以OpenWRT为基础的5G融合通信网关设计分析

霍晗，凌飞，王晓娟

中国联合网络通信有限公司山西省分公司，山西太原，030006

0 引言

当前，伴随城镇化建设进程的稳步化、持续化加快，以及城市电网规模的持续扩充，城市电网无论是在保障运行稳定性上，还是在管理规划上，所面临的压力均正在逐渐变大，需要解决的问题也日渐增多，这些均已成为当前城市电网行业迫切需要解决的问题。需指出的是，由于城市电网体系当中存在着越来越严重的设备老化问题，而且在监测电网运行安全方面的能力也不理想，因而较难为供电的安全性、可靠性的提升及电能质量的优化等提供切实保障。在对城市电网进行数字化改造时，存在许多监控终端与分布式传感器，因而需构建完善且优质的城市电网多模态本地融合通信体系，囊括接口要求、通信功能、网络架构以及通信性能等[1]。以城市电网为对象的本地融合通信系统由多部分构成，即各终端设备、融合中继及融合通信网关等。本地融合通信系统作为一种新型的本地通信核心设备，具有安全、可靠等优点，通常会设置在整个电力物联网（IoT）当中的感知层，主要功能是与物联管理平台之间开展实时或有选择性的业务、管理数据的交互，以此达到对中继设备以及感知层端设备的有效管理，同时还能够对业务数据进行各种操作，如采集、存储及分析等；除此之外，它还能够同时支持各种类型终端的接入[2]。需强调的是，在整个城市电网架构当中，存在许多数据高速传输的业务应用需求，比如远程运维检修、视频监控等，因此，对于融合通信的网关而言，应能够较好地支持以太网、WIFI及5G等。此外，融合网关还需借助HPLC、LoRa、串口和WIFI，与各终端设备、中继设备相连接，故对于城市电网本地融合通信网络来说，需设计成能够对多种通信方式同时兼容的融合物联网关。本文以OpenWRT为基础，分别从软、硬件方面对5G融合通信网关进行设计，且最后进行测试。

1 5G融合通信网关方案分析

1.1 硬件架构

电力5G融合通信网关处在整个电力物联网架构当中的感知层上，能够借助LoRa模块、RS485串口、RJ45网口及HPLC通信等，与各种感知端设备进行连接，比如集中器以及采集器等。此外，该网关还能够以一种合理、妥当的方式，将各种电力业务信息进行汇总，并利用5G模块，向物联管理平台进行传送。5G融合通信网关除了要能够较好地与各种通信协议进行高质量兼容之外，还应能够对各种业务处理进程进行妥善承载，且满足外设扩展方面的各种要求及需要。需指出的是，在对各种信号CPU的参数信息进行全面、深入分析后，在5G网关的主控芯片上，最终选择的是IOQ8072A，它可以较好地满足网关的各项高性能要求[3]。

1.2 软件架构

对于基于Linux的嵌入式操作系统（Open WRT）而言，因其在面对ARM处理器架构时，存在着比较好的适配性，故5G融合通信网关在选择嵌入式Linux系统时，最终将OpenWRT当作此系统。需强调的是，因OpenWRT存在着高度模块化特点，因此，十分适合用其来开发定制化软件，可以较好地对系统在稳定性、功能等方面的需求给予满足。在5G网关软件平台的基本架构中，依据其所具有的基本功能特性，可把软件平台划分成三层，其一为应用服务层，其二为接入控制层，其三为数据分析层。在网关下，通常可以与各种感知端设备进行连接，而且软件平台通过对接口的类型、协议的种类进行综合分析，可以在本地对数据展开处理[4]。

2 硬件中的一些关键设计

2.1 输入级电源EMC的防护设计

在评定通信装置的安全性、可靠性方面，EMC实为一项关键性指标。在整个设备整体电源架构当中，输入级电源乃是其入口，在对其进行设计时，需要将电源EMC防护这一方面考虑在内。针对常规的商业电子设备来讲，在考虑的内容上，主要是对周围所形成的干扰与辐射，但需指出的是，5G融合通信网关是一种新型且先进、实用的工业级电力通信设备，在工作环境上，通常是在比较复杂电磁环境的输变电站房内，因此，在对其展开设计时，多将强化自身的抗干扰能力作为主要设计目标。在设计EMC过程中，需要能够与四级防护等级要求相满足，结合开关电源模块所具有的基本特性，围绕EMC电路，开展匹配设计工作，而在设计过程中，需要将多种因素考虑在内，比如合适的共模滤波与防护设计、最大瞬态干扰承受电压以及开关电源的输入电压与电流范围等[5]。

输入级电源EMC保护电路的基本设计框图如图1所示，外观电路当中的C4与R3、R2、R1主要作用为浪涌防护，借助压敏电阻R2、R3于瞬时过压后会出现阻抗下降的这一特性，把浪涌电压钳位调节为低电位，然后再借助去耦电阻，对压敏电阻所存在的反应时间较慢这一问题给予解决。还需强调的是，还可通过对电解电容的合理化操作，对瞬态电流进行吸收，以此达到降低浪涌电压的目的。理想状态下，大多会选定有较大阻值的去耦电阻，这样可以使压敏电阻对更大的浪涌电流进行承载，并且还能促进电解电容相应体积的减小[6]。

图1 输入级电源EMC 保护电路的基本设计框图

2.2 双频WIFI设计

传统的电力通信装置在对WIFI进行设计时，通常会采用两种方式，其一为将mini PCI接口相对应的WIFI通信模组安装在4/5G CPE上。对于此种方式而言，其主要优点就是有着较简单的电路设计，便于升级，而且成本也较低；但也有不足的地方，即存在较差的通信质量、较低的传输速率、较近的传输距离，而且面对大带宽应用，通常较难满足其需求。其二是借助以太网口，与无线路由器进行连接，以此达到对WIFI进行扩展的目的，例如，在电力领域中比较常用的移动边缘计算装置，便采用此种设计思路。需指出的是，对于此种方式来讲，其主要优点是：在无线路由器上，有着较强的综合性能，而且在信号质量上也有较好的保障。不足之处则为占用设备空间大，功耗比较大，另外，还会对电池电量有限设备的工作时长造成严重限制，而且难以做到小型化[7]。

图2是以IOQ8072A主芯片为基础的WIFI通信系统的基本架构，从中可知，WIFI射频链路主要由四部分构成：射频天线、射频前端模块（FEM）、2.4G PHY芯片、5G PHY芯片。其中，射频FEM又可划分为三部分，分别是无源配置电路、射频滤波器与射频前端芯片。除此之外，射频芯片还与4路天线通道处于连接状态，故能够较好地达到4×4MIMO，促进频谱利用率的提高[8]。

图2 WIFI 模块的硬件基本架构

2.3 双时钟备份的基本设计

依据IOQ8072A芯片的基本架构，在设计系统时钟时，采用的是当前比较先进且实用的96MHz晶振输入，借助5G WIFI PHY芯片倍频，产生所需要的192MHz时钟，然后分别供给CPU与2.4G WIFI，而借助位于其内部的分频，能够分别产生25MHz、50MHz的时钟，然后传送于以太网PHY。基于此方式下，系统在面对WIFI PHY芯片时，能够产生依赖性，但需指出的是，在一些电力应用场景当中，物联网关无需对WIFI功能进行使用，如果需要对电路进行重新设计，那么会使生产测试成本大幅增加，同时还会使工厂物料的相应采购压力增大。在设计电路图与PCB板图时，如果将50MHz外部晶振加入，并且当作备份，那么在对WIFI功能进行使用时，暂时不进行50MHz晶振的焊接便可。此外，如果不对WIFI功能进行使用，此时，可焊接50MHz晶振，但是对于WIFI部分的相关器件而言，不进行焊接便可[9]。

需说明的是，不管选择何种方案，均需将相应的驱动代码加入U-boot与内核当中，以此对设备树文件、时钟寄存器进行修改。如果需要使用WIFI方案，此时，即便采用96MHz来进行时钟的输入，也需修改寄存器值。如果需要对外部的50MHz时钟进行使用，那么此时若代码当中注释有backup这一语句，那么需增加定义（50MHz时钟），而且还需要修改寄存器值。

3 软件方面的核心设计

3.1 5G通信软件的具体设计

5G融合通信网关是一个新型的信息汇聚设备，故需从根本上确保通信的稳定与可靠。对系统当中的云软件服务层而言，可依据平台层信息来开展各项操作，比如模组重启、对最佳信道进行切换、检测5G无线通道等，以此为数据的正常调度与发送提供可靠保障。在网关上，当电启动之后，首先会实施软件初始化操作，而且还会对无线信道进行检测，具体囊括频点信息、误码率以及信号强度等；然后初始化成最理想的信道，若出现初始化失败的情况，那么需再次检测。当完成信道初始化操作后，会入网，且对网络状态进行循环检测，同时，进入循环收发守护程序，依据既定的数据收发指令，对API的收、发进行调用，如果出现收发失败情况，那么会进入所设置的重发机制当中。需指出的是，对于收发守护进程而言，会实时监测数据的发送情况以及接收的具体状态，不管成功与否，都会准确记录与报告，因而可为5G融合通信网关的可靠通信提供切实保障[10]。

3.2 轻量级安全加密认证

图3为区域轻量级安全加密认证的基本逻辑架构，从中可知，端设备把设备的ID向5G网关进行发送，而当网关接收到设备ID信息之后，会将其再向处理模块进行传送。而对于处理模块而言，其会在匹配池当中，实施ID匹配，如果出现匹配失败的情况，那么表明此设备是不良设备或入侵者，便会把它的DI信息自动划入黑名单，并对其再次接入予以拒绝。若成功匹配，那么此时的处理模块会自动生成密钥，并且还会自动完成各种操作（如密钥封装、签名处理等），最后借助发送模块，把所生成的签名私钥向端设备进行发送，最终在“边-端”设备之间达到安全加密认证的目的。需指出的是，针对区域安全加密认证的此种方式来讲，可较好地实现“边-端”与“云-边”的分层认证接入，防止出现云端与端设备之间的直接通信，规避或减少端设备恶意攻击云端这一情况的发生，促进云端安全性的提高[11-12]。

图3 区域轻量级安全加密认证的基本逻辑

4 测试结果分析

于特定试验环境下，采用Speedtest测试工具，围绕设备开展网络测试。因在现实网络环境中，会受到各种因素的干扰，因此，在测试时的网络节点上，统一选择中国移动5G，且连续开展多次测试，结果见表1，从中发现，5G融合通信网关的上、下行速率分别为92.1、875.5Mbps，能够较好地满足大多数电力业务的5G通信需求。较之边缘物理代理（4G设备），上、下行带宽分别能够提升12、20倍之多，在ping时延上，可以缩短45%，表明此网关性能突出。

表1 终端无线通信性能测试结果

5 结语

本文探讨了一种能够同时对多种通信协议支持兼容的5G融合通信网关设计方案，此设计方案把IOQ8072A当作主控芯片，且将OpenWRT当作嵌入式操作系统。在设计电路方面，采取的是当前比较常用的电磁兼容四级防护标准，可为设备的稳定性、可靠性提供保障。另外，通过设计新型的双时钟备份，可使5G网关在各种需求下的研发成本大幅下降。需强调的是，5G融合通信网关在具体的应用场景上，主要定位在输电站、配电站、变电站房内，因而属于典型的室内场景。