一种毫米波终端设计及其应用研究

杨兴洪，王 振，胡江海，李 宁，王运付

（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

0 引 言

5G毫米波具有频谱资源丰富、带宽极大、极低时延、厘米级高精度定位等优点，是5G 重点部署的关键技术。基于上述特性展开应用场景的系统研究，能极大推动毫米波在中国市场的商用进程，使得我国在5G毫米波领域也处于世界领先地位，带动上下游产业，助力实现中国智造。毫米波终端在大带宽无线入户、工业互联网、室内覆盖等场景均具有广泛应用，商业前景广阔，对毫米波终端进行研究，能为5G毫米波商用提供经验。

1 研究背景

国家层面已开展5G毫米波的研发实验工作，但尚未发布正式的商用计划，IMT-2020中国已开始推进相关毫米波测试。全球产业层面，5G毫米波频谱全球协同分配正在稳步推进，美国已经发布商用版本，日本、韩国等也已开始商用部署，产业链基本成熟，3GPP NR Rel-17将进一步增强5G毫米波功能。国内三大运营商基本完成了关键技术验证，正深入研究、拓展毫米波的应用场景，联通计划在2022冬奥场馆首次商用5G毫米波。华为、中兴、爱立信等各大厂商设备已基本成熟，终端层面，海思、高通、展锐等芯片厂家已推出相关毫米波器件，产业链基本完备。

2 研究内容

基于实现大带宽无线宽带入户及5G工业互联网应用的5G毫米波终端样机技术研究。

3 系统硬件电路

3.1 系统硬件架构

本文终端采用NXP LS1043高性能CPU搭载高通X55套片方案，实现终端设备高速接入5G毫米波网络，同时支持GE、2.5GE等多个以太网接口，支持多路485/232等工业控制协议接口，方案框图如图1所示。

图1 系统架构

3.2 系统关键模块电路

3.2.1 小系统单元

系统采用NXP工业级CPU LS1043A，内置4核 Arm Cortex-A53，最高支持1.6 GHz处理频率，外置2 GB DDR4 SDRAM，最高支持1 600 Mb/s速率，支持从NOR FLASH或NAND FLASH启动，系统框图如图2所示。

图2 系统框图

3.2.2 Modem及天线单元

Modem采用高通SDX55基带处理芯片，符合3GPP R15协议标准，支持SA及NSA，毫米波支持N257/N258，最大下行速率可达6.78 Gb/s，最大上行速率达1.45 Gb/s，大功率毫米波天线最大支持64阵列，Peak EIRP可达45 dBm，整体采用M.2接口同CPU对接，方便替换，支持多厂家Modem。Modem框图如图3所示。

图3 Modem框图

3.2.3 系统外部接口单元

二是明确校内实验课程与校外实习课程的有效匹配。校内实验课程和校外实习课程是实验实训的两个不同方向。校内实验课程侧重于充实人才培养计划中的课程安排，校外实习课程则相对侧重于社会实践，强调社会适应能力的提升。因此，在实验实训课程设置上面，校内实验课程安排在第五、第六学期，校外实习课程更适宜于安排在第七学期。这种考虑，主要是基于在第七学期本科生大都接触过本专业的专业必修课和专业辅修课，有一定的专业基础；同时也为学生本科毕业之后走向社会提供基本的适应能力，为学生提供理论知识应用到政策执行和现实生活的一个重要渠道。

终端接口丰富，支持多路1 000 M及2 500 M以太网接口，支持路由功能，可为多用户提供高速网络连接服务，支持RS 232、RS 485等工业控制协议接口，可广泛应用于多种工业控制场景，支持两路实体SIM卡和eSIM，可实现自动检测切换，同时具备多路LED指示灯，可实时显示电源、5G网络连接信号质量等。外部接口框图如图4所示。

图4 外部接口框图

4 系统软件设计

4.1 软件逻辑架构

终端软件主要由管理面、控制面、转发面组成，数据流向为PC或工业设备通过网口及工业总线到CPU（LS1043A），再到5G Modem，最终接入基站网络。整体逻辑架构及数据流向如图5所示。

图5 软件架构及数据流向

4.2 启动流程

终端开机流程设计为CPU侧uboot启动后，引导内核、文件系统加载，系统启动成功后再引导Modem启动，最终CPU和Modem握手成功进行拨号上网，流程如图6所示。

图6 启动流程

5 应用场景分析

终端由于接口丰富，同时具备WiFi功能，可广泛应用于5G工业网关项目，如智慧工厂、政企专网接入、港口码头、电力油田以及矿山大型车载设备等，也可用于家庭或企业，通过无线宽带接入应用，可以实现更加精准和敏捷的网络部署，实现业务快速发展。相比FTTH建设，该设计能显著降低部署成本，快速推出服务，从而降低运营成本。典型应用场景示意如图7所示。

图7 典型应用场景

6 结 语

随着5G网络建设的加速推进和完善，5G技术在各行业被广泛应用，各类5G终端也日益丰富。虽然国内暂未发放商用5G毫米波频谱，但国家层面已在开展5G毫米波的相关研究，产业链也日趋成熟。毫米波丰富的频谱特性，决定了其必定是未来大容量通信的关键技术。