《5G應用產業方陣：2023基于R15芯片的電力行業5G模組的精簡化研究報告（20頁）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《5G應用產業方陣：2023基于R15芯片的電力行業5G模組的精簡化研究報告（20頁）.pdf（20頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、課題編號：課題編號：2021-01-C-007基于R15芯片的電力行業5G模組的精簡化研究報告Research on simplifying 5G module ofelectric-power industry based on R15 chips2023 年年 12 月月5G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007研研 究究 報報 告告 要要 點點本研究報告主要面向基于 R15 芯片的電力行業 5G 模組的精簡化研究。通過分析電力場景應用需求明確電力業務對速率、時延、可靠性等方面的通信需求，和模組剪裁方案研究，在此基礎上研究相應可行的裁剪方案，主要包括功能

2、裁剪、性能裁剪和硬件裁剪，旨在實現電力 5G 模組輕型化，快速推進其在各類電力業務場景以及其它工業互聯網場景中的應用。研究單位：北京智芯微電子科技有限公司、翱捷科技股份有限公司研究單位：北京智芯微電子科技有限公司、翱捷科技股份有限公司、紫光展銳（上海）科技有限公司、聯發博動科技（北京）有限公司紫光展銳（上海）科技有限公司、聯發博動科技（北京）有限公司、山東魯軟數字科技有限公司智慧能源分公司山東魯軟數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、北北京智聯安科技有限公司。京智聯安科技有限公司。研究人員：王鑫、張寶芝、邵將、曲行根、李維成、龍迪、張偉強研究人員：王鑫、張寶芝、邵將

3、、曲行根、李維成、龍迪、張偉強、陳定云、岳希亮、李靜、朱澤睿、張偉。陳定云、岳希亮、李靜、朱澤睿、張偉。完成日期：完成日期：2023 年年 12 月月目目 錄錄1電力場景應用需求電力場景應用需求.11.1輸電無人機巡檢.11.2輸電線路可視化.21.3基于 5G 的變電站 AR/MR 巡檢.31.4移動作業辦公.41.5現場安全管控.51.6通信需求總表.52模組裁剪方案研究模組裁剪方案研究.62.1功能裁剪研究.62.1.1頻段.62.1.2通信制式.72.1.3載波聚合.72.1.4雙連接.82.1.5微時隙機制.82.1.6業務能力.82.2性能裁剪研究.82.2.1MIMO 層數.82

4、.2.2帶寬.92.2.3調制方式.102.2.4放松終端處理速度.112.3硬件裁剪研究.122.3.1射頻天線.122.3.2射頻通道.132.3.3基帶電路.132.4軟硬件架構研究.133總結總結.1615G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007基于基于 R15 芯片的電力行業芯片的電力行業 5G 模組的精簡化研究模組的精簡化研究1電力場景應用需求電力場景應用需求1.1 輸電無人機巡檢輸電無人機巡檢輸電無人機巡檢場景主要是針對網架之間的輸電線路物理特性檢查，如彎曲形變、物理損壞等特征，該場景一般用于高壓輸電的野外空曠場景，距離較遠。一般兩個桿塔之間的

5、線路長度在 200-500 米范圍，巡檢范圍包括若干個桿塔，延綿數公里長。利用 5G 通信高速、低時延、安全特點，將巡檢高清視頻實時回傳。實現巡檢任務自動化，航線自動規劃及任務編排，遠程遙控二次精細化巡檢任務，為高強度的輸電線路巡檢工作提供了自動化、智能化、現代化的替代方案。應用成效可達：（1）每 10 基桿塔巡視所需時間由 4 人*小時以上降低至 0.5 人*小時；（2）節約大量巡檢費用；（3）大尺寸缺陷識別準確率可達 90%；（4）小尺寸缺陷識別準確率可達 70%。此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K 視頻傳輸速率25Mbps，1080P視頻傳輸速率6Mbps；(2)通信時延：控制鏈

6、路通信時延100ms，視頻鏈路通信時延200ms；(3)通信可靠性：99.9%；(4)隔離要求：業務屬于管理信息大區，與生產控制大區進行物理隔離，與管理信息大區其他業務進行邏輯隔離。但同時，困擾無人機發展的最大問題，就是電池的續航問題。目前的民用旋翼無人機，續航時間基本在 20-30 分鐘之間，這個顯然制約了無人機巡檢的普及應用。因此，可以通過裁剪 5G 芯片功性能、縮小面積，降低功耗。25G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007圖 1 輸電無人機巡檢圖1.2 輸電線路可視化輸電線路可視化超（特）高壓輸電架空線路具有電壓等級高、線路走徑地形復雜、輸電線路桿塔

7、高等特點，人工巡視難度大、效率低下、巡檢周期較長，覆蓋面小。視頻監控裝置通過內嵌 5G 模組或 CPE 等接入網絡，基于 5G 大帶寬，支持超高清視頻安全、實時、可靠、高速回傳，實時接入接地環流、好外熱成像測溫、等傳感器，高清攝像頭以及傳感器數據通過 5G 切片傳輸至輸電云管平臺，通過人工智能、深度學習等實現對輸電線路智能化識別，提高輸電網安全穩定運行水平。應用成效可達：（1）極大提升巡檢效率；（2）大尺寸缺陷識別準確率可達 90%；（3）小尺寸缺陷識別準確率可達 70%。此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K 視頻傳輸速率25Mbps，1080P視頻傳輸速率6Mbps，480P 視頻傳輸

8、速率2Mbps，圖片傳輸速率2Mbps；(2)通信時延：圖像/視頻鏈路通信時延200ms；(3)通信可靠性：99.9%；(4)隔離要求：業務屬于管理信息大區，與生產控制大區進行物理隔離，與管理信息大區其他業務進行邏輯隔離。目前 5G 應用存在的主要問題是模組功耗較高，高清攝像頭的太陽能面板無法儲備足夠的電量監控設備長時間無間斷工作。35G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007圖 2 輸電線路可視化1.3 基于基于 5G 的變電站的變電站 AR/MR 巡檢巡檢巡檢人員通過智能穿戴設備在變電站進行現場設備和環境圖像信息收集，采集數據及時傳回后臺處理，通過比對和識

9、別圖像信息正確判斷相關設備信息，達到 MR 和 AR 技術所謂的“所見即所得”。AR/MR 巡檢主要分為巡檢現場和后端智能巡檢專家系統。終端載體支持 PC 或手持設備?，F場巡檢人員穿戴 AR/MR智能眼鏡，第一視角畫面通過網絡實時傳輸至后端，通過人工智能分析識別現場設備運行狀態信息，由后端專家進行具體明確的指導。應用成效可達：（1）巡檢周期由周變為小時；（2）每站每年節省巡檢工時上百工人*小時。此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K 視頻傳輸速率25Mbps，1080P視頻傳輸速率6Mbps；(2)通信時延：100ms；(3)通信可靠性：99.9%；（4）隔離要求：業務屬于管理信息大區，與

10、生產控制大區進行物理隔離，與管理信息大區其他業務進行邏輯隔離。目前的 5G 模組基于 R15 標準，針對 eMBB 場景，并未完全體現低時延特性，在應用 VR 技術時，難以完全避免由于時延帶來的“眩暈感”。此外，現有 5G 模組成本較高，AR/MR 產業在規?；瘧眠^程中產生較高的門檻，可以通過減少模組成本降低行業應用門檻。45G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007圖 3 基于 AR/MR 的現場巡檢1.4 移動作業辦公移動作業辦公5G 移動作業辦公可結合 PAD 等工具廣泛應用于營銷、運檢、基建、物資等多個專業部分，實現線上線下系統業務流程、環節、操作和

11、數據傳遞的無縫連接，包括現場巡視作業、巡視簽到、巡視監控等巡檢應用，電費收取、費控停復電、計量換表、全能型供電所等營銷服務應用。此場景應用成效是利用 5G 高帶寬、低時延特性，加速各專業業務系統應用向作業現場、客戶服務現場延伸，提升電網安全生產與管理、客戶服務水平。此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K 視頻傳輸速率25Mbps，1080P視頻傳輸速率6Mbps，480P 視頻傳輸速率2Mbps，圖片傳輸速率2Mbps；(2)通信時延：秒級；(3)通信可靠性：99.9%；(4)隔離要求：移動作業辦公業務屬于管理信息大區，與生產控制大區進行物理隔離，與管理信息大區其他業務進行邏輯隔離。然而，

12、5G 模組成本與 4G 相比并沒有優勢，此外，存在功耗較大的問題，影響 PAD 等工具的使用時長，限制了移動作業辦公終端的廣泛應用。圖 4 移動作業辦公應用55G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-0071.5 現場安全管控現場安全管控在基建現場的高清視頻終端、手持終端及作業現場的布控球、現場安全管控終端部署 5G 模組，利用 5G 大帶寬特性，實現視頻圖像實時回傳，融合 AI 技術，并對現場設備運行、作業情況、環境異常等進行自動化監視，提高作業現場檢測力度及違章識別準確度，及時有效發現現場不規范、不文明施工行為，并在設備端對視頻數據進行智能分析及預警。此場景

13、5G 應用成效：可對非法作業人員闖入及時預警，及時準確發現現場異常情況。對作業人員遇到危險狀況時及時預警，能夠實現對作業現場人員行為和狀況的高效、科學管控。此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K 視頻傳輸速率25Mbps，1080P視頻傳輸速率6Mbps；(2)通信時延：毫秒級；(3)通信可靠性：99.9%；(4)隔離要求：移動作業辦公業務屬于管理信息大區，與生產控制大區進行物理隔離，與管理信息大區其他業務進行邏輯隔離。5G 模組成本、功耗與 4G 相比并沒有優勢，制約了安全管控終端的普及應用。此外，還需要進一步提升 5G 低時延特性，提升智能監控的實時性。圖 5 人臉識別系統、人員安全行

14、為監控和智能安全帽1.6 通信需求總表通信需求總表表 1 電力典型場景通信需求總表場景通信速率通信時延可靠性隔離要求輸電無人機巡檢25Mbps（4K）6Mbps（1080P）100ms（控制鏈路）200ms（視頻鏈路）99.9%管理信息大區輸電線路可視化25Mbps（4K）6Mbps（1080P）2Mbps（480P）2Mbps（圖片）200ms（圖像/視頻鏈路）99.9%管理信息大區65G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007場景通信速率通信時延可靠性隔離要求基于 5G 的變電站AR/MR 巡檢25Mbps（4K）6Mbps（1080P）100ms99.9

15、%管理信息大區移動作業辦公25Mbps（4K）6Mbps（1080P）2Mbps（480P）2Mbps（圖片）秒級99.9%管理信息大區現場安全管控25Mbps（4K）6Mbps（1080P）毫秒級99.9%管理信息大區2模組裁剪方案研究模組裁剪方案研究2.1 功能裁剪研究功能裁剪研究2.1.1頻段頻段電力行業電力終端應用的場景相對簡單，并且部署地點大多數是固定的，因此裁剪頻段支持是可行的。裁剪的方案包括但不限于：1）裁剪海外頻段；2）對于國內頻道，4G/5G 模式下只需要支持下表中一個頻段必選。表 2 NR 頻段工作頻段上行工作頻段下行工作頻段雙工方式n11920MHz-1980MHz211

16、0MHz-2170MHzFDDn31710MHz-1785MHz1805MHz-1880MHzFDDn5824MHz 849MHz869MHz 894MHzFDDn8880MHz-915MHz925MHz-960MHzFDDn28703MHz-748MHz758MHz-803MHzFDDn412515MHz-2675MHz2515MHz-2675MHzTDDn783400MHz-3600MHz3400MHz-3600MHzTDDn794800MHz-4900MHz4800MHz-4900MHzTDD表 3 LTE 頻段網絡模式工作頻段上行工作頻段下行工作頻段TD-LTEBand 342010M

17、Hz2025MHz2010MHz2025MHzBand 391880MHz1920MHz1880MHz1920MHzBand 402300MHz2400MHz2300MHz2400MHz75G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007網絡模式工作頻段上行工作頻段下行工作頻段Band 412496MHz2690MHz2496MHz2690MHzLTE FDDBand 11920MHz1980MHz2110MHz2170MHzBand 31710MHz1785MHz1805MHz1880MHzBand 5824MHz849MHz869MHz894MHzBand 88

18、80MHz915MHz925MHz960MHzBand 41710MHz1755MHz2110MHz2155MHzBand 72500MHz2570MHz2620MHz2690MHzBand 12699MHz716MHz729MHz746MHzBand 17704MHz716MHz734MHz746MHzBand 20832MHz862MHz791MHz821MHz2.1.2通信制式通信制式目前業界主流5G模式是NSAOption 3a/3x網絡架構和SAOption 2網絡架構。在 NSA 架構下，LTE 可以提供宏覆蓋，5G NR 作為小站進行覆蓋和熱點容量增強。隨著 5G 網絡的日益成熟

19、，以及目前電力業務場景對通信速率要求不高，可以刪除 NSA 架構功能，僅支持 SAOption2 模式。絕大部分電力業務使用的SIM卡為運營商提供的電力專用APN的物聯網卡，該種 SIM 卡已不支持附著 2G、3G 網絡，并且隨著 2G、3G 將逐步退網。因此可刪除 2G、3G 頻段，僅支持 4G、5G 頻段，不再支持 2G、3G 通信制式，裁剪相關的 PA、RF 開關等射頻前端元器件。通信模式裁剪方案可采用以下兩種方案：1）發展階段，可以裁剪 2G、3G，只保留對 4G/5G 模式的支持；2）成熟階段，可以裁剪到支持 5G SAonly2.1.3載波聚合載波聚合載波聚合技術主要是為了支持更高

20、的通信速率，在 Release 15 中支持了 NR的 CA 技術，最多可以聚合 16 個 CC，可以聚合的頻帶寬度理論上限為 6.4GHz（16*400MHz）。終端設備可以同時在多個 CC 上收發數據。NR CA 的基本機制可以應用于 FR1(below 6 GHz)上和 FR2(above 6 GHz)上，支持多個頻帶組合，其中 CA 的頻帶可以是連續的或不連續，也可以是頻帶內或頻帶間。另外，CA的部署要求聚合的 CC 之間的系統幀邊界和時隙邊界均對齊。不同的載波上可以配置不同的子載波間隔。NR CA 支持自載波調度和跨載波調度。85G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-00720

21、21-01-C-007但是目前多數電力業務場景對通信速率要求不高（低于 30Mbps），因此精簡化的 5G 模組可裁剪載波聚合功能。2.1.4雙連接雙連接MR-DC 包含 LTE 與 NR 的雙連接，具體為 E-UTRA-NR DC（EN-DC）、Next-Generation ENDC（NGEN-DC）和 NR-E-UTRADC（NE-DC），還包括 NR-NRDC。在不同的 DC 架構中，主站和輔站使用的接入技術類型可能不同，以及接入的核心網也不同，具體為：-EN-DC：LTE 為主站，NR 為輔站，接入 EPC。-NGEN-DC：LTE 為主站，NR 為輔站，接入 5GC。-NE-DC：

22、NR 為主站，LTE 為輔站，接入 5GC。-NR-DC：主站和輔站都為 NR 基站，接入 5GC。在 Release 15 中，MR-DC 支持了輔站添加、更改、刪除，以及輔站的變更等基本的移動性流程，此外還支持 SCG 失敗恢復等增加魯棒性的方法。電力行業電力終端應用的場景相對簡單，且終端部署地點大多數是固定的，在同一時間只使用一種網絡制式就可以滿足業務速率的要求，因此不需要支持MR-DC 雙連接的能力。2.1.5微時隙機制微時隙機制基于時隙的調度機制可滿足絕大部分的電力業務對時延的需求，因此可裁剪微時隙機制。2.1.6業務能力業務能力不是所有的電力業務場景都需要支持語音和短信能力，比如輸

23、電線路可視化場景可以不支持話音業務和短信能力。因此可以根據應用場景，選擇是否需要支持話音業務、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 層數層數為了提升 NR 系統的性能（包括吞吐率和覆蓋），在通用模組中，要求終端必95G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007選支持較多的下行射頻通道數。而在目前多數電力業務場景對通信速率要求不高，可以降低對應的 MIMO 層數要求，比如下行傳輸中可以由 4 層 MIMO 降低到 2層 MIMO，從而降低終端成本和功耗。2.2.2帶寬帶寬不同的電力業務場景對速率的要求不同，比如采集類業務一般是

24、3100kbps，而視頻傳輸類業務需要大于等于 2Mbps（480P 視頻），因此可以根據不同的應用場景，選擇模組支持的最大帶寬。表 4 典型的工作頻段和帶寬關系工作頻段上行工作頻段下行工作頻段支持的最大帶寬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 MHz

25、100MHzn794400 MHz 5000 MHz4400 MHz 5000 MHz100MHzNR R15 版本的 UE FR1 可支持 100MHz 的 UE 的最大信道帶寬。如果降低UE 的復雜度/成本，可以降低最大信道帶寬：對于 FR1 和 FR2 系統分別降低到20MHz 和 100MHz。FR1 FDD 系統，終端設備成本評估的平均收益為 32%，FR1TDD 系統，終端設備成本評估的收益為 33%，FR2 系統，終端設備成本評估的收益為 16%。表 5 帶寬降低的成本收益評估降低終端帶寬FR1 FDDFR1 TDDFR2(200MHz 100MHz)FR2(200MHz 50M

26、Hz)射頻:天線陣列-33.0%33.0%射頻:功率放大器24.1%23.8%17.9%17.8%射頻:濾波器10.0%14.7%8.0%8.0%射頻:收發器(包括低噪聲放大器,混頻器和本地振蕩器)43.7%53.0%40.6%40.3%射頻:雙工器/切換器20.0%5.0%0.0%0.0%射頻:相對于總成本97.7%96.4%99.5%99.0%基帶:模擬數字轉換器/數字模擬轉換器2.8%2.0%2.0%1.0%105G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007降低終端帶寬FR1 FDDFR1 TDDFR2(200MHz 100MHz)FR2(200MHz 5

27、0MHz)基帶:FFT/IFFT1.1%1.1%1.9%0.9%基帶:Post-FFT數據緩存器2.3%2.1%5.6%2.8%基帶:接收機處理模塊9.1%9.9%14.2%9.1%基帶:LDPC解碼器3.8%3.5%5.4%3.8%基帶:HARQ緩存4.2%3.3%6.0%3.5%基帶:下行控制處理和解碼器4.5%3.7%4.7%4.5%基帶:同步/小區搜索模塊9.0%9.0%7.0%7.0%基帶:上行處理模塊3.4%3.7%5.6%4.9%基帶:MIMO專用處理模塊8.2%8.4%17.0%16.5%基帶:相對于總成本48.4%46.7%69.4%54.0%2.2.3調制方式調制方式因為業

28、務速率需求的降低，可以降低對終端調制方式的要求。上行調制方式可從 64QAM 降到 16QAM；下行調制方式可從 256QAM 降低到 64QAM，降低最大調制方式可以減少終端的射頻和基帶處理量，達到降低終端復雜性和成本的目的。表 6 64QAM 降為 16QAM 成本縮減分析優化最大上行調制方式FR1 FDD(64QAM16QAM)FR1 TDD(64QAM16QAM)FR2(64QAM16QAM)射頻:天線陣列-33.0%射頻:功率放大器22.7%22.7%16.5%射頻:濾波器10.0%10.0%8.0%射頻:收發器(包括低噪聲放大器,混頻器和本地振蕩器)44.4%44.4%40.4%射

29、頻:雙工器/切換器20.0%20.0%0.0%射頻:相對于總成本97.1%97.1%97.9%基帶:模擬數字轉換器/數字模擬轉換器9.1%9.1%3.6%基帶:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基帶:Post-FFT數據緩存器10.0%10.0%11.0%基帶:接收機處理模塊24.0%24.0%24.0%基帶:LDPC解碼器10.0%10.0%9.0%基帶:HARQ緩存13.9%13.9%10.9%基帶:下行控制處理和解碼器5.0%5.0%5.0%基帶:同步/小區搜索模塊9.0%9.0%7.0%115G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007優化最大上行

30、調制方式FR1 FDD(64QAM16QAM)FR1 TDD(64QAM16QAM)FR2(64QAM16QAM)基帶:上行處理模塊4.2%4.2%5.8%基帶:MIMO專用處理模塊9.0%9.0%18.0%基帶:相對于總成本98.3%98.3%98.4%射頻+基帶:相對于總成本97.8%97.8%98.1%表 7 256QAM 降為 64QAM 成本縮減分析優化最大下行調制方式FR1 FDD(256QAM64QAM)FR1 TDD(256QAM64QAM)FR2(64QAM16QAM)射頻:天線陣列-33.0%射頻:功率放大器25.0%24.6%18.0%射頻:濾波器10.0%14.9%8.

31、0%射頻:收發器(包括低噪聲放大器,混頻器和本地振蕩器)42.8%51.8%38.8%射頻:雙工器/切換器20.0%5.0%0.0%射頻:相對于總成本97.8%96.2%97.8%基帶:模擬數字轉換器/數字模擬轉換器9.0%8.0%3.6%基帶:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基帶:Post-FFT數據緩存器9.4%9.4%10.1%基帶:接收機處理模塊23.0%27.8%22.7%基帶:LDPC解碼器7.6%6.8%6.3%基帶:HARQ緩存11.0%9.3%8.1%基帶:下行控制處理和解碼器5.0%4.0%5.0%基帶:同步/小區搜索模塊9.0%9.0%7.0%基帶:上行處理模塊5

32、.0%5.0%7.0%基帶:MIMO專用處理模塊8.7%8.7%17.3%基帶:相對于總成本91.8%92.1%91.0%射頻+基帶:相對于總成本94.2%93.7%94.4%2.2.4放松終端處理速度放松終端處理速度通過允許更長的時間來處理 PDCCH 和 PDSCH 以及準備 PUSCH 和 PUCCH,寬松 UE 處理時間可能會降低 UE 復雜性?？梢钥闯鲆韵鹿δ軌K的成本可以降低:-基帶:接收處理塊-基帶:LDPC 解碼-基帶:DL 控制處理和解碼器125G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007-基帶:UL 處理塊表 8 寬松 UE 處理時間帶來的估計

33、成本分析降低處理時間FR1 FDDFR1 TDDFR2TDD射頻:天線陣列-33.0%射頻:功率放大器25.0%25.0%18.0%射頻:濾波器10.0%14.7%8.0%射頻:收發器(包括低噪聲放大器,混頻器和本地振蕩器)45.0%54.3%41.0%射頻:雙工器/切換器20.0%6.0%0.0%射頻:相對于總成本100.0%100.0%100.0%基帶:模擬數字轉換器/數字模擬轉換器10.0%9.0%4.0%基帶:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基帶:Post-FFT數據緩存器10.0%10.0%11.0%基帶:接收機處理模塊20.3%24.6%19.5%基帶:LDPC解碼器6.6

34、%5.9%5.9%基帶:HARQ緩存14.0%12.0%11.0%基帶:下行控制處理和解碼器4.1%3.3%4.0%基帶:同步/小區搜索模塊9.0%9.0%7.0%基帶:上行處理模塊3.7%3.6%5.0%基帶:MIMO專用處理模塊8.8%8.8%17.5%基帶:相對于總成本90.5%90.1%88.9%射頻+基帶:相對于總成本94.3%94.1%94.4%具有寬松 UE 處理時間的設備的估計成本平均值見上表 7，從總成本的最后一行可以看出，FR1 FDD 的平均估計成本降低約 6%，FR1 TDD 約 6%，FR2 TDD約 6%。2.3 硬件裁剪研究硬件裁剪研究2.3.1射頻天線射頻天線針

35、對電力行業定制化需求，對 5G 模組 FDD 模式下射頻電路進行裁剪。最大支持 2 天線接收，接收電路分布在 2 個天線端口上，接收信號通過天線端口、雙工器、開關、濾波器及低噪聲放大器等射頻通路后傳輸至射頻收發芯片。最大支持 1 天線發射，發射電路分布在 1 個天線端口上，發射信號通過射頻收發芯片輸出至射頻功率放大器、雙工器、射頻開關、濾波器、集成射頻前端電路等，最終經天線端口完成發射。135G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-0072.3.2射頻通道射頻通道目前電力業務場景沒有極高的通信速率要求，因此可以裁剪 FDD 模式下射頻前端通道，由 44 MIMO

36、降為 22 MIMO，從而減少模組接收通道的射頻開關、濾波器和發送通道的 PA、雙工器等相關射頻元器件。通過降低射頻通道數和MIMO 層數，可降低終端整體成本 37%60%。2.3.3基帶電路基帶電路基帶電路主要內容包括控制及狀態接口電路、存儲電路和外設接口電路。1）控制及狀態接口電路，包括開關機、復位、飛行、狀態指示，休眠喚醒等功能電路；2）存儲電路，可將 NAND FLASH 由 4Gbit 裁剪為 2Gbit；3）外設接口電路，包括 USIM/eSIM、UART、USB、ADC 等接口電路。圖 6基帶電路結構示意圖2.4 軟硬件架構研究軟硬件架構研究模組硬件架構主要包含下列功能單元，功能

37、框圖如圖 7 所示：145G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007圖 7 硬件架構圖1、電源管理電源管理模塊考慮的主要因素有電壓、電流是否滿足各芯片在各種情況穩定工作以及整體功耗限定要求，電源分區，上電順序，上電時間，單調性上電等。根據業務需求場景分析，外部輸入采用直流電壓，給基帶、存儲、射頻收發、射頻前端等芯片供電。既要保證電源的總體工作效率，又要減少電源的電磁干擾問題。射頻采取獨立并分區供電方案?；鶐酒箅娏麟娫窜壓痛鎯π酒捎肈CDC供電。時鐘、eSIM 和接口等電流需求較小但要保證低噪聲的部分采用 LDO 供電。由于基帶需電壓種類偏多，而模組的實際

38、布板面積有限，可采用集成的電源管理芯片實現電壓變換，并輔以相應的電源濾波和隔離處理，實現各通路電源管理功能，為各個模塊睡眠方案優化提供更多可操作性。射頻和基帶通過不同電源變換芯片來實現電壓分區，減少互相電磁干擾。射頻前端芯片中的 PA 的供電最為重要，原理圖設計和 PCB 布局時都是重要關注點。2、基帶電路基帶芯片是模組的核心處理器和調制解調單元，負責 5G 協議分析處理和應用層軟件實現，同時還需要滿足各種接口與其他部分連接控制。155G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-0073、時鐘電路模組時鐘電路為整個模組提供參考時鐘。時鐘電路輸出主時鐘，由電源管理芯片將

39、主時鐘分配給基帶和射頻收發芯片。模組 RTC 時鐘是模組處于睡眠狀態時的計時時鐘，也通過電源管理芯片輸出給基帶芯片。模組進入深度睡眠模式時，主時鐘和 RTC 時鐘的狀態可根據不同業務場景需要，確定是否關斷。4、射頻收發電路模組射頻收發電路，即射頻收發芯片及周邊器件，實現了基帶與射頻電路的數據發送接收和射頻切換等功能。射頻收發芯片與基帶芯片之間的信號包括 IQ信號及時序控制信號等，而射頻收發芯片與射頻前端之間有接收通道和發射通道。5、射頻前端電路模組射頻前端電路主要包括射頻開關、濾波器、低噪放及功放等功能單元。接收信號通過天線端口、雙工器、開關、濾波器及低噪聲放大器等射頻通路后傳輸至射頻收發芯片

40、。為了實現不同頻段信號的濾波和分離，天線端口同向雙工器電路。模組軟件架構主要包含下列功能單元，功能框圖如圖 8 所示。圖 8 軟件架構圖1、PPP 協議處理單元，是網絡中最為基礎的協議之一。PPP 協議是一種數據165G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007鏈路層協議，它是為在同等單元之間傳輸數據包這樣的簡單鏈路而設計的。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數據包，且提供用戶驗證，易于擴充，使集中器和模塊通信更安全穩定。2、FTP 協議處理單元，基于客戶端/服務器端工作模式，實現兩個終端之間文件的高速可靠傳輸?？蛻舳伺c服務器端的交互遵循一應一答的方式，而且

41、各命令間遵循一定的順序。模組一次只能進行一個 FTP 連接，建立后占用 2 個 Socket，用于命令傳輸和數據傳輸。用戶通過串口工具向終端發送帶登錄服務器參數的 AT指令，終端請求連接服務器，服務器開始偵聽上傳、下載文件和斷開連接等消息，通過調用 Lwip 協議棧 socket 接口負責實現 FTP 功能。3、模塊啟動后會觸發獲取 SE 配置信息過程，SE 應返回流量統計模式、主站地址、SEid 信息。模塊啟動后會從主站獲取網絡時間信息，進行超流量保護。4、定位功能單元，數據格式遵循NMEA-0183協議，統一標準格式NMEA-0183輸出采用 ASCII 碼，數據傳輸以“語句”的方式進行，

42、每個語句均以“$”開頭，然后是兩個字母的“識別符”和三個字母的“語句名”，接著就是以逗號分割的數據體，語句末尾為校驗和，整條語句以回車換行符結束。定位主要數據，該語句中包括經緯度、質量因子、HDOP、高程、基準站號等字段。5、管理通道通信協議處理單元，是指當終端檢測到功能模塊接入后，主動在管理通道發起鏈路會話協商，目的是為了獲取無線遠程通信單元的軟硬件版本，模塊接收發送能力，以及模塊狀態信息等；當無線遠程通信單元需要對軟件版本升級時，終端通過管理通道將待升級版本文件傳輸給遠程單元模塊。管理通道通信協議處理模塊支持分段傳輸 APDU 幀的功能。3總結總結5G 模組是反映整個產業生態成熟度的集中縮

43、影，本研究報告通過研究模組裁剪方案引導后續 R15 模組產業發展更加成熟，并且帶來以下幾點優勢：（1）降低應用成本工業物聯網模組出貨量快速增長、成本快速下降也是 5G 網絡基礎設施成熟的標志。當出貨量達到一定程度后，模組邊際成本較小，實現該行業的盈利回報。175G 應用產業方陣研究報告2021-01-C-0072021-01-C-007（2）促進 5G 產業發展模組起到連接的作用，承載端到端通信、數據交互功能。低成本的 5G 模組為下游終端廠商、方案商和行業用戶提供低成本的連接方案，促進行業應用的繁榮。（3）有力推進數字化新型基礎設施建設積極推動 5G 在電力各業務場景深化應用，全面構建能源互聯網、工業互聯網信息支撐體系。隨著電力行業 5G 模組的精簡化研究的逐漸深入、我國 5G 終端應用規模不斷擴大，具有低成本、低功耗特性的 5G 模組將會在垂直行業得到廣泛應用，加速各類行業網絡化和智能化發展，帶動我國產業數字化轉型升級。