以OpenWRT為基礎的5G融合通信網關設計分析

霍晗，凌飛，王曉娟

中國聯合網絡通信有限公司山西省分公司，山西太原，030006

0 引言

當前，伴隨城鎮化建設進程的穩步化、持續化加快，以及城市電網規模的持續擴充，城市電網無論是在保障運行穩定性上，還是在管理規劃上，所面臨的壓力均正在逐漸變大，需要解決的問題也日漸增多，這些均已成為當前城市電網行業迫切需要解決的問題。需指出的是，由于城市電網體系當中存在著越來越嚴重的設備老化問題，而且在監測電網運行安全方面的能力也不理想，因而較難為供電的安全性、可靠性的提升及電能質量的優化等提供切實保障。在對城市電網進行數字化改造時，存在許多監控終端與分布式傳感器，因而需構建完善且優質的城市電網多模態本地融合通信體系，囊括接口要求、通信功能、網絡架構以及通信性能等[1]。以城市電網為對象的本地融合通信系統由多部分構成，即各終端設備、融合中繼及融合通信網關等。本地融合通信系統作為一種新型的本地通信核心設備，具有安全、可靠等優點，通常會設置在整個電力物聯網（IoT）當中的感知層，主要功能是與物聯管理平臺之間開展實時或有選擇性的業務、管理數據的交互，以此達到對中繼設備以及感知層端設備的有效管理，同時還能夠對業務數據進行各種操作，如采集、存儲及分析等；除此之外，它還能夠同時支持各種類型終端的接入[2]。需強調的是，在整個城市電網架構當中，存在許多數據高速傳輸的業務應用需求，比如遠程運維檢修、視頻監控等，因此，對于融合通信的網關而言，應能夠較好地支持以太網、WIFI及5G等。此外，融合網關還需借助HPLC、LoRa、串口和WIFI，與各終端設備、中繼設備相連接，故對于城市電網本地融合通信網絡來說，需設計成能夠對多種通信方式同時兼容的融合物聯網關。本文以OpenWRT為基礎，分別從軟、硬件方面對5G融合通信網關進行設計，且最后進行測試。

1 5G融合通信網關方案分析

1.1 硬件架構

電力5G融合通信網關處在整個電力物聯網架構當中的感知層上，能夠借助LoRa模塊、RS485串口、RJ45網口及HPLC通信等，與各種感知端設備進行連接，比如集中器以及采集器等。此外，該網關還能夠以一種合理、妥當的方式，將各種電力業務信息進行匯總，并利用5G模塊，向物聯管理平臺進行傳送。5G融合通信網關除了要能夠較好地與各種通信協議進行高質量兼容之外，還應能夠對各種業務處理進程進行妥善承載，且滿足外設擴展方面的各種要求及需要。需指出的是，在對各種信號CPU的參數信息進行全面、深入分析后，在5G網關的主控芯片上，最終選擇的是IOQ8072A，它可以較好地滿足網關的各項高性能要求[3]。

1.2 軟件架構

對于基于Linux的嵌入式操作系統（Open WRT）而言，因其在面對ARM處理器架構時，存在著比較好的適配性，故5G融合通信網關在選擇嵌入式Linux系統時，最終將OpenWRT當作此系統。需強調的是，因OpenWRT存在著高度模塊化特點，因此，十分適合用其來開發定制化軟件，可以較好地對系統在穩定性、功能等方面的需求給予滿足。在5G網關軟件平臺的基本架構中，依據其所具有的基本功能特性，可把軟件平臺劃分成三層，其一為應用服務層，其二為接入控制層，其三為數據分析層。在網關下，通?？梢耘c各種感知端設備進行連接，而且軟件平臺通過對接口的類型、協議的種類進行綜合分析，可以在本地對數據展開處理[4]。

2 硬件中的一些關鍵設計

2.1 輸入級電源EMC的防護設計

在評定通信裝置的安全性、可靠性方面，EMC實為一項關鍵性指標。在整個設備整體電源架構當中，輸入級電源乃是其入口，在對其進行設計時，需要將電源EMC防護這一方面考慮在內。針對常規的商業電子設備來講，在考慮的內容上，主要是對周圍所形成的干擾與輻射，但需指出的是，5G融合通信網關是一種新型且先進、實用的工業級電力通信設備，在工作環境上，通常是在比較復雜電磁環境的輸變電站房內，因此，在對其展開設計時，多將強化自身的抗干擾能力作為主要設計目標。在設計EMC過程中，需要能夠與四級防護等級要求相滿足，結合開關電源模塊所具有的基本特性，圍繞EMC電路，開展匹配設計工作，而在設計過程中，需要將多種因素考慮在內，比如合適的共模濾波與防護設計、最大瞬態干擾承受電壓以及開關電源的輸入電壓與電流范圍等[5]。

輸入級電源EMC保護電路的基本設計框圖如圖1所示，外觀電路當中的C4與R3、R2、R1主要作用為浪涌防護，借助壓敏電阻R2、R3于瞬時過壓后會出現阻抗下降的這一特性，把浪涌電壓鉗位調節為低電位，然后再借助去耦電阻，對壓敏電阻所存在的反應時間較慢這一問題給予解決。還需強調的是，還可通過對電解電容的合理化操作，對瞬態電流進行吸收，以此達到降低浪涌電壓的目的。理想狀態下，大多會選定有較大阻值的去耦電阻，這樣可以使壓敏電阻對更大的浪涌電流進行承載，并且還能促進電解電容相應體積的減小[6]。

圖1 輸入級電源EMC 保護電路的基本設計框圖

2.2 雙頻WIFI設計

傳統的電力通信裝置在對WIFI進行設計時，通常會采用兩種方式，其一為將mini PCI接口相對應的WIFI通信模組安裝在4/5G CPE上。對于此種方式而言，其主要優點就是有著較簡單的電路設計，便于升級，而且成本也較低；但也有不足的地方，即存在較差的通信質量、較低的傳輸速率、較近的傳輸距離，而且面對大帶寬應用，通常較難滿足其需求。其二是借助以太網口，與無線路由器進行連接，以此達到對WIFI進行擴展的目的，例如，在電力領域中比較常用的移動邊緣計算裝置，便采用此種設計思路。需指出的是，對于此種方式來講，其主要優點是：在無線路由器上，有著較強的綜合性能，而且在信號質量上也有較好的保障。不足之處則為占用設備空間大，功耗比較大，另外，還會對電池電量有限設備的工作時長造成嚴重限制，而且難以做到小型化[7]。

圖2是以IOQ8072A主芯片為基礎的WIFI通信系統的基本架構，從中可知，WIFI射頻鏈路主要由四部分構成：射頻天線、射頻前端模塊（FEM）、2.4G PHY芯片、5G PHY芯片。其中，射頻FEM又可劃分為三部分，分別是無源配置電路、射頻濾波器與射頻前端芯片。除此之外，射頻芯片還與4路天線通道處于連接狀態，故能夠較好地達到4×4MIMO，促進頻譜利用率的提高[8]。

圖2 WIFI 模塊的硬件基本架構

2.3 雙時鐘備份的基本設計

依據IOQ8072A芯片的基本架構，在設計系統時鐘時，采用的是當前比較先進且實用的96MHz晶振輸入，借助5G WIFI PHY芯片倍頻，產生所需要的192MHz時鐘，然后分別供給CPU與2.4G WIFI，而借助位于其內部的分頻，能夠分別產生25MHz、50MHz的時鐘，然后傳送于以太網PHY?；诖朔绞较?，系統在面對WIFI PHY芯片時，能夠產生依賴性，但需指出的是，在一些電力應用場景當中，物聯網關無需對WIFI功能進行使用，如果需要對電路進行重新設計，那么會使生產測試成本大幅增加，同時還會使工廠物料的相應采購壓力增大。在設計電路圖與PCB板圖時，如果將50MHz外部晶振加入，并且當作備份，那么在對WIFI功能進行使用時，暫時不進行50MHz晶振的焊接便可。此外，如果不對WIFI功能進行使用，此時，可焊接50MHz晶振，但是對于WIFI部分的相關器件而言，不進行焊接便可[9]。

需說明的是，不管選擇何種方案，均需將相應的驅動代碼加入U-boot與內核當中，以此對設備樹文件、時鐘寄存器進行修改。如果需要使用WIFI方案，此時，即便采用96MHz來進行時鐘的輸入，也需修改寄存器值。如果需要對外部的50MHz時鐘進行使用，那么此時若代碼當中注釋有backup這一語句，那么需增加定義（50MHz時鐘），而且還需要修改寄存器值。

3 軟件方面的核心設計

3.1 5G通信軟件的具體設計

5G融合通信網關是一個新型的信息匯聚設備，故需從根本上確保通信的穩定與可靠。對系統當中的云軟件服務層而言，可依據平臺層信息來開展各項操作，比如模組重啟、對最佳信道進行切換、檢測5G無線通道等，以此為數據的正常調度與發送提供可靠保障。在網關上，當電啟動之后，首先會實施軟件初始化操作，而且還會對無線信道進行檢測，具體囊括頻點信息、誤碼率以及信號強度等；然后初始化成最理想的信道，若出現初始化失敗的情況，那么需再次檢測。當完成信道初始化操作后，會入網，且對網絡狀態進行循環檢測，同時，進入循環收發守護程序，依據既定的數據收發指令，對API的收、發進行調用，如果出現收發失敗情況，那么會進入所設置的重發機制當中。需指出的是，對于收發守護進程而言，會實時監測數據的發送情況以及接收的具體狀態，不管成功與否，都會準確記錄與報告，因而可為5G融合通信網關的可靠通信提供切實保障[10]。

3.2 輕量級安全加密認證

圖3為區域輕量級安全加密認證的基本邏輯架構，從中可知，端設備把設備的ID向5G網關進行發送，而當網關接收到設備ID信息之后，會將其再向處理模塊進行傳送。而對于處理模塊而言，其會在匹配池當中，實施ID匹配，如果出現匹配失敗的情況，那么表明此設備是不良設備或入侵者，便會把它的DI信息自動劃入黑名單，并對其再次接入予以拒絕。若成功匹配，那么此時的處理模塊會自動生成密鑰，并且還會自動完成各種操作（如密鑰封裝、簽名處理等），最后借助發送模塊，把所生成的簽名私鑰向端設備進行發送，最終在“邊-端”設備之間達到安全加密認證的目的。需指出的是，針對區域安全加密認證的此種方式來講，可較好地實現“邊-端”與“云-邊”的分層認證接入，防止出現云端與端設備之間的直接通信，規避或減少端設備惡意攻擊云端這一情況的發生，促進云端安全性的提高[11-12]。

圖3 區域輕量級安全加密認證的基本邏輯

4 測試結果分析

于特定試驗環境下，采用Speedtest測試工具，圍繞設備開展網絡測試。因在現實網絡環境中，會受到各種因素的干擾，因此，在測試時的網絡節點上，統一選擇中國移動5G，且連續開展多次測試，結果見表1，從中發現，5G融合通信網關的上、下行速率分別為92.1、875.5Mbps，能夠較好地滿足大多數電力業務的5G通信需求。較之邊緣物理代理（4G設備），上、下行帶寬分別能夠提升12、20倍之多，在ping時延上，可以縮短45%，表明此網關性能突出。

表1 終端無線通信性能測試結果

5 結語

本文探討了一種能夠同時對多種通信協議支持兼容的5G融合通信網關設計方案，此設計方案把IOQ8072A當作主控芯片，且將OpenWRT當作嵌入式操作系統。在設計電路方面，采取的是當前比較常用的電磁兼容四級防護標準，可為設備的穩定性、可靠性提供保障。另外，通過設計新型的雙時鐘備份，可使5G網關在各種需求下的研發成本大幅下降。需強調的是，5G融合通信網關在具體的應用場景上，主要定位在輸電站、配電站、變電站房內，因而屬于典型的室內場景。