深度解析5G DTU 研究與實現(xiàn)方案

姜元山，劉霞，張光偉，陳德進

（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100048）

摘要：5G 時代產(chǎn)業(yè)格局調(diào)整，終端產(chǎn)業(yè)步入成熟發(fā)展期，帶來新的發(fā)展機遇。垂直行業(yè)應(yīng)用是 5G 發(fā)展的一個重要方向，工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）作為 5G 網(wǎng)絡(luò)與行業(yè)設(shè)備的連接載體，提供的 5G 能力可以為車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多個垂直行業(yè)帶來巨大提升，降低終端開發(fā)難度，豐富工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備選擇，構(gòu)建定制化能力，助力突破行業(yè)終端能力邊界。文中基于油田采油信息化需求場景，設(shè)計了一種 5G 工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU），并基于油田場景進行了進一步的應(yīng)用研究。

中圖分類號：TP39 ；TN914? ??文獻標識碼：A? ? ?

文章編號：2095-1302（2022）08-0036-03

0 引言

3G、4G開啟了移動互聯(lián)網(wǎng)時代，在5G時代，移動通信從互聯(lián)網(wǎng)擴展到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，服務(wù)對象從人與人通信拓展到人與物、物與物通信，將與經(jīng)濟社會各領(lǐng)域深度融合，引發(fā)生產(chǎn)、生活方式的深刻變革。預(yù)計到2025年，垂直行業(yè)物的連接數(shù)量將達到900億。不同于現(xiàn)在的公眾市場對大帶寬、高速率的需求，垂直行業(yè)應(yīng)用需求更加多樣化，5G靈活、高效、融合、開放的特性將能滿足不同業(yè)務(wù)的快速部署需求，是發(fā)展產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場的關(guān)鍵[1-2]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新基建中信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中引入5G工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元會帶來新型應(yīng)用模式和全新工業(yè)生態(tài)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G升級改造可以分為兩種，一種是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中存量網(wǎng)絡(luò)的5G升級改造，另外一種為工業(yè)企業(yè)在部署全新工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時，將5G技術(shù)作為其關(guān)鍵技術(shù)之一導(dǎo)入。當前5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合還處于起步探索階段，存量網(wǎng)絡(luò)的5G升級改造是目前5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合的主要方式 [3]。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)存量網(wǎng)絡(luò)的5G技術(shù)改造中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)終端的5G升級方式有3種：5G CPE（Customer PremiseEquipment）、5G DTU（Data Transfer Unit）和5G模組。5G模組需要與行業(yè)終端深度融合，適用于全新設(shè)計的行業(yè)終端；5G CPE適用于存量行業(yè)終端中具備WiFi接入能力的終端，而在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，WiFi的接入約占工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入份額的5%，5G應(yīng)用場景有限。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)存量接入中有線接入占比超90%，要想讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中大量的存量有線接入行業(yè)終端具備5G能力，5G DTU是現(xiàn)階段性價比較高的替代方案。

5G工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元即5G DTU，是專用于將有線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有線數(shù)據(jù)，并通過5G通信網(wǎng)絡(luò)進行傳送的無線終端設(shè)備。5G DTU具有組網(wǎng)迅速靈活、建設(shè)周期短、成本低、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、安全保密性能好、鏈路支持永遠在線、按流量計費、用戶使用成本低等優(yōu)點 [4-5]。

1 5G DTU 研究與實現(xiàn)

1.1 概述

5G DTU的主要功能是把遠端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過無線方式傳送回后臺中心。一套完整的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括：DTU、客戶設(shè)備、移動網(wǎng)絡(luò)、后臺中心。在前端，DTU和客戶設(shè)備通過串行接口或者網(wǎng)口相連。DTU通過移動網(wǎng)絡(luò)與后臺中心建立連接。建立連接后，前端設(shè)備和后臺中心就可以通過DTU進行無線數(shù)據(jù)雙向傳輸 [6]。

5G DTU可廣泛應(yīng)用于油田、電力、環(huán)保、LED 信息發(fā)布、物流、水文、氣象等領(lǐng)域。DTU和行業(yè)設(shè)備相連，然后與后臺建立無線通信連接。在互聯(lián)網(wǎng)日益發(fā)展的今天，DTU的使用也越來越廣泛，它為各行業(yè)以及各行業(yè)之間的信息、產(chǎn)業(yè)融合提供了幫助。

1.2 5G DTU 結(jié)構(gòu)設(shè)計

5G DTU需要高效的上下行傳輸速率以及更加緊湊的體積與天線設(shè)計。針對礦區(qū)、工業(yè)現(xiàn)場等應(yīng)用，DTU需要更高的設(shè)備保護、豐富的接口類型，及更優(yōu)的信號隔離度。由于5G 終端天線數(shù)量較多，常見的DTU形態(tài)包括內(nèi)置天線型、外置天線型 [7]。

內(nèi)置天線的DTU 結(jié)構(gòu)更加緊湊，殼體通常采用透波材料，因其熱阻較高，導(dǎo)致整機散熱較差，如圖1所示。

外置天線的DTU具有更加靈活的應(yīng)用方式，可以根據(jù)需求更換不同性能指標的天線，也可以適用于主機必須安裝在密封箱體內(nèi)的場景，如圖 2 所示。

根據(jù)使用場景，DTU還可分為室內(nèi)型、室外型和野外型。其中，室外型主要安裝于室外通信箱等不直接暴露的場景，產(chǎn)品應(yīng)具有較好的環(huán)境適應(yīng)性能力；野外型DTU直接暴露在野外環(huán)境中，還應(yīng)具備較好的防雨淋和抗風能力。

按照安裝形式，DTU可分為桌面型和上架型。桌面型DTU可以靈活嵌入其他設(shè)備或安裝于工業(yè)導(dǎo)軌上；上架型DTU主要應(yīng)用于標準的機柜內(nèi)，常用尺寸通常為1U、2U、3U和 4U等。

1.3 5G DTU 硬件架構(gòu)

為適應(yīng)工業(yè)場景電源供電，5G DTU應(yīng)配備DC 470等直插式電源接口，支持寬電壓輸入。POE 供電也是常用的工業(yè)場景供電方式，適用于遠距離供電。其中，USB供電作為其他供電方式的補充，優(yōu)先級低于主供電接口，當主電源接入后，USB接口僅進行數(shù)據(jù)傳輸[8]。硬件設(shè)計如圖3所示。

為適應(yīng)工業(yè)場景的IP化趨勢，適配5G空口速率，5GDTU應(yīng)配備千兆以上網(wǎng)口，兼容 2.5G 網(wǎng)口，以充分發(fā)揮 5G的大帶寬優(yōu)勢。

RS 232/485作為串行數(shù)據(jù)通信接口標準，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，因此5G DTU支持 232/485總線。為直觀、快速判斷5G DTU的工作狀態(tài)，5G DTU具備相應(yīng)狀態(tài)指示燈；為應(yīng)對復(fù)雜的應(yīng)用場景，保障產(chǎn)品使用，5G DTU應(yīng)具有復(fù)位按鈕，用于緊急情況下復(fù)位終端。

5G DTU具有Nano SIM卡，可擴展支持eSIM。DTU可選支持GNSS和A-GNSS的能力。為滿足5G上下行MIMO需求，5G DTU天線應(yīng)保證2T4R。5G DTU的平均功耗不高于10 W，峰值功耗不高于15W。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場要求，5GDTU應(yīng)能在溫度-40 ～+85℃、濕度5%RH～95%RH范圍內(nèi)正常工作。

1.4 5G DTU 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)整體分為3個層次：DSP層、系統(tǒng)驅(qū)動層、業(yè)務(wù)處理層。

DSP 層（灰色）是5G基帶，與Linux系統(tǒng)通過內(nèi)部高速總線交互，通過 AT 命令獲取或設(shè)置參數(shù)等。

系統(tǒng)驅(qū)動層（藍色）是系統(tǒng)核心，包含引導(dǎo)程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)、驅(qū)動等。可實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及其他操作能力。

業(yè)務(wù)處理層（綠色）包含WebUI、TR069網(wǎng)管、組網(wǎng)、FTP升級、DMZ、端口映射、USB 數(shù)據(jù)通信、MPTCP等業(yè)務(wù)模塊。

軟件設(shè)計如圖4所示。

2 5G DTU 在油田智慧油井接入 5G 專網(wǎng)的應(yīng)用

采油廠啟動生產(chǎn)信息化建設(shè)，因前期建設(shè)標準較低，部分管理區(qū)的油水井站信息化建設(shè)需完善。采油廠生產(chǎn)信息化網(wǎng)絡(luò)遵循“有線無線結(jié)合、公網(wǎng)傳輸輔助”的原則建設(shè)，但存在光纜施工難度大、綜合成本高；無線網(wǎng)橋遮擋影響，電磁干擾，故障率高；4G上行速率低，多路易擁堵等問題[9]。

為滿足油田采油廠區(qū)現(xiàn)有油井工作狀態(tài)采集任務(wù)條件，并實現(xiàn)上位機遠程控制啟井、停井、聲光報警、調(diào)速等功能，采用由中國聯(lián)通提出的5G無線通信技術(shù)替代無線網(wǎng)橋方案，如圖5所示。

傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)匯聚后通過中國聯(lián)通5G DTU接入5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸鏈路的核心節(jié)點。廠區(qū)內(nèi)5G基站通過IPRAN網(wǎng)絡(luò)連接聯(lián)通MEC，MEC下沉部署到聯(lián)通機房。5G基站及MEC與聯(lián)通SA核心網(wǎng)連接，對用戶進行鑒權(quán)、計費、策略控制，同時與網(wǎng)管對接，進行網(wǎng)絡(luò)運維。主要有如下方面的信息化改造：

（1）首次用5G替代網(wǎng)橋、有線遠程控制采油裝備；

（2）通過5G承載PLC專用工業(yè)協(xié)議和高清視頻，同時保障大帶寬和低時延高可靠；

（3）覆蓋生產(chǎn)自動化、遠程控制、安防監(jiān)控等多個應(yīng)用場景；

（4）采油廠5G全覆蓋，對油井數(shù)據(jù)回傳；

（5）實現(xiàn)控制信號毫秒級低時延，圖像信號速率為100 Mb/s上行帶寬；

（6）保障采油區(qū)生產(chǎn)管理、遠程操作、安全巡查。油井采集圖如圖6所示。

通過油氣生產(chǎn)過程全面可視化、生產(chǎn)運行狀態(tài)全面感知、生產(chǎn)實時監(jiān)控和高效運行指揮，及5G網(wǎng)絡(luò)將視頻監(jiān)控與各類作業(yè)數(shù)據(jù)回傳至采油廠的生產(chǎn)監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地閉環(huán)，極大提升了生產(chǎn)效率、數(shù)據(jù)安全和管理水平。

3 結(jié) 語

行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端是5G與垂直行業(yè)融合的重要切入點。工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元（5G DTU）作為5G網(wǎng)絡(luò)與行業(yè)設(shè)備的連接載體，可以直接對現(xiàn)有設(shè)備進行5G升級改造，降低終端的研發(fā)成本。產(chǎn)品覆蓋多個應(yīng)用場景，構(gòu)建定制化能力，助力突破行業(yè)終端能力邊界，為新媒體、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、公共安全、無人機、機器人、車聯(lián)網(wǎng)等多個垂直行業(yè)的數(shù)字化、智能化升級賦能 [10]。

本文介紹了一種5G工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸單元的實現(xiàn)方案，適配智慧油田采油數(shù)據(jù)采集的嚴酷環(huán)境，基于5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大帶寬數(shù)據(jù)回傳，降低了油田后期的監(jiān)控維護成本，多場景數(shù)據(jù)實現(xiàn)連接，打破了信息孤島模式，數(shù)據(jù)利用程度得到有效提高。

注：本文通訊作者為姜元山。

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