《5G应用产业方阵：2023基于R15芯片的电力行业5G模组的精简化研究报告（20页）.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5G应用产业方阵：2023基于R15芯片的电力行业5G模组的精简化研究报告（20页）.pdf（20页珍藏版）》请在本站上搜索。 1、课题编号：课题编号：2021-01-C-007基于R15芯片的电力行业5G模组的精简化研究报告Research on simplifying 5G module ofelectric-power industry based on R15 chips2023 年年 12 月月5G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007研研 究究 报报 告告 要要 点点本研究报告主要面向基于 R15 芯片的电力行业 5G 模组的精简化研究。通过分析电力场景应用需求明确电力业务对速率、时延、可靠性等方面的通信需求，和模组剪裁方案研究，在此基础上研究相应可行的裁剪方案，主要包括功能2、裁剪、性能裁剪和硬件裁剪，旨在实现电力 5G 模组轻型化，快速推进其在各类电力业务场景以及其它工业互联网场景中的应用。研究单位：北京智芯微电子科技有限公司、翱捷科技股份有限公司研究单位：北京智芯微电子科技有限公司、翱捷科技股份有限公司、紫光展锐（上海）科技有限公司、联发博动科技（北京）有限公司紫光展锐（上海）科技有限公司、联发博动科技（北京）有限公司、山东鲁软数字科技有限公司智慧能源分公司山东鲁软数字科技有限公司智慧能源分公司、芯昇科技有限公司芯昇科技有限公司、北北京智联安科技有限公司。京智联安科技有限公司。研究人员：王鑫、张宝芝、邵将、曲行根、李维成、龙迪、张伟强研究人员：王鑫、张宝芝、邵将3、、曲行根、李维成、龙迪、张伟强、陈定云、岳希亮、李静、朱泽睿、张伟。陈定云、岳希亮、李静、朱泽睿、张伟。完成日期：完成日期：2023 年年 12 月月目目 录录1电力场景应用需求电力场景应用需求.11.1输电无人机巡检.11.2输电线路可视化.21.3基于 5G 的变电站 AR/MR 巡检.31.4移动作业办公.41.5现场安全管控.51.6通信需求总表.52模组裁剪方案研究模组裁剪方案研究.62.1功能裁剪研究.62.1.1频段.62.1.2通信制式.72.1.3载波聚合.72.1.4双连接.82.1.5微时隙机制.82.1.6业务能力.82.2性能裁剪研究.82.2.1MIMO 层数.824、.2.2带宽.92.2.3调制方式.102.2.4放松终端处理速度.112.3硬件裁剪研究.122.3.1射频天线.122.3.2射频通道.132.3.3基带电路.132.4软硬件架构研究.133总结总结.1615G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007基于基于 R15 芯片的电力行业芯片的电力行业 5G 模组的精简化研究模组的精简化研究1电力场景应用需求电力场景应用需求1.1 输电无人机巡检输电无人机巡检输电无人机巡检场景主要是针对网架之间的输电线路物理特性检查，如弯曲形变、物理损坏等特征，该场景一般用于高压输电的野外空旷场景，距离较远。一般两个杆塔之间的5、线路长度在 200-500 米范围，巡检范围包括若干个杆塔，延绵数公里长。利用 5G 通信高速、低时延、安全特点，将巡检高清视频实时回传。实现巡检任务自动化，航线自动规划及任务编排，远程遥控二次精细化巡检任务，为高强度的输电线路巡检工作提供了自动化、智能化、现代化的替代方案。应用成效可达：（1）每 10 基杆塔巡视所需时间由 4 人*小时以上降低至 0.5 人*小时；（2）节约大量巡检费用；（3）大尺寸缺陷识别准确率可达 90%；（4）小尺寸缺陷识别准确率可达 70%。此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K 视频传输速率25Mbps，1080P视频传输速率6Mbps；(2)通信时延：控制链6、路通信时延100ms，视频链路通信时延200ms；(3)通信可靠性：99.9%；(4)隔离要求：业务属于管理信息大区，与生产控制大区进行物理隔离，与管理信息大区其他业务进行逻辑隔离。但同时，困扰无人机发展的最大问题，就是电池的续航问题。目前的民用旋翼无人机，续航时间基本在 20-30 分钟之间，这个显然制约了无人机巡检的普及应用。因此，可以通过裁剪 5G 芯片功性能、缩小面积，降低功耗。25G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007图 1 输电无人机巡检图1.2 输电线路可视化输电线路可视化超（特）高压输电架空线路具有电压等级高、线路走径地形复杂、输电线路杆塔7、高等特点，人工巡视难度大、效率低下、巡检周期较长，覆盖面小。视频监控装置通过内嵌 5G 模组或 CPE 等接入网络，基于 5G 大带宽，支持超高清视频安全、实时、可靠、高速回传，实时接入接地环流、好外热成像测温、等传感器，高清摄像头以及传感器数据通过 5G 切片传输至输电云管平台，通过人工智能、深度学习等实现对输电线路智能化识别，提高输电网安全稳定运行水平。应用成效可达：（1）极大提升巡检效率；（2）大尺寸缺陷识别准确率可达 90%；（3）小尺寸缺陷识别准确率可达 70%。此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K 视频传输速率25Mbps，1080P视频传输速率6Mbps，480P 视频传输8、速率2Mbps，图片传输速率2Mbps；(2)通信时延：图像/视频链路通信时延200ms；(3)通信可靠性：99.9%；(4)隔离要求：业务属于管理信息大区，与生产控制大区进行物理隔离，与管理信息大区其他业务进行逻辑隔离。目前 5G 应用存在的主要问题是模组功耗较高，高清摄像头的太阳能面板无法储备足够的电量监控设备长时间无间断工作。35G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007图 2 输电线路可视化1.3 基于基于 5G 的变电站的变电站 AR/MR 巡检巡检巡检人员通过智能穿戴设备在变电站进行现场设备和环境图像信息收集，采集数据及时传回后台处理，通过比对和识9、别图像信息正确判断相关设备信息，达到 MR 和 AR 技术所谓的“所见即所得”。AR/MR 巡检主要分为巡检现场和后端智能巡检专家系统。终端载体支持 PC 或手持设备。现场巡检人员穿戴 AR/MR智能眼镜，第一视角画面通过网络实时传输至后端，通过人工智能分析识别现场设备运行状态信息，由后端专家进行具体明确的指导。应用成效可达：（1）巡检周期由周变为小时；（2）每站每年节省巡检工时上百工人*小时。此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K 视频传输速率25Mbps，1080P视频传输速率6Mbps；(2)通信时延：100ms；(3)通信可靠性：99.9%；（4）隔离要求：业务属于管理信息大区，与10、生产控制大区进行物理隔离，与管理信息大区其他业务进行逻辑隔离。目前的 5G 模组基于 R15 标准，针对 eMBB 场景，并未完全体现低时延特性，在应用 VR 技术时，难以完全避免由于时延带来的“眩晕感”。此外，现有 5G 模组成本较高，AR/MR 产业在规模化应用过程中产生较高的门槛，可以通过减少模组成本降低行业应用门槛。45G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007图 3 基于 AR/MR 的现场巡检1.4 移动作业办公移动作业办公5G 移动作业办公可结合 PAD 等工具广泛应用于营销、运检、基建、物资等多个专业部分，实现线上线下系统业务流程、环节、操作和11、数据传递的无缝连接，包括现场巡视作业、巡视签到、巡视监控等巡检应用，电费收取、费控停复电、计量换表、全能型供电所等营销服务应用。此场景应用成效是利用 5G 高带宽、低时延特性，加速各专业业务系统应用向作业现场、客户服务现场延伸，提升电网安全生产与管理、客户服务水平。此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K 视频传输速率25Mbps，1080P视频传输速率6Mbps，480P 视频传输速率2Mbps，图片传输速率2Mbps；(2)通信时延：秒级；(3)通信可靠性：99.9%；(4)隔离要求：移动作业办公业务属于管理信息大区，与生产控制大区进行物理隔离，与管理信息大区其他业务进行逻辑隔离。然而，12、5G 模组成本与 4G 相比并没有优势，此外，存在功耗较大的问题，影响 PAD 等工具的使用时长，限制了移动作业办公终端的广泛应用。图 4 移动作业办公应用55G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-0071.5 现场安全管控现场安全管控在基建现场的高清视频终端、手持终端及作业现场的布控球、现场安全管控终端部署 5G 模组，利用 5G 大带宽特性，实现视频图像实时回传，融合 AI 技术，并对现场设备运行、作业情况、环境异常等进行自动化监视，提高作业现场检测力度及违章识别准确度，及时有效发现现场不规范、不文明施工行为，并在设备端对视频数据进行智能分析及预警。此场景 13、5G 应用成效：可对非法作业人员闯入及时预警，及时准确发现现场异常情况。对作业人员遇到危险状况时及时预警，能够实现对作业现场人员行为和状况的高效、科学管控。此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K 视频传输速率25Mbps，1080P视频传输速率6Mbps；(2)通信时延：毫秒级；(3)通信可靠性：99.9%；(4)隔离要求：移动作业办公业务属于管理信息大区，与生产控制大区进行物理隔离，与管理信息大区其他业务进行逻辑隔离。5G 模组成本、功耗与 4G 相比并没有优势，制约了安全管控终端的普及应用。此外，还需要进一步提升 5G 低时延特性，提升智能监控的实时性。图 5 人脸识别系统、人员安全行14、为监控和智能安全帽1.6 通信需求总表通信需求总表表 1 电力典型场景通信需求总表场景通信速率通信时延可靠性隔离要求输电无人机巡检25Mbps（4K）6Mbps（1080P）100ms（控制链路）200ms（视频链路）99.9%管理信息大区输电线路可视化25Mbps（4K）6Mbps（1080P）2Mbps（480P）2Mbps（图片）200ms（图像/视频链路）99.9%管理信息大区65G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007场景通信速率通信时延可靠性隔离要求基于 5G 的变电站AR/MR 巡检25Mbps（4K）6Mbps（1080P）100ms99.915、%管理信息大区移动作业办公25Mbps（4K）6Mbps（1080P）2Mbps（480P）2Mbps（图片）秒级99.9%管理信息大区现场安全管控25Mbps（4K）6Mbps（1080P）毫秒级99.9%管理信息大区2模组裁剪方案研究模组裁剪方案研究2.1 功能裁剪研究功能裁剪研究2.1.1频段频段电力行业电力终端应用的场景相对简单，并且部署地点大多数是固定的，因此裁剪频段支持是可行的。裁剪的方案包括但不限于：1）裁剪海外频段；2）对于国内频道，4G/5G 模式下只需要支持下表中一个频段必选。表 2 NR 频段工作频段上行工作频段下行工作频段双工方式n11920MHz-1980MHz21116、0MHz-2170MHzFDDn31710MHz-1785MHz1805MHz-1880MHzFDDn5824MHz 849MHz869MHz 894MHzFDDn8880MHz-915MHz925MHz-960MHzFDDn28703MHz-748MHz758MHz-803MHzFDDn412515MHz-2675MHz2515MHz-2675MHzTDDn783400MHz-3600MHz3400MHz-3600MHzTDDn794800MHz-4900MHz4800MHz-4900MHzTDD表 3 LTE 频段网络模式工作频段上行工作频段下行工作频段TD-LTEBand 342010M17、Hz2025MHz2010MHz2025MHzBand 391880MHz1920MHz1880MHz1920MHzBand 402300MHz2400MHz2300MHz2400MHz75G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007网络模式工作频段上行工作频段下行工作频段Band 412496MHz2690MHz2496MHz2690MHzLTE FDDBand 11920MHz1980MHz2110MHz2170MHzBand 31710MHz1785MHz1805MHz1880MHzBand 5824MHz849MHz869MHz894MHzBand 8818、80MHz915MHz925MHz960MHzBand 41710MHz1755MHz2110MHz2155MHzBand 72500MHz2570MHz2620MHz2690MHzBand 12699MHz716MHz729MHz746MHzBand 17704MHz716MHz734MHz746MHzBand 20832MHz862MHz791MHz821MHz2.1.2通信制式通信制式目前业界主流5G模式是NSAOption 3a/3x网络架构和SAOption 2网络架构。在 NSA 架构下，LTE 可以提供宏覆盖，5G NR 作为小站进行覆盖和热点容量增强。随着 5G 网络的日益成熟19、，以及目前电力业务场景对通信速率要求不高，可以删除 NSA 架构功能，仅支持 SAOption2 模式。绝大部分电力业务使用的SIM卡为运营商提供的电力专用APN的物联网卡，该种 SIM 卡已不支持附着 2G、3G 网络，并且随着 2G、3G 将逐步退网。因此可删除 2G、3G 频段，仅支持 4G、5G 频段，不再支持 2G、3G 通信制式，裁剪相关的 PA、RF 开关等射频前端元器件。通信模式裁剪方案可采用以下两种方案：1）发展阶段，可以裁剪 2G、3G，只保留对 4G/5G 模式的支持；2）成熟阶段，可以裁剪到支持 5G SAonly2.1.3载波聚合载波聚合载波聚合技术主要是为了支持更高20、的通信速率，在 Release 15 中支持了 NR的 CA 技术，最多可以聚合 16 个 CC，可以聚合的频带宽度理论上限为 6.4GHz（16*400MHz）。终端设备可以同时在多个 CC 上收发数据。NR CA 的基本机制可以应用于 FR1(below 6 GHz)上和 FR2(above 6 GHz)上，支持多个频带组合，其中 CA 的频带可以是连续的或不连续，也可以是频带内或频带间。另外，CA的部署要求聚合的 CC 之间的系统帧边界和时隙边界均对齐。不同的载波上可以配置不同的子载波间隔。NR CA 支持自载波调度和跨载波调度。85G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021、21-01-C-007但是目前多数电力业务场景对通信速率要求不高（低于 30Mbps），因此精简化的 5G 模组可裁剪载波聚合功能。2.1.4双连接双连接MR-DC 包含 LTE 与 NR 的双连接，具体为 E-UTRA-NR DC（EN-DC）、Next-Generation ENDC（NGEN-DC）和 NR-E-UTRADC（NE-DC），还包括 NR-NRDC。在不同的 DC 架构中，主站和辅站使用的接入技术类型可能不同，以及接入的核心网也不同，具体为：-EN-DC：LTE 为主站，NR 为辅站，接入 EPC。-NGEN-DC：LTE 为主站，NR 为辅站，接入 5GC。-NE-DC：22、NR 为主站，LTE 为辅站，接入 5GC。-NR-DC：主站和辅站都为 NR 基站，接入 5GC。在 Release 15 中，MR-DC 支持了辅站添加、更改、删除，以及辅站的变更等基本的移动性流程，此外还支持 SCG 失败恢复等增加鲁棒性的方法。电力行业电力终端应用的场景相对简单，且终端部署地点大多数是固定的，在同一时间只使用一种网络制式就可以满足业务速率的要求，因此不需要支持MR-DC 双连接的能力。2.1.5微时隙机制微时隙机制基于时隙的调度机制可满足绝大部分的电力业务对时延的需求，因此可裁剪微时隙机制。2.1.6业务能力业务能力不是所有的电力业务场景都需要支持语音和短信能力，比如输23、电线路可视化场景可以不支持话音业务和短信能力。因此可以根据应用场景，选择是否需要支持话音业务、是否需要支持短信能力。2.2 性能裁剪研究性能裁剪研究2.2.1MIMO 层数层数为了提升 NR 系统的性能（包括吞吐率和覆盖），在通用模组中，要求终端必95G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007选支持较多的下行射频通道数。而在目前多数电力业务场景对通信速率要求不高，可以降低对应的 MIMO 层数要求，比如下行传输中可以由 4 层 MIMO 降低到 2层 MIMO，从而降低终端成本和功耗。2.2.2带宽带宽不同的电力业务场景对速率的要求不同，比如采集类业务一般是 24、3100kbps，而视频传输类业务需要大于等于 2Mbps（480P 视频），因此可以根据不同的应用场景，选择模组支持的最大带宽。表 4 典型的工作频段和带宽关系工作频段上行工作频段下行工作频段支持的最大带宽n11920 MHz 1980 MHz2110 MHz 2170 MHz40MHzn8880 MHz 915 MHz925 MHz 960 MHz20MHzn28703 MHz 748 MHz758 MHz 803 MHz30MHzn412496 MHz 2690 MHz2496 MHz 2690 MHz100MHzn783300 MHz 3800 MHz3300 MHz 3800 MHz25、100MHzn794400 MHz 5000 MHz4400 MHz 5000 MHz100MHzNR R15 版本的 UE FR1 可支持 100MHz 的 UE 的最大信道带宽。如果降低UE 的复杂度/成本，可以降低最大信道带宽：对于 FR1 和 FR2 系统分别降低到20MHz 和 100MHz。FR1 FDD 系统，终端设备成本评估的平均收益为 32%，FR1TDD 系统，终端设备成本评估的收益为 33%，FR2 系统，终端设备成本评估的收益为 16%。表 5 带宽降低的成本收益评估降低终端带宽FR1 FDDFR1 TDDFR2(200MHz 100MHz)FR2(200MHz 50M26、Hz)射频:天线阵列-33.0%33.0%射频:功率放大器24.1%23.8%17.9%17.8%射频:滤波器10.0%14.7%8.0%8.0%射频:收发器(包括低噪声放大器,混频器和本地振荡器)43.7%53.0%40.6%40.3%射频:双工器/切换器20.0%5.0%0.0%0.0%射频:相对于总成本97.7%96.4%99.5%99.0%基带:模拟数字转换器/数字模拟转换器2.8%2.0%2.0%1.0%105G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007降低终端带宽FR1 FDDFR1 TDDFR2(200MHz 100MHz)FR2(200MHz 527、0MHz)基带:FFT/IFFT1.1%1.1%1.9%0.9%基带:Post-FFT数据缓存器2.3%2.1%5.6%2.8%基带:接收机处理模块9.1%9.9%14.2%9.1%基带:LDPC解码器3.8%3.5%5.4%3.8%基带:HARQ缓存4.2%3.3%6.0%3.5%基带:下行控制处理和解码器4.5%3.7%4.7%4.5%基带:同步/小区搜索模块9.0%9.0%7.0%7.0%基带:上行处理模块3.4%3.7%5.6%4.9%基带:MIMO专用处理模块8.2%8.4%17.0%16.5%基带:相对于总成本48.4%46.7%69.4%54.0%2.2.3调制方式调制方式因为业28、务速率需求的降低，可以降低对终端调制方式的要求。上行调制方式可从 64QAM 降到 16QAM；下行调制方式可从 256QAM 降低到 64QAM，降低最大调制方式可以减少终端的射频和基带处理量，达到降低终端复杂性和成本的目的。表 6 64QAM 降为 16QAM 成本缩减分析优化最大上行调制方式FR1 FDD(64QAM16QAM)FR1 TDD(64QAM16QAM)FR2(64QAM16QAM)射频:天线阵列-33.0%射频:功率放大器22.7%22.7%16.5%射频:滤波器10.0%10.0%8.0%射频:收发器(包括低噪声放大器,混频器和本地振荡器)44.4%44.4%40.4%射29、频:双工器/切换器20.0%20.0%0.0%射频:相对于总成本97.1%97.1%97.9%基带:模拟数字转换器/数字模拟转换器9.1%9.1%3.6%基带:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基带:Post-FFT数据缓存器10.0%10.0%11.0%基带:接收机处理模块24.0%24.0%24.0%基带:LDPC解码器10.0%10.0%9.0%基带:HARQ缓存13.9%13.9%10.9%基带:下行控制处理和解码器5.0%5.0%5.0%基带:同步/小区搜索模块9.0%9.0%7.0%115G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007优化最大上行30、调制方式FR1 FDD(64QAM16QAM)FR1 TDD(64QAM16QAM)FR2(64QAM16QAM)基带:上行处理模块4.2%4.2%5.8%基带:MIMO专用处理模块9.0%9.0%18.0%基带:相对于总成本98.3%98.3%98.4%射频+基带:相对于总成本97.8%97.8%98.1%表 7 256QAM 降为 64QAM 成本缩减分析优化最大下行调制方式FR1 FDD(256QAM64QAM)FR1 TDD(256QAM64QAM)FR2(64QAM16QAM)射频:天线阵列-33.0%射频:功率放大器25.0%24.6%18.0%射频:滤波器10.0%14.9%8.31、0%射频:收发器(包括低噪声放大器,混频器和本地振荡器)42.8%51.8%38.8%射频:双工器/切换器20.0%5.0%0.0%射频:相对于总成本97.8%96.2%97.8%基带:模拟数字转换器/数字模拟转换器9.0%8.0%3.6%基带:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基带:Post-FFT数据缓存器9.4%9.4%10.1%基带:接收机处理模块23.0%27.8%22.7%基带:LDPC解码器7.6%6.8%6.3%基带:HARQ缓存11.0%9.3%8.1%基带:下行控制处理和解码器5.0%4.0%5.0%基带:同步/小区搜索模块9.0%9.0%7.0%基带:上行处理模块532、.0%5.0%7.0%基带:MIMO专用处理模块8.7%8.7%17.3%基带:相对于总成本91.8%92.1%91.0%射频+基带:相对于总成本94.2%93.7%94.4%2.2.4放松终端处理速度放松终端处理速度通过允许更长的时间来处理 PDCCH 和 PDSCH 以及准备 PUSCH 和 PUCCH,宽松 UE 处理时间可能会降低 UE 复杂性。可以看出以下功能块的成本可以降低:-基带:接收处理块-基带:LDPC 解码-基带:DL 控制处理和解码器125G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007-基带:UL 处理块表 8 宽松 UE 处理时间带来的估计33、成本分析降低处理时间FR1 FDDFR1 TDDFR2TDD射频:天线阵列-33.0%射频:功率放大器25.0%25.0%18.0%射频:滤波器10.0%14.7%8.0%射频:收发器(包括低噪声放大器,混频器和本地振荡器)45.0%54.3%41.0%射频:双工器/切换器20.0%6.0%0.0%射频:相对于总成本100.0%100.0%100.0%基带:模拟数字转换器/数字模拟转换器10.0%9.0%4.0%基带:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基带:Post-FFT数据缓存器10.0%10.0%11.0%基带:接收机处理模块20.3%24.6%19.5%基带:LDPC解码器6.634、%5.9%5.9%基带:HARQ缓存14.0%12.0%11.0%基带:下行控制处理和解码器4.1%3.3%4.0%基带:同步/小区搜索模块9.0%9.0%7.0%基带:上行处理模块3.7%3.6%5.0%基带:MIMO专用处理模块8.8%8.8%17.5%基带:相对于总成本90.5%90.1%88.9%射频+基带:相对于总成本94.3%94.1%94.4%具有宽松 UE 处理时间的设备的估计成本平均值见上表 7，从总成本的最后一行可以看出，FR1 FDD 的平均估计成本降低约 6%，FR1 TDD 约 6%，FR2 TDD约 6%。2.3 硬件裁剪研究硬件裁剪研究2.3.1射频天线射频天线针35、对电力行业定制化需求，对 5G 模组 FDD 模式下射频电路进行裁剪。最大支持 2 天线接收，接收电路分布在 2 个天线端口上，接收信号通过天线端口、双工器、开关、滤波器及低噪声放大器等射频通路后传输至射频收发芯片。最大支持 1 天线发射，发射电路分布在 1 个天线端口上，发射信号通过射频收发芯片输出至射频功率放大器、双工器、射频开关、滤波器、集成射频前端电路等，最终经天线端口完成发射。135G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-0072.3.2射频通道射频通道目前电力业务场景没有极高的通信速率要求，因此可以裁剪 FDD 模式下射频前端通道，由 44 MIMO 36、降为 22 MIMO，从而减少模组接收通道的射频开关、滤波器和发送通道的 PA、双工器等相关射频元器件。通过降低射频通道数和MIMO 层数，可降低终端整体成本 37%60%。2.3.3基带电路基带电路基带电路主要内容包括控制及状态接口电路、存储电路和外设接口电路。1）控制及状态接口电路，包括开关机、复位、飞行、状态指示，休眠唤醒等功能电路；2）存储电路，可将 NAND FLASH 由 4Gbit 裁剪为 2Gbit；3）外设接口电路，包括 USIM/eSIM、UART、USB、ADC 等接口电路。图 6基带电路结构示意图2.4 软硬件架构研究软硬件架构研究模组硬件架构主要包含下列功能单元，功能37、框图如图 7 所示：145G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007图 7 硬件架构图1、电源管理电源管理模块考虑的主要因素有电压、电流是否满足各芯片在各种情况稳定工作以及整体功耗限定要求，电源分区，上电顺序，上电时间，单调性上电等。根据业务需求场景分析，外部输入采用直流电压，给基带、存储、射频收发、射频前端等芯片供电。既要保证电源的总体工作效率，又要减少电源的电磁干扰问题。射频采取独立并分区供电方案。基带芯片大电流电源轨和存储芯片采用DCDC供电。时钟、eSIM 和接口等电流需求较小但要保证低噪声的部分采用 LDO 供电。由于基带需电压种类偏多，而模组的实际38、布板面积有限，可采用集成的电源管理芯片实现电压变换，并辅以相应的电源滤波和隔离处理，实现各通路电源管理功能，为各个模块睡眠方案优化提供更多可操作性。射频和基带通过不同电源变换芯片来实现电压分区，减少互相电磁干扰。射频前端芯片中的 PA 的供电最为重要，原理图设计和 PCB 布局时都是重要关注点。2、基带电路基带芯片是模组的核心处理器和调制解调单元，负责 5G 协议分析处理和应用层软件实现，同时还需要满足各种接口与其他部分连接控制。155G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-0073、时钟电路模组时钟电路为整个模组提供参考时钟。时钟电路输出主时钟，由电源管理芯片将39、主时钟分配给基带和射频收发芯片。模组 RTC 时钟是模组处于睡眠状态时的计时时钟，也通过电源管理芯片输出给基带芯片。模组进入深度睡眠模式时，主时钟和 RTC 时钟的状态可根据不同业务场景需要，确定是否关断。4、射频收发电路模组射频收发电路，即射频收发芯片及周边器件，实现了基带与射频电路的数据发送接收和射频切换等功能。射频收发芯片与基带芯片之间的信号包括 IQ信号及时序控制信号等，而射频收发芯片与射频前端之间有接收通道和发射通道。5、射频前端电路模组射频前端电路主要包括射频开关、滤波器、低噪放及功放等功能单元。接收信号通过天线端口、双工器、开关、滤波器及低噪声放大器等射频通路后传输至射频收发芯片40、。为了实现不同频段信号的滤波和分离，天线端口同向双工器电路。模组软件架构主要包含下列功能单元，功能框图如图 8 所示。图 8 软件架构图1、PPP 协议处理单元，是网络中最为基础的协议之一。PPP 协议是一种数据165G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007链路层协议，它是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路而设计的。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包，且提供用户验证，易于扩充，使集中器和模块通信更安全稳定。2、FTP 协议处理单元，基于客户端/服务器端工作模式，实现两个终端之间文件的高速可靠传输。客户端与服务器端的交互遵循一应一答的方式，而且41、各命令间遵循一定的顺序。模组一次只能进行一个 FTP 连接，建立后占用 2 个 Socket，用于命令传输和数据传输。用户通过串口工具向终端发送带登录服务器参数的 AT指令，终端请求连接服务器，服务器开始侦听上传、下载文件和断开连接等消息，通过调用 Lwip 协议栈 socket 接口负责实现 FTP 功能。3、模块启动后会触发获取 SE 配置信息过程，SE 应返回流量统计模式、主站地址、SEid 信息。模块启动后会从主站获取网络时间信息，进行超流量保护。4、定位功能单元，数据格式遵循NMEA-0183协议，统一标准格式NMEA-0183输出采用 ASCII 码，数据传输以“语句”的方式进行，42、每个语句均以“$”开头，然后是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”，接着就是以逗号分割的数据体，语句末尾为校验和，整条语句以回车换行符结束。定位主要数据，该语句中包括经纬度、质量因子、HDOP、高程、基准站号等字段。5、管理通道通信协议处理单元，是指当终端检测到功能模块接入后，主动在管理通道发起链路会话协商，目的是为了获取无线远程通信单元的软硬件版本，模块接收发送能力，以及模块状态信息等；当无线远程通信单元需要对软件版本升级时，终端通过管理通道将待升级版本文件传输给远程单元模块。管理通道通信协议处理模块支持分段传输 APDU 帧的功能。3总结总结5G 模组是反映整个产业生态成熟度的集中缩43、影，本研究报告通过研究模组裁剪方案引导后续 R15 模组产业发展更加成熟，并且带来以下几点优势：（1）降低应用成本工业物联网模组出货量快速增长、成本快速下降也是 5G 网络基础设施成熟的标志。当出货量达到一定程度后，模组边际成本较小，实现该行业的盈利回报。175G 应用产业方阵研究报告2021-01-C-0072021-01-C-007（2）促进 5G 产业发展模组起到连接的作用，承载端到端通信、数据交互功能。低成本的 5G 模组为下游终端厂商、方案商和行业用户提供低成本的连接方案，促进行业应用的繁荣。（3）有力推进数字化新型基础设施建设积极推动 5G 在电力各业务场景深化应用，全面构建能源互联网、工业互联网信息支撑体系。随着电力行业 5G 模组的精简化研究的逐渐深入、我国 5G 终端应用规模不断扩大，具有低成本、低功耗特性的 5G 模组将会在垂直行业得到广泛应用，加速各类行业网络化和智能化发展，带动我国产业数字化转型升级。