智慧燈桿在4G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

任三陽(yáng)+毛岳波+黃建喜

【摘 要】智慧燈桿產(chǎn)品能很好地解決現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中遇到的問(wèn)題，并能在未來(lái)搭建5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)起到關(guān)鍵作用，因此通過(guò)對(duì)現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)和對(duì)智慧燈桿系統(tǒng)的研究，得出了智慧燈桿在4G網(wǎng)絡(luò)中的適用場(chǎng)景和建設(shè)方案，有效解決了現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)中存在的室外道路的連續(xù)覆蓋、商務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域的深度覆蓋、建站協(xié)調(diào)困難區(qū)域的盲點(diǎn)補(bǔ)充覆蓋等問(wèn)題。最后探討了智慧燈桿對(duì)未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建的作用，梳理了可供參考借鑒的整套接入模式。

【關(guān)鍵詞】智慧燈桿 連續(xù)覆蓋 深度覆蓋

[Abstract] The intelligent lamp-post product can satisfactorily deal with difficulties in the 4G network construction and play a key role in the 5G network architecture in the future. Therefore， existing 4G networks and the intelligent lamp-post system were investigated to derive applicable scenes and the construction scheme of the intelligent lamp-post in 4G networks. Problems of the continuous coverage of the outdoor road， the deep coverage of business hot spots and the supplementary coverage of blind spots in 4G networks were effectively solved. Finally， the significance of the intelligent lamp-post in the construction of 5G network architecture was discussed and the complete access mode to be referred was expounded.

[Key words]intelligent lamp-post continuous coverage deep coverage

1 引言

隨著現(xiàn)代城市建筑越來(lái)越密集，原有的網(wǎng)絡(luò)水平已不足以滿足人們對(duì)語(yǔ)音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)尤其是4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模成倍地?cái)U(kuò)大。而與此同時(shí)，由于城市居民對(duì)基站的認(rèn)知越來(lái)越高，對(duì)輻射的防范意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致基站建設(shè)選址越來(lái)越困難，甚至建好的基站都會(huì)出現(xiàn)逼遷等問(wèn)題。通信基站站址資源緊缺已經(jīng)成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展的瓶頸。

面對(duì)上述問(wèn)題，公網(wǎng)通信必須尋求創(chuàng)新思路，利用一切可以利用的公共資源，解決日益緊張的站點(diǎn)資源問(wèn)題。智慧燈桿的開(kāi)發(fā)能及時(shí)地補(bǔ)充移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商的覆蓋問(wèn)題，解決室外道路的連續(xù)覆蓋、商務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域的深度覆蓋以及作為覆蓋盲點(diǎn)的補(bǔ)充覆蓋等問(wèn)題。作為公共設(shè)施的路燈桿資源和智慧燈桿，將來(lái)會(huì)遍布于城市的每一條道路及大部分公共場(chǎng)所，而且占桿，將來(lái)會(huì)遍布于城市的每一條道路及大部分公共場(chǎng)所，而且占地面積小，且相應(yīng)設(shè)有管網(wǎng)設(shè)施，對(duì)于一些難以建設(shè)無(wú)線宏基站的區(qū)域，能實(shí)現(xiàn)快速建站，有效提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

本文分析了智慧路燈桿的應(yīng)用場(chǎng)景，并以此為載體，重點(diǎn)研究了4G公網(wǎng)覆蓋的解決問(wèn)題和未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。

2 智慧燈桿簡(jiǎn)介

智慧城市的建設(shè)目的是“能夠充分運(yùn)用信息和通信技術(shù)手段感測(cè)、分析、整合城市運(yùn)作核心系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，從而對(duì)民生、環(huán)保、公共安全等在內(nèi)的各種需求做出智能的響應(yīng)，為人類(lèi)創(chuàng)造更美好的城市生活”。因此，智慧城市需要一個(gè)信息采集、發(fā)布和傳輸?shù)妮d體。而智慧路燈以路燈桿為載體，是集成了各種信息設(shè)備、技術(shù)創(chuàng)新復(fù)合應(yīng)用的智能產(chǎn)品，具備智慧照明、環(huán)境信息采集、安防及道路智慧監(jiān)控、微基站、信息發(fā)布、應(yīng)急可視廣播以及電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁等多種功能。如圖1所示，智慧燈桿采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同需求和不同的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇不同的功能模塊，成為智慧城市大數(shù)據(jù)入口的接入點(diǎn)。

3 4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀分析

近年來(lái)，我國(guó)移動(dòng)通信行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，尤其是4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)完成了大躍進(jìn)式的發(fā)展。4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)呈現(xiàn)了多元化發(fā)展趨勢(shì)，且服務(wù)質(zhì)量得到了大幅度提升。在5G技術(shù)還未完善普及之前，4G網(wǎng)絡(luò)依然是移動(dòng)通信的主干。

4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)近幾年工程建設(shè)，已具備相當(dāng)規(guī)模，城區(qū)和主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)都已完成覆蓋，移動(dòng)和電信的4G+網(wǎng)絡(luò)也已覆蓋至全國(guó)所有城市，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務(wù)發(fā)展上都取得了很大的進(jìn)步。但是隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，4G建設(shè)的問(wèn)題也慢慢凸顯出來(lái)：

（1）城區(qū)熱點(diǎn)地區(qū)的容量問(wèn)題；

（2）城區(qū)有覆蓋需求但是站點(diǎn)協(xié)調(diào)困難區(qū)域；

（3）道路覆蓋的連續(xù)性問(wèn)題；

（4）封閉式小區(qū)內(nèi)部弱覆蓋問(wèn)題；

（5）園區(qū)、景區(qū)等建站困難但需求集中區(qū)域。

上述問(wèn)題如果僅僅采用傳統(tǒng)的室外宏站或室內(nèi)分布系統(tǒng)方式建設(shè)，一是很難完全解決，二是浪費(fèi)投資，所以需要在建設(shè)方式上引入更加先進(jìn)的理念，利用各種資源進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

4 智慧燈桿在4G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

4.1 適用場(chǎng)景

宏基站是4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)中具有不可替代的作用，但是4G使用的頻段較高，導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)的繞射能力減弱，對(duì)于現(xiàn)在高樓高架林立的密集城區(qū)，會(huì)出現(xiàn)很多的末梢陰影區(qū)域。而且隨著民眾自我保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，宏站建設(shè)的限制越來(lái)越多，協(xié)調(diào)難度也越來(lái)越大，進(jìn)駐困難、租用機(jī)房都給宏站建設(shè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

智慧燈桿站的引入，能很好地解決上述問(wèn)題。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)看，作為宏蜂窩的補(bǔ)充，在有需求的地方建設(shè)智慧燈桿，解決局部盲區(qū)、末梢陰影和提升網(wǎng)絡(luò)容量。從建設(shè)難度上來(lái)看，智慧燈桿的外型跟傳統(tǒng)基站完全不一樣，既能滿足城市規(guī)劃建設(shè)的美觀要求，又能消除大眾對(duì)基站的恐懼心理。

針對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的具體問(wèn)題，智慧燈桿的典型場(chǎng)景有：

（1）語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域：主要包括人流量集中、話務(wù)量高、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求比較大的區(qū)域，例如交通樞紐、商業(yè)廣場(chǎng)、高校等；

（2）城市密集建筑群：解決樓群密集、城區(qū)巷道、人口集中居住而宏基站難以覆蓋到的弱覆蓋區(qū)域或覆蓋盲區(qū)等；

（3）城市道路：解決道路不連續(xù)覆蓋問(wèn)題、新建道路覆蓋盲區(qū)問(wèn)題；

（4）工業(yè)園區(qū)或景區(qū)覆蓋：由于園區(qū)或景區(qū)規(guī)劃，常規(guī)站點(diǎn)無(wú)法建設(shè)區(qū)域；

（5）其他宏蜂窩覆蓋盲點(diǎn)：因城市發(fā)展、密集高樓遮擋等原因而出現(xiàn)的局部區(qū)域弱覆蓋或覆蓋盲區(qū)等。

4.2 建設(shè)方案

從4G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)上看，智慧路燈在4G網(wǎng)絡(luò)主要有兩種方式引入方式，一種是覆蓋盲區(qū)或熱點(diǎn)區(qū)域的單點(diǎn)補(bǔ)充方案；第二種是覆蓋工業(yè)園區(qū)、景區(qū)的點(diǎn)、面全覆蓋方案。

（1）單點(diǎn)補(bǔ)充覆蓋方案

補(bǔ)充覆蓋的智慧燈桿位置需要由通信運(yùn)營(yíng)商根據(jù)需求提供，應(yīng)用場(chǎng)景主要包括密集巷道、道路、廣場(chǎng)、小區(qū)等。

智慧路燈桿根據(jù)需求，建設(shè)高度為6～15 m，無(wú)線設(shè)備要求掛最上層，可以采用嵌入式方式和外掛設(shè)備方式，如圖2所示：

應(yīng)根據(jù)不同的覆蓋要求，選取不同的智慧燈桿產(chǎn)品。從目前廠家產(chǎn)品來(lái)看，適合用于智慧燈桿的產(chǎn)品功率都比較小，覆蓋范圍不超過(guò)250 m，該產(chǎn)品主要適用于對(duì)現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充覆蓋，滿足小范圍覆蓋需求場(chǎng)景。

方案一：需求覆蓋點(diǎn)比較集中，可以采用嵌入式方式、單扇區(qū)覆蓋方案，設(shè)備安裝在桿體內(nèi)部，方向可調(diào)整到覆蓋方向；

方案二：需求覆蓋點(diǎn)比較分散時(shí)，需在覆蓋區(qū)域中間選取合適位置，選用外掛設(shè)備方式，可形成多個(gè)覆蓋方向。

（2）規(guī)劃區(qū)全覆蓋方案

目前在工業(yè)園區(qū)或景區(qū)都存在協(xié)調(diào)困難的情況，對(duì)基站的外型有很高的要求，但是這些區(qū)域用戶(hù)集中，對(duì)4G覆蓋的需求量大。隨著智慧燈桿的引入，可以既滿足園區(qū)/景區(qū)的美觀要求，又能解決用戶(hù)的覆蓋需求，同時(shí)智慧燈桿的其他功能也能為園區(qū)/景區(qū)的管理帶來(lái)便利。

對(duì)于園區(qū)或景區(qū)的無(wú)線全覆蓋，需要做專(zhuān)項(xiàng)的規(guī)劃，首先收集三家通信運(yùn)營(yíng)商的需求，再結(jié)合園區(qū)/景區(qū)的預(yù)測(cè)用戶(hù)數(shù)進(jìn)行建模分析，得出需要智慧燈桿的數(shù)量和間隔。無(wú)線覆蓋站點(diǎn)規(guī)劃是在項(xiàng)目進(jìn)行的前期，未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)勘測(cè)的情況下，對(duì)園區(qū)/景區(qū)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的初步規(guī)劃，主要包括網(wǎng)絡(luò)估算、初始站點(diǎn)選擇、系統(tǒng)仿真幾個(gè)階段。

但是一般來(lái)說(shuō)，4G基站的建設(shè)距離是遠(yuǎn)大于路燈桿的間隔的，路燈桿間隔規(guī)范間隔跟配光類(lèi)型、路寬和燈桿高度有關(guān)系，如表1所示（其中Weff指路面的有效寬度）：

若燈桿高度按15 m計(jì)算，最大間距為52.5 m，4G無(wú)線設(shè)備覆蓋距離按200 m計(jì)算（具體覆蓋距離需根據(jù)鏈路預(yù)算得到）。如圖3所示，可以在燈桿1和7安裝4G無(wú)線設(shè)備，每間隔6根燈桿加裝1套無(wú)線設(shè)備。目前中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通在FDD-LTE的1.8G頻段可以實(shí)現(xiàn)4G設(shè)備的共用（獨(dú)立載波），但是中國(guó)移動(dòng)的TDD-LTE還需要使用獨(dú)立的設(shè)備，所以中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通的智慧燈桿基站可以岔開(kāi)規(guī)劃，滿足天線高度都在最高的平臺(tái)。

4.3 智慧燈桿配套需求分析

（1）4G設(shè)備空間需求

智慧燈桿作為無(wú)線設(shè)備的載體，需要有一定的空間預(yù)留給4G設(shè)備，目前微基站具有代表性的產(chǎn)品有華為的Easy Macro系列和BOOK RRU，以及中興的A8602。Easy Macro和A8602覆蓋距離可以達(dá)到250 m，可以嵌入智慧燈桿桿體，也可用于外掛式安裝。BOOK RRU覆蓋距離最遠(yuǎn)達(dá)到150 m，適合用于外掛式安裝，覆蓋多個(gè)方向盲區(qū)或熱點(diǎn)區(qū)域。

（2）電力需求及防雷需求

智慧燈桿通信基站原則上采用220 V交流市電供電，但是具體引入方案受每個(gè)點(diǎn)的位置和電力引入條件所限，主要有以下幾種方案可以備選：方案1：直接從智慧燈桿電力系統(tǒng)中引電；方案2：?jiǎn)为?dú)從供電局引電；方案3：直流遠(yuǎn)供。

引電方案的選擇需結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，選擇以上幾種方案中實(shí)施難度、建設(shè)成本及建站效率最佳的方案。

每處智慧燈桿都需設(shè)有防雷接地系統(tǒng)，無(wú)線設(shè)備可共用燈桿接地系統(tǒng)，從路燈桿地下避雷帶引出接地引接線，用于無(wú)線設(shè)備及天饋系統(tǒng)防雷接地。無(wú)線設(shè)備需在智慧燈桿避雷針45°保護(hù)范圍之內(nèi)。

（3）傳輸光纜需求

每個(gè)智慧燈桿處需新建光纜管道，需從附近基站或光纜交接箱新建傳輸光纜至智慧燈桿，以確保4G設(shè)備與傳輸設(shè)備的連通。所以每個(gè)燈桿的下面需配置一個(gè)光纜終端盒，考慮到后期5G設(shè)備的接入需求，光纜終端盒最少需24芯以上，24芯光纜終端盒尺寸為300×125×45（長(zhǎng)×寬×高，單位mm）。

（4）內(nèi)部走線需求

從無(wú)線設(shè)備到智慧燈桿底部，需預(yù)留兩根φ=25 mm的PVC管，分別用來(lái)布放電源線和尾纖。

5 智慧燈桿在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用展望

面向2020年及未來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將邁入5G時(shí)代。當(dāng)前，5G愿景與需求已基本明確，5G將滿足人們超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動(dòng)性的需求。與4G相比，5G在技術(shù)上能夠更加充分地利用頻譜資源，尤其是豐富的高頻資源，大幅提升頻譜效率；在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上將實(shí)現(xiàn)更加靈活的部署，支持更加多樣化的場(chǎng)景，融合多種無(wú)線接入方式，提高能源效率和成本效率，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展。

智慧燈桿的引入能夠更加豐富5G網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，5G網(wǎng)絡(luò)也能夠充分利用路燈分布范圍廣、建設(shè)需求穩(wěn)定、基站偽裝性高等優(yōu)勢(shì)，尤其在小區(qū)、商業(yè)廣場(chǎng)、工業(yè)園區(qū)、景區(qū)等較為敏感的地區(qū)，更具建設(shè)意義。智慧燈桿作為5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施載體，既可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋，又可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋，如圖4所示。智慧燈桿可以作為虛擬化小區(qū)的載體，搭建成單個(gè)5G子網(wǎng)絡(luò)，成為各切片網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)備。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前智慧城市還處于初步階段，系統(tǒng)構(gòu)建非常復(fù)雜，建設(shè)阻力也非常之大，而城市智慧路燈項(xiàng)目無(wú)疑能夠成為最佳落地點(diǎn)。根據(jù)本文的分析可知，目前4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)如果能抓住智慧路燈項(xiàng)目的契機(jī)，將能夠解決現(xiàn)網(wǎng)中一系列不能解決的疑難問(wèn)題，補(bǔ)充現(xiàn)網(wǎng)的覆蓋漏洞，解決熱點(diǎn)地區(qū)的深度覆蓋問(wèn)題。通過(guò)智慧燈桿不同的使用場(chǎng)景和建設(shè)方案，可以解決相應(yīng)的點(diǎn)、線、面覆蓋問(wèn)題，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的漏洞做一個(gè)很好的補(bǔ)充。而且未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃也可以充分地利用智慧路燈，推動(dòng)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的搭建，全面滿足未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。

由此可見(jiàn)，智慧路燈除了作為傳統(tǒng)燈桿的作用之外，還可以解決4G網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋難題，是未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的部分，也是完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最佳載體。

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