物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代5G 微小基站建設(shè)模式研究

張 琨，周 斌，張 濤

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410001）

1 研究背景

5G 將是引領(lǐng)科技創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、發(fā)展新經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商作為國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)者和運(yùn)營(yíng)者，將堅(jiān)定不移落實(shí)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)和5G 國(guó)家戰(zhàn)略。2020 年為運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)元年，5G服務(wù)能力在快速提升，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和業(yè)務(wù)體驗(yàn)在不斷增強(qiáng)。

目前城市中林立著各種桿塔，而無(wú)線通信的微基站、視頻監(jiān)控、充電樁等設(shè)備都只需占用桿塔上小部分空間[1]。路燈桿作為基礎(chǔ)設(shè)施遍布在城市的各個(gè)角落，在規(guī)劃部署5G 微小基站時(shí)，可根據(jù)所處場(chǎng)景，改造現(xiàn)有的路燈桿為智慧燈桿，同時(shí)考慮部署環(huán)境監(jiān)測(cè)、車聯(lián)網(wǎng)、LED 大屏等其他物聯(lián)網(wǎng)的終端感知采集設(shè)備，充分利用智慧燈桿資源，解決5G 微小基站選址難的問(wèn)題，同時(shí)也有效避免基礎(chǔ)傳感網(wǎng)絡(luò)的重復(fù)建設(shè)，降低能耗、節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)城市海量數(shù)據(jù)快速采集的需求[2]。

2 5G 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

2.1 5G 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化制定進(jìn)程

Rel- 15 標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP 推出的第一個(gè)版本的5G 標(biāo)準(zhǔn)，滿足部分5G 需求，于2018 年凍結(jié)；5G 標(biāo)準(zhǔn)的第二個(gè)版本Rel- 16 已完成全部標(biāo)準(zhǔn)化工作，滿足ITU 定義的需求，于2020 年7 月凍結(jié)；現(xiàn)已啟動(dòng)Rel- 17 版本的研究工作，暫定于2021 年9 月凍結(jié)。[3]5G 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程如圖1 所示。

圖1 5G 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化制定進(jìn)程圖

2.2 5G 技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)（2016- 2018 年）：支撐5G國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)研制[3]

1）5G 關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證：評(píng)估5G 候選關(guān)鍵技術(shù)性能，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共識(shí)達(dá)成。

2）5G 技術(shù)方案驗(yàn)證：驗(yàn)證不同廠商的5G 技術(shù)方案性能，制定統(tǒng)一的設(shè)備規(guī)范和測(cè)試規(guī)范。

3）5G 系統(tǒng)驗(yàn)證：通過(guò)多基站高低頻混合組網(wǎng)，評(píng)估5G 系統(tǒng)在組網(wǎng)條件下的性能，并開(kāi)展5G 典型業(yè)務(wù)演示。

2.3 5G Rel- 17 標(biāo)準(zhǔn)化工作研究（2020- 2021 年）[3]

5G Rel- 17 一方面聚焦于進(jìn)一步增強(qiáng)Rel- 16 已有工作基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)能力，包括多天線技術(shù)、低時(shí)延高可靠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、終端節(jié)能、定位和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等；另一方面也提出了一些新的業(yè)務(wù)和能力需求，包括覆蓋增強(qiáng)、多播廣播、面向應(yīng)急通信和商業(yè)應(yīng)用的終端直接通信、多SIM終端優(yōu)化等。

3 5G 超密集組網(wǎng)及頻譜計(jì)劃

3.1 超密集組網(wǎng)

5G 網(wǎng)絡(luò)是一種利用宏基站與低功率微基站混合的宏微異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，高低頻協(xié)同。隨著移動(dòng)通信應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性，且數(shù)據(jù)流量隨時(shí)間和地點(diǎn)呈現(xiàn)出較大差異，傳統(tǒng)宏基站為主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將難以適應(yīng)爆炸式增長(zhǎng)的通信業(yè)務(wù)需求的挑戰(zhàn)，而超密集組網(wǎng)是解決此挑戰(zhàn)的有效方法[4]。5G 超密集組網(wǎng)如圖2 所示。

5G 超密集組網(wǎng)在業(yè)務(wù)層面，由宏基站負(fù)責(zé)低速率、高移動(dòng)性業(yè)務(wù)的傳輸，微基站主要承載高帶寬業(yè)務(wù)。宏基站負(fù)責(zé)覆蓋以及微基站間資源協(xié)同管理，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求以及分布特性靈活部署微基站，從而實(shí)現(xiàn)宏微異構(gòu)模式下控制與承載的分離。通過(guò)控制與承載的分離，超密集組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)覆蓋和容量的優(yōu)化，解決密集組網(wǎng)環(huán)境下頻繁切換問(wèn)題，提升用戶體驗(yàn)，提升資源利用率。

圖2 5G 超密集組網(wǎng)示意圖

3.2 頻譜計(jì)劃

工業(yè)和信息化部在2017 年11 月發(fā)布通知，規(guī)劃3.3- 3.6 GHz 和4.8- 5 GHz 頻段作為5G 系統(tǒng)的工作頻段，其中，3.3- 3.4 GHz 頻段原則上限室內(nèi)使用[5]。

1）我國(guó)5G 頻譜規(guī)劃如下：低頻段（6 GHz 以下）作為基礎(chǔ)層，用于廣覆蓋，提供基本的用戶體驗(yàn)速率；高頻段（6 GHz 以上）用于滿足室內(nèi)和室外熱點(diǎn)區(qū)域的速率和容量需求；5G 高頻段候選頻段為24.25-27.5 GHz、37- 42.5 GHz[6]。

2）5G 頻譜應(yīng)用場(chǎng)景如表1 所示。

表1 5G 頻譜計(jì)劃表

4 5G 宏微結(jié)合規(guī)劃思路與原則

4.1 規(guī)劃思路

隨著5G 和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，其關(guān)鍵技術(shù)超密集組網(wǎng)要求采用分層立體組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)室內(nèi)外協(xié)同、宏站微站協(xié)同搭配的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。通過(guò)使用低功率、微小基站的部署，縮小站間距來(lái)滿足5G 可靠用戶的速率和容量等需求，低功率、微小基站是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的趨勢(shì)，是未來(lái)無(wú)線網(wǎng)的基本組成部分。其具體規(guī)劃思路如下：統(tǒng)籌規(guī)劃，采用批量化模式，即批量承接、（標(biāo)準(zhǔn)化）批量建設(shè)、批量交付；采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的網(wǎng)格模式，做好宏微結(jié)合、室內(nèi)外協(xié)同規(guī)劃；做好資源經(jīng)營(yíng)工作，以“共享”為切入點(diǎn)，獲得政府支持。

4.2 規(guī)劃原則

由于低頻頻譜資源稀缺，5G 微站暫計(jì)劃使用高頻段。高頻信號(hào)在移動(dòng)條件下，易受到障礙物、反射、散射體以及大氣吸收等環(huán)境因素的影響。由于頻段高的特性，微站將主要部署在室外熱點(diǎn)區(qū)域，解決高容量和高速率需求，如圖3 所示。

圖3 5G 高低頻覆蓋區(qū)域示意圖

超密集組網(wǎng)是宏站與大量的5G 微小基站共同組網(wǎng)形式，且采用監(jiān)控桿、電線桿、路燈桿、掛墻、小抱桿、原有運(yùn)營(yíng)商桿塔等站址資源的5G 微小基站形態(tài)越來(lái)越多。微站作為補(bǔ)忙和補(bǔ)盲是現(xiàn)在和未來(lái)覆蓋方案主要手段，其主要覆蓋場(chǎng)景如下：室外主要用于商業(yè)區(qū)、生活廣場(chǎng)、步行街巷/ 街道、旅游景點(diǎn)、城區(qū)道路、密集的普通生活區(qū)等場(chǎng)景；室內(nèi)主要用于機(jī)場(chǎng)、火車站等容量需求大的交通樞紐、會(huì)展中心、購(gòu)物中心、體育館等場(chǎng)景。

5 5G 微站的建設(shè)方式

5.1 5G 微站設(shè)備形態(tài)

5G 設(shè)備一般分為BBU（CU+DU）和AAU，其中BBU（CU+DU）設(shè)備一般安裝在運(yùn)營(yíng)商的機(jī)房?jī)?nèi)，AAU設(shè)備一般安裝在塔桅上。5G 微站設(shè)備如圖4 所示。

圖4 5G 微站設(shè)備形態(tài)圖

5.2 5G 微站主要建設(shè)方式

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的5G 微站以新建桿塔為主、利舊其他設(shè)施為輔，使方案標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化、簡(jiǎn)美化。常見(jiàn)的有以下幾種建設(shè)方式：

1）新建5G 微小基站智慧燈桿。應(yīng)綜合考慮“融合性”，優(yōu)先選用“構(gòu)件化”“標(biāo)準(zhǔn)化”的智慧燈桿，如圖5 所示。所謂融合性需充分考慮主干道路已有路燈桿和監(jiān)控桿，新建桿塔與環(huán)境融合。而構(gòu)件化可根據(jù)需求及場(chǎng)景進(jìn)行靈活組裝，提前預(yù)留好相關(guān)接口及“模塊化”構(gòu)件，按需求進(jìn)行配置。根據(jù)不同風(fēng)壓系數(shù)、不同高度、不同造型的標(biāo)準(zhǔn)化桿塔，預(yù)留Wi- Fi、手機(jī)無(wú)線充電、充電樁、視頻監(jiān)控等標(biāo)準(zhǔn)化接口[7]。

5G 微小基站多功能智慧燈桿，采用改造路燈桿的建設(shè)方式，一桿多用，使桿塔具備掛載各項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能模塊設(shè)備的能力。桿塔上的設(shè)備，可由路燈箱變電源供電；傳輸光纜由市政或電信運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一規(guī)劃的管道敷設(shè)，采用有線方式傳送數(shù)據(jù)；設(shè)備的電源模塊和光纜終端盒集中安裝于同一設(shè)備箱內(nèi)，對(duì)于改造的桿塔，可加粗桿體并內(nèi)置配套設(shè)備安裝箱，所有桿體上的線纜也應(yīng)在桿體內(nèi)布放，更好地保護(hù)線纜及設(shè)備不受損壞，從而實(shí)現(xiàn)桿體及各項(xiàng)資源共享，減少基礎(chǔ)設(shè)施投入，優(yōu)化城市空間布局。智慧燈桿上建議掛載以下功能模塊：5G 微小基站、智能路燈、車聯(lián)網(wǎng)路側(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)控、LED 大屏信息發(fā)布、Wi- Fi 熱點(diǎn)、手機(jī)無(wú)線充電、環(huán)境監(jiān)測(cè)、新能源充電樁等。

圖5 單臂多功能智慧燈桿示意圖

2）利用社會(huì)桿塔資源。利用社會(huì)桿塔資源的特點(diǎn)是安裝快捷、節(jié)省塔房、單獨(dú)引電、小幅投入、快速交付。對(duì)建站區(qū)域內(nèi)規(guī)?；墓操Y源桿體可考慮采用此種建設(shè)方式，如利用路燈桿、水塔、廣告牌、電力桿、水泥桿、監(jiān)控桿和交通信號(hào)桿等。此外，利用原有桿體建站需注意以下三個(gè)方面：首先應(yīng)考慮桿體的受力平衡，盡可能對(duì)稱安裝設(shè)備，保證桿體不因基站建設(shè)而出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象；其次考慮同一路段燈桿、監(jiān)控桿等類型的統(tǒng)一性，每個(gè)路段抽檢1- 2 根進(jìn)行檢測(cè)及承重復(fù)核；最后如可只利用社會(huì)資源桿塔的位置，并將原有承載能力不夠的桿塔拆除，重建承載能力達(dá)標(biāo)的桿塔，以滿足微站建設(shè)承載要求，同時(shí)兼顧功能性擴(kuò)展。

3）利用社會(huì)建筑物資源。社會(huì)建筑物資源分為建筑物外立面、樓面、樓頂小抱桿 三種形式，一般覆蓋密集小區(qū)、道路等場(chǎng)景，如圖6所示。

圖6 利用社會(huì)建筑物資源示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離較短，5G 微小基站更是采用密集組網(wǎng)，而智慧燈桿顯然就是其最佳的承載體。智慧燈桿將減少城市各種桿體的重復(fù)建設(shè)，避免城市道路兩側(cè)特別是路口桿體林立的亂象，節(jié)約城市空間，讓城市變得更智慧，大大節(jié)省了基礎(chǔ)設(shè)施重復(fù)建設(shè)投入的資金和時(shí)間。

以5G 微小基站智慧燈桿為載體來(lái)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，有著重要的前瞻性和適用性，符合智慧城市高標(biāo)準(zhǔn)、高定位、國(guó)內(nèi)先進(jìn)性等建設(shè)要求。5G 作為革命性的新技術(shù)，建立了全新的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，5G 網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的上傳通道部署在城市的智慧燈桿上更為合適。另一方面智慧燈桿作為智慧城市數(shù)據(jù)入口，集成了各項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能模塊，讓市民切實(shí)體驗(yàn)到新科技帶來(lái)的生活便利，這項(xiàng)舉措對(duì)推進(jìn)城市建設(shè)、管理，塑造低碳化和智慧化城市新形象起到無(wú)可替代的重要作用。