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編輯導讀:隨著5G時代的到來,對產品的智能化提出了更高的要求。本文作者撰寫了5G-IoT領域智能硬體產品的需求背景和5G智能硬體產品具體設計及智能硬體產品功能實現的產品方案,與你分享。

5G在軟體應用上會有很多產品冒出,筆者先撰寫5G-IoT領域智能硬體產品的需求背景和5G智能硬體產品具體設計及智能硬體產品功能實現的產品方案。

一、綜述

為了滿足智慧家庭場景的5G產品發展需求,本產品通過在家庭網關融合5G能力,形成同時具有家庭網關接入能力和5G接入能力的一體化智能家庭接入終端,實現在家庭場景提供5G覆蓋。

5G小基站家庭網關集成固定寬頻PON接入作為其回傳,沒有站址選取和建設維護等投入,因此部署5G小基站家庭網關可以大大降低網路投資;另外由於不需要網路規劃,以及用戶自己供電等因素,事實上也大大降低運營商對網路建設的投資。

結合宏蜂窩網路的建設,由於小基站的部署可以減輕宏蜂窩網路的壓力:即一旦用戶進入小基站覆蓋範圍,就不再佔用宏蜂窩的資源,這也間接減輕了對宏蜂窩網路的投資壓力。

二、產品總體方案及規劃設計

2.1 5G小基站家庭網關網路架構

5G小基站家庭網關在網路中的位置如下圖所示:

智慧家庭寬頻數據、小基站數據、網管數據通過VLAN隔離,家庭基站一體化架構(包括RU+DU(L1/L2)+CU(RRC/RRM/PDCP/SDAP)), 小基站網關只負責轉發基站和核心網之間的數據,可以通過家庭網關網管配置管理小基站(共網管),也可以通過電信專用TR069小基站網管管理小基站(獨立網管)。一體化架構CU/DU不分離,優點是區域的配置簡化,降低成本。

2.2智能硬體設備形態和外部介面

5G小基站家庭網關係統設備是外觀簡潔大方、易於安裝、放置穩固的家用電信設備,支持平放和後背壁掛的安裝方式。

家庭網關和5G小基站融合智能產品設備形態定義如下:

2.3 產品系統架構設計

5G小基站家庭網關係統在邏輯上由5G小基站子系統、Wifi 6子系統、PON子系統等構成,其中5G家庭小基站是融合5G家庭網關邏輯上的一部分,與家庭網關集成合設,採用內部介面(PCIe)進行互聯。系統方案如下圖所示:

5G小基站家庭網關在寬頻系統的基礎上提供5G的語音和數據連接業務,通過PON/OLT設備接入到小基站網關,小基站網關設備分別接入到5G核心網控制面和UPF,並通過TR069網管設備進行管理。

小基站家庭網關總功耗在30-35W,採用有利於散熱的總體ID/結構設計,兩塊PCB板(WIFI6和PON共板,5G SmallCell一塊PCB板),立式ID有利於對流散熱,也有利於多個天線的設置。

結構設計

ID設計

2.4 產品整體功能設計

5G小基站子系統支持3GPP SA(Stand Alone)架構組網,小基站通過NGAP介面同5G核心網之間建立連接。

  1. 支持下行2天線發射,每小區最大2流;支持上行2天線接收,每小區最大2流。
  2. 上下行頻段應至少支持3300MHz-3400MHz、3400MHz-3500MHz波段,支持系統帶寬100MHz。
  3. 支持下行調製方式: QPSK、16QAM、64QAM、256QAM;支持上行調製方式:π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM。
  4. 層2功能支持MAC層、RRC層、PDCP層和SDAP層功能,詳見3GPP相關章節。

2.4.1 HARQ

系統支持的下行和上行最大重傳次數可通過網管系統進行配置。支持上下行非同步HARQ。

2.4.2 隨機接入

系統能夠配置 PRACH 使用的時頻資源、 PRACH 配置、隨機前導格式和本小區使用的 PRACH 序列組等參數。

系統支持為小區中的 UE 配置可用的 PRACH 序列組,包括根序列和循環位移版本,能夠向 UE 發送隨機接入反饋確認(Random Access Response Grant)。

系統支持根據小區覆蓋範圍,配置邏輯根序列索引、零相關區間(Ncs)參數。

2.4.3 無線資源管理與調度

下行物理通道資源分配支持Type 0和Type 1的分配方式,支持下行鏈路自適應,根據通道質量、反饋等信息自適應調整編碼等級。

上行物理通道資源分配支持Type 0和Type 1的分配方式,支持上行鏈路自適應,根據通道質量、反饋等信息自適應調整編碼等級。

上下行調度演算法支持最小周期為slot的動態調度。

支持上下行頻選、非頻選調度。

2.4.5 功率控制

支持對下行的CSI-RS、PDCCH、PDSCH和SSB做靜態功率配置。

支持上行的PUSCH、PUCCH、PRACH的功率控制。

支持msg3的功率控制。

支持功率控制參數P0、alpha等可配。

2.4.6 RRC層功能

2.4.6.1 系統消息

能夠向UE發送必需的基本的系統消息和其他消息。

2.4.6.2 RRC

系統支持RRC連接功能,包括:

  • RRC連接的建立、重配、重建及釋放
  • 數據承載建立、重配和釋放
  • RRC的狀態轉換

2.4.6.3 安全

支持對信令的完整性保護(NIA 0/1/2/3演算法)和空口加密功能(NEA 0/1/2/3演算法)

2.4.6.4 尋呼

系統支持從網路側發起的尋呼功能。

2.4.6.5 承載

  • 支持SRB0, SRB1, SRB2的建立與釋放。
  • 支持DRB的建立和釋放,支持給每個UE建立8個DRB,每個DRB可獨立配置RLC模式。
  • 支持PDU session的建立、釋放和修改。

小基站應支持如下承載:

2.4.6.6 QoS

支持基於不同業務的差異化服務。

支持用戶優先順序的差異化服務。

2.4.6.7 測量

支持基於SSB和CSI-RS的RSRP、RSRQ和SINR的同頻與異頻測量。

支持基於CSI-RS和SRS做通道質量測量。

2.4.6.8 移動性管理

支持系統內和系統間的移動性管理,包括小區選擇、小區重選、同頻切換、異頻切換等。

支持鄰區切換優化,支持在小基站網關上配置並分別控制每個5G小基站覆蓋區域內接入終端的允許切換目標鄰區列表,以避免不必要的切換或乒乓切換。

支持通過相關性能指標的統計評估,用於自動配置和優化調整上述小基站覆蓋區域內接入終端的允許切換目標鄰區列表。相關性能指標可包括但不限於以下指標:

  • 切換成功率
  • 切換次數
  • 乒乓等異常切換次數
  • 鄰區發現次數

2.4.7 RF指標

2.4.7.1 發射功率

設備的5G通道標稱發射功率(單通道)支持125mW(21dBm)。

基站發射功率的動態範圍在正常條件下為標稱功率±2dB範圍內,在極端條件下為標稱功率±2.5dB範圍內。

2.4.7.2 RE功率控制動態範圍

RE功率控制動態範圍滿足下表的要求:

2.4.7.3 總發射功率動態範圍

在100Mhz帶寬下,基站的總發射功率動態範圍大於等於24.3dB。

2.4.7.4 發射機關斷功率

發射關斷功率必須低於-85dBm/MHz,發射機開關變換期小於10us。

2.4.7.5 頻率誤差

頻率誤差是指,基站的實際發射頻率和分配頻率之間的誤差。相同的源被用作射頻頻率 和數字時鐘產生。測試周期需超過一個子幀的周期(1ms)。

頻率誤差性能要求小於±0.1ppm 。

2.4.7.6 矢量幅度誤差EVM

矢量幅度誤差是測試經過均衡器之後的實際測試信號和理想信號之間的差值。這個差值被稱作矢量誤差。

對於不同調製方式的PDSCH的EVM值應該優於下表中所給出的限值。

2.4.7.7 鄰道泄漏比(ACLR)

鄰道抑制比(ACLR)是指,以分配的通道頻率為中心頻率的載波平均功率與相鄰的信 道頻率為中心頻率的載波平均功率的比值。該性能要求適用於當發射機處於發射開階段的設備。

ACLR的定義中使用了平方濾波器,其帶寬等於發射信號的發射帶寬配置(BWConfig), 以分配的通道頻率為中心頻率。

ACLR的限值為45dB。

2.4.7.8 頻譜發射模板

工作頻帶發射功率不應超過下表中的值。

2.4.7.9 雜散發射

雜散發射的功率不應該超過下表中的限值。

根據工信部無線電管理局下發工信部無函(2018)86號函要求,基站在3.5GHz頻段帶外 輻射應滿足下表要求。

2.4.7.10 參考靈敏度

參考靈敏度功率電平PREFSENS是指,在指定參考測量通道配置下,基站天線連接器接收到 滿足吞吐量性能要求的最小平均功率。

100Mhz帶寬的G- FR1-A1-5參考測量通道的參考靈敏度為-87.6dBm

2.4.7.11 接收動態範圍

接收機動態範圍是指,當在接收通道帶寬內存在一個干擾信號時,接收機接收一個有用 信號的能力。在特定參考測量通道下,吞吐量應該滿足一定的要求,動態範圍性能要求中的 干擾信號類型是AWGN信號。

設備接收的動態範圍應該滿足下表的要求。

2.4.7.12 通道內選擇性(ICS)

通道內選擇性(ICS)是指,當存在一個具有大功率譜密度的干擾信號時,接收機在分 配的資源塊接收有用信號的能力。

在特定參考測量通道下,吞吐量應該大於等於對應參考測量通道最大吞吐量的95%。干 擾信號應是NR信號。

設備ICS的要求滿足下表的要求。

2.4.7.13 鄰道選擇性(ACS)和窄帶阻塞

鄰道選擇性(ACS),當存在一個與有用信號間隔指定頻率的相鄰通道的信號時,接收 機接收在指定通道頻率上的有用信號的能力。

在特定參考測量通道下,吞吐量應該大於等於對應參考測量通道最大吞吐量的95%。干擾信號應是NR信號。

設備的鄰道選擇性滿足下表要求。

2.4.7.14 帶內阻塞

設備的窄帶阻塞性能要求:有用信號平均功率-81.6dBm,干擾信號平均功率-41dBm。

2.4.7.15 帶外阻塞

設備的一般阻塞要求滿足下表要求。

2.4.8 同步要求

小基站應支持時間同步和頻率同步,且同步精度必須滿足:

  • 小區間空口相位誤差必須小於±1.5us,最大3 us;
  • 在任何1個子幀(1ms)的時間內,小基站輸出信號的頻率誤差必須在±0.1 ppm範圍內。
  • 支持通過PON時鐘進行同步(小基站和家庭網關合設時必須支持);

2.4.9 VoNR支持

小基站系統應支持5G VoNR功能,並基於標準的5QI進行話音業務QoS保障。

2.4.10 安全回傳

小基站支持和安全網關之間通過IPSec建立安全的傳輸通道。鑒權支持EAP-AKA、IKEv2協議,支持X.509數字證書鑒權和PSK鑒權。

2.4.11 系統容量

支持1個2T2R或4T4R、100MHz帶寬小區的處理能力。

支持32個激活用戶和64個連接用戶。

2.4.12 峰值速率

2T2R:系統配置為100MHz帶寬,2.5ms雙周期子幀配比情況下,單用戶下行峰值速率不低於600Mbps,單用戶上行峰值速率不低於250Mbps。

4T4R:系統配置為100MHz帶寬,2.5ms雙周期子幀配比情況下,單用戶下行峰值速率不低於1.2Gbps,單用戶上行峰值速率不低於250Mbps。

2.4.13 支持網路切片

2.4.14 支持IPv6

小基站在IPSec隧道外層應支持IPv4單棧、IPv6單棧、IPv4和IPv6雙棧,以實現和小基站網關通信。

小基站在IPSec隧道內層也同時應支持IPv4單棧、IPv6單棧、IPv4和IPv6雙棧,以實現和核心網通信

  • Wi-Fi子系統支持Wi-Fi6標準,並且支持2.4GHz及5GHz頻段(2*2 2.4G 11ax + 2*2 5Ghz 11ax)。
  • PON子系統10G PON回傳,4個LAN口。
  • 支持滿足《中國電信智能家庭網關技術要求》規範要求。
  • 環境要求

設備應在下表所列環境條件下正常工作,且整機外殼任意點相對於環境的溫度升高應不大於20℃。

2.4.15 可靠性要求

年故障率低於2%。

2.4.16 抗電磁干擾能力

滿足《中國電信家庭網關總體技術要求》

2.4.17 本身產生的電磁干擾要求

滿足《中國電信家庭網關總體技術要求》

2.4.18 過壓過流保護

滿足《中國電信家庭網關總體技術要求》

2.4.19 安全要求

家庭小基站設備具備漏洞軟體升級的能力,可以由網管系統根據需要進行遠程打補丁。其他安全要求滿足國家信息技術設備安全相關要求,以及《中國電信家庭網關總體技術要求》的相關安全要求。

三、智能硬體功能實現解決方案

3.1 5G小基站家庭網關智能硬體系統組成

3.1.1 5G NR小基站硬體子系統

5G NR小基站硬體子系統硬體組成如下圖所示,採用基於高通SOC套片(FSM10056+SDR9000)的一體化基站方案,協議棧(L2)運行在NXP的4*A53 @1.6Ghz CPU LS1043上,基帶晶元FSM10056是符合Sub-6G標準(3GPP Rel 15 5G NR)的物理層基帶處理器,支持Sub-6G TDD模式,採用10ns工藝;集成Arm Cortex-A7處理器,主頻800 MHz;集成Qualcomm® Hexagon™ DSP處理器,主頻866Mhz;集成2Gbit LPDDR4x內存,速率1.33G。

基站的回傳通過SGMII/SGMII連到PON系統,基站的同步通過PON系統的1PPS和TOD輸出,基站同時支持GPS/北斗同步以及IEEE1588同步。

小基站子系統規格如下:

3.1.2 WIFI6智能硬體子系統

10G PON硬體子系統如下圖所示,採用Broadcom的BCM68560 SOC系統,並且採用Semtech 的GN28L95 Driver 晶元的PON系統解決方案。

10G PON硬體子系統,通過Serdes介面連到SOC系統,為數據提供上下行通道,10G PON硬體子系統架構如下圖所示:

10G PON子系統規格指標如下:

3.1.3 10G PON智能硬體子系統

10G PON硬體子系統如下圖所示,採用Broadcom的BCM68560 SOC系統,並且採用Semtech 的GN28L95 Driver 晶元的PON系統解決方案。

10G PON硬體子系統,通過Serdes介面連到SOC系統,為數據提供上下行通道,10G PON硬體子系統架構如下圖所示:

10G PON子系統規格指標如下:

3.2 5G小基站智慧家居網關的系統組成

3.2.1 時鐘同步系統

小基站支持時間同步和頻率同步,且同步精度滿足:小區間空口相位誤差小於±1.5us,最大3 us;在任何1個子幀(1ms)的時間內,小基站輸出信號的頻率誤差在±0.1 ppm範圍內。

本產品設計設計中,在OLT側由外部高精度時鐘/1588伺服器作為系統的時鐘源,OLT板卡上的1588 Client同1588伺服器同步獲取ToD和1PPS,小基站家庭網關PON子系統從光信號中提取恢復時鐘,並將系統的1PPS和TOD輸出給小基站。時鐘同步系統如下圖所示:

3.2.2 5G小基站OAM系統

OAM負責整個系統的管理和維護,系統框架如下:

OAM系統框圖

5G小基站OAM系統支持統一規劃(組網方式,初始網管的配置,安全證書等)、統一網管(統一的軟體,統一的數據模型,統一的配置)、融合網管(和家庭網關管理系統的有機融合,減少系統複雜性)。

支持基於WebUI的本地管理維護界面和基於TR069的遠程管理維護界面。WebUI和TR069兩種方式都支持下列的管理維護功能.用戶側管理通過web方式提供管理服務,只對小基站自身的基本運行狀態進行管理,管理功能包括:

設備狀態查看:能夠查詢當前小基站設備的性能佔用情況,包括CPU利用率(以主CPU為準)、內存利用率、當前設備總體上下行速率(單位Mbps)、信號質量(RSRP等)、當前發射功率(毫瓦計);

設備管理:當前設備的接入數量、去激活某個接入用戶、發射功率設置(分為50mW、125mW、200mW、250mW等,默認125mW)、設備重啟等。

Web服務:提供用戶側自管理的web能力,以及後續的管理許可權升級能力。

網管側管理通過網管介面提供管理能力,可以實現對小基站的全部管理,包括用戶側相關的管理。主要包括:

告警管理:實時採集系統內部生成的各種告警信息,包括硬體故障告警、硬體溫度過高告警、軟體故障告警、家庭網關模塊故障、光纖介面故障、發射功率過低(低於50mW提示一般告警)、干擾較大(SINR、干擾電平大於某個閾值時觸發)告警、接入終端數超限告警(根據網管下發接入數量閾值觸發)等。

配置管理:通過網管下發統一配置,如發射功率的統一配置、接入終端數量限制的統一配置;

遠程升級:可以根據網管規劃的遠程升級策略,觸發遠程升級,支持的策略包括:地理區域升級策略;時間段升級策略、設備類型升級策略。

許可權管理:能夠通過遠程配置的方式,對用戶側管理的功能許可權進行開啟或則限制,能夠通過遠程配置調整某項管理功能為全部開啟或全部關閉。

其他管理參照設備技術要求和網管規範。

3.2.3 5G小基站協議棧軟體

5G小基站軟體系統框圖

5G一體化基站協議棧軟體分為兩部分:

  • L3 Control Plane(RRC/RRM/NGAP/XNAP/SON)
  • L2和User Plane(SDAP/PDCP/RLC/MAC/Scheduler)

軟體模塊概要說明:

  • L3控制面包括RRC/RRM/SON等組件,運行在OSA抽象層之上;
  • 為了滿足5G高速率,低延遲的要求,L2和用戶面的代碼運行在DPDK平台之上;
  • CPU Core分成Master和Worker等2種
  • 1個Master Core(可以是Linux系統core),運行管理軟體模塊
  • 1個Worker Core運行跟介面有關的處理(eth,PCIe,加密)
  • 1個或多個Worker Core運行實際的業務處理,比如調度器,RLC
  • DPDK接管回傳網卡硬體和加密加速硬體,支持VLAN
  • 創建一個RawDevice或一個Service,包裝Modem的DP/MHI/PCIe介面
  • 構建一個簡化IP V4/V6棧,支持ARP,ICMP,nDisc,分段,路由,轉發
  • 業務層的包只處理IP/UDP/GTP-U,其他的業務層IP包(TCP/SCTP等)通過KNI介面發送到Linux內核處理,從內核收到的包根據路由表和ARP表進行轉發處理

3.2.4 小基站網關和5G核心網/OLT的介面

5G家庭小基站通過標準N1、N2介面與核心網控制面互聯,並經由小基站網關進行信令收斂,通過標準N3介面與核心網轉發麵UPF互聯,實現用戶面數據的交互。

5G小基站子系統與5GC介面

3.2.5 智能家庭網關軟體功能設計

PON網關部分的軟體功能將完全滿足《中國電信智能家庭網關技術要求》。

下圖中,ITMS+(增強型終端綜合管理系統)是家庭網關業務的部署和控制平台,也是家庭網關設備的遠程管理平台,通過它既可以實現對家庭網關上的數據、語音、視頻、QoS等功能進行部署、管理和控制;又可以實現對家庭網關的遠程狀態查詢、故障管理、設備配置和軟體升級。EMS(網元管理系統)用於PON上行家庭網關PON介面相關的物理層及鏈路層的配置及管理。手機APP、智家平台作為互聯網操控體驗的管理手段,為用戶提供智能家庭網關及智能應用的全新配置管理方式。IPTV業務平台提供IPTV、終端桌面、應用市場、IPTV 增值業務、智能增值應用等服務。Cloud VR業務平台提供VR增值業務應用服務。

家庭網路內部各種終端通過智能家庭網關的用戶側介面與智能家庭網關進行通信,智能家庭網關對經過其的數據和應用進行轉發、控制和管理,並通過網路側介面與業務平台、ITMS+、智家平台、機頂盒終端管理平台進行交互,實現家庭網路和外部網路的通信,提供各種可管理、可控制的應用。

3.2.6 安全設計

為確保合法的一體化小基站接入網路,根據相關安全要求,一體化小基站支持標準的證書安全管理架構,一體化小基站由設備商預先提供一個公私密鑰對,並且具有預置公鑰的設備簽名的證書,一體化小基站對獲取的密鑰或證書等安全信息應存儲在通用晶元安全區域,只允許寫入安全密鑰或證書,不允許向外讀出密鑰或證書等信息,安全區域架構基於晶元廠家或ARM的Trust Zone架構實現。

對於安全證書獲取及認證流程,需遵循一體化家庭小基站設備技術要求和安全管理要求。示意圖如下:

3.2.7 擴展性設計

3.2.7.1 協議棧軟體更換擴展性

一體化小基站在進行軟體設計時對L1層軟體進行介面封裝,把高通封閉介面進行二次封裝,使小基站具備裝載中國電信自有L2和L3層軟體的能力。

圖示如下:

3.2.7.2 晶元兼容擴展性

L1層設計應具備對專用晶元進行替換的軟體基礎,具備同時採用多家ARM架構專用晶元的設計基礎。

四、總結

一個智能硬體PM不同於C端PM,智能硬體PM需要懂得產品的具體參數,並撰寫出具體產品頻數設計否則工程師無法撰寫編碼;另外智能硬體PM還要懂得產品的定義和用戶對於產品能夠實現功能的落地設計。

本文是筆者帶領的5G-AIoT團隊實現智能硬體產品設計的一個智慧家居產品。可以給智能硬體產品經理起到示範參考的標本。

#專欄作家#

連詩路,公眾號:LineLian。人人都是產品經理專欄作家,《產品進化論:AI+時代產品經理的思維方法》一書作者,前阿里產品專家,希望與創業者多多交流。

本文原創發佈於人人都是產品經理。未經許可,禁止轉載。

題圖來自Unsplash, 基於CC0協議

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