一种毫米波终端设计及其应用研究

摘 要 ：5G 被赋予为用户带来革命性体验及使能千行百业数字化转型的重任，随着大规模的商用，给传统制造、能源、交通运输、医疗、数字娱乐等行业注入了新的活力。5G 毫米波具有频谱资源丰富、带宽极大、极低时延、厘米级的高精度定位，是 5G 重点部署的关键技术。在这样一种背景下，文中进行了 5G 毫米波终端的设计，主要介绍该终端的软、硬件架构设计。该终端通过接入毫米波网络，向用户提供超大带宽的上下行网络，提供极低时延的网络体验，可广泛应用于无线宽带入户、工业互联网等场景，具有较广阔的商业应用前景。

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[1-4]。 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。

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ArmCortex-A53，最高支持1.6 GHz 处理频率，外置2GB DDR4SDRAM，最高支持1600 Mb/s 速率，支持从NOR FLASH或NAND FLASH启动，系统框图如图2所示。

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45dBm，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。

3.2.3 系统外部接口单元

终端接口丰富，支持多路1000 M及2500 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。

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[5-7]。整体逻辑架构及数据流向如图5所示。

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。

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[8-9]。典型应用场景示意如图7所示。

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 [10]。

审核编辑 ：李倩