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姜元山，刘 霞，张光伟，陈德进
（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）
摘 要 ：5G 时代产业格局调整，终端产业步入成熟发展期，带来新的发展机遇。垂直行业应用是 5G 发展的一个重要方向，工业数据传输单元（DTU）作为 5G 网络与行业设备的连接载体，提供的 5G 能力可以为车联网、工业互联网等多个垂直行业带来巨大提升，降低终端开发难度，丰富工业现场设备选择，构建定制化能力，助力突破行业终端能力边界。文中基于油田采油信息化需求场景，设计了一种 5G 工业数据传输单元（DTU），并基于油田场景进行了进一步的应用研究。
中图分类号 ：TP39 ；TN914 文献标识码 ：A
文章编号 ：2095-1302（2022）08-0036-03
0 引 言
3G、4G开启了移动互联网时代，在5G时代，移动通信从互联网扩展到物联网领域，服务对象从人与人通信拓展到人与物、物与物通信，将与经济社会各领域深度融合，引发生产、生活方式的深刻变革。预计到2025年，垂直行业物的连接数量将达到900亿。不同于现在的公众市场对大带宽、高速率的需求，垂直行业应用需求更加多样化，5G灵活、高效、融合、开放的特性将能满足不同业务的快速部署需求，是发展产业互联网行业市场的关键[1-2]。
工业互联网是新基建中信息基础设施的重要组成部分，在工业互联网中引入5G工业数据传输单元会带来新型应用模式和全新工业生态。工业互联网的5G升级改造可以分为两种，一种是工业互联网中存量网络的5G升级改造，另外一种为工业企业在部署全新工业互联网时，将5G技术作为其关键技术之一导入。当前5G与工业互联网的融合还处于起步探索阶段，存量网络的5G升级改造是目前5G与工业互联网融合的主要方式 [3]。
在工业互联网存量网络的5G技术改造中，工业互联网行业终端的5G升级方式有3种 ：5G CPE（Customer PremiseEquipment）、5G DTU（Data Transfer Unit）和5G模组。5G模组需要与行业终端深度融合，适用于全新设计的行业终端 ；5G CPE适用于存量行业终端中具备WiFi接入能力的终端，而在工业互联网中，WiFi的接入约占工业互联网接入份额的5%，5G应用场景有限。在工业互联网存量接入中有线接入占比超90%，要想让工业互联网中大量的存量有线接入行业终端具备5G能力，5G DTU是现阶段性价比较高的替代方案。
5G工业数据传输单元即5G DTU，是专用于将有线数据转换为IP数据或将IP数据转换为有线数据，并通过5G通信网络进行传送的无线终端设备。5G DTU具有组网迅速灵活、建设周期短、成本低、网络覆盖范围广、安全保密性能好、链路支持永远在线、按流量计费、用户使用成本低等优点 [4-5]。
1 5G DTU 研究与实现
1.1 概述
5G DTU的主要功能是把远端设备的数据通过无线方式传送回后台中心。一套完整的数据传输系统包括：DTU、客户设备、移动网络、后台中心。在前端，DTU和客户设备通过串行接口或者网口相连。DTU通过移动网络与后台中心建立连接。建立连接后，前端设备和后台中心就可以通过DTU进行无线数据双向传输 [6]。
5G DTU可广泛应用于油田、电力、环保、LED 信息发布、物流、水文、气象等领域。DTU和行业设备相连，然后与后台建立无线通信连接。在互联网日益发展的今天，DTU的使用也越来越广泛，它为各行业以及各行业之间的信息、产业融合提供了帮助。
1.2 5G DTU 结构设计
5G DTU需要高效的上下行传输速率以及更加紧凑的体积与天线设计。针对矿区、工业现场等应用，DTU需要更高的设备保护、丰富的接口类型，及更优的信号隔离度。由于5G 终端天线数量较多，常见的DTU形态包括内置天线型、外置天线型 [7]。
内置天线的DTU 结构更加紧凑，壳体通常采用透波材料，因其热阻较高，导致整机散热较差，如图1所示。
外置天线的DTU具有更加灵活的应用方式，可以根据需求更换不同性能指标的天线，也可以适用于主机必须安装在密封箱体内的场景，如图 2 所示。
根据使用场景，DTU还可分为室内型、室外型和野外型。其中，室外型主要安装于室外通信箱等不直接暴露的场景，产品应具有较好的环境适应性能力 ；野外型DTU直接暴露在野外环境中，还应具备较好的防雨淋和抗风能力。
按照安装形式，DTU可分为桌面型和上架型。桌面型DTU可以灵活嵌入其他设备或安装于工业导轨上 ；上架型DTU主要应用于标准的机柜内，常用尺寸通常为1U、2U、3U和 4U等。
1.3 5G DTU 硬件架构
为适应工业场景电源供电，5G DTU应配备DC 470等直插式电源接口，支持宽电压输入。POE 供电也是常用的工业场景供电方式，适用于远距离供电。其中，USB供电作为其他供电方式的补充，优先级低于主供电接口，当主电源接入后，USB接口仅进行数据传输[8]。硬件设计如图3所示。
为适应工业场景的IP化趋势，适配5G空口速率，5GDTU应配备千兆以上网口，兼容 2.5G 网口，以充分发挥 5G的大带宽优势。
RS 232/485作为串行数据通信接口标准，广泛应用于工业现场，因此5G DTU支持 232/485总线。为直观、快速判断5G DTU的工作状态，5G DTU具备相应状态指示灯 ；为应对复杂的应用场景，保障产品使用，5G DTU应具有复位按钮，用于紧急情况下复位终端。
5G DTU具有Nano SIM卡，可扩展支持eSIM。DTU可选支持GNSS和A-GNSS的能力。为满足5G上下行MIMO需求，5G DTU天线应保证2T4R。5G DTU的平均功耗不高于10 W，峰值功耗不高于15W。根据工业现场要求，5GDTU应能在温度-40 ～+85℃、湿度5%RH～95%RH范围内正常工作。
1.4 5G DTU 软件架构
系统整体分为3个层次：DSP层、系统驱动层、业务处理层。
DSP 层（灰色）是5G基带，与Linux系统通过内部高速总线交互，通过 AT 命令获取或设置参数等。
系统驱动层（蓝色）是系统核心，包含引导程序、内核和文件系统、驱动等。可实现工业现场数据转换及其他操作能力。
业务处理层（绿色）包含WebUI、TR069网管、组网、FTP升级、DMZ、端口映射、USB 数据通信、MPTCP等业务模块。
软件设计如图4所示。
2 5G DTU 在油田智慧油井接入 5G 专网的应用
采油厂启动生产信息化建设，因前期建设标准较低，部分管理区的油水井站信息化建设需完善。采油厂生产信息化网络遵循“有线无线结合、公网传输辅助”的原则建设，但存在光缆施工难度大、综合成本高 ；无线网桥遮挡影响，电磁干扰，故障率高 ；4G上行速率低，多路易拥堵等问题[9]。
为满足油田采油厂区现有油井工作状态采集任务条件，并实现上位机远程控制启井、停井、声光报警、调速等功能，采用由中国联通提出的5G无线通信技术替代无线网桥方案，如图5所示。
传感器采集的数据经数据汇聚后通过中国联通5G DTU接入5G网络传输，构成数据传输链路的核心节点。厂区内5G基站通过IPRAN网络连接联通MEC，MEC下沉部署到联通机房。5G基站及MEC与联通SA核心网连接，对用户进行鉴权、计费、策略控制，同时与网管对接，进行网络运维。主要有如下方面的信息化改造 ：
（1）首次用5G替代网桥、有线远程控制采油装备 ；
（2）通过5G承载PLC专用工业协议和高清视频，同时保障大带宽和低时延高可靠 ；
（3）覆盖生产自动化、远程控制、安防监控等多个应用场景 ；
（4）采油厂5G全覆盖，对油井数据回传 ；
（5）实现控制信号毫秒级低时延，图像信号速率为100 Mb/s上行带宽 ；
（6）保障采油区生产管理、远程操作、安全巡查。油井采集图如图6所示。
通过油气生产过程全面可视化、生产运行状态全面感知、生产实时监控和高效运行指挥，及5G网络将视频监控与各类作业数据回传至采油厂的生产监控中心，实现数据本地闭环，极大提升了生产效率、数据安全和管理水平。
3 结 语
行业物联网终端是5G与垂直行业融合的重要切入点。工业数据传输单元（5G DTU）作为5G网络与行业设备的连接载体，可以直接对现有设备进行5G升级改造，降低终端的研发成本。产品覆盖多个应用场景，构建定制化能力，助力突破行业终端能力边界，为新媒体、工业互联网、公共安全、无人机、机器人、车联网等多个垂直行业的数字化、智能化升级赋能 [10]。
本文介绍了一种5G工业数据传输单元的实现方案，适配智慧油田采油数据采集的严酷环境，基于5G网络实现大带宽数据回传，降低了油田后期的监控维护成本，多场景数据实现连接，打破了信息孤岛模式，数据利用程度得到有效提高。
注：本文通讯作者为姜元山。
参考文献
[1] 中国联通 . 中国联通 5G 行业终端总体技术要求白皮书 [S]. 2019.
[2] 林玮平，魏颖琪，李颖 .5G 在工业互联网上的应用研究 [J]. 广东通信技术，2018，38（11）：24-27.
[3] 徐涛，李暖暖，关儒雅，等 . 基于 5G 的电力通讯终端研制及应用研究 [J]. 电工电气，2021，41（8）：16-19.
[4] 宋炳坤，杨宏斌 . 山东联通东营胜利油田 5G 智慧油井专网方案[J]. 通信世界，2021，22（10）：46-47.
[5] 王笑鸣 . 5G 技术在智慧油田建设中的研究与应用 [J]. 中国石油和化工标准与质量，2020，40（5）：255-256.
[6] 赵鹏 . 5G 通信技术在数字油田建设中的应用表现 [J]. 中国管理信息化，2021，17（14）：104-105.
[7] 陈军俊 . 5G CPE 发展现状与展望 [J]. 科技传播，2019，11（20）：108-109.
[8] 刘荣章 . 基于 5G 网络的智能网关设计 [Z]. 中国新通讯，2021-818-19.
[9] 刘明 . 基于 5G 网络的复合型数据采集网关设计 [J]. 电子世界，2020，42（16）：206-207.
[10] 成诚 . 5G 通信技术在工业建设的应用 [J]. 中国战略新兴产业，2019，7（30）：24.
作者简介：
姜元山（1979—），男，山东人，硕士，工程师，主要负责5G物联网终端创新及研发工作。
刘 霞（1983—），女，新疆人，硕士，主要从事5G物联网终端设计及开发工作。
张光伟（1981—），男，河南人，硕士，主要从事5G物联网终端设计及开发工作。
陈德进（1986—），男，四川人，硕士，主要从事5G物联网终端设计及开发工作。
编辑：黄飞
工商网监
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