一種毫米波終端設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究

楊興洪，王 振，胡江海，李 寧，王運(yùn)付

（中訊郵電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 100048）

0 引 言

5G毫米波具有頻譜資源豐富、帶寬極大、極低時(shí)延、厘米級(jí)高精度定位等優(yōu)點(diǎn)，是5G 重點(diǎn)部署的關(guān)鍵技術(shù)。基于上述特性展開(kāi)應(yīng)用場(chǎng)景的系統(tǒng)研究，能極大推動(dòng)毫米波在中國(guó)市場(chǎng)的商用進(jìn)程，使得我國(guó)在5G毫米波領(lǐng)域也處于世界領(lǐng)先地位，帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)，助力實(shí)現(xiàn)中國(guó)智造。毫米波終端在大帶寬無(wú)線(xiàn)入戶(hù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、室內(nèi)覆蓋等場(chǎng)景均具有廣泛應(yīng)用，商業(yè)前景廣闊，對(duì)毫米波終端進(jìn)行研究，能為5G毫米波商用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 研究背景

國(guó)家層面已開(kāi)展5G毫米波的研發(fā)實(shí)驗(yàn)工作，但尚未發(fā)布正式的商用計(jì)劃，IMT-2020中國(guó)已開(kāi)始推進(jìn)相關(guān)毫米波測(cè)試。全球產(chǎn)業(yè)層面，5G毫米波頻譜全球協(xié)同分配正在穩(wěn)步推進(jìn)，美國(guó)已經(jīng)發(fā)布商用版本，日本、韓國(guó)等也已開(kāi)始商用部署，產(chǎn)業(yè)鏈基本成熟，3GPP NR Rel-17將進(jìn)一步增強(qiáng)5G毫米波功能。國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商基本完成了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，正深入研究、拓展毫米波的應(yīng)用場(chǎng)景，聯(lián)通計(jì)劃在2022冬奧場(chǎng)館首次商用5G毫米波。華為、中興、愛(ài)立信等各大廠(chǎng)商設(shè)備已基本成熟，終端層面，海思、高通、展銳等芯片廠(chǎng)家已推出相關(guān)毫米波器件，產(chǎn)業(yè)鏈基本完備。

2 研究?jī)?nèi)容

基于實(shí)現(xiàn)大帶寬無(wú)線(xiàn)寬帶入戶(hù)及5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的5G毫米波終端樣機(jī)技術(shù)研究。

3 系統(tǒng)硬件電路

3.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本文終端采用NXP LS1043高性能CPU搭載高通X55套片方案，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備高速接入5G毫米波網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)支持GE、2.5GE等多個(gè)以太網(wǎng)接口，支持多路485/232等工業(yè)控制協(xié)議接口，方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊電路

3.2.1 小系統(tǒng)單元

系統(tǒng)采用NXP工業(yè)級(jí)CPU LS1043A，內(nèi)置4核 Arm Cortex-A53，最高支持1.6 GHz處理頻率，外置2 GB DDR4 SDRAM，最高支持1 600 Mb/s速率，支持從NOR FLASH或NAND FLASH啟動(dòng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

3.2.2 Modem及天線(xiàn)單元

Modem采用高通SDX55基帶處理芯片，符合3GPP R15協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持SA及NSA，毫米波支持N257/N258，最大下行速率可達(dá)6.78 Gb/s，最大上行速率達(dá)1.45 Gb/s，大功率毫米波天線(xiàn)最大支持64陣列，Peak EIRP可達(dá)45 dBm，整體采用M.2接口同CPU對(duì)接，方便替換，支持多廠(chǎng)家Modem。Modem框圖如圖3所示。

圖3 Modem框圖

3.2.3 系統(tǒng)外部接口單元

二是明確校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程與校外實(shí)習(xí)課程的有效匹配。校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程和校外實(shí)習(xí)課程是實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的兩個(gè)不同方向。校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程側(cè)重于充實(shí)人才培養(yǎng)計(jì)劃中的課程安排，校外實(shí)習(xí)課程則相對(duì)側(cè)重于社會(huì)實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)社會(huì)適應(yīng)能力的提升。因此，在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程設(shè)置上面，校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程安排在第五、第六學(xué)期，校外實(shí)習(xí)課程更適宜于安排在第七學(xué)期。這種考慮，主要是基于在第七學(xué)期本科生大都接觸過(guò)本專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課和專(zhuān)業(yè)輔修課，有一定的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)；同時(shí)也為學(xué)生本科畢業(yè)之后走向社會(huì)提供基本的適應(yīng)能力，為學(xué)生提供理論知識(shí)應(yīng)用到政策執(zhí)行和現(xiàn)實(shí)生活的一個(gè)重要渠道。

終端接口豐富，支持多路1 000 M及2 500 M以太網(wǎng)接口，支持路由功能，可為多用戶(hù)提供高速網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，支持RS 232、RS 485等工業(yè)控制協(xié)議接口，可廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)控制場(chǎng)景，支持兩路實(shí)體SIM卡和eSIM，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)切換，同時(shí)具備多路LED指示燈，可實(shí)時(shí)顯示電源、5G網(wǎng)絡(luò)連接信號(hào)質(zhì)量等。外部接口框圖如圖4所示。

圖4 外部接口框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件邏輯架構(gòu)

終端軟件主要由管理面、控制面、轉(zhuǎn)發(fā)面組成，數(shù)據(jù)流向?yàn)镻C或工業(yè)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)口及工業(yè)總線(xiàn)到CPU（LS1043A），再到5G Modem，最終接入基站網(wǎng)絡(luò)。整體邏輯架構(gòu)及數(shù)據(jù)流向如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)及數(shù)據(jù)流向

4.2 啟動(dòng)流程

終端開(kāi)機(jī)流程設(shè)計(jì)為CPU側(cè)uboot啟動(dòng)后，引導(dǎo)內(nèi)核、文件系統(tǒng)加載，系統(tǒng)啟動(dòng)成功后再引導(dǎo)Modem啟動(dòng)，最終CPU和Modem握手成功進(jìn)行撥號(hào)上網(wǎng)，流程如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)流程

5 應(yīng)用場(chǎng)景分析

終端由于接口豐富，同時(shí)具備WiFi功能，可廣泛應(yīng)用于5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)項(xiàng)目，如智慧工廠(chǎng)、政企專(zhuān)網(wǎng)接入、港口碼頭、電力油田以及礦山大型車(chē)載設(shè)備等，也可用于家庭或企業(yè)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)寬帶接入應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)和敏捷的網(wǎng)絡(luò)部署，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速發(fā)展。相比FTTH建設(shè)，該設(shè)計(jì)能顯著降低部署成本，快速推出服務(wù)，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。典型應(yīng)用場(chǎng)景示意如圖7所示。

圖7 典型應(yīng)用場(chǎng)景

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加速推進(jìn)和完善，5G技術(shù)在各行業(yè)被廣泛應(yīng)用，各類(lèi)5G終端也日益豐富。雖然國(guó)內(nèi)暫未發(fā)放商用5G毫米波頻譜，但國(guó)家層面已在開(kāi)展5G毫米波的相關(guān)研究，產(chǎn)業(yè)鏈也日趨成熟。毫米波豐富的頻譜特性，決定了其必定是未來(lái)大容量通信的關(guān)鍵技術(shù)。