物联网时代5G 微小基站建设模式研究

张 琨，周 斌，张 涛

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南长沙410001）

1 研究背景

5G 将是引领科技创新、实现产业升级、发展新经济的基础性技术，运营商作为国家信息基础设施的建设者和运营者，将坚定不移落实网络强国和5G 国家战略。2020 年为运营商5G 网络大规模建设元年，5G服务能力在快速提升，网络质量和业务体验在不断增强。

目前城市中林立着各种杆塔，而无线通信的微基站、视频监控、充电桩等设备都只需占用杆塔上小部分空间[1]。路灯杆作为基础设施遍布在城市的各个角落，在规划部署5G 微小基站时，可根据所处场景，改造现有的路灯杆为智慧灯杆，同时考虑部署环境监测、车联网、LED 大屏等其他物联网的终端感知采集设备，充分利用智慧灯杆资源，解决5G 微小基站选址难的问题，同时也有效避免基础传感网络的重复建设，降低能耗、节约成本，实现城市海量数据快速采集的需求[2]。

2 5G 标准化进程

2.1 5G 国际标准化制定进程

Rel- 15 标准是国际标准组织3GPP 推出的第一个版本的5G 标准，满足部分5G 需求，于2018 年冻结；5G 标准的第二个版本Rel- 16 已完成全部标准化工作，满足ITU 定义的需求，于2020 年7 月冻结；现已启动Rel- 17 版本的研究工作，暂定于2021 年9 月冻结。[3]5G 标准进程如图1 所示。

图1 5G 国际标准化制定进程图

2.2 5G 技术研发实验（2016- 2018 年）：支撑5G国标标准研制[3]

1）5G 关键技术验证：评估5G 候选关键技术性能，推动关键技术标准共识达成。

2）5G 技术方案验证：验证不同厂商的5G 技术方案性能，制定统一的设备规范和测试规范。

3）5G 系统验证：通过多基站高低频混合组网，评估5G 系统在组网条件下的性能，并开展5G 典型业务演示。

2.3 5G Rel- 17 标准化工作研究（2020- 2021 年）[3]

5G Rel- 17 一方面聚焦于进一步增强Rel- 16 已有工作基础上的网络和业务能力，包括多天线技术、低时延高可靠、工业互联网、终端节能、定位和车联网技术等；另一方面也提出了一些新的业务和能力需求，包括覆盖增强、多播广播、面向应急通信和商业应用的终端直接通信、多SIM终端优化等。

3 5G 超密集组网及频谱计划

3.1 超密集组网

5G 网络是一种利用宏基站与低功率微基站混合的宏微异构网络，高低频协同。随着移动通信应用场景的多样性，且数据流量随时间和地点呈现出较大差异，传统宏基站为主的网络架构将难以适应爆炸式增长的通信业务需求的挑战，而超密集组网是解决此挑战的有效方法[4]。5G 超密集组网如图2 所示。

5G 超密集组网在业务层面，由宏基站负责低速率、高移动性业务的传输，微基站主要承载高带宽业务。宏基站负责覆盖以及微基站间资源协同管理，根据业务发展需求以及分布特性灵活部署微基站，从而实现宏微异构模式下控制与承载的分离。通过控制与承载的分离，超密集组网可以实现覆盖和容量的优化，解决密集组网环境下频繁切换问题，提升用户体验，提升资源利用率。

图2 5G 超密集组网示意图

3.2 频谱计划

工业和信息化部在2017 年11 月发布通知，规划3.3- 3.6 GHz 和4.8- 5 GHz 频段作为5G 系统的工作频段，其中，3.3- 3.4 GHz 频段原则上限室内使用[5]。

1）我国5G 频谱规划如下：低频段（6 GHz 以下）作为基础层，用于广覆盖，提供基本的用户体验速率；高频段（6 GHz 以上）用于满足室内和室外热点区域的速率和容量需求；5G 高频段候选频段为24.25-27.5 GHz、37- 42.5 GHz[6]。

2）5G 频谱应用场景如表1 所示。

表1 5G 频谱计划表

4 5G 宏微结合规划思路与原则

4.1 规划思路

随着5G 和物联网时代的到来，其关键技术超密集组网要求采用分层立体组网，网络呈现室内外协同、宏站微站协同搭配的异构网络形态。通过使用低功率、微小基站的部署，缩小站间距来满足5G 可靠用户的速率和容量等需求，低功率、微小基站是网络建设的趋势，是未来无线网的基本组成部分。其具体规划思路如下：统筹规划，采用批量化模式，即批量承接、（标准化）批量建设、批量交付；采用无线网络规划中的网格模式，做好宏微结合、室内外协同规划；做好资源经营工作，以“共享”为切入点，获得政府支持。

4.2 规划原则

由于低频频谱资源稀缺，5G 微站暂计划使用高频段。高频信号在移动条件下，易受到障碍物、反射、散射体以及大气吸收等环境因素的影响。由于频段高的特性，微站将主要部署在室外热点区域，解决高容量和高速率需求，如图3 所示。

图3 5G 高低频覆盖区域示意图

超密集组网是宏站与大量的5G 微小基站共同组网形式，且采用监控杆、电线杆、路灯杆、挂墙、小抱杆、原有运营商杆塔等站址资源的5G 微小基站形态越来越多。微站作为补忙和补盲是现在和未来覆盖方案主要手段，其主要覆盖场景如下：室外主要用于商业区、生活广场、步行街巷/ 街道、旅游景点、城区道路、密集的普通生活区等场景；室内主要用于机场、火车站等容量需求大的交通枢纽、会展中心、购物中心、体育馆等场景。

5 5G 微站的建设方式

5.1 5G 微站设备形态

5G 设备一般分为BBU（CU+DU）和AAU，其中BBU（CU+DU）设备一般安装在运营商的机房内，AAU设备一般安装在塔桅上。5G 微站设备如图4 所示。

图4 5G 微站设备形态图

5.2 5G 微站主要建设方式

物联网时代的5G 微站以新建杆塔为主、利旧其他设施为辅，使方案标准化、产品化、简美化。常见的有以下几种建设方式：

1）新建5G 微小基站智慧灯杆。应综合考虑“融合性”，优先选用“构件化”“标准化”的智慧灯杆，如图5 所示。所谓融合性需充分考虑主干道路已有路灯杆和监控杆，新建杆塔与环境融合。而构件化可根据需求及场景进行灵活组装，提前预留好相关接口及“模块化”构件，按需求进行配置。根据不同风压系数、不同高度、不同造型的标准化杆塔，预留Wi- Fi、手机无线充电、充电桩、视频监控等标准化接口[7]。

5G 微小基站多功能智慧灯杆，采用改造路灯杆的建设方式，一杆多用，使杆塔具备挂载各项物联网应用功能模块设备的能力。杆塔上的设备，可由路灯箱变电源供电；传输光缆由市政或电信运营商统一规划的管道敷设，采用有线方式传送数据；设备的电源模块和光缆终端盒集中安装于同一设备箱内，对于改造的杆塔，可加粗杆体并内置配套设备安装箱，所有杆体上的线缆也应在杆体内布放，更好地保护线缆及设备不受损坏，从而实现杆体及各项资源共享，减少基础设施投入，优化城市空间布局。智慧灯杆上建议挂载以下功能模块：5G 微小基站、智能路灯、车联网路侧设备、视频监控、LED 大屏信息发布、Wi- Fi 热点、手机无线充电、环境监测、新能源充电桩等。

图5 单臂多功能智慧灯杆示意图

2）利用社会杆塔资源。利用社会杆塔资源的特点是安装快捷、节省塔房、单独引电、小幅投入、快速交付。对建站区域内规模化的公共资源杆体可考虑采用此种建设方式，如利用路灯杆、水塔、广告牌、电力杆、水泥杆、监控杆和交通信号杆等。此外，利用原有杆体建站需注意以下三个方面：首先应考虑杆体的受力平衡，尽可能对称安装设备，保证杆体不因基站建设而出现倾斜的现象；其次考虑同一路段灯杆、监控杆等类型的统一性，每个路段抽检1- 2 根进行检测及承重复核；最后如可只利用社会资源杆塔的位置，并将原有承载能力不够的杆塔拆除，重建承载能力达标的杆塔，以满足微站建设承载要求，同时兼顾功能性扩展。

3）利用社会建筑物资源。社会建筑物资源分为建筑物外立面、楼面、楼顶小抱杆 三种形式，一般覆盖密集小区、道路等场景，如图6所示。

图6 利用社会建筑物资源示意图

6 结束语

5G 网络的覆盖距离较短，5G 微小基站更是采用密集组网，而智慧灯杆显然就是其最佳的承载体。智慧灯杆将减少城市各种杆体的重复建设，避免城市道路两侧特别是路口杆体林立的乱象，节约城市空间，让城市变得更智慧，大大节省了基础设施重复建设投入的资金和时间。

以5G 微小基站智慧灯杆为载体来建设物联网平台，有着重要的前瞻性和适用性，符合智慧城市高标准、高定位、国内先进性等建设要求。5G 作为革命性的新技术，建立了全新的移动网络架构，5G 网络作为物联网的上传通道部署在城市的智慧灯杆上更为合适。另一方面智慧灯杆作为智慧城市数据入口，集成了各项物联网应用功能模块，让市民切实体验到新科技带来的生活便利，这项举措对推进城市建设、管理，塑造低碳化和智慧化城市新形象起到无可替代的重要作用。