基于R15芯片的电力行业5G模组的精简化研究

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 Researchonsimplifying5Gmoduleofelectric-powerindustrybasedonR15chips 2023年12月 5G应用产业方阵研究报告2021-01-C-007 研究报告要点 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、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、芯昇科技有限公司、北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、陈定云、岳希亮、李静、朱泽睿、张伟。 完成日期：2023年12月 目录 1电力场景应用需求1 1.1输电无人机巡检1 1.2输电线路可视化2 1.3基于5G的变电站AR/MR巡检3 1.4移动作业办公4 1.5现场安全管控5 1.6通信需求总表5 2模组裁剪方案研究6 2.1功能裁剪研究6 2.1.1频段6 2.1.2通信制式7 2.1.3载波聚合7 2.1.4双连接8 2.1.5微时隙机制8 2.1.6业务能力8 2.2性能裁剪研究8 2.2.1MIMO层数8 2.2.2带宽9 2.2.3调制方式10 2.2.4放松终端处理速度11 2.3硬件裁剪研究12 2.3.1射频天线12 2.3.2射频通道13 2.3.3基带电路13 2.4软硬件架构研究13 3总结16 基于R15芯片的电力行业5G模组的精简化研究 1电力场景应用需求 1.1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。 图1输电无人机巡检图 1.2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。 图2输电线路可视化 1.3基于5G的变电站AR/MR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。 图3基于AR/MR的现场巡检 1.4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，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 1.5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、人员安全行为监控和智能安全帽 1.6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 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） ≤100ms >99.9% 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 2.1功能裁剪研究 2.1.1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2NR频段 工作频段 上行工作频段 下行工作频段 双工方式 n1 1920MHz-1980MHz 2110MHz-2170MHz FDD n3 1710MHz-1785MHz 1805MHz-1880MHz FDD n5 824MHz–849MHz 869MHz–894MHz FDD n8 880MHz-915MHz 925MHz-960MHz FDD n28 703MHz-748MHz 758MHz-803MHz FDD n41 2515MHz-2675MHz 2515MHz-2675MHz TDD n78 3400MHz-3600MHz 3400MHz-3600MHz TDD n79 4800MHz-4900MHz 4800MHz-4900MHz TDD 表3LTE频段 网络模式 工作频段 上行工作频段 下行工作频段 TD-LTE Band34 2010MHz～2025MHz 2010MHz～2025MHz Band39 1880MHz～1920MHz 1880MHz～1920MHz Band40 2300MHz～2400MHz 2300MHz～2400MHz 网络模式 工作频段 上行工作频段 下行工作频段 Band41 2496MHz～2690MHz 2496MHz～2690MHz LTEFDD Band1 1920MHz～1980MHz 2110MHz～2170MHz Band3 1710MHz～1785MHz 1805MHz～1880MHz Band5 824MHz～849MHz 869MHz～894MHz Band8 880MHz～915MHz 925MHz～960MHz Band4 1710MHz～1755MHz 2110MHz～2155MHz Band7 2500MHz～2570MHz 2620MHz～2690MHz Band12 699MHz～716MHz 729MHz～746MHz Band17 704MHz～716MHz 734MHz～746MHz Band20 832MHz～862MHz 791MHz～821MHz 2.1.2通信制式 目前业界主流5G模式是NSAOption3a/3x网络架构和SAOption2网络架构。在NSA架构下，LTE可以提供宏覆盖，5GNR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，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