刘 晓

（石家庄市轨道交通集团有限责任公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

随着社会经济的不断发展，我国传统的3G 和4G 网络在网络速率和信号覆盖等方面已无法满足社会经济发展的基本需求。基于该背景，5G技术应运而生，由于其具有高速率、广覆盖、低时延以及低功耗等特点，使得5G 网络并不像传统网络一样仅用于手机服务，在家庭和办公网络服务领域也具有较强的竞争力，在物联网、智能建造以及自动化等领域得到了应用。通过探究基于5G 技术的无线通信系统设计，以期进一步完善现有的5G 通信系统，为相关研究人员提供参考。

1 5G 无线通信系统架构设计

基于5G 技术的无线通信系统可分为2 个部分，即核心网与接入网。核心网主要由用户平面和控制平面所组成，发挥会话管理与移动管理功能。5G 核心网与5G接入网通过下一代（Next Generation，NG）接口连接，实现控制面和用户面功能。5G 无线接入网之间通过Xn接口连接，实现控制面和用户面功能[1]。基于5G 技术的无线通信系统组成如图1 所示其中，gNB 是5G 基站，ng-eNB 是4G 升级后支持部分5G 功能的基站。

图1 基于5G 技术的无线通信系统组成

通过国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的报告可看出，当前5G 无线通信已明确支持3 大场景的应用，分别为低时延高可靠通信（ultra-Reliable & Low-Latency Communication，uRLLC）、大规模机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC）以及增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB），也正是如此，使得5G 无线通信已经为自动化、云计算、智能机器人以及增强现实（Augmented Reality，AR）等领域提供了十分可靠的技术支持。例如，在系统架构中，可基于支持eMBB 将生产设备进行无线连接，不仅能降低原本布置电缆所耗费的工作量与成本，还大大提升了生产线的效率，为工业自动化、远程监控以及智能管理等提供时延低和可靠度高的通信保障。此外，为满足当前业务开展中对设备响应速度、大流量以及高带宽的需求，可借助mMTC 实现网络传输速度的提升，为超高清视频实时传输和实时设备管理提供相应的技术支持。以智能变电站巡检机器人为例，在机器人通信系统设计中，为完成远程操控与高效的远程信息传输，需确保所使用的基于电力线通信技术（Power Line Communication，PLC）的通信系统能够同时兼容Wi-Fi 与5G。同时，需要设计大于等于100 Mb/s 的网络带宽，以满足站内所有机器人的信号传输需求，确保机器人所搜集的视频信息和数据信息可以实时传输。此外，可以利用海量物联网通信技术，满足低功耗、快传输的应用场景要求。

在工业建造智能化和传统制造业转型升级的背景下，5G 技术已经被广泛应用于各个工业场景，能在保持原有电路交换方式的基础上，实现对全新网络节点的使用。借助终端接口，可将数据中心的客户信息传输至基于5G 技术的无线通信系统，在对数据进行处理与分析的基础上，将各分组数据传输至基站。若基站收到终端所传输的分组数据，则可以在5G 技术骨干网的支持下，将数据传输至各服务节点，再由管理系统将数据传输至技术终端。基于5G 技术的无线通信系统设计架构如图2 所示。

图2 基于5G 技术的无线通信系统设计架构

2 基于5G 技术的无线通信系统组网部署及硬件设计

2.1 5G 网元与接口

2.1.1 5G 移动通信整体网络架构

5G 网络功能之间的信息交互可以基于2 种方式表示，即基于服务表示和基于点对点表示。在实际部署时，也可以采用2 种方式相结合的表达方式。5G 无线接入网的基站网元功能拆分为集中单元（Centralized Unit，CU）和分布单元（Distributed Unit，DU）[2]。划分CU、DU 的方法有8 种，从高层到底层集中化程度更大，要求传输带宽更大、时延更低。目前采用高层功能划分方案：3GPP 标准确定了分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）上移便于形成数据锚点，便于支持用产面的双连接/多连接。

2.1.2 5G 主要网元功能

5G 系统核心网和接入网网元主要功能可分为3个方面，即用户面功能（User Plane Function，UPF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）以及访问和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）。

用户面功能包括基于N 接口切换过程中的数据包路由与转发、连接到移动通信网络的外部电源分配单元（Power Distribution Unit，PDU）会话点、5G 基站（the Next Generation Node B，gNodeB）间切换本地移动锚点。

会话管理功能包括会话的建立、修改以及删除，控制用户面功能[3]。

访问和移动性管理功能包括网络附加存储（Network Attached Storage，NAS）移动性管理、终止运行无线电接入网（Radio Access Network，RAN）网络接口、NAS 信令及信令的加密和完整性保护、注册管理以及为UE 和SMF 之间的SM 消息提供传输。

2.1.3 5G 系统接口功能与协议

由于5G 接口类型较多，这里仅针对NG 接口、E1 接口、Xn 接口、F1 接口以及Uu 接口进行分析。其中，NG 接口指接入网与核心网之间的接口。NG接口组成如图3 所示。

图3 NG 接口组成

E1 接口指CU-C 与CU-U 之间的接口，只有控制面接口（E1-C）。Xn 接口指接入网内部基站与基站之间的接口，其协议栈与NG 接口类似。在CU/DU分离的情况下，Xn-C 是CU-C 之间的接口，Xn-U是CU-U 之间的接口。F1 接口指CU 与DU 之间的接口，有控制面接口（F1-C）和用户面接口（F1-U）。Uu 接口指终端与基站之间的接口[4]。

2.2 硬件架构与设计

2.2.1 无线传输网搭建

为完成无线传输网的搭建，选用OpenWrt 系统创建无线局域网，并利用RT5350 模块实现设备终端与局域网之间的无线连接，从而依托RT5350 模块传输视频流和数据信息。

2.2.2 视频传输

通过摄像头所采集的视频信息，可由RT5350 模块进行分析与处理，如对视频格式和地址信息进行识别、对视频流进行自动打包处理等。视频信息通过处理后，则可根据传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）实现格式的自动转化，然后再借助互联网在手机终端发送信息，这样便能将视频编码数据传输至智能移动终端，实现可视化监控。

2.3 感知检测模块

感知检测模块主要由多种传感器组成，其中环境传感器可细分为温湿度传感器和超声波传感器。借助此模块，可将检测到的各项环境指标发送至终端设备。

2.3.1 环境温湿度检测

环境温湿度检测主要借助传感器DHT11 实现。其作为当前应用较为普遍的一款传感器，主要依托各引脚进行连接，还可以外接单片机和移动电源等设备。

2.3.2 距离信息检测

距离信息检测主要借助超声波传感器实现，本次选用HCSR0 模块。在实际应用中，为确保距离信息检测的准确性，需将测距精度设置为3 mm，测距范围设置为3 ～400 cm[5]。该模块主要包括电源、回响信号输出地接口以及触发信号输入端。

2.4 数据存储模块

数据存储模块主要用于程序指令的记忆和数据信息的存储，具体功能包括数据预处理、数据清洗以及数据转换等，用于对原始数据进行处理和准备。该模块本身由多个存储单元组成，对容量和存取速度的要求较高，文章采用分布式文件系统和数据库存储技术实现大规模数据的可靠存储和快速读取。数据挖掘模块采用多种算法和技术，包括关联规则挖掘、聚类分析、分类识别以及时序预测等技术[6]。数据展示模块可以将挖掘出来的数据以多种形式展示出来，包括图表、报表等形式。

3 系统实验结果

为确保系统实验的严谨性，专门构建了仿真应用情景，将所设计的5G 无线通信系统应用于布满桌椅和各种电子设备的室内环境，通过开展数据通信实验，对系统的实际效能进行测验。

在测验开展中，首先分别需要在0.1 m、1.0 m、30.0 m 的距离条件下对无线通信模块展开通信试验，以串口监视的方式完成数据信息的发送与接收，并将各项数据统一转换为16 进制进行显示。将实验距离设定为30.0 m，以单字节发送与接收的形式展开试验，然后以多字节的形式进行接收。

实验结果显示，串口发送端与接收端的数据信息在内容和格式上完全保持一致，表明在正常的通信环境下，该系统能够实现稳定运行，并保障数据传输的完整性，能够有效保持通信性能与数据传输性能的稳定性，基本满足设计要求。

4 结 论

5G 技术的发展带来了创造性的变革，为数字信息领域的互联提供了重要的技术支撑。未来，5G 技术将会与云计算、大数据等技术相融合，在工业制造和物流运输等领域进一步发挥作用。文章所设计的5G 无线通信系统能有效解决传统系统模式下所存在的数据丢包、传输性能不佳以及稳定性较差等问题，充分展现了5G 技术的实效性与应用潜力。