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）

0 引言

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。

1 系統(tǒng)方案設計

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。

2 部分硬件選型

2.1 MCU 硬件選型

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。

2.2 以太網芯片選型

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］。

2.3 以太網方案

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

2.4 5G 模塊選型

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。

3 5G 無線路由器供電

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

4 工業(yè)環(huán)境中干擾及措施

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。

4.1 電源電路抗干擾設計

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

4.2 電路板抗干擾設計

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。

4.3 硬件看門狗及環(huán)境選用

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。

5 結語

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。