各類新業(yè)務[1]。 物聯(lián)網海量上行通信的核心是提供大規(guī)模的連接,ZigBee 等技術都可用于支持連接。 5G 移動通信技術下,5G 工業(yè)無線路由器為制造企業(yè)生產設備等生產資料以無線方式實現(xiàn)了與互聯(lián)網之間的互聯(lián),滿足工業(yè)互聯(lián)網中設備管理智能化要求。
5G 工業(yè)級路由器考慮及應用場合融合5G 接入技術、無線通信技術(wireless fidelity,WiFi)、路由技術、交換技術、安全技術等多種網絡應用技術,全線兼容5G/4G/3.5G/3G/網絡,支持802.11b/g/n WiFi,可輕松組建高速、穩(wěn)定的有線、無線傳輸網絡,并支持物聯(lián)數據采集及機器到機器(machine-to-machine,M2M)通信,利用公用5G/4G/3 G 網絡為用戶提供無線長距離數據傳輸功能。 工業(yè)級5G 無線路由器由圖1 各部分組成:電源模塊、電源控制電路、以太網芯片、光模塊(small form-factor pluggables,SFP)、中央處理器(central processing unit, CPU)、5G 模塊及5G 天線、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)天線、WiFi 模塊及天線、ZigBee 模塊及天線、遠距離無線電(long range radio,LoRa)模塊及天線、存儲芯片、USB 口、串口。 其中以太網芯片組用來實現(xiàn)工業(yè)級5G 路由器與互聯(lián)網數據互連,5G 模塊實現(xiàn)工業(yè)級5G 路由器與移動、聯(lián)通等電信運營商所運營的5G 移動通信互連,并具備GPS 衛(wèi)星導航定位的功能。 ZigBee 模塊及天線實現(xiàn)路由器與ZigBee 無線傳感網絡互聯(lián),LoRa 模塊及天線實現(xiàn)工業(yè)級5G 路由器與無線傳感網絡LoRa 網絡互連,存儲芯片主要用來存儲路由器程序及數據,電源模塊主要用來給路由器供電,電源控制電路主要用來控制電源模塊工作模式,CPU 微處理控制器主要用來集中控制管理,SFP 模塊主要用來與光網絡接入。 USB 接口、串口用來與外部數據交互。
圖1 系統(tǒng)方框圖
工業(yè)級5G 無線路由器工作原理:路由器通電時,CPU微處理器控制器IPQ8064 運行嵌入式操作系統(tǒng)Linux, 整個系統(tǒng)軟件設計采用多任務調度,分為5G 通信任務、互聯(lián)通信任務、ZigBee 網絡通信、LoRa 網絡通信、WiFi 網絡通信等任務。 當ZigBee 模塊接收到信號時,通過串口輸出CPU 微處理器控制器IPQ806,CPU 微處理器控制器IPQ806 運行的ZigBee 網絡通信模塊任務負責處理ZigBee無線網絡傳輸過來的數據,并負責數據的處理及轉發(fā),同理LoRa 無線通信網絡數據也是類似處理。
微控制單元(microcontroller unit,MCU)選用IPQ8064是一款用于運營商網關和智能零售路由器的互聯(lián)網處理器。 它包括1.4 GHz 的強大雙核SMP Krait CPU 和符合ARM-v7 的指令集。 每個Krait CPU 包括一個128 位單指令多數據(single instruction multiple data,SIMD)需求方平臺(demand-side platform,DSP),稱為VeNum。 CPU 系統(tǒng)是支持1 兆字節(jié)的二級緩存以及16 千字節(jié)的一級I 緩存和16 千字節(jié)的一級D 緩存。 IPQ8064 還包括一個總吞吐量為5Gbps 的網絡加速器。 此網絡加速器稱為網絡子系統(tǒng)(network switching subsystem,NSS)。 NSS 由兩個可編程、多線程、網絡加速器引擎組成。 各網絡加速器引擎支持12 個執(zhí)行線程。 每個線程的功能由固件由高通技術公司提供。 NSS 體系結構允許線程并行運行。 NSS 功能包括L2/L3 路由/橋接、Samba 加速、大接收卸載/TCP 分段卸載(large receive offload /TCP segmentation offload,LRO/TSO)、連接加速以及流量管理。 IPQ8064 通常在雙核SMP Krait 上運行OpenWRT Linux IP 堆棧,而NSS 加速了網絡流量(快速路徑)。 NSS 在Linux 的完全控制下運行堆棧NSS 中的規(guī)則由Linux 堆棧設置。 與這些不匹配的網絡數據包規(guī)則通過NSS 中的異常處理機制傳遞到Linux堆棧[2]。 為了支持多種平臺,IPQ8064 配備了多個高速SERDE 和通用接口。
Street?-88E6390X 是一款單芯片、11 端口以太網交換機,具有八個集成的10/100/1000 Mbps 以太網收發(fā)器和兩個支持 10 Gbps XAUI 和 RXAUI、 2500 BaseX、1000Base-X 和SGMII。 該設備還包括一個集成的200 MHz微處理器,可以在不使用需要外部CPU。 88E6390X 通過8 個出口隊列提供高級服務質量(quality of service,QoS)功能。 高性能交換結構在所有端口上同時提供線路速率切換,并提供高級交換機功能。 該設備包括一個256 進入TCAM 以實現(xiàn)靈活的交換機監(jiān)控,包括訪問控制列表和策略控制列表。 這個88E6390X 還支持最新的IEEE 802.1音頻視頻橋接(audio video bridging,AVB)和時間敏感網絡(time sensitive network,TSN)標準。 這些新標準克服了以太網的延遲和帶寬限制,允許實時數據的高效傳輸內容適用于家庭、商業(yè)和工業(yè)應用。 這些設備使用AVB/TSN 技術來識別和保留網絡資源支持AVB/TSN 流量流,并支持精確的等時流傳輸能力,以實現(xiàn)可靠和高質量的傳輸通過以太網進行音頻/視頻傳輸,提供當今實時、高清信息和娛樂選項。 AVB/TSN 協(xié)議允許通過以太網發(fā)送對時間敏感的流(如數字視頻、音頻或工業(yè)控制流量)具有低延遲和可靠QoS 保證的網絡[3]。
系統(tǒng)以太網方案如圖2 所示,將IPQ8064 的GMAC1接口通過RGMII 模式與Marvell 88E6390 相連,IPQ 的GMAC2 通過SGMII 接口與88E6390 相連,減少下行突發(fā)流量時對上行端口的沖擊,SGMII 接口的電模塊總是能支持10/100/1000 Mbps 速率。 IPQ8064 的GMAC3 和4 端口配置成SERDES 模式,實現(xiàn)兩路千兆端口連接,端口Port配置為SerDes 模式,它能連接光模塊和電模塊,但是速率是不可協(xié)商的。 8 路電口與2 路光口均為獨立接口,實現(xiàn)8 路獨立以太網設備通過電口接入工業(yè)路由器,實現(xiàn)與5G 移動網或與物聯(lián)網中ZigBee\Lora 中無線傳感網絡實現(xiàn)數據交換。
圖2 以太網連接圖
5G 模塊選用工業(yè)模組MH5000-31,此組核心采用華為巴龍5000 芯片,核心器件包括主芯片、電源管理單元(power management unit,PMU)、射頻等,完全自主設計;支持5G 獨立組網和非獨立組網(NSA/SA 雙模),有助于工業(yè)企業(yè)客戶靈活接入不同5G 模式網絡,支持中國5G 獨立組網絡建設,有利于工業(yè)級企業(yè)設備接入;支持單個芯片全面兼容2G/3G/4G/5G 全網段,直接同步5G 網絡覆蓋節(jié)奏,保護客戶以前設備投資。 下行速率高達2 Gbps,上行速率高達230 Mbps,滿足工業(yè)級行業(yè)應用的高帶寬要求,特別是對智能制造企業(yè)對實時通信速率的要求;工作溫度范圍廣至-40~85 ℃,采用高可靠性器件以及工業(yè)獨特設計,適應工業(yè)企業(yè)設備工作環(huán)境溫度的變化范圍大[4];自帶高性能的應用處理器,其算力達14400DMPIS,能實時處理來自應用端的數據;擁有高達18 種類型的硬件接口,充分滿足工業(yè)設備接口需求,如串口、USB 接口。系統(tǒng)具有4 種射頻天線設計,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 5G 模塊主要功能單元包括:電源管理、基帶控制器、NAND 閃存、LPDDR4。
5G 無線路由器供電電源模塊如圖3 所示,由鋰電池充電電路、電子開關1、鋰電池1、鋰電池2、鋰電池電量檢測及控制模塊、電子開關2 組成。 工業(yè)級5G 無線路由器的不斷電工作原理,鋰電池電量檢測及控路分時檢測兩塊鋰電池的剩余電量,假設當前鋰電池1 為正在供路由器供電的電池,鋰電池2 為充電滿狀態(tài)時,當其剩余電量不足20%時,則由鋰電池電量檢測及控路控制電子開關2 先接通鋰電池2 供電,再斷開鋰電池1 供電開關,同時將接通鋰電池1 的充電電子開關,使兩個鋰電池輪流給工業(yè)級5G 無線路由器供電,如工廠供電有瞬時停電狀態(tài),也不影響路由器的數據傳輸。
圖3 5G 無線路由器供電電源模塊框架
企業(yè)工業(yè)環(huán)境中電力半導體器件工作時存在干擾,如企業(yè)設備電源供應系統(tǒng)中,逆變器工作時整流管、絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)等,使電網中的干擾諧波含量大大增加。 常見于制造企業(yè)的有各種類型電動機如三相異步、直流電動機等切斷感性負載時產生的干擾信號。 控制電路控制繼電器等接通與斷開負載時從而產生尖峰脈沖干擾。 系統(tǒng)中電路使用開關作為數字電路邏輯輸入信號時,理想時開關的一次接通產生一個高/低電平變換信號,由于繼電器觸點的通斷切換產生的干擾信號,使單個輸入信號疊加多個干擾信號,從而導致數字邏輯電路造成接收錯誤輸入信號而誤動作。 這些干擾都會影響5G 無線路由器的正常工作。
針對電網電源受外界影響而導致的干擾現(xiàn)象,5G 無線路由器采用濾波器濾除電網干擾,電路采用如圖4 所示的干擾濾波電路來切斷干擾的傳輸途徑,濾除電網中的共模干擾。 圖4 中電感L 稱為共模電感,使用環(huán)形磁芯、漏磁小、效率高。 當電網電流在共模電感繞組中流過時為一進一出,產生的磁場恰好抵消,使得共模電感對市網工頻電流不起任何阻礙作用,可以無損耗地傳輸[5]。 如果電網中含有共模干擾電流通過共模電感,這種共模干擾電流是同方向的,流經兩個繞組時,產生的磁場同相疊加,使得共模電感對干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗,由此起到了抑制共模干擾的作用。 如圖4 電路中濾波器電容CX1,CX2,只要電容選擇適當,該電容對高頻干擾阻抗低,不會影響對工頻信號的阻抗。 為了避免放電電流引起的沖擊危害,XC 電容容量不宜過大,一般在1.0 ~0.1 μF 之間。 電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。
圖4 電路濾波器
5G 路由器中硬件電路板中當元件、芯片等在1 MHz 以下的頻率范圍內時,采用單點接地方案,降低分布傳輸阻抗的影響。 當5G 無線路由器工作頻率高時,電源層和元器件走線的阻抗大大增加,在電流返回路徑中存在一定阻抗,就會產生電壓降,隨之產生其他的射頻干擾。 在5G 路由器PCB 圖布局中輸出端與輸入端的布線應避免平行布線,以免在輸入線與輸出線之間產生反射干擾,必要時在5G 無線路由器中輸入端與輸出端加地線隔離,兩相鄰層的布線要互相垂直,降低寄生干擾信號耦合,在5G 無線路由器中對數字電路的印制電路板(printed circuit board,PCB)可加寬的導線設置組成一個地網來使用,減少寄生干擾信號耦合。在5G 無線路由器數字電路工作頻率高時,處理數字信號線,高頻信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件,以減少高頻信號對模擬電路的干擾。 路由器中硬件電路板采用屏蔽技術來抑制電磁干擾沿著空間的傳播,即切斷輻射電磁干擾的傳輸途徑。 用金屬材料把所有5G 路由器需屏蔽的區(qū)域包圍起來,從而減少外界對無線路由器的干擾,提高其在復雜電磁環(huán)境中應用能力。
5G 工業(yè)路由器在一些惡劣的環(huán)境下需要保證網絡的暢通,故障自恢復功能是保證工業(yè)路由器的穩(wěn)定工作的基礎。 工業(yè)路由器設計斷線重連在線保持機制,采用硬件看門狗保護,確保設備穩(wěn)定有效的24h 工作。 工業(yè)路由器選用無遮擋的環(huán)境下,靠5G 基站近的地方,信號穩(wěn)定。 而在井下環(huán)境使用,由于地下距離、土層泥塊等因素對信號的干擾,如果測試井下的5G 信號穩(wěn)定,可正常使用工業(yè)路由器。 如果5G 信號不穩(wěn)定,那么可向下兼容3/4 G,可保證數據穩(wěn)定傳輸。
綜上所述,工業(yè)互聯(lián)網采用5G 無線路由器是最主要的應用場景之一,路由器采用ZigBee、LoRa、WiFi 等無線接入技術,實現(xiàn)物聯(lián)網側信號通過5G 網絡的互聯(lián),系統(tǒng)采用成熟模塊、備份在線供電及電路、電路板、看門狗硬件電路提高了路由器的穩(wěn)定性,具有廣泛的應用市場。