技術文章 » 2020-09-24

2020-09-24

2020-09-26 09:00:28

萬字乾貨5G-IoT領域智慧硬體產品解決方案設計典範

——以智慧家居產品功能應用為例

 

目錄

一、綜述. 85

二、總體方案及建議. 85

2.1 5G小基站家庭閘道器網路架構. 85

2.2 系統架構設計. 86

2.3 系統整體功能設計. 87

三、功能實現方案. 95

3.1 5G小基站家庭閘道器硬體系統組成. 95

3.2 5G小基站家庭閘道器的系統組成. 99

四、總結

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

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

5G小基站家庭閘道器整合固定寬頻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小基站家庭閘道器可以大大降低網路投資；另外由於不需要網路規劃，以及使用者自己供電等因素，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-即一旦使用者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小基站家庭閘道器網路架構

5G小基站家庭閘道器在網路中的位置如下圖所示：

 

智慧家庭寬頻資料、小基站資料、網管資料通過VLAN隔離，家庭基站一體化架構（包括RU+DU(L1/L2)+CU(RRC/RRM/PDCP/SDAP)）， 小基站閘道器只負責轉發基站和核心網之間的資料，可以通過家庭閘道器網管設定管理小基站（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，優點是區域的設定簡化，降低成本。

2.2智慧硬體裝置形態和外部介面

5G小基站家庭閘道器系統裝置是外觀簡潔大方、易於安裝、放置穩固的家用電信裝置，支援平放和後背壁掛的安裝方式。

家庭閘道器和5G小基站融合智慧產品裝置形態定義如下：

專案

5G小基站家庭閘道器

網路側介面

10G-EPON/XG-PON

使用者側介面

乙太網介面

3*GE+1*2.5GE

POTS介面

1個

WLAN介面

2T2R WiFi6

USB Host

1個USB3.0

5G NR介面

2T2R內建天線

 

2.3 產品系統架構設計

5G小基站家庭閘道器系統在邏輯上由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家庭閘道器邏輯上的一部分，與家庭閘道器整合合設，採用內部介面（PCIe）進行互聯。系統方案如下圖所示：

 

5G小基站家庭閘道器在寬頻系統的基礎上提供5G的語音和資料連線業務，通過PON/OLT裝置接入到小基站閘道器，小基站閘道器裝置分別接入到5G核心網控制面和UPF，並通過TR069網管裝置進行管理。

小基站家庭閘道器總功耗在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定。

     

         結構設計                         ID設計

2.4 產品整體功能設計

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

  1. 支援下行2天線發射，每小區最大2流；支援上行2天線接收，每小區最大2流。
  2. 上下行頻段應至少支援3300MHz-3400MHz、3400MHz-3500MHz波段，支援系統頻寬100MHz。
  3. 支援下行調變方式： QPSK、16QAM、64QAM、256QAM；支援上行調變方式：π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM。
  4. 層2功能支援MAC層、RRC層、PDCP層和SDAP層功能，詳見3GPP相關章節。
      1. HARQ

系統支援的下行和上行最大重傳次數可通過網管系統進行設定。支援上下行非同步HARQ。

      1. 隨機接入

系統能夠設定 PRACH 使用的時頻資源、 PRACH 設定、隨機前導格式和本小區使用的 PRACH 序列組等引數。

系統支援為小區中的 UE 設定可用的 PRACH 序列組，包括根序列和迴圈位移版本，能夠向 UE 傳送隨機接入反饋確認（Random Access Response Grant）。

系統支援根據小區覆蓋範圍，設定邏輯根序列索引、零相關區間(Ncs)引數。

      1. 無線資源管理與排程

下行物理通道資源分配支援Type 0和Type 1的分配方式，支援下行鏈路自適應，根據通道品質、反饋等資訊自適應調整編碼等級。

上行物理通道資源分配支援Type 0和Type 1的分配方式，支援上行鏈路自適應，根據通道品質、反饋等資訊自適應調整編碼等級。

上下行排程演演算法支援最小週期為slot的動態排程。

支援上下行頻選、非頻選排程。

      1. 功率控制

支援對下行的CSI-RS、PDCCH、PDSCH和SSB做靜態功率設定。

支援上行的PUSCH、PUCCH、PRACH的功率控制。

支援msg3的功率控制。

支援功率控制引數P0、alpha等可配。

  1. RRC層功能
      1. 系統訊息

能夠向UE傳送必需的基本的系統訊息和其他訊息。

      1. RRC

系統支援RRC連線功能，包括

  • RRC連線的建立、重配、重建及釋放
  • 資料承載建立、重配和釋放
  • RRC的狀態轉換
      1. 安全

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

      1. 尋呼

系統支援從網路側發起的尋呼功能。

      1. 承載

支援SRB0， SRB1， SRB2的建立與釋放。

支援DRB的建立和釋放，支援給每個UE建立8個DRB，每個DRB可獨立設定RLC模式。

支援PDU session的建立、釋放和修改。

小基站應支援如下承載：

信令承載

無線承載功能

 

SRB0

 

SRB1

 

SRB2

資料承載

AM DRB

 

UM DRB

      1. QoS

支援基於不同業務的差異化服務。

支援使用者優先順序的差異化服務。

業務型別

要求

註釋

對談類語音VoNR

必選

5QI 1（GBR）

對談類視訊ViNR

必選

5QI 2（GBR）

實時遊戲或V2X訊息

可選

5QI 3（GBR）

非對談類視訊

必選

5QI 4（GBR）

IMS信令

必選

5QI 5（non-GBR）

緩衝視訊流或基於TCP的資料業務

必選

5QI 6或8（non-GBR）

語音、視訊、互動類遊戲

必選

5QI 7（non-GBR）

5G的其他GBR和non-GBR業務

待定

 

 

      1. 測量

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

支援基於CSI-RS和SRS做通道品質測量。

測量功能

註釋

RRC_CONNECTED狀態下基於SSB

的同頻測量

服務小區與鄰區的SSB的中心頻率相同，並且兩個

SSB的子載波間隔也相同

設定 UE 上

基於SS/PBCH  Block(s)

Measurement

results

per

cell

based

on

SS/PBCH

報  基 於

SS/PBCH

Block 的測 量資訊

的cell級測量結果

block(s).

每個SS/PBCH  Block(s)

的測量結果（可選）

Measurement results per SS/PBCH block

SS/PBCH Block(s)  的

index（可選）

SS/PBCH block(s) indexes

設定 UE 上

報  基 於

CSI-RS  的

測量資訊

基於CSI-RS(s)的cell級

測量結果（可選）

Measurement    results    per    cell    based    on CSI-RS

resource(s).

每個 CSI-RS 資源的測 

量結果（可選）

Measurement results per CSI-RS resource.

週期型觸發測量報告（可選）

 

事件觸發 測 量

報告

觸發機制A1~A6

A3必選

其它可選

觸發機制B1~B2

B1、B2二選一必選

NSA：eNB進行測量設定、接收測量報告 SA：gNB測量設定、接收測量報告

測量系統 內 參

數

SS-RSRP

基於SS/PBCH block的測量

    
      1. 行動性管理

支援系統內和系統間的行動性管理，包括小區選擇、小區重選、同頻切換、異頻切換等。

支援鄰區切換優化，支援在小基站閘道器上設定並分別控制每個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。

支援通過相關效能指標的統計評估，用於自動設定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。相關效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

  1. RF指標
      1. 發射功率

裝置的5G通道標稱發射功率（單通道）支援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。

      1. 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

RE 使用的調變方式

下行RE功率控制範圍(dB)

上行RE功率控制範圍(dB)

QPSK (PDCCH)

-6

+4

QPSK (PDSCH)

-6

+3

16QAM (PDSCH)

-3

+3

64QAM (PDSCH)

0

0

256QAM(PDSCH)

0

0

      1. 總髮射功率動態範圍

在100Mhz頻寬下，基站的總髮射功率動態範圍大於等於24.3dB。

      1. 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。

      1. 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 和數位時鐘產生。測試周期需超過一個子幀的週期（1ms）。

頻率誤差效能要求小於±0.1ppm 。

      1. 向量幅度誤差EVM

向量幅度誤差是測試經過均衡器之後的實際測試訊號和理想訊號之間的差值。這個差值 被稱作向量誤差。

對於不同調變方式的PDSCH的EVM值應該優於下表中所給出的限值。

PDSCH 的調變方式

要求的 EVM [%]

QPSK

17.5 %

16QAM

12.5 %

64QAM

8 %

256QAM

3.5%

      1. 鄰道洩漏比（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。該效能要求適用於當發射機處於發射開階段的裝置。

ACLR的定義中使用了平方濾波器，其頻寬等於發射訊號的發射頻寬設定（BWConfig）， 以分配的通道頻率為中心頻率。

ACLR的限值為45dB。

      1. 頻譜發射模板

工作頻帶發射功率不應超過下表中的值。

測量濾波器的 3dB 截止點的頻率偏置Df

測量濾波器中心頻點的頻率偏置, f_offset

最小要求

測量頻寬

0 MHz £Df < 5 MHz

0.05MHz £ f_offset < 5.05MHz

 

100 kHz

5 MHz £ Df < min(10MHz, Δfmax)

5.05 MHz £ f_offset <min(10.05 MHz, f_offsetmax)

-37 dBm

100 kHz

10 MHz £ Df £ Dfmax

10.05 MHz £ f_offset <f_offsetmax

-37 dBm

100 kHz

      1. 雜散發射

雜散發射的功率不應該超過下表中的限值。

頻率範圍

最大電平

測試頻寬

9kHz - 150kHz

-36dBm

1 kHz

150kHz - 30MHz

-36dBm

10 kHz

30MHz - 1GHz

-36dBm

100 kHz

1GHz - 12.75 GHz

-30dBm

1 MHz

 

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。  

頻率範圍

無用發射限制（每通道）

測量頻寬

檢波方式

3650-3700MHz

小於-35dBm

1MHz

有效值(RMS)

3700-4200MHz

小於-56dBm

1MHz

有效值(RMS)

      1. 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設定下，基站天線聯結器接收到 滿足吞吐量效能要求的最小平均功率。

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

      1. 接收動態範圍

接收機動態範圍是指，當在接收通道頻寬記憶體在一個干擾訊號時，接收機接收一個有用 訊號的能力。在特定參考測量通道下，吞吐量應該滿足一定的要求，動態範圍效能要求中的 干擾訊號型別是AWGN訊號。

裝置接收的動態範圍應該滿足下表的要求。

E-UTRA通道帶[MHz]

參考測量通道

有用訊號電平[dBm]

干擾訊號平均功率[dBm]/BWConfig

干擾訊號型別

100

G- FR1-A2-5

-56.5

-61.1

AWGN

      1. 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訊號時，接收機在分 配的資源塊接收有用訊號的能力。

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%。幹 擾訊號應是NR訊號。

裝置ICS的要求滿足下表的要求。

NR通道頻寬(MHz)

子載波間隔(KHz)

參考測量通道

有用訊號電平(dBm)

干擾訊號平均功率

(dBm)/BWConfig

干擾訊號型別

100

30

G-FR1-A1-5

-84.6

-63.4

DFT-S-OFDM NR SCS 30KHz,51 PRB

      1. 鄰道選擇性（ACS）和窄頻阻塞

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

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%。干擾訊號應是NR訊號。

裝置的鄰道選擇性滿足下表要求。

最低(最高)NR通道帶[MHz]

有用訊號平均功率(dBm)

干擾訊號平均電平[dBm]

干擾訊號中心頻率到較低（或最高）射頻頻寬（頻率子塊）邊緣的偏移量

干擾訊號型別

100

-81.6

-44

9.535

20Mhz DFT-S-OFDM

NR訊號 SCS：15Khz

      1. 帶內阻塞

裝置的窄頻阻塞效能要求：有用訊號平均功率-81.6dBm，干擾訊號平均功率-41dBm。

      1. 帶外阻塞

裝置的一般阻塞要求滿足下表要求。

干擾訊號平均功率 [dBm]

有用訊號平均功率[dBm]

干擾訊號型別

-15

-81.6

連續波

  1. 同步要求

小基站應支援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，小基站輸出訊號的頻率誤差必須在±0.1 ppm範圍內。
  • 支援通過PON時鐘進行同步（小基站和家庭閘道器合設時必須支援）；
  1. VoNR支援

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

  1. 安全回傳

小基站支援和安全閘道器之間通過IPSec建立安全的傳輸通道。鑑權支援EAP-AKA、IKEv2協定，支援X.509數位憑證鑑權和PSK鑑權。

  1. 系統容量

支援1個2T2R或4T4R、100MHz頻寬小區的處理能力。

支援32個啟用使用者和64個連線使用者。

  1. 峰值速率

2T2R：系統設定為100MHz頻寬，2.5ms雙週期子幀配比情況下，單使用者下行峰值速率不低於600Mbps，單使用者上行峰值速率不低於250Mbps。

4T4R：系統設定為100MHz頻寬，2.5ms雙週期子幀配比情況下，單使用者下行峰值速率不低於1.2Gbps，單使用者上行峰值速率不低於250Mbps。

  1. 支援網路切片

網路切片功能

功能說明

接入網感知切片

小基站能夠為不同的切片提供不同的接入網網路功能選擇和流量處理

接入網支援切片核心網網元的選擇

小基站基於UE通過RRC傳遞的Temp ID（即5G-TMSI）或者切片輔助資訊（網路切片選擇輔助資訊NSSAI），選擇AMF

重定向

支援AMF的重定向

切片間的資源管理

單個接入網節點支援多個接入網子切片，接入網支援基於切片SLA對應的切片需求資訊，實現切片之間的資源分配和排程

切片內的QoS處理

小基站支援切片內流量的QoS區分

切片間資源隔離

小基站支援不同切片的資源隔離，避免在共用的無線資源池中，一個切片的資源的不足影響其它切片SLA的實現，能夠保證某個切片專用額定無線接入網路資源

切片可用性管理

小基站支援切片可用性，即允許切片在網路做區域性部署，不同網路站點、小區設定支援不同的切片，鄰近小區需要感知彼此的切片設定。接入網路能夠根據切片可用性、資源是否足夠等因素，決策切片的接納或拒絕等處理

UE同時接入多切片

小基站支援單終端同時接入多切片，信令單連線，資料可以多連線

SLA測量和監控

須支援切片粒度的相關統計：至少包括切片級的上下行吞吐量、切片級的上下行時延、切片級的使用者數等；

行動性和管理

須支援切片感知的行動性和管理，包括Xn、NG切換流程

 

  1. 支援IPv6

小基站在IPSec隧道外層應支援IPv4單棧、IPv6單棧、IPv4和IPv6雙棧，以實現和小基站閘道器通訊。

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

  1. Wi-Fi子系統支援Wi-Fi6標準，並且支援2.4GHz及5GHz頻段（2*2 2.4G 11ax + 2*2 5Ghz 11ax）。
  2. PON子系統10G PON回傳，4個LAN口。
  3. 支援滿足《中國電信智慧家庭閘道器技術要求》規範要求。
  4. 環境要求

裝置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℃。

溫度(℃)

相對溼度(％)

大氣壓力（KPa）

-5~45

10~95

86~106

  1. 可靠性要求

年故障率低於2%。

  1. 抗電磁干擾能力

滿足《中國電信家庭閘道器總體技術要求》

  1. 本身產生的電磁干擾要求

滿足《中國電信家庭閘道器總體技術要求》

  1. 過壓過流保護

滿足《中國電信家庭閘道器總體技術要求》

  1. 安全要求

家庭小基站裝置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端打修補程式。其他安全要求滿足國家資訊科技裝置安全相關要求，以及《中國電信家庭閘道器總體技術要求》的相關安全要求。

 

三、智慧硬體功能實現解決方案

3.1 5G小基站家庭閘道器智慧硬體系統組成

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，協定棧(L2)執行在NXP的4*A53 @1.6Ghz CPU LS1043上，基頻晶片FSM10056是符合Sub-6G標準（3GPP Rel 15 5G NR）的物理層基頻處理器，支援Sub-6G TDD模式，採用10ns工藝；整合Arm Cortex-A7處理器，主頻800 MHz；整合Qualcomm® Hexagon™ DSP處理器，主頻866Mhz；整合2Gbit LPDDR4x記憶體，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，基站同時支援GPS/北斗同步以及IEEE1588同步。

 

小基站子系統規格如下：

Parameters

Spec

Interface

1Gbps SGMII/RGMII/Eth

Band

3.5G Band: 3300-3600MHz

Bandwidth

100Mhz

MIMO

2T2R

TX Power

Max 21±2dBm per Port

EVM

64QAM: <5%   256QAM: <3.5%

RX sensitivity

<-90dBm

ACLR

<-47dBc

Antenna

Internal

Temperature

-5℃～+40℃

Power Consumption

<15W

TTI

0.5ms

Users

16 Active/32 Conn users

Peak throughput

DL 735Mbps/UL 280Mbps, 2.5ms雙週期幀(DDDSU-DDSUU)

DL 750Mbps/UL 170Mbps, 5ms單週期(DDDDD DDSUU)

Sync

External 1pps/ToD

 

3.1.2 WIFI6智慧硬體子系統

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 晶片的PON系統解決方案。

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

 

RGMII/SGMII

4xGE

1PPS

PCIe

PCIe

10G PON

VoIP

USB2.0

TOD

 

10G PON

SOC

BCM68560筆者微信firstbodytm

LD/LA

GN28L95

BOSA

SerDes

VoIP

ISI/PCM

RJ11

 

 

 

 

                                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10G PON子系統規格指標如下

Parameters

Spec

TX Data Rate

2488.32Mbps

TX Center Wavelength Range

1260~1280nm

TX Spectral Width(@-20dB)

<1nm

Launch Optical Power

+2~+7dBm

Off level light

<-45dBm

Burst turn on/off time

<32bit

Extinction Ratio

>8.2dB

Eye Diagram

Compliant with ITU-T G.987.2

RX Data Rate

9953.28Mbps

RX Center Wavelength Range

1575~1580nm

Receiver Sensitivity

<-28.0dBm

Overload Input Optical Power

>-8.0dBm

LOS(Optical Dessert)

<-29.0dBm

LOS(Optical Assert)

>-44.0dBm

LOS Hysteresis

0.5~6dBm

 

 

 

 

3.1.3 10G PON智慧硬體子系統

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 晶片的PON系統解決方案。

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

 

RGMII/SGMII

4xGE

1PPS

PCIe

PCIe

10G PON

VoIP

USB2.0

TOD

 

10G PON

SOC

筆者微信firstbodytm

LD/LA

GN28L95

BOSA

SerDes

VoIP

ISI/PCM

RJ11

 

 

 

 

                                                         

 

 

 

 

 

 

10G PON子系統規格指標如下

Parameters

Spec

TX Data Rate

2488.32Mbps

TX Center Wavelength Range

1260~1280nm

TX Spectral Width(@-20dB)

<1nm

Launch Optical Power

+2~+7dBm

Off level light

<-45dBm

Burst turn on/off time

<32bit

Extinction Ratio

>8.2dB

Eye Diagram

Compliant with ITU-T G.987.2

RX Data Rate

9953.28Mbps

RX Center Wavelength Range

1575~1580nm

Receiver Sensitivity

<-28.0dBm

Overload Input Optical Power

>-8.0dBm

LOS(Optical Dessert)

<-29.0dBm

LOS(Optical Assert)

>-44.0dBm

LOS Hysteresis

0.5~6dBm

 

3.2 5G小基站智慧家居閘道器的系統組成

3.2.1 時鐘同步系統

小基站支援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，小基站輸出訊號的頻率誤差在±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，小基站家庭閘道器PON子系統從光訊號中提取恢復時鐘，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系統支援統一規劃（組網方式，初始網管的設定，安全證書等）、統一網管（統一的軟體，統一的資料模型，統一的設定）、融合網管（和家庭閘道器管理系統的有機融合，減少系統複雜性）。

支援基於WebUI的本地管理維護介面和基於TR069的遠端管理維護介面。WebUI和TR069兩種方式都支援下列的管理維護功能.使用者側管理通過web方式提供管理服務，只對小基站自身的基本執行狀態進行管理，管理功能包括：

裝置狀態檢視：能夠查詢當前小基站裝置的效能佔用情況，包括CPU利用率（以主CPU為準）、記憶體利用率、當前裝置總體上下行速率（單位Mbps）、訊號品質（RSRP等）、當前發射功率（毫瓦計）；

裝置管理：當前裝置的接入數量、去啟用某個接入使用者、發射功率設定（分為50mW、125mW、200mW、250mW等，預設125mW）、裝置重新啟動等。

Web服務：提供使用者側自管理的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，包括使用者側相關的管理。主要包括：

告警管理：實時採集系統內部生成的各種告警資訊，包括硬體故障告警、硬體溫度過高告警、軟體故障告警、家庭閘道器模組故障、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。

設定管理：通過網管下發統一設定，如發射功率的統一設定、接入終端數量限制的統一設定；

遠端升級：可以根據網管規劃的遠端升級策略，觸發遠端升級，支援的策略包括：地理區域升級策略；時間段升級策略、裝置型別升級策略。

許可權管理：能夠通過遠端設定的方式，對使用者側管理的功能許可權進行開啟或則限制，能夠通過遠端設定調整某項管理功能為全部開啟或全部關閉。

其他管理參照裝置技術要求和網管規範。

3.2.3 5G小基站協定棧軟體

LineLian連詩路繪製5G小基站軟體系統框圖筆者微信firstbodytm

 

5G一體化基站協定棧軟體分為兩部分：

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

軟體模組概要說明：

  • L3控制麵包括RRC/RRM/SON等元件，執行在OSA抽象層之上；
  • 為了滿足5G高速率，低延遲的要求，L2和使用者面的程式碼執行在DPDK平臺之上；
  1. CPU Core分成Master和Worker等2種
  • 1個Master Core（可以是Linux系統core），執行管理軟體模組
  • 1個Worker Core執行跟介面有關的處理(eth,PCIe,加密)
  • 1個或多個Worker Core執行實際的業務處理，比如排程器，RLC
  1.   DPDK接管回傳網路卡硬體和加密加速硬體，支援VLAN
  2. 建立一個RawDevice或一個Service，包裝Modem的DP/MHI/PCIe介面
  3. 構建一個簡化IP V4/V6棧，支援ARP，ICMP，nDisc，分段，路由，轉發
  4. 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介面傳送到Linux核心處理，從核心收到的包根據路由表和ARP表進行轉發處理

3.2.4 5G小基站閘道器和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，並經由小基站閘道器進行信令收斂，通過標準N3介面與核心網轉發面UPF互聯，實現使用者面資料的互動。

 

連詩路LineLian繪製5G小基站子系統與5GC介面微信firstbodytm

 

3.2.5 智慧家庭閘道器軟體功能設計

PON閘道器部分的軟體功能將完全滿足《中國電信智慧家庭閘道器技術要求》。

下圖中，ITMS+（增強型終端綜合管理系統）是家庭閘道器業務的部署和控制平臺，也是家庭閘道器裝置的遠端管理平臺，通過它既可以實現對家庭閘道器上的資料、語音、視訊、QoS等功能進行部署、管理和控制；又可以實現對家庭閘道器的遠端狀態查詢、故障管理、裝置設定和軟體升級。EMS（網元管理系統）用於PON上行家庭閘道器PON介面相關的物理層及鏈路層的設定及管理。手機APP、智家平臺作為網際網路操控體驗的管理手段，為使用者提供智慧家庭閘道器及智慧應用的全新設定管理方式。IPTV業務平臺提供IPTV、終端桌面、應用市場、IPTV 增值業務、智慧增值應用等服務。Cloud VR業務平臺提供VR增值業務應用服務。

家庭網路內部各種終端通過智慧家庭閘道器的使用者側介面與智慧家庭閘道器進行通訊，智慧家庭閘道器對經過其的資料和應用進行轉發、控制和管理，並通過網路側介面與業務平臺、ITMS+、智家平臺、機上盒終端管理平臺進行互動，實現家庭網路和外部網路的通訊，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，一體化小基站支援標準的證書安全管理架構，一體化小基站由裝置商預先提供一個公私金鑰對，並且具有預置公鑰的裝置簽名的證書，一體化小基站對獲取的金鑰或證書等安全資訊應儲存在通用晶片安全區域，只允許寫入安全金鑰或證書，不允許向外讀出金鑰或證書等資訊，安全區域架構基於晶片廠家或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裝置技術要求和安全管理要求。示意圖如下：

                       連詩路LineLian繪製如下

 

3.2.7擴充套件性設計

1、協定棧軟體更換擴充套件性

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：

 

2、晶片相容擴充套件性

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

 

四、總結

一個智慧硬體PM不同於C端PM，智慧硬體PM需要懂得產品的具體引數，並撰寫出具體產品頻數設計否則工程師無法撰寫編碼；另外智慧硬體PM還要懂得產品的定義和使用者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團隊實現智慧硬體產品設計的一個智慧家居產品。可以給智慧硬體產品經理起到示範參考的標本。