从5G基站建设的角度探讨智慧杆的标准化

2019-12-28田宗奇刘保玉

照明工程学报 2019年5期

田宗奇，齐飞，刘保玉

(1.上海华为技术有限公司，上海 201206；2.华为技术有限公司，广东深圳 518129)

引言

在5G商用时代到来之际，全球信息通信技术(ICT)领先国家积极规划引导5G与公共设施的融合，直接推动智慧杆的发展。德国联邦政府《5G Strategy for Germany》[1]明确，城市现有的承载设施，如灯杆、交通杆将会是5G的重要组成部分。韩国科技和信息通信技术部(Ministry of Science and ICT)指出，韩国17个行政区的相关部门必须做好(供电、传输等)准备，使得5G设备可以安装在灯杆和交通杆上[2]。美国联邦通讯委员会(FCC)在《The FCC’s 5G FAST Plan》指出，FCC会减少5G小型化基站在公共设施上部署的审批程序。中国越来越多的地方政府意识到智慧杆的重要作用，并在政策层面积极推进智慧杆产业的健康有序发展[3,4]。

在宏观商业层面，智慧杆改变了传统灯杆模式，其应用涉及多个政府部门和跨行业主体，其投资、运营、管理机制和多方商业模式仍在探索中，缺乏统一的智慧杆基础设施运营方已成为制约智慧杆规模建设发展的重要因素。同时在技术标准层面，当前智慧杆缺乏统一有效的规划，造成重复建设和资源浪费，如城市多杆林立、道路重复开挖等现象就是例证。智慧杆项目缺乏统一的技术规范参考，导致一些功能演进方面的约束和各业务组件方面互联互通、数据共享的困难。

为此，加快建立智慧杆统一标准规范，建设具有一定规模的智慧杆样板示范，通过市场检验商业模式和跨部门跨行业实现增值，将是下一阶段智慧杆产业发展的重点。

1 智慧杆的需求分析

从路灯到智慧杆，不是简单的功能叠加。现阶段，推动智慧灯杆建设的方向主要有以下三个，三个方向对智慧杆的关注点略有差异。

1)5G站址的需求。作为第五代信息通信技术，5G被认为是万物互联的开始，更高网速(eMBB)，可靠的低延时(uRLLC)和海量的物联网(mMTC)所激发的商业潜力巨大。但是由于速率及频段的提高，在相同配置、相同环境下，5G信号的传输距离相较4G信号有所降低。移动通信行业必须通过多种手段提升5G的覆盖能力，包括多天线技术、上下行频段解耦，以及增加小型化站点。在密集城区，移动网络流量冷热分布不均，流量“忙”地体验易受挑战。同时在居民区、人流密集商业区以及部分环境保护较高的景区，宏站站址难以获取，容易出现“盲”点。在5G宏站改造完成后，“忙+盲”区域以及“千行百业+5G”的工厂、园区等，将迎来杆站部署的高峰, 5G小型化站点的数量将成倍增长。5G杆站的部署会逐步进行，因此需要新建智慧杆预留设备挂载接口、电力接入、大带宽传输。其中最重要的是对于5G设备的选型，除了考虑轻巧之外，还要求保证数十瓦级别的功率，以增加覆盖范围，最大化单根杆体的价值。

2)集约化建设的需求——“多杆合一”。当前街头有路灯杆、电力杆、监控杆、交通指示牌、广告牌等多种杆体,数量多、种类杂、架设乱的问题越来越突出。尤其是路口，出现了“杆件森林”的状况，影响城市市容，而且浪费公共资源。为了实现资源“共享、集约、统筹”，降低城市建设成本，多地城市管理部门开始实行“多杆合一”方案。

3)智慧城市的需求。随着城市居住人口的不断增多，交通拥挤、环境污染、资源浪费等“城市病”不断出现。“智慧城市”作为解决城市病的方案浮出水面。智慧城市融合人工智能、物联网、5G、大数据、云计算和边缘计算技术，将整个城市变成一套完整的神经和记忆系统，对人类行为数据化，收集、存储、分析，从而得到最优的解决方案。多功能、多传感器、支持MBB和IoT(Internet of Things)的智慧杆将成为智慧城市的神经末梢，提供无处不在的智能连接、智能环境感知和智能路况反馈能力，快速处理和汇聚信息，传送到智慧城市处理中枢，使能各种智慧业务的正常运转。在这类需求中，智慧杆的运营和管理平台是未来的灵魂[5，6]。

2 智慧杆标准化的建议

移动通信、“多杆合一”、智慧城市对智慧杆的需求侧重不同，以下主要从移动通信基站建设的角度，探讨5G建设的基础能力需求及其标准建议。

2.1 系统架构的“三段式”标准化

从应用场景看，城市智慧杆应用主要分为两大类场景(如图1所示)。

图1 智慧杆设备布局Fig.1 Equipment layout of smart pole

a)道路场景：杆体高度为9～12 m，满足城市道路照明、智能交通、智能监控、无线通信、智能物联等应用。

将此次研究结果均录入SPSS20.0统计学软件中,并对研究结果整理分析。计量资料采用分数±标准差(±s)表示,组间差异用t检验;计数资料采用(n,%)表示,并采用x2表示。当P

b)园区场景：杆体高度为6～9 m，满足中央商务区、校园、工业园等数字化智能园区应用方案。

无论是道路场景或者是园区场景，对于智慧杆架构的需求是归一的。根据设备的使用及挂载要求，智慧杆系统架构上我们推荐采用“三段式”标准化，其中，顶段——放置基站及回传等通信设备，考虑无线覆盖效率最优；中段——挂载摄像头、显示屏、传感器等智慧单元设备，考虑智慧应用易扩展、易维护；底段——传输设备、电源设备、边缘计算等ICT设备，建议内置杆体。

2.2 关键单元的标准化

2.2.1 基站单元

考虑无线覆盖效率，建设成本和环境因素，5G智慧杆站对于射频设备有如下的要求：

1)环境友好：能伪装，可隐藏。

2)极致体验：覆盖区域内提供Gbit/s的速率，具有穿透树木遮挡和一堵墙壁的能力。城区杆站间距在100～300 m，采用20～60 W基站模块可实现最佳无缝覆盖。

4)接口解耦：基站和灯杆之间接口标准化，降低适配成本(散热、防水、信号穿透、设备挂载、防雷、线缆装配)，如图2所示。

使用顶杆设备舱设计可以有效实现基站和灯杆的解耦。通过顶杆仓的标准化法兰，杆体厂家在设计和建造时只需焊机此标准化法兰，后续待运营商有加站需求时，直接将顶杆仓加载在智慧杆顶端标准化法兰上，确保未来加站最小化成本投入，即使基站设备发生改变也不会影响杆体。

图2 5G智慧杆顶杆解耦Fig.2 Decoupling of smart pole radio head

2.2.2 电源单元

1)电源一体化MIMO(multiple input multiple output)设计。智慧杆汇集了摄像头、环境传感器、WIFI、无线基站等各类设备，设备的供电电压、功率、输入输出等各不相同，因此智慧杆用电源需要满足MIMO多路输入输出和智能管理设计，输入兼容HVDC与220 VAC，当负载功率较大且有拉远时选择HVDC供电，以降低电缆损耗、节约能源；输出支持12 VDC、24 VAC、-48 VDC等，以满足不同负载供电。

2)智能监控管理。5G的发展带来海量的智慧杆站点，其维护管理将面临严重的挑战，智慧杆站电源需要支持智能网管功能，具备监控自身输入、输出、故障等运行状态信息，并上报给网管，以满足统一远程架空管理，降低综合运维成本。

3)智慧杆弱电化。电源模块化设计，支持智慧杆设备全部弱电化。LED灯与LED屏也可以考虑输入直流化，强电不上杆，降低人员被杆电击风险。

2.2.3 传输单元

1)有线传输。智慧杆需要汇聚网络设备支持10GE/GE/STM-N和通信基站专用接口如eCPRI/CPRI多业务接入，节省众多挂载应用设备的通信汇聚接入投资。线路达到带宽100 Gbit，采用OTN硬管道，支持业务物理隔离，保障业务安全。采用时延补偿技术。

2)无线传输。相比有线传输，无线传输针对无光纤到位的场景。目前智慧杆的无线传输解决方案可采用专用无线网络或小微波方案。典型情况下，对于视频回传有移动需求的小带宽场景，推荐用专用无线网络方案；若是无移动需求的固定视频回传大带宽场景，推荐用小微波方案。

2.3 智慧杆运维的标准化

智慧杆站是智慧城市的节点与信息入口，杆体承载多业务，要通过统一运维管理平台。管理平台要注意以下三项功能。

1)智慧杆地理化可视。智慧杆管理平台，支持所有接入前端设备的GIS地图展示，支持GIS地图可视化展示平台运维设备详情，提供街道、区域、设备搜索功能，支持查看所有前端接入设备告警、故障信息、信号强度、开关灯状态、和调光等级等。

2)跨行业场景间联动。智慧杆管理平台具备多业务场景见联动特性，可以在管理智慧多功能杆相关设备的基础上，扩展管理更多智慧城市类设备，例如烟感、井盖、垃圾桶等。对于接入的不同行业场景，通过设置一定的规则，提供不同物联网业务/终端间的联动(如烟感报警后触发规则：对应的摄像头将监控角度对准预设的烟感方位)。

3)分权分域管理。智慧杆管理平台具备完善的分权分域管理功能。可以通过设置不同的角色、用户实现对分区域、分设备、分功能的权限管理。

此外，智慧杆管理平台可以通过设置客户组对系统管理方的客户进行授权，被授权的客户可以根据所赋予的权限查看、控制、管理所属设备。通过此功能可以使系统管理方以SaaS(software as a service)化的方式向其客户提供智慧杆子模块的功能服务。