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万字干货:5G-IoT领域智能硬件产品解决方案设计典范 ——以智慧家居产品功能应
发布时间:2021-12-02 11:25:02   作者:乐鱼体育棋牌   来源:乐鱼体育平台进入
  • 产品介绍

  5G在软件应用上会有很多产品冒出,笔者先撰写5G-IoT领域智能硬件产品的需求背景和5G智能硬件产品具体设计及智能硬件产品功能实现的产品方案。

  为了满足智慧家庭场景的5G产品发展需求,本产品通过在家庭网关融合5G能力,形成同时具有家庭网关接入能力和5G接入能力的一体化智能家庭接入终端,实现在家庭场景提供5G覆盖。

  5G小基站家庭网关集成固定宽带PON接入作为其回传,没有站址选取和建设维护等投入,因此部署5G小基站家庭网关可以大大降低网络投资;另外由于不需要网络规划,以及用户自己供电等因素,事实上也大大降低运营商对网络建设的投资。

  结合宏蜂窝网络的建设,由于小基站的部署可以减轻宏蜂窝网络的压力:即一旦用户进入小基站覆盖范围,就不再占用宏蜂窝的资源,这也间接减轻了对宏蜂窝网络的投资压力。

  智慧家庭宽带数据、小基站数据、网管数据通过VLAN隔离,家庭基站一体化架构(包括RU+DU(L1/L2)+CU(RRC/RRM/PDCP/SDAP)), 小基站网关只负责转发基站和核心网之间的数据,可以通过家庭网关网管配置管理小基站(共网管),也可以通过电信专用TR069小基站网管管理小基站(独立网管)。一体化架构CU/DU不分离,优点是区域的配置简化,降低成本。

  5G小基站家庭网关系统设备是外观简洁大方、易于安装、放置稳固的家用电信设备,支持平放和后背壁挂的安装方式。

  5G小基站家庭网关系统在逻辑上由5G小基站子系统、Wifi 6子系统、PON子系统等构成,其中5G家庭小基站是融合5G家庭网关逻辑上的一部分,与家庭网关集成合设,采用内部接口(PCIe)进行互联。系统方案如下图所示:

  5G小基站家庭网关在宽带系统的基础上提供5G的语音和数据连接业务,通过PON/OLT设备接入到小基站网关,小基站网关设备分别接入到5G核心网控制面和UPF,并通过TR069网管设备进行管理。

  小基站家庭网关总功耗在30-35W,采用有利于散热的总体ID/结构设计,两块PCB板(WIFI6和PON共板,5G SmallCell一块PCB板),立式ID有利于对流散热,也有利于多个天线的设置。

  5G小基站子系统支持3GPP SA(Stand Alone)架构组网,小基站通过NGAP接口同5G核心网之间建立连接。

  系统能够配置 PRACH 使用的时频资源、 PRACH 配置、随机前导格式和本小区使用的 PRACH 序列组等参数。

  系统支持为小区中的 UE 配置可用的 PRACH 序列组,包括根序列和循环位移版本,能够向 UE 发送随机接入反馈确认(Random Access Response Grant)。

  下行物理信道资源分配支持Type 0和Type 1的分配方式,支持下行链路自适应,根据信道质量、反馈等信息自适应调整编码等级。

  上行物理信道资源分配支持Type 0和Type 1的分配方式,支持上行链路自适应,根据信道质量、反馈等信息自适应调整编码等级。

  支持邻区切换优化,支持在小基站网关上配置并分别控制每个5G小基站覆盖区域内接入终端的允许切换目标邻区列表,以避免不必要的切换或乒乓切换。

  支持通过相关性能指标的统计评估,用于自动配置和优化调整上述小基站覆盖区域内接入终端的允许切换目标邻区列表。相关性能指标可包括但不限于以下指标:

  基站发射功率的动态范围在正常条件下为标称功率±2dB范围内,在极端条件下为标称功率±2.5dB范围内。

  频率误差是指,基站的实际发射频率和分配频率之间的误差。相同的源被用作射频频率 和数字时钟产生。测试周期需超过一个子帧的周期(1ms)。

  矢量幅度误差是测试经过均衡器之后的实际测试信号和理想信号之间的差值。这个差值被称作矢量误差。

  邻道抑制比(ACLR)是指,以分配的信道频率为中心频率的载波平均功率与相邻的信 道频率为中心频率的载波平均功率的比值。该性能要求适用于当发射机处于发射开阶段的设备。

  ACLR的定义中使用了平方滤波器,其带宽等于发射信号的发射带宽配置(BWConfig), 以分配的信道频率为中心频率。

  根据工信部无线电管理局下发工信部无函(2018)86号函要求,基站在3.5GHz频段带外 辐射应满足下表要求。

  参考灵敏度功率电平PREFSENS是指,在指定参考测量信道配置下,基站天线连接器接收到 满足吞吐量性能要求的最小平均功率。

  接收机动态范围是指,当在接收信道带宽内存在一个干扰信号时,接收机接收一个有用 信号的能力。在特定参考测量信道下,吞吐量应该满足一定的要求,动态范围性能要求中的 干扰信号类型是AWGN信号。

  信道内选择性(ICS)是指,当存在一个具有大功率谱密度的干扰信号时,接收机在分 配的资源块接收有用信号的能力。

  在特定参考测量信道下,吞吐量应该大于等于对应参考测量信道最大吞吐量的95%。干 扰信号应是NR信号。

  邻道选择性(ACS),当存在一个与有用信号间隔指定频率的相邻信道的信号时,接收 机接收在指定信道频率上的有用信号的能力。

  在特定参考测量信道下,吞吐量应该大于等于对应参考测量信道最大吞吐量的95%。干扰信号应是NR信号。

  小基站支持和安全网关之间通过IPSec建立安全的传输通道。鉴权支持EAP-AKA、IKEv2协议,支持X.509数字证书鉴权和PSK鉴权。

  2T2R:系统配置为100MHz带宽,2.5ms双周期子帧配比情况下,单用户下行峰值速率不低于600Mbps,单用户上行峰值速率不低于250Mbps。

  4T4R:系统配置为100MHz带宽,2.5ms双周期子帧配比情况下,单用户下行峰值速率不低于1.2Gbps,单用户上行峰值速率不低于250Mbps。

  小基站在IPSec隧道外层应支持IPv4单栈、IPv6单栈、IPv4和IPv6双栈,以实现和小基站网关通信。

  小基站在IPSec隧道内层也同时应支持IPv4单栈、IPv6单栈、IPv4和IPv6双栈,以实现和核心网通信

  家庭小基站设备具备漏洞软件升级的能力,可以由网管系统根据需要进行远程打补丁。其他安全要求满足国家信息技术设备安全相关要求,以及《中国电信家庭网关总体技术要求》的相关安全要求。

  基站的回传通过SGMII/SGMII连到PON系统,基站的同步通过PON系统的1PPS和TOD输出,基站同时支持GPS/北斗同步以及IEEE1588同步。

  10G PON硬件子系统,通过Serdes接口连到SOC系统,为数据提供上下行通道,10G PON硬件子系统架构如下图所示:

  10G PON硬件子系统,通过Serdes接口连到SOC系统,为数据提供上下行通道,10G PON硬件子系统架构如下图所示:

  小基站支持时间同步和频率同步,且同步精度满足:小区间空口相位误差小于±1.5us,最大3 us;在任何1个子帧(1ms)的时间内,小基站输出信号的频率误差在±0.1 ppm范围内。

  本产品设计设计中,在OLT侧由外部高精度时钟/1588服务器作为系统的时钟源,OLT板卡上的1588 Client同1588服务器同步获取ToD和1PPS,小基站家庭网关PON子系统从光信号中提取恢复时钟,并将系统的1PPS和TOD输出给小基站。时钟同步系统如下图所示:

  5G小基站OAM系统支持统一规划(组网方式,初始网管的配置,安全证书等)、统一网管(统一的软件,统一的数据模型,统一的配置)、融合网管(和家庭网关管理系统的有机融合,减少系统复杂性)。

  支持基于WebUI的本地管理维护界面和基于TR069的远程管理维护界面。WebUI和TR069两种方式都支持下列的管理维护功能.用户侧管理通过web方式提供管理服务,只对小基站自身的基本运行状态进行管理,管理功能包括:

  设备状态查看:能够查询当前小基站设备的性能占用情况,包括CPU利用率(以主CPU为准)、内存利用率、当前设备总体上下行速率(单位Mbps)、信号质量(RSRP等)、当前发射功率(毫瓦计);

  设备管理:当前设备的接入数量、去激活某个接入用户、发射功率设置(分为50mW、125mW、200mW、250mW等,默认125mW)、设备重启等。

  网管侧管理通过网管接口提供管理能力,可以实现对小基站的全部管理,包括用户侧相关的管理。主要包括:

  告警管理:实时采集系统内部生成的各种告警信息,包括硬件故障告警、硬件温度过高告警、软件故障告警、家庭网关模块故障、光纤接口故障、发射功率过低(低于50mW提示一般告警)、干扰较大(SINR、干扰电平大于某个阈值时触发)告警、接入终端数超限告警(根据网管下发接入数量阈值触发)等。

  远程升级:可以根据网管规划的远程升级策略,触发远程升级,支持的策略包括:地理区域升级策略;时间段升级策略、设备类型升级策略。

  权限管理:能够通过远程配置的方式,对用户侧管理的功能权限进行开启或则限制,能够通过远程配置调整某项管理功能为全部开启或全部关闭。

  5G家庭小基站通过标准N1、N2接口与核心网控制面互联,并经由小基站网关进行信令收敛,通过标准N3接口与核心网转发面UPF互联,实现用户面数据的交互。

  下图中,ITMS+(增强型终端综合管理系统)是家庭网关业务的部署和控制平台,也是家庭网关设备的远程管理平台,通过它既可以实现对家庭网关上的数据、语音、视频、QoS等功能进行部署、管理和控制;又可以实现对家庭网关的远程状态查询、故障管理、设备配置和软件升级。EMS(网元管理系统)用于PON上行家庭网关PON接口相关的物理层及链路层的配置及管理。手机APP、智家平台作为互联网操控体验的管理手段,为用户提供智能家庭网关及智能应用的全新配置管理方式。IPTV业务平台提供IPTV、终端桌面、应用市场、IPTV 增值业务、智能增值应用等服务。Cloud VR业务平台提供VR增值业务应用服务。

  家庭网络内部各种终端通过智能家庭网关的用户侧接口与智能家庭网关进行通信,智能家庭网关对经过其的数据和应用进行转发、控制和管理,并通过网络侧接口与业务平台、ITMS+、智家平台、机顶盒终端管理平台进行交互,实现家庭网络和外部网络的通信,提供各种可管理、可控制的应用。

  为确保合法的一体化小基站接入网络,根据相关安全要求,一体化小基站支持标准的证书安全管理架构,一体化小基站由设备商预先提供一个公私密钥对,并且具有预置公钥的设备签名的证书,一体化小基站对获取的密钥或证书等安全信息应存储在通用芯片安全区域,只允许写入安全密钥或证书,不允许向外读出密钥或证书等信息,安全区域架构基于芯片厂家或ARM的Trust Zone架构实现。

  一体化小基站在进行软件设计时对L1层软件进行接口封装,把高通封闭接口进行二次封装,使小基站具备装载中国电信自有L2和L3层软件的能力。

  L1层设计应具备对专用芯片进行替换的软件基础,具备同时采用多家ARM架构专用芯片的设计基础。

  一个智能硬件PM不同于C端PM,智能硬件PM需要懂得产品的具体参数,并撰写出具体产品频数设计否则工程师无法撰写编码;另外智能硬件PM还要懂得产品的定义和用户对于产品能够实现功能的落地设计。

  本文是笔者带领的5G-AIoT团队实现智能硬件产品设计的一个智慧家居产品。可以给智能硬件产品经理起到示范参考的标本。

  连诗路,公众号:LineLian。人人都是产品经理专栏作家,《产品进化论:AI+时代产品经理的思维方法》一书作者,前阿里产品专家,希望与创业者多多交流。

  人人都是产品经理(是以产品经理、运营为核心的学习、交流、分享平台,集媒体、培训、社群为一体,全方位服务产品人和运营人,成立9年举办在线+期,线+场,产品经理大会、运营大会20+场,覆盖北上广深杭成都等15个城市,在行业有较高的影响力和知名度。平台聚集了众多BAT美团京东滴滴360小米网易等知名互联网公司产品总监和运营总监,他们在这里与你一起成长。


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