面對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的700M 5G 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 琦，畢 楊

（西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安 710077）

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，原有4G 網(wǎng)絡(luò)存在諸多不足。水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)在密集部署后數(shù)據(jù)量暴增，數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳輸，運(yùn)維成本隨之增高[1]。目前水利檢測(cè)普遍尚未普及5G 應(yīng)用。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)在智慧環(huán)保領(lǐng)域中的推廣[2]，且在無(wú)線頻譜重耕后，原有監(jiān)測(cè)浮標(biāo)通信模塊面臨無(wú)網(wǎng)可用的局面[3]。5G 憑借eMBB、uRLLC、mMTC 三大技術(shù)的特性，成為賦能垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)[4]。5G 對(duì)行業(yè)市場(chǎng)帶來(lái)的價(jià)值，將加速推進(jìn)5G 產(chǎn)業(yè)鏈成熟，促進(jìn)各行業(yè)基于5G 通信技術(shù)在多個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用的創(chuàng)新[5]。

水利部大力推廣“數(shù)字水利”“智慧水文”等水文水資源行業(yè)信息化發(fā)展規(guī)劃，推動(dòng)傳統(tǒng)水文水資源監(jiān)測(cè)技術(shù)與5G 技術(shù)的融合應(yīng)用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)信息化水平的提升[6]。“5G+智慧水文”信息化項(xiàng)目將5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新技術(shù)融合到水利專業(yè)設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)采集中，有效助力智慧水文信息化的發(fā)展[7]。

通過(guò)對(duì)業(yè)內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)通信模塊的研究，認(rèn)為現(xiàn)有通信模塊不能滿足未來(lái)無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)部署，而700M 5G 通信網(wǎng)絡(luò)非常適用普遍位于偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋的水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)應(yīng)用[8]，因此，提出支持5G 通信模塊的浮標(biāo)設(shè)計(jì)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 黃金頻段700M的優(yōu)點(diǎn)

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(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為容量層，聯(lián)通和電信采用2.1 GHz 的頻譜作為深度覆蓋層，移動(dòng)與廣電采用700 MHz 的頻譜作為廣覆蓋層。700M 頻譜的優(yōu)勢(shì)在于頻點(diǎn)低，波長(zhǎng)為分米級(jí)，具有衍射穿透能力強(qiáng)、信號(hào)覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，能為運(yùn)營(yíng)商節(jié)約巨額網(wǎng)絡(luò)部署投資，根據(jù)行業(yè)分析只需建設(shè)50 萬(wàn)個(gè)基站就能覆蓋全國(guó)。截止2023 年2 季度我國(guó)已經(jīng)完成68 萬(wàn)個(gè)700M 的5G 基站，覆蓋全國(guó)90%以上村莊，實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為5G 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

700M 頻譜（703-733/758-788 MHz）在現(xiàn)有國(guó)內(nèi)可部署的5G 頻譜中頻率最低。700M 頻譜波長(zhǎng)λ達(dá)到0.43 m，相對(duì)與3.5 G（λ=0.081 m）或者2.6 G（λ=0.11 m），波長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)明顯，一個(gè)波長(zhǎng)基本能穿透所有墻壁，更能在地形復(fù)雜的條線下得到折射、繞射和穿透增益。

700M 頻譜無(wú)線電波覆蓋大。以上行邊緣速率為3 Mbps 為標(biāo)準(zhǔn)，700M 頻段視距傳播距離可達(dá)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(gè)700M 基站在同等功耗下可替代十幾個(gè)其他高頻段5G 基站的覆蓋面積，單位面積耗電更少，降低運(yùn)營(yíng)成本。

5G 基站具有更先進(jìn)的調(diào)制方式。按照載波特征的不同，調(diào)制方式可實(shí)現(xiàn)16QAM、64QAM 和256QAM 的配置，在信道環(huán)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(shè)成本和維護(hù)成本是700M 頻段覆蓋的先天優(yōu)勢(shì)[12]。只要在水域附近有700M 的5G基站，就能對(duì)江川湖泊和近陸海域進(jìn)行實(shí)時(shí)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)分析水質(zhì)狀態(tài)。

1.2 浮標(biāo)通信模塊的應(yīng)用

無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)是實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器載體設(shè)備，采用太陽(yáng)能電池板和免維護(hù)蓄電池為儀器提供能源保障，可以安裝水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集器和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。將浮標(biāo)部署在水域監(jiān)控點(diǎn)后不需人工操作，就能夠保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性與系統(tǒng)的可靠性。

無(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上部分為太陽(yáng)能板及指示燈安裝區(qū)。指示燈在整體設(shè)備的最上方，自帶太陽(yáng)能板，靠光線強(qiáng)度控制指示燈閃爍（光線黑暗時(shí)，指示燈間歇性閃爍，閃爍頻率滿足行業(yè)相關(guān)規(guī)定）。下部分為儀表、數(shù)據(jù)采集等安裝區(qū)。其中儀表安裝孔位安裝監(jiān)測(cè)探頭。正中間為電力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制器安裝區(qū)，可以根據(jù)加載的電池?cái)?shù)量和數(shù)據(jù)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(wú)線水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)外觀

結(jié)合700M 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部署，對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)浮標(biāo)通信模塊的設(shè)計(jì)要考慮如下幾點(diǎn)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)、終端芯片選型及應(yīng)用設(shè)計(jì)。

1.3 水質(zhì)浮標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在700M NR 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，浮標(biāo)系統(tǒng)中配置5G 模塊需安裝帶有5G 通信業(yè)務(wù)的SIM 卡，在管理中心進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。當(dāng)信息中心接收數(shù)據(jù)后，在有無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)覆蓋區(qū)域，通過(guò)筆記本電腦、手機(jī)或其他通信工具，都可以在線實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)[13]，也可根據(jù)需要提供定時(shí)短信上報(bào)服務(wù)，或在數(shù)據(jù)異常情況下提供短信報(bào)警服務(wù)。

相比前幾代通信模塊的水質(zhì)浮標(biāo)，采用700M 5G 模塊的無(wú)線系統(tǒng)具有更好的上傳和下載速率及覆蓋適應(yīng)能力。借鑒物聯(lián)網(wǎng)在其他行業(yè)的應(yīng)用[14]，在浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集控制器中集成5G 芯片模組，將采集水質(zhì)分析儀中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上傳至無(wú)線側(cè)，通過(guò)NR 無(wú)線系統(tǒng)反饋至網(wǎng)絡(luò)，并在進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)中建立的VPN隧道后[15]回傳至數(shù)據(jù)管理中心，如圖2 所示。

圖2 水質(zhì)浮標(biāo)工作組網(wǎng)圖

1.4 浮標(biāo)整體設(shè)計(jì)

浮標(biāo)整體設(shè)計(jì)邏輯分三部分：供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通信模塊，如圖3 所示。

圖3 水質(zhì)浮標(biāo)邏輯設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)浮標(biāo)的電力來(lái)源，分太陽(yáng)能板和鋰電池組兩部分，電源模塊向整套系統(tǒng)提供12 V 直流電。根據(jù)不同型號(hào)浮標(biāo)的尺寸，太陽(yáng)能板從20～40 W可供選擇，鋰電池設(shè)計(jì)在20～60 AH 進(jìn)行配置，在陰雨天續(xù)航能力能夠達(dá)到大于10 天×24 h/天。

數(shù)據(jù)采集模塊主要包含外掛式水質(zhì)分析儀，支持多參數(shù)在線分析，可用于長(zhǎng)期野外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、深度、PH 等多個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)被上傳至數(shù)據(jù)集中處理器，集中數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)將各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、緩存、存儲(chǔ)，為數(shù)據(jù)包上傳做好準(zhǔn)備。

無(wú)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(guò)控制面管理通信系統(tǒng)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流通過(guò)用戶面?zhèn)鬟f。基帶模塊主要功能包括信道編碼、數(shù)字信號(hào)處理、調(diào)制和解調(diào)及接口模塊。

射頻部分將基帶信號(hào)與高頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成高低頻信號(hào)的轉(zhuǎn)變和能量變化，在基礎(chǔ)信號(hào)和無(wú)線空口信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

天線部分設(shè)計(jì)為1T2R 模式，即單發(fā)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(guān)于整套5G 通信模塊，主要關(guān)注的是浮標(biāo)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊，將水質(zhì)分析儀采集到的模擬數(shù)據(jù)通過(guò)集中數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，在5G 無(wú)線通信模塊上通過(guò)天線在空口發(fā)給基站。

1.5 通信模塊數(shù)據(jù)描述

在通信系統(tǒng)中，用戶平面負(fù)責(zé)傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，控制平面負(fù)責(zé)控制PDU會(huì)話以及終端和網(wǎng)絡(luò)之間的連接。

該系統(tǒng)中，在上行信道通過(guò)PUCCH 來(lái)承載混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求，并確認(rèn)HARQ-ACK 碼本信息、調(diào)度請(qǐng)求和信道狀態(tài)等上行控制信息。相比于LTE 系統(tǒng)，NR 中更為靈活的時(shí)域資源調(diào)度以及上下行配比，將導(dǎo)致更多下行傳輸需要在同一個(gè)PUCCH 上進(jìn)行HARQ-ACK 反饋。針對(duì)NR 新特性定義的信道狀態(tài)反饋機(jī)制，也導(dǎo)致有更多的信道狀態(tài)，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(guò)PDCCH 承載下行調(diào)度許可DL Grant、上行調(diào)度許可UL Grant 等動(dòng)態(tài)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(gè)數(shù)以及PRB 位置均可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)部署情況靈活進(jìn)行選擇，不必占滿整個(gè)系統(tǒng)帶寬，也不限于系統(tǒng)帶寬內(nèi)的特定位置，CORESET 的時(shí)頻資源可以靈活配置，避免了PDCCH 在小區(qū)之間的持續(xù)干擾，提供了抑制小區(qū)之間干擾的有效手段。

通信模塊在接收解調(diào)PDSCH 和傳輸PUSCH 之前需要先確定傳輸塊大小TBS，才能正確的設(shè)置信道編解碼的參數(shù)，再進(jìn)行編解碼。TBS 與資源分配量、調(diào)制階數(shù)和編碼速率有關(guān)。NR 資源分配方式靈活，除了頻域資源可變外，時(shí)域資源數(shù)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(jì)算中間信息比特個(gè)數(shù)Ninfo，再對(duì)Ninfo進(jìn)行量化，以確定最終的TBS。

由此可見(jiàn)，相比于4G LTE 通信，5G NR 的通信方式頻譜效率更高，時(shí)頻域資源的利用更加靈活，對(duì)水質(zhì)浮標(biāo)的通信效率有顯著提升。

1.6 關(guān)于700M 5G芯片的選型

5G 芯片的應(yīng)用類型多樣，主要有手機(jī)、FWA(固定無(wú)線接入)和CPE(客戶前置設(shè)備)、工業(yè)路由器和網(wǎng)關(guān)、車載路由器和5G 物聯(lián)網(wǎng)模組應(yīng)用，設(shè)備選擇5G 物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的芯片需要考慮滿足其功能和成本。

在5G 芯片領(lǐng)域，春藤V510 為完整的國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)芯片，且價(jià)格合理。就現(xiàn)階段而言，這款芯片具有較低的用戶開(kāi)發(fā)門檻，有利于開(kāi)發(fā)各類產(chǎn)品形態(tài)，可快速投入量產(chǎn)。選擇春藤V510的主要原因有：1）單芯片支持全網(wǎng)各種通信制式。2）包括700M 在內(nèi)的全球主流頻段。3）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智慧能源、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧教育、高清視頻、智慧城市及家庭娛樂(lè)等垂直行業(yè)。

基于5G 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景普遍對(duì)成本較敏感。早期5G 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈并不完善，使5G 行業(yè)應(yīng)用位于物聯(lián)網(wǎng)金字塔頂部，造成商用規(guī)模不足與成本偏高，難以快速達(dá)到市場(chǎng)普及預(yù)期。隨著700M 5G 移動(dòng)廣電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的部署與主要芯片模組的逐步完善，使得5G 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始向金字塔的下部延伸拓展。

700M 的5G 芯片還有進(jìn)一步降低成本的空間。一方面，中國(guó)現(xiàn)階段在芯片自給率上僅有10%左右，每年進(jìn)口芯片的花費(fèi)為超過(guò)2 000 億美元。在十四五規(guī)劃的大戰(zhàn)略下，會(huì)有更多力量投入到國(guó)產(chǎn)芯片的研發(fā)和生產(chǎn)上，預(yù)計(jì)2025 年國(guó)產(chǎn)芯片自給率達(dá)到50%，讓國(guó)內(nèi)行業(yè)逐漸擺脫國(guó)外廠家的高價(jià)格束縛，減低行業(yè)用戶成本。另一方面，隨著行業(yè)用戶在物聯(lián)網(wǎng)方面的需求更加明確，芯片廠家會(huì)研發(fā)出成本低且更符合具體需求場(chǎng)景的5G 芯片，從而精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)、降低硬件成本。

2 驗(yàn)證結(jié)果與分析

國(guó)內(nèi)700M 的商用帶寬資源為30M，按照設(shè)計(jì)的框架，實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬700M 網(wǎng)絡(luò)下的吞吐量和相關(guān)指標(biāo)。700M 需要工作在FDD 制式下，對(duì)于NR 子載波間隔為15 kHz，對(duì)應(yīng)160 個(gè)PRB，時(shí)隙為1 ms；對(duì)于單個(gè)OFDM 符號(hào)，DM-RS 在每個(gè)PRB 中占12 RE。

對(duì)于下行，PDSCH 分配160 個(gè)PRB，若每個(gè)時(shí)隙都有一個(gè)OFDM 符號(hào)PDCCH，則PDSCH 占14 個(gè)符號(hào)，PDSCH 數(shù)據(jù)層數(shù)是2。若每個(gè)時(shí)隙都有PUCCH且占兩個(gè)PRB，則PUSCH 占158 個(gè)PRB，PUSCH 占14 個(gè)OFDM 符號(hào)，PUSCH 數(shù)據(jù)層數(shù)是1。從設(shè)計(jì)理論上來(lái)看，無(wú)線物理資源的分配能夠充分保證空口的數(shù)據(jù)傳輸能力。

在與設(shè)備商合作的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室中完成模擬樣機(jī)的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了NR 700M 和FDD-LTE 2.1G的上/下行性能對(duì)比測(cè)試。圖4 是在移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的700M NR 測(cè)試環(huán)境。

圖4 700M NR測(cè)試環(huán)境

表1 為700M 頻譜下5G 模擬樣機(jī)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(diǎn)位置的測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)，RSRP 為-70 dB。表2為中點(diǎn)對(duì)比數(shù)據(jù)，RSRP 為-90 dB。

表1 近點(diǎn)上下行數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 中點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2 可以看到中點(diǎn)上下行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果到，NR 對(duì)比LTE 在速率上有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。首先，頻譜利用率大幅提高，對(duì)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(duì)于調(diào)制方式，無(wú)論在近點(diǎn)還是中點(diǎn)，NR 均可以采用256QAM 調(diào)制方式，調(diào)制編碼MCS 最大應(yīng)為27 號(hào)，更好的調(diào)制方式保證了更高的空口速率。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)移動(dòng)和廣電網(wǎng)絡(luò)共建700M 的5G 網(wǎng)絡(luò),對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)推廣有積極意義，目前運(yùn)營(yíng)商主要關(guān)注手機(jī)終端的5G 滲透率的提升，以增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋為主。該文的創(chuàng)新性在于明確提出700M 頻段應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)覆蓋場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)，并將傳統(tǒng)水利環(huán)保產(chǎn)業(yè)和新興通信技術(shù)、頻譜規(guī)劃相結(jié)合。期待通過(guò)該文提出的新觀點(diǎn)，觸發(fā)更多其他行業(yè)領(lǐng)域與運(yùn)營(yíng)商能采用700M 頻譜做為業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域以外，5G NR 通信網(wǎng)絡(luò)還將在各行各業(yè)有更加廣泛的應(yīng)用和推廣，將形成豐富的智能應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建基于5G 的應(yīng)用場(chǎng)景和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在智能環(huán)保、智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧醫(yī)療等重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用[16]。讓國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展能夠更高效、更便捷、更健康，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)，加快建設(shè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字社會(huì)、數(shù)字政府，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革。推進(jìn)5G 技術(shù)在生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用有巨大戰(zhàn)略意義。