CN116170032A - 轻量化5g模组及其配电终端 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种轻量化5G模组及其配电终端，其中，轻量化5G模组包括：电源管理子系统，用于支持模组供电；通信子系统，用于实现5G通信功能；应用子系统，用于开发电力业务适配协议，通过核间消息与通信子系统进行通讯；多模射频子系统，用于实现射频收发，裁剪制式频段进行射频通讯；其中，通信子系统与配网数据网络之间进行二次认证。配电终端包括轻量化5G模组，用以与配电主站通信。本申请的有益效果：通过接收到射频信号后裁剪非必要的通信制式频段，从而减少相关的PA、RF开关等射频前端元器件，裁剪后的射频信号再通过二次认证不仅提高了网络通讯安全性还减少了认证时间，降低模组的功耗、复杂度，从而降低模组占用空间，适用面更广。

Description

轻量化5G模组及其配电终端

技术领域

本申请涉及电网通信配置领域，尤其涉及一种轻量化5G模组及其配电终端。

背景技术

随着城、农网改造的不断深化，在10kV配电网的运行中，供电的可靠性和安全性在不断提高，整个配网中故障和事故率已有所降低，但由于各类分段开关、支线开关的故障保护功能不同，10kV分支线路事故引发主干线停电的比率却在不断升高，因分支线路的故障及保护配合不当而波及整条10kV线路停电的事故时有发生。然而，现阶段一二次融合柱上开关多通过4G接入，通过公网通信安全性难以得到保障，且延时高，难以通过远程遥控进一步提升架空线路供电可靠性。

采用具有高速率、大容量、低时延和高可靠等特点的5G通信模块，可满足配电网智能设备可靠性、高安全性的要求。在配电领域，以低功耗的5G通信技术为基础可以支持实现开关遥控的实时性、配电线路运行状态监测的在线性、故障研判反馈的及时性。此外，在电力通信基础设施建设领域，通信网将不再局限于有线方式，尤其在相对偏远的山地、水域等复杂地区，5G网络部署相比有线方式成本更低，部署更快。

传统的配电终端和5G CPE通信装置是独立设备，两者通过以太网接口连接传输数据。5G CPE装置包括ARM芯片、Linux操作系统、5G模组。这种设计下的装置结构不仅体积大，占用安装空间；并且该装置采用CPU+5G架构进行设计，当ARM芯片搭载Linux操作系统运行时功耗大，系统整机功耗在10W左右，功耗高，且不利于户外取电使用。现状安装方式是5G配电终端通过外置5G CPE连接，配电终端通过外置PT取电，产品安装尺寸较大。

采用5G通信的配电网设备可以充分发挥5G通信低延时，高带宽，高安全性的优点，但其功耗较大且配电终端产品由于自身的计算与存储资源有限，缺少足够的防护，随着种类与数量的增多又势必带来更多的漏洞，因此攻击者很容易侵入到电网设备中实施干扰、监视甚至远程控制。

中国专利《一种基于5G网络切片的电力物联网安全管理方法及系统》，公开号：CN112616124A，公开日：2021年04月06日，公开了5G运营商基于配电自动化终端发送的认证请求进行身份与权限认证；根据身份与权限认证结果，基于所判断的切片类型的相关参数和安全需求及基于配电自动化中需要的特殊安全服务，形成安全配置文件；编排安全配置文件到相应的网络切片当中；利用人工神经网络算法对所采集的安全数据进行训练，构建切片安全模型，得到安全控制策略，根据安全控制策略对安全配置文件进行调整和更新，实现电力物联网的安全管理，然而大量射频信号以及网络数据的输入会加大5G模组的功耗，从而使得必须采用较大的5G CPE通信装置，适配范围大大降低。

发明内容

本申请针对现有技术中无法兼顾安全性以及轻量化的问题，提出一种轻量化模组，通过接收到射频信号后裁剪非必要的通信制式频段，从而减少相关的PA、RF开关等射频前端元器件，裁剪后的射频信号再通过二次认证不仅提高了网络通讯的安全性还减少了认证时间，降低芯片及模组的功耗、复杂度，从而降低模组占用空间，适用面更广。

为实现上述技术目的，作为本申请的第一方面，提供的一种轻量化5G模组，包括：电源管理子系统，用于支持模组供电；通信子系统，用于实现5G通信功能；应用子系统，用于开发电力业务适配协议，通过核间消息与通信子系统进行通讯；多模射频子系统，用于实现射频收发，裁剪制式频段进行射频通讯；其中，通信子系统与配网数据网络之间进行二次认证。

可选的，电源管理子系统包括宽电压输入、保护、低功耗模式支持以及开关机。

可选的，通信子系统包括通信处理器以及5G协议栈，用以实现空中写卡、锁卡、锁网以及语音服务。

可选的，应用子系统包括应用处理器，用以实现基带芯片驱动、系统支撑、调试软件以及应用软件的功能。

可选的，多模射频子系统包括多模射频芯片、射频前端、低噪放大器、混频器以及滤波器，通过裁剪非必要的通信制式频段以实现模组轻量化。

可选的，通信处理器与应用处理器设于同一基带芯片，以通过核间消息相互通讯。

可选的，基带芯片与多模射频子系统通讯连接，多模射频子系统接收到射频信号后输送至基带芯片，基带芯片通过5G协议栈与用户端之间建立通讯。

可选的，通信子系统对于物理网络切分为多个虚拟网络，用以实现单服务单虚拟网络的功能；通信子系统接收用户端的接入认证后，通过二次验证协议进行二次验证以确保信息安全。

可选的，射频前端与多模射频芯片相互通讯连接，以对通信制式频段进行裁剪输送至多模射频芯片。

作为本申请的第二方面，还提供一种配电终端，包括上述任意一种轻量化5G模组，用以与配电主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数。

本申请的有益效果：通过接收到射频信号后裁剪非必要的通信制式频段，从而减少相关的PA、RF开关等射频前端元器件，裁剪后的射频信号再通过二次认证不仅提高了网络通讯的安全性还减少了认证时间，降低芯片及模组的功耗、复杂度，从而降低模组占用空间，适用面更广。

附图说明

图1为本申请轻量化5G模组一种实施例情况下的结构示意图。

图2为如图1所示一种实施例情况下的具体结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本申请的一种最佳实施例，仅用以解释本申请，并不限定本申请的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，作为本申请的第一方面，本申请提供一种轻量化5G模组，包括电源管理子系统、通信子系统、应用子系统、多模射频子系统以及外部接口。通信子系统包括通信处理器以及5G协议栈用以实现空中写卡、锁卡、锁网、语音等5G高层服务功能；应用子系统包括应用处理器用以实现基带芯片驱动、系统支撑、调试软件、应用软件等功能，电力业务适配协议在此系统中开发，并通过核间消息与通信子系统的通信处理器通信；多模射频子系统包括多模射频芯片、射频前端、低噪放大器、混频器以及滤波器等子结构，用于实现射频收发，支持2G/3G/4G/5G(可裁剪)等各种制式频段的射频通信；电源管理子系统，用于支持模组的供电，包括宽电压输入、保护、低功耗模式支持、多种开机方式等；外设接口包括UART串口、USB、FE/GE网口、SPI、I2C、USIM等接口。

可选的，采用eSIM芯片支持模组借助电力5G安全代理SDK与电力5G终端管控平台的连接管理，以及电力业务终端国内运营商异网灵活切换。

由于绝大部分电力业务使用SIM卡为运营商提供的电力专用APN的物联网卡，该SIM卡已不支持附着2G、3G网络，且随着2G、3G的逐步退网，因此本申请通过多模射频子系统裁剪相关的2G、3G网络通信制式频段，从而减少PA、RF开关等射频前端元器件，裁剪基带及射频Transceiver芯片有关2G、3G功能模块，可以减少芯片及模组的功耗、复杂度、面积、成本，以及研发投入。

作为优选方案，同时简化双链接删除NSA模式，以适配当前5G网络的覆盖增强的应用环境，5G SA制式即可满足电力业务通信需求，还能降低芯片加速器的复杂程度，降低基带芯片功耗、成本，节省4G功耗，提高模组轻量化程度的同时满足网络通讯的需求。

同时，由于对于网络通信制式频段的裁剪，将芯片支持的带宽由最大100MHz缩减至20MHz，即可满足绝大部分电力应用场景的需求，还可以减少射频和基带芯片复杂度、降低芯片功耗和成本。

如图2所示，具体的，通信处理器与应用处理器位于同一基带芯片，便于两者之间核间通讯，且可以共享内存，通过中断协调同步，实现高效通讯，同时，射频信号裁剪从而降低信号传输内容容量也为共享内存提供了实际操作能力，降低了内存需求，从而降低基带芯片需要的承载能力，降低成本，适用于更多的应用环境。

作为进一步的技术方案，多模射频芯片与轻量射频前端通讯连接，优选的，采用MIMO通讯，MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)，指通过使用多个天线在同一信道上同时发送和接收多个数据流来提升数据传输速率。轻量射频前端接收到天线所传输的射频信号后，输入至射频收发芯片，以对于射频信号进行非必要通信制式频段的裁剪，裁剪后的射频信号进入5G基带芯片，进行认证以及对应服务的执行，并存储至轻量存储单元，从而实现控制信息的准确执行。

与此同时，对于裁剪了非必要通信制式频段的通讯信息，简化小区切换和网络漫游的复杂算法，可大幅度优化协议栈功能和性能，降低芯片内部协议处理器算力要求，降低处理器功耗、成本，从而适用于电力应用智能开关业务为静态、低速场景，扩大了适用面的同时降低了制作成本。

优选的，轻量化5G模组还包括时钟单元，时钟单元与电源管理芯片电性连接，时钟单元可以对于射频收发以及信息存储等操作进行对时以及计时，便于多输入信号的统一输出或存储数据的按时间调用。

可选的，为便于实际的应用，网络制式至少包括5G NR、FDD-LTE以及TD-LTE，其中5G NR至少包括n1,n28,n41,n78,n79等频段，FDD-LTE至少包括B1,B3,B5,B8等频段，TD-LTE至少包括B34,B38,B39,B40,B41等频段。

可选的，5G基带芯片还与ESIM进行通讯，ESIM就是电子化的SIM卡，是一个数据文件，可通过网络下载到移动终端，从而保证5G基带芯片与外设的网络连接。

具体的，FR1频段内，FDD从2RX到1RX，TDD从4RX到2RX，TX保持1路，最大支持1T2R、最大2层MIMO。通过精简射频通道，成倍减少射频前端滤波器、开关、低噪声放大器等结构，发射功率放大器也从两路精简为1路，进而实现模组结构组成的减少，减少模组的面积、降低模组功耗和成本，适配于更多不具备较大面积装设的环境，同时，模组内部实现4G/5G频段天线合一，最终天线数量由4根降至2根或1根，节省了射频前端通路器件的同时功耗也得以降低，接口速率降低，减少信道估计、均衡的复杂度，进一步降低译码器电路的规模，从而减少基带芯片面积、降低芯片功耗和成本。

可选的，轻量化5G模组还包括存储芯片，存储芯片(Memory)配置为4Gbit LPDDR4X+2Gbit Nand FLASH合一的MCP，在保证模组功能不受影响并满足业务性能需求的前期下，降低Memory功耗和成本，同时减小模组尺寸，实现轻量化。

具体的，新一代5G移动通信标准主要分为R15、R16两个阶段，R15标准重点满足增强移动宽带(eMBB)和低时延高可靠(URLLC)应用需求，R16标准进一步满足大连接低功耗场景(mMTC)，全部满足完整的5G标准。由于本申请降低了接收通道，通信速率需求相应降低，对于电力业务通信速率需求在下行100Mbps/上行50Mbps，支持下行1.5Gbps/上行300Mbps的R15完全能够满足，去掉芯片相应部分的加速器，也能够达到轻量化芯片通信速率需求。与之对应的是调制阶数的相应降低，R15采用上行最高64QAM，下行最高256QAM调制，轻量化方案采用上行最高16QAM，下行最高64QAM设计去掉芯片相应部分的加速器，达到轻量化芯片通信速率需求，而降低基带芯片的功耗和成本。

随着云计算、智能电网等技术的兴起，配电终端越来越多，所处位置与环境复杂，情况多变，使得网络安全边界越来越模糊。另外，配电终端产品由于自身的计算与存储资源有限，缺少足够的防护，随着种类与数量的增多又势必带来更多的漏洞，因此攻击者很容易侵入到电网设备中实施干扰、监视甚至远程控制。作为优选的方案，通信子系统根据不同的服务需求把运营商的物理网络切分成多个虚拟网络，这就避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络，从而大大节省了部署的成本。同时，引入二次认证，通过5G的二次认证体系，结合自研电力安全芯片，构建满足不同电力业务安全隔离需求的5G网络和切片，以运营商5G网络为依托，通过部分公网资源的独享专用，并充分利用电力专网资源，实现电力与运营商5G的融合组网，确保通信子系统的安全接入，稳定运行，满足电力业务总体安全战略。

具体的，5G模组接收到信号后，向认证方进行身份验证，认证方存储有对称密码体制的二次认证协议，5G模组与数据网络之间通过基于EAP框架的二次认证进行信息的传递，具有二次认证协议的认证方向5G模组请求足够多的信息以确定要使用的身份认证方法，并输送至身份认证服务器以实现各种身份认证方法，认证方只需在客户端和后端认证服务器之间透传消息。

可选的，认证方可以为存储于通信处理器的5G协议栈，通过5G协议栈对于接收到的射频信号进行认证，避免传输非安全性的数据信息，确保数据安全性的同时提高了认证效率以及认证灵活性。

可选的，身份认证服务器为AAA服务器。

现阶段的5G切片不是专门为电网业务设计的，在使用过程中存在资源匹配度不高的问题。本申请通过5G切片、二次认证以及裁剪射频信号的结合，使得5G切片技术适配于当前应用环境，通过裁剪射频信号以及基带芯片的共享内存设置，补偿了5G切片后多模拟网络二次认证计算所带来的内存需求增大的问题，提升了5G切片的资源匹配度，同时精简了边缘计算功能，降低模组功耗的同时提高模组的安全性、可靠性以及运行速率，避免电网资源浪费，确保业务正常可靠运行的同时，把5G技术与业务深度融合，共同组成电网有机组成部分，从而进一步提高电网业务的运行效能。

作为本申请的第二方面，本申请还提供一种配电终端，包括如上述任意一种实施例情况下的轻量化5G模组，用以与配电主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数。

具体的，电网中一二次融合柱上开关通过轻量化5G模组接入配电终端，配电终端接收到配电主站下发的命令，并通过轻量化5G模组调节和控制配电设备，实现对配电设备远程遥控，由于轻量化5G模组与配电终端的融合，实现了低功耗小体积下的5G传输功能，从而适配于由于地理环境限制、安装空间较小的区域，方便配电终端的运输与安装，适合多山地、多水域情况下的配电系统构建。同时，低功耗的实现可以使配电终端满足于较低供电能力的一二次融合开关，不仅实现了高速通讯、安全通讯，还避免了过高的电源容量需求，适配范围更广，结构简单。

如表1所示，本申请对于配电终端进行了实际应用与测试，查看并记录动作前后开关状态、主站显示状态、变电站出线开关状态；记录故障启动时间、故障定位切除时间，隔离完成时间、非故障区域恢复时间，计算过程时间。

表1配电终端测试数据

由表1可知，5G通信技术与配电终端的融合，充分发挥5G通信的技术优势，通过低功耗的通信模块，开发多种信息化解决方案，提升了电网的智能化水平，满足了智能电网发展的互动化需求，从而进一步提升了电网的管理水平。

以上之具体实施方式为本申请轻量化5G模组及其配电终端的较佳实施方式，并非以此限定本申请的具体实施范围，本申请的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本申请之形状、结构所作的等效变化均在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种轻量化5G模组，用于对电力系统配网终端实现安全防护，其特征在于：包括：

电源管理子系统，用于支持模组供电；

通信子系统，用于实现5G通信功能；

应用子系统，用于开发电力业务适配协议，通过核间消息与所述通信子系统进行通讯；

多模射频子系统，用于实现射频收发，裁剪制式频段进行射频通讯；

其中，所述通信子系统与配网数据网络之间进行二次认证。

2.如权利要求1所述的轻量化5G模组，其特征在于：

所述电源管理子系统包括宽电压输入、保护、低功耗模式支持以及开关机。

3.如权利要求1所述的轻量化5G模组，其特征在于：

所述通信子系统包括通信处理器以及5G协议栈，用以实现空中写卡、锁卡、锁网以及语音服务。

4.如权利要求3所述的轻量化5G模组，其特征在于：

所述应用子系统包括应用处理器，用以实现基带芯片驱动、系统支撑、调试软件以及应用软件的功能。

5.如权利要求1所述的轻量化5G模组，其特征在于：

所述多模射频子系统包括多模射频芯片、射频前端、低噪放大器、混频器以及滤波器，通过裁剪非必要的通信制式频段以实现模组轻量化。

6.如权利要求4所述的轻量化5G模组，其特征在于：

所述通信处理器与所述应用处理器设于同一基带芯片，以通过核间消息相互通讯。

7.如权利要求6所述的轻量化5G模组，其特征在于：

所述基带芯片与所述多模射频子系统通讯连接，所述多模射频子系统接收到射频信号后输送至所述基带芯片，所述基带芯片通过5G协议栈与用户端之间建立通讯。

8.如权利要求7所述的轻量化5G模组，其特征在于：

所述通信子系统对于物理网络切分为多个虚拟网络，用以实现单服务单虚拟网络的功能；所述通信子系统接收射频信号后，通过二次验证协议进行二次验证以确保信息安全。

9.如权利要求5所述的轻量化5G模组，其特征在于：

所述射频前端与所述多模射频芯片相互通讯连接，以对通信制式频段进行裁剪输送至所述多模射频芯片。

10.一种配电终端，其特征在于：

包括如权利要求1至9任意一项所述的轻量化5G模组，用以与配电主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数。

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