從5G基站建設(shè)的角度探討智慧桿的標(biāo)準(zhǔn)化

田宗奇，齊 飛，劉保玉

(1.上海華為技術(shù)有限公司，上海 201206；2.華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129)

引言

在5G商用時(shí)代到來之際，全球信息通信技術(shù)(ICT)領(lǐng)先國家積極規(guī)劃引導(dǎo)5G與公共設(shè)施的融合，直接推動智慧桿的發(fā)展。德國聯(lián)邦政府《5G Strategy for Germany》[1]明確，城市現(xiàn)有的承載設(shè)施，如燈桿、交通桿將會是5G的重要組成部分。韓國科技和信息通信技術(shù)部(Ministry of Science and ICT)指出，韓國17個(gè)行政區(qū)的相關(guān)部門必須做好(供電、傳輸?shù)?準(zhǔn)備，使得5G設(shè)備可以安裝在燈桿和交通桿上[2]。美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)在《The FCC’s 5G FAST Plan》指出，F(xiàn)CC會減少5G小型化基站在公共設(shè)施上部署的審批程序。中國越來越多的地方政府意識到智慧桿的重要作用，并在政策層面積極推進(jìn)智慧桿產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展[3,4]。

在宏觀商業(yè)層面，智慧桿改變了傳統(tǒng)燈桿模式，其應(yīng)用涉及多個(gè)政府部門和跨行業(yè)主體，其投資、運(yùn)營、管理機(jī)制和多方商業(yè)模式仍在探索中，缺乏統(tǒng)一的智慧桿基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營方已成為制約智慧桿規(guī)模建設(shè)發(fā)展的重要因素。同時(shí)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層面，當(dāng)前智慧桿缺乏統(tǒng)一有效的規(guī)劃，造成重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)，如城市多桿林立、道路重復(fù)開挖等現(xiàn)象就是例證。智慧桿項(xiàng)目缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范參考，導(dǎo)致一些功能演進(jìn)方面的約束和各業(yè)務(wù)組件方面互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享的困難。

為此，加快建立智慧桿統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建設(shè)具有一定規(guī)模的智慧桿樣板示范，通過市場檢驗(yàn)商業(yè)模式和跨部門跨行業(yè)實(shí)現(xiàn)增值，將是下一階段智慧桿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

1 智慧桿的需求分析

從路燈到智慧桿，不是簡單的功能疊加?，F(xiàn)階段，推動智慧燈桿建設(shè)的方向主要有以下三個(gè)，三個(gè)方向?qū)χ腔蹢U的關(guān)注點(diǎn)略有差異。

1)5G站址的需求。作為第五代信息通信技術(shù)，5G被認(rèn)為是萬物互聯(lián)的開始，更高網(wǎng)速(eMBB)，可靠的低延時(shí)(uRLLC)和海量的物聯(lián)網(wǎng)(mMTC)所激發(fā)的商業(yè)潛力巨大。但是由于速率及頻段的提高，在相同配置、相同環(huán)境下，5G信號的傳輸距離相較4G信號有所降低。移動通信行業(yè)必須通過多種手段提升5G的覆蓋能力，包括多天線技術(shù)、上下行頻段解耦，以及增加小型化站點(diǎn)。在密集城區(qū)，移動網(wǎng)絡(luò)流量冷熱分布不均，流量“忙”地體驗(yàn)易受挑戰(zhàn)。同時(shí)在居民區(qū)、人流密集商業(yè)區(qū)以及部分環(huán)境保護(hù)較高的景區(qū)，宏站站址難以獲取，容易出現(xiàn)“盲”點(diǎn)。在5G宏站改造完成后，“忙+盲”區(qū)域以及“千行百業(yè)+5G”的工廠、園區(qū)等，將迎來?xiàng)U站部署的高峰, 5G小型化站點(diǎn)的數(shù)量將成倍增長。5G桿站的部署會逐步進(jìn)行，因此需要新建智慧桿預(yù)留設(shè)備掛載接口、電力接入、大帶寬傳輸。其中最重要的是對于5G設(shè)備的選型，除了考慮輕巧之外，還要求保證數(shù)十瓦級別的功率，以增加覆蓋范圍，最大化單根桿體的價(jià)值。

2)集約化建設(shè)的需求——“多桿合一”。當(dāng)前街頭有路燈桿、電力桿、監(jiān)控桿、交通指示牌、廣告牌等多種桿體,數(shù)量多、種類雜、架設(shè)亂的問題越來越突出。尤其是路口，出現(xiàn)了“桿件森林”的狀況，影響城市市容，而且浪費(fèi)公共資源。為了實(shí)現(xiàn)資源“共享、集約、統(tǒng)籌”，降低城市建設(shè)成本，多地城市管理部門開始實(shí)行“多桿合一”方案。

3)智慧城市的需求。隨著城市居住人口的不斷增多，交通擁擠、環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等“城市病”不斷出現(xiàn)?！爸腔鄢鞘小弊鳛榻鉀Q城市病的方案浮出水面。智慧城市融合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù)，將整個(gè)城市變成一套完整的神經(jīng)和記憶系統(tǒng)，對人類行為數(shù)據(jù)化，收集、存儲、分析，從而得到最優(yōu)的解決方案。多功能、多傳感器、支持MBB和IoT(Internet of Things)的智慧桿將成為智慧城市的神經(jīng)末梢，提供無處不在的智能連接、智能環(huán)境感知和智能路況反饋能力，快速處理和匯聚信息，傳送到智慧城市處理中樞，使能各種智慧業(yè)務(wù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在這類需求中，智慧桿的運(yùn)營和管理平臺是未來的靈魂[5，6]。

2 智慧桿標(biāo)準(zhǔn)化的建議

移動通信、“多桿合一”、 智慧城市對智慧桿的需求側(cè)重不同，以下主要從移動通信基站建設(shè)的角度，探討5G建設(shè)的基礎(chǔ)能力需求及其標(biāo)準(zhǔn)建議。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)的“三段式”標(biāo)準(zhǔn)化

從應(yīng)用場景看，城市智慧桿應(yīng)用主要分為兩大類場景(如圖1所示)。

圖1 智慧桿設(shè)備布局Fig.1 Equipment layout of smart pole

a)道路場景：桿體高度為9～12 m，滿足城市道路照明、智能交通、智能監(jiān)控、無線通信、智能物聯(lián)等應(yīng)用。

將此次研究結(jié)果均錄入SPSS20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件中,并對研究結(jié)果整理分析。計(jì)量資料采用分?jǐn)?shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,組間差異用t檢驗(yàn);計(jì)數(shù)資料采用(n,%)表示,并采用x2表示。當(dāng)P

b)園區(qū)場景：桿體高度為6～9 m，滿足中央商務(wù)區(qū)、校園、工業(yè)園等數(shù)字化智能園區(qū)應(yīng)用方案。

無論是道路場景或者是園區(qū)場景，對于智慧桿架構(gòu)的需求是歸一的。根據(jù)設(shè)備的使用及掛載要求，智慧桿系統(tǒng)架構(gòu)上我們推薦采用“三段式”標(biāo)準(zhǔn)化，其中，頂段——放置基站及回傳等通信設(shè)備，考慮無線覆蓋效率最優(yōu)；中段——掛載攝像頭、顯示屏、傳感器等智慧單元設(shè)備，考慮智慧應(yīng)用易擴(kuò)展、易維護(hù)；底段——傳輸設(shè)備、電源設(shè)備、邊緣計(jì)算等ICT設(shè)備，建議內(nèi)置桿體。

2.2 關(guān)鍵單元的標(biāo)準(zhǔn)化

2.2.1 基站單元

考慮無線覆蓋效率，建設(shè)成本和環(huán)境因素，5G智慧桿站對于射頻設(shè)備有如下的要求：

1)環(huán)境友好：能偽裝，可隱藏。

2)極致體驗(yàn)：覆蓋區(qū)域內(nèi)提供Gbit/s的速率，具有穿透樹木遮擋和一堵墻壁的能力。城區(qū)桿站間距在100～300 m，采用20～60 W基站模塊可實(shí)現(xiàn)最佳無縫覆蓋。

4)接口解耦：基站和燈桿之間接口標(biāo)準(zhǔn)化，降低適配成本(散熱、防水、信號穿透、設(shè)備掛載、防雷、線纜裝配)，如圖2所示。

使用頂桿設(shè)備艙設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)基站和燈桿的解耦。通過頂桿倉的標(biāo)準(zhǔn)化法蘭，桿體廠家在設(shè)計(jì)和建造時(shí)只需焊機(jī)此標(biāo)準(zhǔn)化法蘭，后續(xù)待運(yùn)營商有加站需求時(shí)，直接將頂桿倉加載在智慧桿頂端標(biāo)準(zhǔn)化法蘭上，確保未來加站最小化成本投入，即使基站設(shè)備發(fā)生改變也不會影響桿體。

圖2 5G智慧桿頂桿解耦Fig.2 Decoupling of smart pole radio head

2.2.2 電源單元

1)電源一體化MIMO(multiple input multiple output)設(shè)計(jì)。智慧桿匯集了攝像頭、環(huán)境傳感器、WIFI、無線基站等各類設(shè)備，設(shè)備的供電電壓、功率、輸入輸出等各不相同，因此智慧桿用電源需要滿足MIMO多路輸入輸出和智能管理設(shè)計(jì)，輸入兼容HVDC與220 VAC，當(dāng)負(fù)載功率較大且有拉遠(yuǎn)時(shí)選擇HVDC供電，以降低電纜損耗、節(jié)約能源；輸出支持12 VDC、24 VAC、-48 VDC等，以滿足不同負(fù)載供電。

2)智能監(jiān)控管理。5G的發(fā)展帶來海量的智慧桿站點(diǎn)，其維護(hù)管理將面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，智慧桿站電源需要支持智能網(wǎng)管功能，具備監(jiān)控自身輸入、輸出、故障等運(yùn)行狀態(tài)信息，并上報(bào)給網(wǎng)管，以滿足統(tǒng)一遠(yuǎn)程架空管理，降低綜合運(yùn)維成本。

3)智慧桿弱電化。電源模塊化設(shè)計(jì)，支持智慧桿設(shè)備全部弱電化。LED燈與LED屏也可以考慮輸入直流化，強(qiáng)電不上桿，降低人員被桿電擊風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 傳輸單元

1)有線傳輸。智慧桿需要匯聚網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持10GE/GE/STM-N和通信基站專用接口如eCPRI/CPRI多業(yè)務(wù)接入，節(jié)省眾多掛載應(yīng)用設(shè)備的通信匯聚接入投資。線路達(dá)到帶寬100 Gbit，采用OTN硬管道，支持業(yè)務(wù)物理隔離，保障業(yè)務(wù)安全。采用時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)。

2)無線傳輸。相比有線傳輸，無線傳輸針對無光纖到位的場景。目前智慧桿的無線傳輸解決方案可采用專用無線網(wǎng)絡(luò)或小微波方案。典型情況下，對于視頻回傳有移動需求的小帶寬場景，推薦用專用無線網(wǎng)絡(luò)方案；若是無移動需求的固定視頻回傳大帶寬場景，推薦用小微波方案。

2.3 智慧桿運(yùn)維的標(biāo)準(zhǔn)化

智慧桿站是智慧城市的節(jié)點(diǎn)與信息入口，桿體承載多業(yè)務(wù)，要通過統(tǒng)一運(yùn)維管理平臺。管理平臺要注意以下三項(xiàng)功能。

1)智慧桿地理化可視。智慧桿管理平臺，支持所有接入前端設(shè)備的GIS地圖展示，支持GIS地圖可視化展示平臺運(yùn)維設(shè)備詳情，提供街道、區(qū)域、設(shè)備搜索功能，支持查看所有前端接入設(shè)備告警、故障信息、信號強(qiáng)度、開關(guān)燈狀態(tài)、和調(diào)光等級等。

2)跨行業(yè)場景間聯(lián)動。智慧桿管理平臺具備多業(yè)務(wù)場景見聯(lián)動特性，可以在管理智慧多功能桿相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展管理更多智慧城市類設(shè)備，例如煙感、井蓋、垃圾桶等。對于接入的不同行業(yè)場景，通過設(shè)置一定的規(guī)則，提供不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)/終端間的聯(lián)動(如煙感報(bào)警后觸發(fā)規(guī)則：對應(yīng)的攝像頭將監(jiān)控角度對準(zhǔn)預(yù)設(shè)的煙感方位)。

3)分權(quán)分域管理。智慧桿管理平臺具備完善的分權(quán)分域管理功能?？梢酝ㄟ^設(shè)置不同的角色、用戶實(shí)現(xiàn)對分區(qū)域、分設(shè)備、分功能的權(quán)限管理。

此外，智慧桿管理平臺可以通過設(shè)置客戶組對系統(tǒng)管理方的客戶進(jìn)行授權(quán)，被授權(quán)的客戶可以根據(jù)所賦予的權(quán)限查看、控制、管理所屬設(shè)備。通過此功能可以使系統(tǒng)管理方以SaaS(software as a service)化的方式向其客戶提供智慧桿子模塊的功能服務(wù)。

3 結(jié)語

隨著5G時(shí)代的到來，智慧桿相關(guān)的政策制定、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)樣板點(diǎn)的建設(shè)都將會加速。我們相信，在政策與標(biāo)準(zhǔn)的牽引下，智慧桿建設(shè)將與5G部署相輔相成，共同構(gòu)筑新型智慧城市的基礎(chǔ)。