面向工业级5G 无线路由器的体系结构研究

申利民，王先彪，张茂贵

（广州铁路职业技术学院 广东 广州 510430）

0 引言

5G 开启万物互联的数字化新时代，以支持快速演进的物联网和移动互联网，支持超大连接数、低功耗广域覆盖（智能抄表、智慧农场、物流、追踪、车队管理等）以及超高接入速率、极低时延（虚拟现实、无人驾驶、工业应用和控制、交通安全和控制）的各类新业务［1］。 物联网海量上行通信的核心是提供大规模的连接，ZigBee 等技术都可用于支持连接。 5G 移动通信技术下，5G 工业无线路由器为制造企业生产设备等生产资料以无线方式实现了与互联网之间的互联，满足工业互联网中设备管理智能化要求。

1 系统方案设计

5G 工业级路由器考虑及应用场合融合5G 接入技术、无线通信技术（wireless fidelity，WiFi）、路由技术、交换技术、安全技术等多种网络应用技术，全线兼容5G／4G／3.5G／3G／网络，支持802.11b／g／n WiFi，可轻松组建高速、稳定的有线、无线传输网络，并支持物联数据采集及机器到机器（machine-to-machine，M2M）通信，利用公用5G／4G／3 G 网络为用户提供无线长距离数据传输功能。 工业级5G 无线路由器由图1 各部分组成：电源模块、电源控制电路、以太网芯片、光模块（small form-factor pluggables，SFP）、中央处理器（central processing unit， CPU）、5G 模块及5G 天线、全球定位系统（global positioning system，GPS）天线、WiFi 模块及天线、ZigBee 模块及天线、远距离无线电（long range radio，LoRa）模块及天线、存储芯片、USB 口、串口。 其中以太网芯片组用来实现工业级5G 路由器与互联网数据互连，5G 模块实现工业级5G 路由器与移动、联通等电信运营商所运营的5G 移动通信互连，并具备GPS 卫星导航定位的功能。 ZigBee 模块及天线实现路由器与ZigBee 无线传感网络互联，LoRa 模块及天线实现工业级5G 路由器与无线传感网络LoRa 网络互连，存储芯片主要用来存储路由器程序及数据，电源模块主要用来给路由器供电，电源控制电路主要用来控制电源模块工作模式，CPU 微处理控制器主要用来集中控制管理，SFP 模块主要用来与光网络接入。 USB 接口、串口用来与外部数据交互。

图1 系统方框图

工业级5G 无线路由器工作原理：路由器通电时，CPU微处理器控制器IPQ8064 运行嵌入式操作系统Linux， 整个系统软件设计采用多任务调度，分为5G 通信任务、互联通信任务、ZigBee 网络通信、LoRa 网络通信、WiFi 网络通信等任务。 当ZigBee 模块接收到信号时，通过串口输出CPU 微处理器控制器IPQ806，CPU 微处理器控制器IPQ806 运行的ZigBee 网络通信模块任务负责处理ZigBee无线网络传输过来的数据，并负责数据的处理及转发，同理LoRa 无线通信网络数据也是类似处理。

2 部分硬件选型

2.1 MCU 硬件选型

微控制单元（microcontroller unit，MCU）选用IPQ8064是一款用于运营商网关和智能零售路由器的互联网处理器。 它包括1.4 GHz 的强大双核SMP Krait CPU 和符合ARM-v7 的指令集。 每个Krait CPU 包括一个128 位单指令多数据（single instruction multiple data，SIMD）需求方平台（demand-side platform，DSP），称为VeNum。 CPU 系统是支持1 兆字节的二级缓存以及16 千字节的一级I 缓存和16 千字节的一级D 缓存。 IPQ8064 还包括一个总吞吐量为5Gbps 的网络加速器。 此网络加速器称为网络子系统（network switching subsystem，NSS）。 NSS 由两个可编程、多线程、网络加速器引擎组成。 各网络加速器引擎支持12 个执行线程。 每个线程的功能由固件由高通技术公司提供。 NSS 体系结构允许线程并行运行。 NSS 功能包括L2／L3 路由／桥接、Samba 加速、大接收卸载／TCP 分段卸载（large receive offload ／TCP segmentation offload，LRO／TSO）、连接加速以及流量管理。 IPQ8064 通常在双核SMP Krait 上运行OpenWRT Linux IP 堆栈，而NSS 加速了网络流量（快速路径）。 NSS 在Linux 的完全控制下运行堆栈NSS 中的规则由Linux 堆栈设置。 与这些不匹配的网络数据包规则通过NSS 中的异常处理机制传递到Linux堆栈［2］。 为了支持多种平台，IPQ8064 配备了多个高速SERDE 和通用接口。

2.2 以太网芯片选型

Street®-88E6390X 是一款单芯片、11 端口以太网交换机，具有八个集成的10／100／1000 Mbps 以太网收发器和两个支持 10 Gbps XAUI 和 RXAUI、 2500 BaseX、1000Base-X 和SGMII。 该设备还包括一个集成的200 MHz微处理器，可以在不使用需要外部CPU。 88E6390X 通过8 个出口队列提供高级服务质量（quality of service，QoS）功能。 高性能交换结构在所有端口上同时提供线路速率切换，并提供高级交换机功能。 该设备包括一个256 进入TCAM 以实现灵活的交换机监控，包括访问控制列表和策略控制列表。 这个88E6390X 还支持最新的IEEE 802.1音频视频桥接（audio video bridging，AVB）和时间敏感网络（time sensitive network，TSN）标准。 这些新标准克服了以太网的延迟和带宽限制，允许实时数据的高效传输内容适用于家庭、商业和工业应用。 这些设备使用AVB／TSN 技术来识别和保留网络资源支持AVB／TSN 流量流，并支持精确的等时流传输能力，以实现可靠和高质量的传输通过以太网进行音频／视频传输，提供当今实时、高清信息和娱乐选项。 AVB／TSN 协议允许通过以太网发送对时间敏感的流（如数字视频、音频或工业控制流量）具有低延迟和可靠QoS 保证的网络［3］。

2.3 以太网方案

系统以太网方案如图2 所示，将IPQ8064 的GMAC1接口通过RGMII 模式与Marvell 88E6390 相连，IPQ 的GMAC2 通过SGMII 接口与88E6390 相连，减少下行突发流量时对上行端口的冲击，SGMII 接口的电模块总是能支持10／100／1000 Mbps 速率。 IPQ8064 的GMAC3 和4 端口配置成SERDES 模式，实现两路千兆端口连接，端口Port配置为SerDes 模式，它能连接光模块和电模块，但是速率是不可协商的。 8 路电口与2 路光口均为独立接口，实现8 路独立以太网设备通过电口接入工业路由器，实现与5G 移动网或与物联网中ZigBee＼Lora 中无线传感网络实现数据交换。

图2 以太网连接图

2.4 5G 模块选型

5G 模块选用工业模组MH5000-31，此组核心采用华为巴龙5000 芯片，核心器件包括主芯片、电源管理单元（power management unit，PMU）、射频等，完全自主设计；支持5G 独立组网和非独立组网（NSA／SA 双模），有助于工业企业客户灵活接入不同5G 模式网络，支持中国5G 独立组网络建设，有利于工业级企业设备接入；支持单个芯片全面兼容2G／3G／4G／5G 全网段，直接同步5G 网络覆盖节奏，保护客户以前设备投资。 下行速率高达2 Gbps，上行速率高达230 Mbps，满足工业级行业应用的高带宽要求，特别是对智能制造企业对实时通信速率的要求；工作温度范围广至-40～85 ℃，采用高可靠性器件以及工业独特设计，适应工业企业设备工作环境温度的变化范围大［4］；自带高性能的应用处理器，其算力达14400DMPIS，能实时处理来自应用端的数据；拥有高达18 种类型的硬件接口，充分满足工业设备接口需求，如串口、USB 接口。系统具有4 种射频天线设计，提高系统稳定性。 5G 模块主要功能单元包括：电源管理、基带控制器、NAND 闪存、LPDDR4。

3 5G 无线路由器供电

5G 无线路由器供电电源模块如图3 所示，由锂电池充电电路、电子开关1、锂电池1、锂电池2、锂电池电量检测及控制模块、电子开关2 组成。 工业级5G 无线路由器的不断电工作原理，锂电池电量检测及控路分时检测两块锂电池的剩余电量，假设当前锂电池1 为正在供路由器供电的电池，锂电池2 为充电满状态时，当其剩余电量不足20%时，则由锂电池电量检测及控路控制电子开关2 先接通锂电池2 供电，再断开锂电池1 供电开关，同时将接通锂电池1 的充电电子开关，使两个锂电池轮流给工业级5G 无线路由器供电，如工厂供电有瞬时停电状态，也不影响路由器的数据传输。

图3 5G 无线路由器供电电源模块框架

4 工业环境中干扰及措施

企业工业环境中电力半导体器件工作时存在干扰，如企业设备电源供应系统中，逆变器工作时整流管、绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）等，使电网中的干扰谐波含量大大增加。 常见于制造企业的有各种类型电动机如三相异步、直流电动机等切断感性负载时产生的干扰信号。 控制电路控制继电器等接通与断开负载时从而产生尖峰脉冲干扰。 系统中电路使用开关作为数字电路逻辑输入信号时，理想时开关的一次接通产生一个高／低电平变换信号，由于继电器触点的通断切换产生的干扰信号，使单个输入信号叠加多个干扰信号，从而导致数字逻辑电路造成接收错误输入信号而误动作。 这些干扰都会影响5G 无线路由器的正常工作。

4.1 电源电路抗干扰设计

针对电网电源受外界影响而导致的干扰现象，5G 无线路由器采用滤波器滤除电网干扰，电路采用如图4 所示的干扰滤波电路来切断干扰的传输途径，滤除电网中的共模干扰。 图4 中电感L 称为共模电感，使用环形磁芯、漏磁小、效率高。 当电网电流在共模电感绕组中流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗地传输［5］。 如果电网中含有共模干扰电流通过共模电感，这种共模干扰电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。 如图4 电路中滤波器电容CX1，CX2，只要电容选择适当，该电容对高频干扰阻抗低，不会影响对工频信号的阻抗。 为了避免放电电流引起的冲击危害，XC 电容容量不宜过大，一般在1.0 ～0.1 μF 之间。 电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。

图4 电路滤波器

4.2 电路板抗干扰设计

5G 路由器中硬件电路板中当元件、芯片等在1 MHz 以下的频率范围内时，采用单点接地方案，降低分布传输阻抗的影响。 当5G 无线路由器工作频率高时，电源层和元器件走线的阻抗大大增加，在电流返回路径中存在一定阻抗，就会产生电压降，随之产生其他的射频干扰。 在5G 路由器PCB 图布局中输出端与输入端的布线应避免平行布线，以免在输入线与输出线之间产生反射干扰，必要时在5G 无线路由器中输入端与输出端加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，降低寄生干扰信号耦合，在5G 无线路由器中对数字电路的印制电路板（printed circuit board，PCB）可加宽的导线设置组成一个地网来使用，减少寄生干扰信号耦合。在5G 无线路由器数字电路工作频率高时，处理数字信号线，高频信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，以减少高频信号对模拟电路的干扰。 路由器中硬件电路板采用屏蔽技术来抑制电磁干扰沿着空间的传播，即切断辐射电磁干扰的传输途径。 用金属材料把所有5G 路由器需屏蔽的区域包围起来，从而减少外界对无线路由器的干扰，提高其在复杂电磁环境中应用能力。

4.3 硬件看门狗及环境选用

5G 工业路由器在一些恶劣的环境下需要保证网络的畅通，故障自恢复功能是保证工业路由器的稳定工作的基础。 工业路由器设计断线重连在线保持机制，采用硬件看门狗保护，确保设备稳定有效的24h 工作。 工业路由器选用无遮挡的环境下，靠5G 基站近的地方，信号稳定。 而在井下环境使用，由于地下距离、土层泥块等因素对信号的干扰，如果测试井下的5G 信号稳定，可正常使用工业路由器。 如果5G 信号不稳定，那么可向下兼容3／4 G，可保证数据稳定传输。

5 结语

综上所述，工业互联网采用5G 无线路由器是最主要的应用场景之一，路由器采用ZigBee、LoRa、WiFi 等无线接入技术，实现物联网侧信号通过5G 网络的互联，系统采用成熟模块、备份在线供电及电路、电路板、看门狗硬件电路提高了路由器的稳定性，具有广泛的应用市场。