物聯網時代5G 微小基站建設模式研究

張 琨，周 斌，張 濤

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南長沙410001）

1 研究背景

5G 將是引領科技創新、實現產業升級、發展新經濟的基礎性技術，運營商作為國家信息基礎設施的建設者和運營者，將堅定不移落實網絡強國和5G 國家戰略。2020 年為運營商5G 網絡大規模建設元年，5G服務能力在快速提升，網絡質量和業務體驗在不斷增強。

目前城市中林立著各種桿塔，而無線通信的微基站、視頻監控、充電樁等設備都只需占用桿塔上小部分空間[1]。路燈桿作為基礎設施遍布在城市的各個角落，在規劃部署5G 微小基站時，可根據所處場景，改造現有的路燈桿為智慧燈桿，同時考慮部署環境監測、車聯網、LED 大屏等其他物聯網的終端感知采集設備，充分利用智慧燈桿資源，解決5G 微小基站選址難的問題，同時也有效避免基礎傳感網絡的重復建設，降低能耗、節約成本，實現城市海量數據快速采集的需求[2]。

2 5G 標準化進程

2.1 5G 國際標準化制定進程

Rel- 15 標準是國際標準組織3GPP 推出的第一個版本的5G 標準，滿足部分5G 需求，于2018 年凍結；5G 標準的第二個版本Rel- 16 已完成全部標準化工作，滿足ITU 定義的需求，于2020 年7 月凍結；現已啟動Rel- 17 版本的研究工作，暫定于2021 年9 月凍結。[3]5G 標準進程如圖1 所示。

圖1 5G 國際標準化制定進程圖

2.2 5G 技術研發實驗（2016- 2018 年）：支撐5G國標標準研制[3]

1）5G 關鍵技術驗證：評估5G 候選關鍵技術性能，推動關鍵技術標準共識達成。

2）5G 技術方案驗證：驗證不同廠商的5G 技術方案性能，制定統一的設備規范和測試規范。

3）5G 系統驗證：通過多基站高低頻混合組網，評估5G 系統在組網條件下的性能，并開展5G 典型業務演示。

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

5G Rel- 17 一方面聚焦于進一步增強Rel- 16 已有工作基礎上的網絡和業務能力，包括多天線技術、低時延高可靠、工業互聯網、終端節能、定位和車聯網技術等；另一方面也提出了一些新的業務和能力需求，包括覆蓋增強、多播廣播、面向應急通信和商業應用的終端直接通信、多SIM終端優化等。

3 5G 超密集組網及頻譜計劃

3.1 超密集組網

5G 網絡是一種利用宏基站與低功率微基站混合的宏微異構網絡，高低頻協同。隨著移動通信應用場景的多樣性，且數據流量隨時間和地點呈現出較大差異，傳統宏基站為主的網絡架構將難以適應爆炸式增長的通信業務需求的挑戰，而超密集組網是解決此挑戰的有效方法[4]。5G 超密集組網如圖2 所示。

5G 超密集組網在業務層面，由宏基站負責低速率、高移動性業務的傳輸，微基站主要承載高帶寬業務。宏基站負責覆蓋以及微基站間資源協同管理，根據業務發展需求以及分布特性靈活部署微基站，從而實現宏微異構模式下控制與承載的分離。通過控制與承載的分離，超密集組網可以實現覆蓋和容量的優化，解決密集組網環境下頻繁切換問題，提升用戶體驗，提升資源利用率。

圖2 5G 超密集組網示意圖

3.2 頻譜計劃

工業和信息化部在2017 年11 月發布通知，規劃3.3- 3.6 GHz 和4.8- 5 GHz 頻段作為5G 系統的工作頻段，其中，3.3- 3.4 GHz 頻段原則上限室內使用[5]。

1）我國5G 頻譜規劃如下：低頻段（6 GHz 以下）作為基礎層，用于廣覆蓋，提供基本的用戶體驗速率；高頻段（6 GHz 以上）用于滿足室內和室外熱點區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 頻譜應用場景如表1 所示。

表1 5G 頻譜計劃表

4 5G 宏微結合規劃思路與原則

4.1 規劃思路

隨著5G 和物聯網時代的到來，其關鍵技術超密集組網要求采用分層立體組網，網絡呈現室內外協同、宏站微站協同搭配的異構網絡形態。通過使用低功率、微小基站的部署，縮小站間距來滿足5G 可靠用戶的速率和容量等需求，低功率、微小基站是網絡建設的趨勢，是未來無線網的基本組成部分。其具體規劃思路如下：統籌規劃，采用批量化模式，即批量承接、（標準化）批量建設、批量交付；采用無線網絡規劃中的網格模式，做好宏微結合、室內外協同規劃；做好資源經營工作，以“共享”為切入點，獲得政府支持。

4.2 規劃原則

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

圖3 5G 高低頻覆蓋區域示意圖

超密集組網是宏站與大量的5G 微小基站共同組網形式，且采用監控桿、電線桿、路燈桿、掛墻、小抱桿、原有運營商桿塔等站址資源的5G 微小基站形態越來越多。微站作為補忙和補盲是現在和未來覆蓋方案主要手段，其主要覆蓋場景如下：室外主要用于商業區、生活廣場、步行街巷/ 街道、旅游景點、城區道路、密集的普通生活區等場景；室內主要用于機場、火車站等容量需求大的交通樞紐、會展中心、購物中心、體育館等場景。

5 5G 微站的建設方式

5.1 5G 微站設備形態

5G 設備一般分為BBU（CU+DU）和AAU，其中BBU（CU+DU）設備一般安裝在運營商的機房內，AAU設備一般安裝在塔桅上。5G 微站設備如圖4 所示。

圖4 5G 微站設備形態圖

5.2 5G 微站主要建設方式

物聯網時代的5G 微站以新建桿塔為主、利舊其他設施為輔，使方案標準化、產品化、簡美化。常見的有以下幾種建設方式：

1）新建5G 微小基站智慧燈桿。應綜合考慮“融合性”，優先選用“構件化”“標準化”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控桿，新建桿塔與環境融合。而構件化可根據需求及場景進行靈活組裝，提前預留好相關接口及“模塊化”構件，按需求進行配置。根據不同風壓系數、不同高度、不同造型的標準化桿塔，預留Wi- Fi、手機無線充電、充電樁、視頻監控等標準化接口[7]。

5G 微小基站多功能智慧燈桿，采用改造路燈桿的建設方式，一桿多用，使桿塔具備掛載各項物聯網應用功能模塊設備的能力。桿塔上的設備，可由路燈箱變電源供電；傳輸光纜由市政或電信運營商統一規劃的管道敷設，采用有線方式傳送數據；設備的電源模塊和光纜終端盒集中安裝于同一設備箱內，對于改造的桿塔，可加粗桿體并內置配套設備安裝箱，所有桿體上的線纜也應在桿體內布放，更好地保護線纜及設備不受損壞，從而實現桿體及各項資源共享，減少基礎設施投入，優化城市空間布局。智慧燈桿上建議掛載以下功能模塊：5G 微小基站、智能路燈、車聯網路側設備、視頻監控、LED 大屏信息發布、Wi- Fi 熱點、手機無線充電、環境監測、新能源充電樁等。

圖5 單臂多功能智慧燈桿示意圖

2）利用社會桿塔資源。利用社會桿塔資源的特點是安裝快捷、節省塔房、單獨引電、小幅投入、快速交付。對建站區域內規?；墓操Y源桿體可考慮采用此種建設方式，如利用路燈桿、水塔、廣告牌、電力桿、水泥桿、監控桿和交通信號桿等。此外，利用原有桿體建站需注意以下三個方面：首先應考慮桿體的受力平衡，盡可能對稱安裝設備，保證桿體不因基站建設而出現傾斜的現象；其次考慮同一路段燈桿、監控桿等類型的統一性，每個路段抽檢1- 2 根進行檢測及承重復核；最后如可只利用社會資源桿塔的位置，并將原有承載能力不夠的桿塔拆除，重建承載能力達標的桿塔，以滿足微站建設承載要求，同時兼顧功能性擴展。

3）利用社會建筑物資源。社會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、道路等場景，如圖6所示。

圖6 利用社會建筑物資源示意圖

6 結束語

5G 網絡的覆蓋距離較短，5G 微小基站更是采用密集組網，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建設，避免城市道路兩側特別是路口桿體林立的亂象，節約城市空間，讓城市變得更智慧，大大節省了基礎設施重復建設投入的資金和時間。

以5G 微小基站智慧燈桿為載體來建設物聯網平臺，有著重要的前瞻性和適用性，符合智慧城市高標準、高定位、國內先進性等建設要求。5G 作為革命性的新技術，建立了全新的移動網絡架構，5G 網絡作為物聯網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據入口，集成了各項物聯網應用功能模塊，讓市民切實體驗到新科技帶來的生活便利，這項舉措對推進城市建設、管理，塑造低碳化和智慧化城市新形象起到無可替代的重要作用。