基于R15芯片的電力行業(yè)5G模組的精簡化研究

基于R15芯片的電力行業(yè)5G模組的精簡化研究報(bào)告Researchonsimplifying5Gmoduleofelectric-powerindustrybasedonR15chips2021-01-C-007分析電力場景應(yīng)用需求明確電力業(yè)務(wù)對速率、時(shí)延、可靠性等方面的通信需求，性能裁剪和硬件裁剪，旨在實(shí)現(xiàn)電力5G模組輕型化，快速推進(jìn)其在各類電力業(yè)研究人員：王鑫、張寶芝、邵將、曲行根、李維成、龍迪、張偉強(qiáng)、 11.1輸電無人機(jī)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(dòng)作業(yè)辦公 41.5現(xiàn)場安全管控 51.6通信需求總表 52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(shí)隙機(jī)制 82.1.6業(yè)務(wù)能力 82.2性能裁剪研究 82.2.1MIMO層數(shù) 82.2.2帶寬 92.2.3調(diào)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(gòu)研究 13 162021-01-C-007基于R15芯片的電力行業(yè)5G模組的精簡化研究形變、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(yuǎn)。（2）節(jié)約大量巡檢費(fèi)用3）大尺寸缺陷識別準(zhǔn)確率可達(dá)90%4）小尺寸缺此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K視頻傳輸速率≥25Mbps，1080P信時(shí)延≤200ms；(3)通信可靠性99.9%；(4)隔離要12021-01-C-007圖1輸電無人機(jī)巡檢圖高清攝像頭以及傳感器數(shù)據(jù)通過5G切片傳輸至輸電云管平臺，通過人工智能、效可達(dá)1）極大提升巡檢效率2）大尺寸缺陷識別準(zhǔn)確率可達(dá)90%3）小此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K視頻傳輸速率≥25Mbps，1080P(2)通信時(shí)延：圖像/視頻鏈路通信時(shí)延≤200ms；(3)通信可靠性99.9%；(4)22021-01-C-007圖2輸電線路可視化智能巡檢專家系統(tǒng)。終端載體支持PC或手持設(shè)備?，F(xiàn)場巡檢人員穿戴AR/MR設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，由后端專家進(jìn)行具體明確的指導(dǎo)。應(yīng)用成效可達(dá)1）巡檢周期由周變?yōu)樾r(shí)2）每站每年節(jié)省巡檢工時(shí)上百工人*小時(shí)。此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K視頻傳輸速率≥25Mbps，1080P組成本較高，AR/MR產(chǎn)業(yè)在規(guī)模化應(yīng)用過程中產(chǎn)生較高的門檻，可以通過減少32021-01-C-007圖3基于AR/MR的現(xiàn)場巡檢包括現(xiàn)場巡視作業(yè)、巡視簽到、巡視監(jiān)控等巡檢應(yīng)用，電費(fèi)收取、費(fèi)控停復(fù)電、計(jì)量換表、全能型供電所等營銷服務(wù)應(yīng)用。此場景應(yīng)用成效是利用5G高帶寬、此場景對通信的需求為：(1)通信速率：4K視頻傳輸速率≥25Mbps，1080P(2)通信時(shí)延：秒級；(3)通信可靠性99.9%；(4)隔離要求：圖4移動(dòng)作業(yè)辦公應(yīng)用42021-01-C-007端對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析及預(yù)警。此場景5G應(yīng)用成效：可對非法作業(yè)人員闖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(shí)延：毫秒級；(3)通信可靠性99.9%；(4)隔圖5人臉識別系統(tǒng)、人員安全行為監(jiān)控和智能安全帽表1電力典型場景通信需求總表場景通信速率通信時(shí)延可靠性隔離要求輸電無人機(jī)巡檢≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）≤100ms（控制鏈路）≤200ms（視頻鏈路）>99.9%管理信息大區(qū)輸電線路可視化≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）≥2Mbps（480P）≥2Mbps（圖片）≤200ms（圖像/視頻鏈>99.9%管理信息大區(qū)52021-01-C-007場景通信速率通信時(shí)延可靠性隔離要求基于5G的變電站AR/MR巡檢≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）≤100ms>99.9%管理信息大區(qū)移動(dòng)作業(yè)≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）≥2Mbps（480P）≥2Mbps（圖片）秒級>99.9%管理信息大區(qū)現(xiàn)場安全≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）毫秒級>99.9%管理信息大區(qū)2模組裁剪方案研究電力行業(yè)電力終端應(yīng)用的場景相對簡單，并且表2NR頻段工作頻段上行工作頻段下行工作頻段雙工方式n11920MHz-1980MHz2110MHz-2170MHzFDDn31710MHz-1785MHz1805MHz-1880MHzFDDn5824MHz–849MHz869MHz–894MHzFDDn8880MHz-915MHz925MHz-960MHzFDDn28703MHz-748MHz758MHz-803MHzFDDn412515MHz-2675MHz2515MHz-2675MHzTDDn783400MHz-3600MHz3400MHz-3600MHzTDDn794800MHz-4900MHz4800MHz-4900MHzTDD網(wǎng)絡(luò)模式工作頻段上行工作頻段下行工作頻段TD-LTEBand342010MHz～2025MHz2010MHz～2025MHzBand391880MHz～1920MHz1880MHz～1920MHzBand402300MHz～2400MHz2300MHz～2400MHz62021-01-C-007網(wǎng)絡(luò)模式工作頻段上行工作頻段下行工作頻段Band412496MHz～2690MHz2496MHz～2690MHzLTEFDDBand11920MHz～1980MHz2110MHz～2170MHzBand31710MHz～1785MHz1805MHz～1880MHzBand5824MHz～849MHz869MHz～894MHzBand8880MHz～915MHz925MHz～960MHzBand41710MHz～1755MHz2110MHz～2155MHzBand72500MHz～2570MHz2620MHz～2690MHzBand12699MHz～716MHz729MHz～746MHzBand17704MHz～716MHz734MHz～746MHzBand20832MHz～862MHz791MHz～821MHz強(qiáng)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，以及目前電力業(yè)務(wù)場景對通信速率要求不高，可載波聚合技術(shù)主要是為了支持更高的通信速率，在Release15中支持了NR其中CA的頻帶可以是連續(xù)的或不連續(xù)，也可以是頻帶內(nèi)或頻帶間。另外，CA72021-01-C-007在同一時(shí)間只使用一種網(wǎng)絡(luò)制式就可以滿足業(yè)務(wù)速率的要求，因此不需要支持82021-01-C-007可以降低對應(yīng)的MIMO層數(shù)要求，比如下行傳輸中可以由4層MIMO降低到2表4典型的工作頻段和帶寬關(guān)系工作頻段上行工作頻段下行工作頻段支持的最大帶寬n12110MHz–2170MHz40MHzn8880MHz–915MHz925MHz–960MHz20MHzn28703MHz–748MHz758MHz–803MHz30MHzn412496MHz–2690MHz2496MHz–2690MHz100MHzn783300MHz–3800MHz3300MHz–3800MHz100MHzn794400MHz–5000MHz4400MHz–5000MHz100MHzNRR15版本的UEFR1可支持100MHz的UE的最大信道帶寬。如果降低UE的復(fù)雜度/成本，可以降低最大信道帶寬：對于FR1和FR2系統(tǒng)分別降低到表5帶寬降低的成本收益評估降低終端帶寬FR1FDDFR1TDDFR2(200MHz)FR2(200MHz)射頻:天線陣列--33.0%33.0%射頻:功率放大器23.8%17.9%17.8%射頻:濾波器10.0%14.7%8.0%8.0%射頻:收發(fā)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(shù)字轉(zhuǎn)換器/數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器2.8%2.0%2.0%92021-01-C-007降低終端帶寬FR1FDDFR1TDDFR2(200MHz)FR2(200MHz)基帶:FFT/IFFT0.9%基帶:Post-FFT數(shù)據(jù)緩存器2.3%5.6%2.8%基帶:接收機(jī)處理模塊9.9%14.2%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(qū)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%到64QAM，降低最大調(diào)制方式可以減少終端的射頻和基帶處理量，達(dá)到降低終表664QAM降為16QAM成本縮減分析優(yōu)化最大上行調(diào)制方式FR1FDD(64QAM16QAM)FR1TDD(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(fā)器(包括低噪聲放大器,混頻器和本地振蕩器)44.4%44.4%40.4%射頻:雙工器/切換器20.0%20.0%0.0%射頻:相對于總成本97.9%基帶:模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器/數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器3.6%基帶:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基帶:Post-FFT數(shù)據(jù)緩存器10.0%10.0%11.0%基帶:接收機(jī)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(qū)搜索模塊9.0%9.0%7.0%2021-01-C-007優(yōu)化最大上行調(diào)制方式FR1FDD(64QAM16QAM)FR1TDD(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%表7256QAM降為64QAM成本縮減分析優(yōu)化最大下行調(diào)制方式FR1FDD(256QAM64QAM)FR1TDD(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%8.0%射頻:收發(fā)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(shù)字轉(zhuǎn)換器/數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器9.0%8.0%3.6%基帶:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基帶:Post-FFT數(shù)據(jù)緩存器9.4%9.4%基帶:接收機(jī)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%基帶:下行控制處理和解碼器5.0%4.0%5.0%基帶:同步/小區(qū)搜索模塊9.0%9.0%7.0%基帶:上行處理模塊5.0%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%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2021-01-C-007表8寬松UE處理時(shí)間帶來的估計(jì)成本分析降低處理時(shí)間FR1FDDFR1TDDFR2TDD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(fā)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(shù)字轉(zhuǎn)換器/數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器10.0%9.0%4.0%基帶:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基帶:Post-FFT數(shù)據(jù)緩存器10.0%10.0%11.0%基帶:接收機(jī)處理模塊20.3%24.6%19.5%基帶:LDPC解碼器6.6%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3.3%4.0%基帶:同步/小區(qū)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%88.9%射頻+基帶:相對于總成本94.3%94.4%具有寬松UE處理時(shí)間的設(shè)備的估計(jì)成本平均值見上表7，從總成本的針對電力行業(yè)定制化需求，對5G模組FDD模式下射頻電路進(jìn)行裁剪。最5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)方