CN115884334A - 一种适用于电力业务的5g轻量化模组及温度控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于电力业务的5G轻量化模组及温度控制方法，该模组包括电源模块、基带模块、射频模块、eSIM模块和接口及外设模块，该模组通过对支持频段、射频通道、天线接口、存储芯片配置、PCB板阶数和复杂度等各种裁剪组合，降低成本和功耗，实现电力5G模组轻量化设计。通过采用闭环控制PID算法，实现模组温度的估算与控制，从而实现温度的动态控制，降低CPU的工作频率，减小CPU的耗电量和工作温度。

Description

一种适用于电力业务的5G轻量化模组及温度控制方法
技术领域
本发明涉及一种适用于电力业务的5G轻量化模组及温度控制方法，属于电力通信技术领域。
背景技术
5G作为新一代移动通信技术，是未来无线技术的发展方向。从网络性能和业务支撑能力上看，5G能够带来超高带宽、超低时延以及超大规模连接的用户体验，可为电力行业用户打造定制化的“行业专网”服务，从而更好地适应未来电力多场景、差异化业务灵活承载的需求，有力促进以新能源为主体的新型电力***业务应用创新。
面对海量、泛在业务接入，5G通信单元需规模化部署在物理安全非受控场景，其成本及安全性仍是制约电力业务扩展的重要因素，5G通信单元主要由5G模组构成，而5G模组主要由基带芯片、电源管理芯片、射频收发芯片、射频前端电路等核心组件构成。当前由于5G芯片、模组开发门槛较高、出货量较小等原因，模组价格维持近千元左右，远高于4G模组。因此，需要进一步增强5G电力无线通信轻量化模组研制，并研究轻量化技术，降低5G应用成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于电力业务的5G轻量化模组及温度控制方法，该模组通过支持频段、射频通道、天线接口、存储芯片配置、PCB板阶数和复杂度等各种裁剪组合，降低成本；以及通过删减相关射频元器件数量、利用CPU降频等机制降低模组功耗。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种适用于电力业务的5G轻量化模组，包括：电源模块、基带模块、射频模块、eSIM模块和接口及外设模块；
所述电源模块用于给基带模块、射频模块和接口及外设模块供电；
所述基带模块与射频模块和接口及外设模块连接，所述基带模块用于从所述接口及外设模块接收没有经过调制的电信号，进行调制并发送至射频模块；以及，用于从射频模块接收已经调制的信号，进行解调并转发至接口及外设模块相应的外设接口；
所述射频模块用于进行天线与基带模块之间的数据收发；
所述eSIM模块内置eSIM芯片，所述eSIM模块用于进行Profile文件管理及用户身份管理；
所述接口及外设模块用于提供外部数据的通信接口。
进一步的，所述射频模块包括射频收发模块和射频前端模块；
所述射频前端模块与天线连接，所述射频前端模块用于接收天线发送的来自基站的信号，进行滤波和放大，并发送至射频收发模块；以及，用于将射频收发模块发送的信号进行放大、滤波发送至天线；
所述射频收发模块与射频前端模块和基带模块连接，所述射频收发模块用于接收基带模块调制后的信号发送至射频前端模块；以及，用于接收射频收发模块转发的天线信息并发送至基带模块。
进一步的，所述eSIM模块包括本地文件代理功能模块、加密模块和eUICC模块，
所述本地文件代理功能模块用于提供Profile文件下载、Profile文件信息查询与状态管理；所述Profile文件是指运营商向用户提供服务所需的SIM卡数据和应用的集合；
所述加密模块用于对Profile文件进行加解密，并发送给eUICC模块；
所述eUICC模块用于对用户身份进行识别。
进一步的，所述接口及外设模块包括：
电源接口用于接入电源模块；
控制及状态接口包括状态指示接口、复位接口和唤醒接口；
芯片接口用于接入eSIM芯片；
GPIO接口用于接入通用输入输出信号；
还包括：USB接口、UART接口、以太网口、同步接口和IIC接口。
进一步的，
所述5G轻量化模组的支持频段为4G和5G；
所述5G轻量化模组的射频通道为一路收发通道；
所述5G轻量化模组的天线接口为两根；
所述5G轻量化模组的存储芯片配置不高于2Gbit nand FLASH；
所述5G轻量化模组的PCB板阶数为12层2阶。
进一步的，所述5G轻量化模组支持与电力5G综合管理平台进行远程交互。
进一步的，所述5G轻量化模组支持电力定制化通信协议指令集DL/T 698.46-2016和Q/GDW10376.3-2019。
本发明还提供一种对前述的适用于电力业务的5G轻量化模组进行温度控制的方法，包括：
获取所述5G轻量化模组的CPU在预设时间段内的平均温度；
将所述平均温度与控制温度进行比较，若平均温度高于所述控制温度，则对所述5G轻量化模组基于CPU温度进行分级控制或者对控制温度进行调整；
所述控制温度计算如下：
Figure BDA0003963484860000021
其中，U(t)为控制温度，Kp表示比例系数，TI表示积分系数，TD表示微分系数，err(t)表示控制温度实际输出值与给定值之间的误差。
进一步的，对所述5G轻量化模组基于CPU温度进行分级控制，如下：
当CPU温度高于85℃低于95℃时，降低CPU最高频率，降低CPU最大工作核数；
当CPU温度高于95℃低于101℃时，进行PA功率回退；
当CPU温度高于101℃低于105℃时，持续30s，将5G网络切换为4G网络；
当CPU温度高于105℃低于110℃时，进行PA功率回退；
当CPU温度高于110℃时，进行模组关机；
当模组外壳温度高于110℃时，进行模组关机。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明提供一种适用于电力业务的5G轻量化模组，通过支持频段、射频通道、天线接口、存储芯片配置、PCB板阶数和复杂度等各种裁剪组合，降低成本；通过删减相关射频元器件数量、利用CPU降频机制等硬件方法实现降低功耗；通过降低调制阶数、取消载波聚合、关闭HPUE特征、裁剪语音呼叫、温度控制策略等软件方法，进一步降低功耗。
(2)本发明提供的基于智能功率分配的温度控制方法，利用PID算法，实现模组温度的估算与控制，从而实现温度的动态控制，从而动态降低CPU的工作频率，减小CPU的耗电量和工作温度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的适用于电力业务的5G轻量化模组结构；
图2是本发明实施例提供的适用于电力业务的电力5G轻量化模组轻量化设计方案；
图3是本发明实施例提供的适用于电力业务的电力5G轻量化模组的温度控制策略。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种适用于电力业务的5G轻量化模组，如图1所示，包括：电源模块、基带模块、射频模块、eSIM模块和接口及外设模块，
具体的，
电源模块，负责整个模组的电源管理，用于给基带模块、射频模块和接口及外设模块供电。
基带模块，是模组的核心处理器和调制解调单元，用于进行信号调制解调、5G协议栈处理和空中写卡、锁卡、锁网、语音等5G核心通信功能，以及芯片驱动、***支撑、调试软件、应用软件等功能。
本实施例中，基带模块与射频模块和接口及外设模块连接，基带模块用于从接口及外设模块接收没有经过调制的电信号，经过调制后，发送至射频模块；以及，用于从射频模块接收已经调制的信号，进行解调，并转发至相应的外设接口。
射频模块，包括射频收发模块和射频前端模块，用于进行收发信号；
本实施例中，射频收发模块与基带模块和射频前端模块连接，射频收发模块用于接收基带模块调制后的信号发送至射频前端模块；以及，用于接收射频收发模块转发的天线信息并发送至基带模块；
射频前端模块用于将射频收发模块发送的信号进行放大(功率放大器)、滤波后发送至天线，经天线将信号发送出去；以及，用于接收天线发送的来自基站的信号，进行滤波和放大(低噪声放大器)，发送至射频收发模块。
eSIM模块，内置eSIM芯片，eSIM模块还包括LPA(Local Profile Agent,本地文件代理)功能模块、加密模块和eUICC模块，
本实施例中，LPA功能模块用于提供Profile文件下载、Profile文件信息查询与状态管理等功能。Profile文件是指运营商向用户提供服务所需的SIM卡数据和应用的集合。
本实施例中，加密模块用于对Profile文件进行加解密，并将其发送给eUICC模块。
本实施例中，eUICC模块用于对用户身份进行识别。
接口及外设模块与基带模块连接，用于提供外部接口进行数据通信；
本实施例中，接口及外设模块包括：
电源接口用于接入电源模块；
控制及状态接口包括状态指示接口、复位接口、唤醒接口；
芯片接口用于接入eSIM芯片；
GPIO接口用于通用输入输出信号，如指示灯、看门狗控制等；
USB接口用于高速业务传输，模组调试及网络管理功能，兼容USB2.0和USB3.0；当5G模组作为嵌入式模块内嵌业务终端时，一般首选USB接口通信；
UART接口用于低速业务传输功能；自适应波特率；传统业务终端(如：用电信息采集、输电线路监测、动环监测等)使用UART通信较多，使用PPP拨号；
SGMII/RGMII以太网口用于高速业务传输，模组调试及网络管理功能；当5G模组作为独立式CPE通信设备与业务终端通信时(如：配电自动化、配电站房监控等)，一般首选以太网口，使用TCP/IP标准协议与业务终端交互；
同步接口用于对有授时需求的业务(如：配网差动保护等)，支持输出1pps和/或B码；
IIC接口用于模组与外设(如：北斗定位芯片)通信或扩展GPIO，一般用于新版电力业务终端(如融合终端、能源控制器等)。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组采用基于R15标准的国产芯片，通过支持频段、射频通道、天线接口、存储芯片配置、PCB板阶数和复杂度等各种裁剪组合，降低成本约12％，参见图2，具体实现方式如下：
A、将支持频段从现有的2G、3G、4G和5G，裁剪为4G和5G。
B、将射频通道从现有的1T4R、2T4R或1T2R，裁剪为一路收发通道(1T1R)，峰值速率降低50％，适用于电力业务场景。
C、将天线接口，从现有的4根天线接口，裁剪为仅2根天线接口。
D、存储芯片配置，不高于2Gbit nand FLASH。
E、将PCB板阶数和复杂度，从10层任意阶裁剪为12层2阶。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组通过删减相关射频元器件数量、利用CPU降频机制等硬件方法实现降低功耗，通过降低调制阶数、取消载波聚合、关闭HPUE特征、裁剪语音呼叫、温度控制策略等软件方法，适当降低模组的功能性能，从而实现降低功耗，可有效降低模组功耗40％以上，参见图2，具体实现方式如下：
F、裁剪射频：通过对支持频段、射频前端、天线接口等射频硬件的轻量化裁剪，减少射频元器件数量，降低功耗。
G、CPU降频：通过在CPU利用率低时，降低CPU的工作频率，减小CPU的耗电量和工作温度。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组，通过5G套片、存储器、阻容感、PCB板和电源IC等元器件实现国产化替代，提升国产化率，保证产品知识产权方面的安全性。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组，通过电力定制化改造，实现模组尺寸、内置eSIM芯片、安全性、远程管理、软件指令集等方面满足各类电力业务需求。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组，通过轻量化裁剪，LGA封装尺寸减小到30mm*40mm，解决现有业务终端技术规范下，5G通信模块尺寸不足问题(如：融合终端双模组通信仓)。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组，其eSIM芯片，除了具有基础的UE身份鉴权功能外，还具有电力定制的认证加密功能，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，为无线终端提供了除5G技术自有身份鉴权外的安全防护措施，更加有效地保障电力应用的信息安全，全面满足电力工控安全需求。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组，支持SM1/2/3/4国密算法，满足可信验证、身份鉴别、安全存储、访问控制等安全要求。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组，支持与电力5G综合管理平台实现模组终端远程管理。
需要说明的是，本实施例的适用于电力业务的5G轻量化模组，支持电力定制化通信协议指令集DL/T698.46-2016、Q/GDW 10376.3-2019等。
实施例2
本实施例提供一种基于智能功率分配的温度控制方法，用于对实施例1的5G轻量化模组进行温度控制，需要说明的是，智能功率分配(Intelligent Power Allocation，IPA)，是指，通过给出一个温度控制线，保证模组运行过程中内核温度在温度控制线附近震荡。
该方法包括轮询求平均温度和分级控制两个部分，
轮询求平均温度如图3所示，
S11、读取模组的CPU的温度数据；
S12、求出t时间内的平均温度Tc，如果仅仅根据一次温度降温，当遇到温度突然上升然后又迅速下降的情况，会触发不必要的限制动作；
S13、将Tc与控制温度U(t)进行比较；
S14、当平均温度Tc高于控制温度U(t)时，对模组的CPU进行功耗控制或者对IPA技术的控制温度U(t)进行调整。
本实施例中，采用PID(Proportional，比例；Integral，积分；Differential，微分)算法确认控制温度U(t)，如下：
Figure BDA0003963484860000061
/>
其中，Kp表示比例系数，TI表示积分系数，TD表示微分系数，err(t)表示误差。
其中，err(t)＝r(t)-c(t)，r(t)是所给的定值，c(t)是实际输出值。
分级控制如表1所示，
本实施例设计了模组表面温度控制、芯片温度保护、高温保护和低温保护四种温控场景，每种场景配置2-4个温控级别，根据所属温控级别选择降频降核、5G降速、制式切换、软件关机、硬件关机等温控策略。
当CPU温度达到85摄氏度时启动IPA算法，温度在85摄氏度和110摄氏度之间会触发降频拔核操作。
本实施例在网络制式切换、软件关机和硬件关机上也设置了控制温度，详细控制温度如下表1所示：
表1分级控制
Figure BDA0003963484860000071
需要说明的是，表1中提到的制式切换是指，当CPU温度达到101摄氏度时，检测当前网络模式，如果是5G NSA，则将其网络制式切换为4G LTE，以达到降温的目的；在温度降至85摄氏度以下时，再将网络制式恢复为切换之前的，保证***正常运行。
需要说明的是，表1中提到的软件关机是指，当CPU温度达到110摄氏度时，则将模组关机，关机后不会自动开机，需要手动重启。
需要说明的是，表1中提到的硬件关机是指，当所述模组外壳温度为120摄氏度时，则将模组关机，关机后不会自动开机，需要手动重启。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于电力业务的5G轻量化模组，其特征在于，包括：电源模块、基带模块、射频模块、eSIM模块和接口及外设模块；
所述电源模块用于给基带模块、射频模块和接口及外设模块供电；
所述基带模块与射频模块和接口及外设模块连接，所述基带模块用于从所述接口及外设模块接收没有经过调制的电信号，进行调制并发送至射频模块；以及，用于从射频模块接收已经调制的信号，进行解调并转发至接口及外设模块相应的外设接口；
所述射频模块用于进行天线与基带模块之间的数据收发；
所述eSIM模块内置eSIM芯片，所述eSIM模块用于进行Profile文件管理及用户身份管理；
所述接口及外设模块用于提供外部数据的通信接口。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电力业务的5G轻量化模组，其特征在于，所述射频模块包括射频收发模块和射频前端模块；
所述射频前端模块与天线连接，所述射频前端模块用于接收天线发送的来自基站的信号，进行滤波和放大，并发送至射频收发模块；以及，用于将射频收发模块发送的信号进行放大、滤波发送至天线；
所述射频收发模块与射频前端模块和基带模块连接，所述射频收发模块用于接收基带模块调制后的信号发送至射频前端模块；以及，用于接收射频收发模块转发的天线信息并发送至基带模块。
3.根据权利要求1所述的一种适用于电力业务的5G轻量化模组，其特征在于，所述eSIM模块包括本地文件代理功能模块、加密模块和eUICC模块，
所述本地文件代理功能模块用于提供Profile文件下载、Profile文件信息查询与状态管理；所述Profile文件是指运营商向用户提供服务所需的SIM卡数据和应用的集合；
所述加密模块用于对Profile文件进行加解密，并发送给eUICC模块；
所述eUICC模块用于对用户身份进行识别。
4.根据权利要求1所述的一种适用于电力业务的5G轻量化模组，其特征在于，所述接口及外设模块包括：
电源接口用于接入电源模块；
控制及状态接口包括状态指示接口、复位接口和唤醒接口；
芯片接口用于接入eSIM芯片；
GPIO接口用于接入通用输入输出信号；
还包括：USB接口、UART接口、以太网口、同步接口和IIC接口。
5.根据权利要求1所述的一种适用于电力业务的5G轻量化模组，其特征在于，
所述5G轻量化模组的支持频段为4G和5G；
所述5G轻量化模组的射频通道为一路收发通道；
所述5G轻量化模组的天线接口为两根；
所述5G轻量化模组的存储芯片配置不高于2Gbit nand FLASH；
所述5G轻量化模组的PCB板阶数为12层2阶。
6.根据权利要求1所述的一种适用于电力业务的5G轻量化模组，其特征在于，所述5G轻量化模组支持与电力5G综合管理平台进行远程交互。
7.根据权利要求1所述的一种适用于电力业务的5G轻量化模组，其特征在于，所述5G轻量化模组支持电力定制化通信协议指令集DL/T 698.46-2016和Q/GDW 10376.3-2019。
8.对权利要求1至7任意一项所述的适用于电力业务的5G轻量化模组进行温度控制的方法，其特征在于，包括：
获取所述5G轻量化模组的CPU在预设时间段内的平均温度；
将所述平均温度与控制温度进行比较，若平均温度高于所述控制温度，则对所述5G轻量化模组基于CPU温度进行分级控制或者对控制温度进行调整；
所述控制温度计算如下：
Figure FDA0003963484850000021
其中，U(t)为控制温度，Kp表示比例系数，TI表示积分系数，TD表示微分系数，err(t)表示控制温度实际输出值与给定值之间的误差。
9.根据权利要求8所述的进行温度控制的方法，其特征在于，对所述5G轻量化模组基于CPU温度进行分级控制，如下：
当CPU温度高于85℃低于95℃时，降低CPU最高频率，降低CPU最大工作核数；
当CPU温度高于95℃低于101℃时，进行PA功率回退；
当CPU温度高于101℃低于105℃时，持续30s，将5G网络切换为4G网络；
当CPU温度高于105℃低于110℃时，进行PA功率回退；
当CPU温度高于110℃时，进行模组关机；
当模组外壳温度高于110℃时，进行模组关机。
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